一種能提供近似自然生長環(huán)境的育苗系統(tǒng)設(shè)計

陳菊，張誠喆，陳園，趙慶

（1.武昌工學(xué)院 信息工程學(xué)院，湖北武漢，430000；2.湖北工業(yè)大學(xué)，湖北武漢，430000）

0 引言

中國自古以來就是一個農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)業(yè)是我國國民經(jīng)濟的基礎(chǔ)[1]。但是隨著我國人口老齡化形勢日益嚴(yán)峻以及耕地日益減少，農(nóng)業(yè)勞動力日益短缺。同時，我國農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化程度較低。2021 年11 月12 日，國務(wù)院印發(fā)的《“十四五”推進(jìn)農(nóng)業(yè)農(nóng)村現(xiàn)代化規(guī)劃》中明確指出：“實現(xiàn)農(nóng)業(yè)農(nóng)村現(xiàn)代化是全面建設(shè)社會主義現(xiàn)代化國家的重大任務(wù)”。智能農(nóng)業(yè)裝備也被列入了2025 中國智造計劃。

隨著計算機技術(shù)、通信技術(shù)以及傳感器技術(shù)的發(fā)展，基于互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)在智能家居、共享交通、工業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[2]。在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的出現(xiàn)同樣帶來了翻天覆地的變化。智能溫室大棚就是基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)典型代表，90 年代初我國農(nóng)業(yè)科學(xué)院研制了基于Windows 的智能溫控管理系統(tǒng)，孫學(xué)斌等人研制了基于計算機和51 單片機的智能溫室系統(tǒng)，能夠監(jiān)測溫室環(huán)境中的各種生長因素并對其進(jìn)行控制；90 年代中期，毛罕平等人研制了一種能對多種參數(shù)綜合控制的溫室軟硬件控制系統(tǒng)[3]。1995 年開始，國內(nèi)各高校開始研究大棚各參數(shù)調(diào)控系統(tǒng)[4]。2007 年6 月，中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院研制了國內(nèi)第一套單井抽灌淺層地能溫室環(huán)境調(diào)控系統(tǒng)。2012 年劉俊巖等人設(shè)計了一套由太陽能供電的溫室自動灌溉系統(tǒng)，系統(tǒng)采用ZigBee 無線傳輸?shù)姆绞?，實現(xiàn)了遠(yuǎn)程的實時監(jiān)控功能[5]。2015 年，姚偉等人設(shè)計了溫室環(huán)境的檢測與調(diào)節(jié)系統(tǒng)，利用 PLC 采集環(huán)境參數(shù)并作為控制器控制相關(guān)執(zhí)行機構(gòu)，利用 Visual Basic 開發(fā)了上位機監(jiān)控軟件[6]。

我國智能溫室大棚技術(shù)雖然取得了較大的進(jìn)步[7]，但溫室育苗仍然存在幼苗移植到自然環(huán)境中后成活率低、抗自然災(zāi)害能力差的特點[8]，通過對文獻(xiàn)的查閱及與育苗技術(shù)人員的交流發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)生上述問題的主要原因是溫室育苗過程中的生長參數(shù)與實際自然環(huán)境差異較大，導(dǎo)致移植后的幼苗移植幼苗成活率低、抗自然災(zāi)害能力差。針對上述問題，本文提出了一種基于云平臺和大數(shù)據(jù)的，能為種苗培育提供接近其自然生長環(huán)境的智能育苗系統(tǒng)[9]。該系統(tǒng)能夠監(jiān)測及控制育苗過程中的溫度、濕度、光照度、通風(fēng)等關(guān)鍵生長參數(shù)，通過對抗自然災(zāi)害能力強的幼苗生長環(huán)境的大數(shù)據(jù)監(jiān)測，獲得最佳的育苗參數(shù)并存儲在云平臺；同時，該系統(tǒng)用云平臺進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析與存儲、以STM32 單片機作為育苗系統(tǒng)的主控制器，利用4G 無線傳輸模塊與云平臺上的總控制通信，具有成本低、管理方便的優(yōu)點。論文的研究成果在智能育苗設(shè)備及種苗培育行業(yè)具有極大的應(yīng)用潛力。

1 系統(tǒng)設(shè)計

智能育苗系統(tǒng)包括由不同系列育苗箱構(gòu)成的感知層、無線網(wǎng)絡(luò)傳輸層和網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用層三部分構(gòu)成[10]，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示。育苗箱能夠自主運行，通過自身安裝的控制器可以實現(xiàn)溫度、濕度、光照度、通風(fēng)等關(guān)鍵生長參數(shù)的調(diào)節(jié)與控制，同時還能夠?qū)y得的環(huán)境參數(shù)通過4G 透傳模塊發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用層進(jìn)行大數(shù)據(jù)記錄；基于4G 的無線網(wǎng)絡(luò)傳輸層的作用是將多個獨立的育苗箱設(shè)備與應(yīng)用管理系統(tǒng)連接，實現(xiàn)信息的互通；應(yīng)用層的管理系統(tǒng)能夠分析并記錄幼苗的生長數(shù)據(jù)，并通過大數(shù)據(jù)實現(xiàn)幼苗最佳生長數(shù)據(jù)的擬合與分類存儲，當(dāng)需要利用育苗箱培育某種幼苗時，用戶可以從管理系統(tǒng)中調(diào)取幼苗的最佳生長數(shù)據(jù)，并實時地發(fā)送給育苗箱進(jìn)行幼苗培育。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

■1.1 育苗箱硬件系統(tǒng)設(shè)計

智能育苗箱的硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2 所示，采用主從兩個控制器實現(xiàn)系統(tǒng)傳感信號的測量與處理，其中主控制器主要負(fù)責(zé)傳感信號的采集、數(shù)據(jù)的處理、與云平臺通訊，以及控制從控制器的工作；從控制器結(jié)合大功率LED 驅(qū)動器主要實現(xiàn)三路（拓展更多路）植物燈的強度控制。該智能育苗系統(tǒng)可以通過設(shè)備自帶的觸摸屏設(shè)定內(nèi)部溫度、濕度以及光照度等環(huán)境參數(shù)，也可以通過云平臺上的控制系統(tǒng)實現(xiàn)上述環(huán)境參數(shù)的遠(yuǎn)程設(shè)置；主控制器通過傳感獲取實時環(huán)境參數(shù)并與目標(biāo)值比對；并根據(jù)比對結(jié)果控制通風(fēng)、加濕、空調(diào)等設(shè)備調(diào)節(jié)育苗系統(tǒng)內(nèi)部環(huán)境參數(shù)直到其達(dá)到設(shè)定值。

圖2 育苗箱硬件結(jié)構(gòu)圖

主控芯片主要需要將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行運算級、處理，并