旋轉式家用蔬菜花卉一體種植智能微型小溫棚設計

唐梓豪，劉 亮，歐陽有偉，王福平

（北方民族大學 電氣信息工程學院，寧夏回族自治區(qū) 銀川 750021)

現代自控溫室發(fā)展初期，受到技術條件的限制，僅能對溫室內某一環(huán)節(jié)因子進行調節(jié)[1]。雖然隨著科技的發(fā)展，物聯(lián)網在智能大棚方面已有應用，但多集中于操控單一農作物的溫室大棚，系統(tǒng)復雜，成本高昂[2]，多用于科學研究，很少用于農業(yè)生產[3]。另外，我國現有的溫室大棚監(jiān)控系統(tǒng)大多對使用者的專業(yè)知識要求較高[4]，很不適合擁有豐富傳統(tǒng)農耕經驗但缺乏現代化農業(yè)管理知識的農民使用。2021年，殷振新等[5]設計了一種MINI 溫室，通過升降輸送機構解決了老年人體力受限、搬運等工作不便親自操作的問題，但是未涉及合理安排種植空間、多種植物智慧種植算法以及多設備云平臺聯(lián)網控制等問題?；诖?，本文設計了一種由PLC、觸摸屏、手機app、物聯(lián)網云平臺共同控制的旋轉式家用蔬菜花卉一體種植智能微型小溫棚，以實現家庭蔬菜、花卉的一體化智能種植。

1 旋轉式家用微型小溫棚概況

旋轉式多功能微型小溫棚由溫棚外殼、可旋轉種植架、溫控系統(tǒng)、通風系統(tǒng)、噴淋系統(tǒng)及PLC 控制系統(tǒng)組成，圖1 展示的是1 300 mm×1 000 mm×1 100 mm 規(guī)格的溫棚，用戶還可以根據家庭陽臺面積定制適合的溫棚規(guī)格。

圖1 旋轉式多功能溫棚Fig.1 Rotary multifunctional warming shed

溫棚是保障植物正常生長的區(qū)域，為了有效控制溫室環(huán)境因素，防止外界環(huán)境對其產生的干擾，僅將前外殼側板設計為可開啟式的操作門，供用戶栽培操作，操作門關閉時溫棚成為一個封閉的種植空間。溫控系統(tǒng)由粘貼在溫棚背部的電伴熱帶、安裝在兩側的風扇和頂部的噴水閥共同組成，溫度低于設定值時，電伴熱帶工作，加熱升溫，防止低溫對植物產生凍害；溫度高于設定值時，噴水閥噴出水霧且風扇旋轉通風實現溫棚內降溫操作。同時利用風扇的正、反2 種旋轉方向也可以實現CO2濃度的有效調節(jié)，利用噴水閥噴水和噴霧2種工作方式可以實現空氣和土壤的含水量調節(jié)。溫棚中安裝了多種傳感器，使用WiFi無線網絡將檢測到的數據實時傳輸到云端服務器?？刂葡到y(tǒng)CPU 使用西門子s7-200 Smart系列，外接配套17.78 cm 觸摸屏和各種拓展模塊，利用巨控遠程模塊實現無線通訊功能。旋轉栽培架設置4 層，每層深度100 mm，分為3段，可以分別種植不同的蔬菜或花卉，例如菠菜、油菜等，其旋轉式的結構和透明的外殼材料有效的提高了空間利用率、增加了植株的光照面積。

目前，市場上能購買到的家用種植設備僅僅是一個提供恒溫恒濕環(huán)境的小型電溫箱，無法滿足家庭多種類植物種植的需求和彌補城市居民種植經驗的不足。因此，根據調研與實際工況分析，家用溫棚應滿足以下需求：實時監(jiān)測植物生長環(huán)境參數；具備手動/自動控制功能；可以種植多種植物。由系統(tǒng)需求及實際工況分析衍生出的旋轉式家用蔬菜花卉一體種植智能微型小溫棚的功能包括：自動旋轉、自動澆水、溫度控制、CO2濃度控制、遠程操作、智慧種植算法等。

2 機械結構設計

2.1 外形結構設計

微型小溫棚的設計高度為1.3 m，右側面1.2 m 高處設置了控制箱，圖1 中假人身高為1.76 m，因此，控制箱的設計高度既符合人體工程學設計方便操作又節(jié)省了室內空間。同時控制箱上設置了電源開關、指示燈、急停按鈕和觸摸屏。微型小溫棚的兩側裝有通風扇，背部敷設有寬度為12 mm 的電伴熱帶，頂部的3 個噴水閥可分別對植托盤內不同位置的植物澆水。

2.2 旋轉結構設計

種植架由種植托盤、轉盤、軸承、底座和電機組成。旋轉時，應避免種植托盤與植株相干涉從而影響植株的生長空間，因此，需要考慮種植托盤的層間高度。以我國各地常見的家庭種植蔬菜為例，油麥菜的成熟高度約300 mm、小白菜的成熟高度約250 mm、韭菜的成熟高度約250 mm，君子蘭的葉片長度在300～500 mm、蘭花的直立高度為50～200 mm，因此，相鄰種植托盤設計的層間高度為360 mm 可保證植株與種植托盤互不干涉，種植架定位見圖2。

圖2 種植架定位圖Fig.2 Planting frame location map

3 控制系統(tǒng)設計

微型小溫棚的控制由可編程邏輯控制器PLC（Programmable Logic Controller）實現，選用西門子S7-200 Smart系列的ST 20 CPU、SB CM01 通 訊 模 塊、EM AE04 模 擬 量 模 塊GRM530遠程模塊和KT700觸摸屏組成總控單元?？刂葡渖蟽H設置了通電旋鈕和急停按鈕，對溫棚的操作都需要使用觸摸屏和手機app兩種方式進行。

3.1 控制系統(tǒng)結構

控制系統(tǒng)中的被控對象有：以數字量形式直接接入CPU自帶端子的手動按鈕、自動按鈕、急停按鈕、噴水閥、電機接觸器、風扇、伴熱帶以數字量形式直接接入CPU 自帶端子，溫度傳感器、光照傳感器以模擬量形式與EM AE04 模塊連接，土壤墑情傳感器通過SB CM01模塊傳遞數據。

3.2 手動控制模式

在手動控制模式下直接點擊觸摸屏上的按鈕進行對各個系統(tǒng)的點動控制。例如：用戶點擊通風啟動按鈕后，觸摸屏通過以太網通訊將CPU 模塊中定義的與通風啟動相對應的中間變量置位，使風扇連接的輸出觸點Q0.1 閉合輸出，風扇開始旋轉。用戶還可以在觸摸屏界面中查看各個傳感器的實時數據，自主判斷植物生長環(huán)境的適宜程度。

3.3 自動控制模式

在自動控制模式下，控制系統(tǒng)會實時讀取傳感器中的數據，并通過無線通訊模塊將實時數據傳輸并保存到云平臺，與部署于云平臺的智能種植算法相比對，當數據超出植物事宜的環(huán)境參數范圍后，服務器立即向PLC 發(fā)出指令，通過控制包括溫控系統(tǒng)在內的不同功能模塊實現對溫棚內環(huán)境參數的實時調節(jié)，為植物提供更加適宜的生長環(huán)境。用戶只需要進行播種和采摘操作即可收獲新鮮蔬菜。

3.4 遠程控制模式

針對不能在家照料植株的人群設計出了遠程控制模式，用戶可使用手機app 進行手/自動控制模式選擇。app 中設計了各個功能的操作界面和數據監(jiān)測界面，方便用戶操作各項功能并查看生長環(huán)境參數。

4 功能測試

4.1 機械功能測試

使用SolidWorks 軟件進行模型干涉檢查和有限元分析，其結果顯示旋轉架運動結構無相互干涉，可正常實現旋轉功能，對其施加200 N豎直向下的力后未產生明顯形變，根據分析結果制造出微型小溫棚實物。

4.2 數據采集測試

溫棚內實時數據的采集是分析和控制植株生長環(huán)境的關鍵關鍵步驟，隨機抽取了各個傳感器的數據，結果見表1。

表1 傳感器數據Tab.1 Sensor data

4.3 數據傳輸測試

微型小溫棚的控制算和數據庫部署在物聯(lián)網云平臺上，使用巨控GRM530 模塊實現控制箱與云平臺的數據交互，因此，需要對云平臺的數據傳輸功能進行測試，其服務器部署及數據監(jiān)控界面見圖4。

圖4 數據傳輸測試Fig.4 Data transmission test

5 結論

通過市面上傳統(tǒng)溫棚與主流溫棚監(jiān)控系統(tǒng)對比，傳統(tǒng)溫棚無法做到種植環(huán)境的可檢測與管理。本套系統(tǒng)設計采用wifi 無線傳感網絡，通過設計現場檢測終端與遠程云監(jiān)控平臺，實現了感知層、網絡層到平臺層和應用層，設計了一套完整的旋轉式多功能智能家庭溫棚監(jiān)控系統(tǒng)。構建了旋轉式家用蔬菜花卉一體種植智能微型小溫棚的機械結構，旋轉式的結構充分的利用了家庭陽臺的垂直高度，有效提高了光照利用率，可支持多種蔬菜和花卉同時種植。設計了基于PLC的溫棚控制系統(tǒng)，能實時讀取溫棚內各個傳感器的數據并完成旋轉、澆水、通風、加熱和加濕等動作的控制，以人機交互的形式增加了用戶在種植過程中的參與程度。開發(fā)了觸摸屏操作界面、手機應用程序，分別通過實體按鈕、觸摸屏和手機app 實現了手動、自動、遠程3 種控制方式，適合不同人群的多種應用場景，同時，內置的智慧種植算法也解決了城市居民缺少種植經驗的問題。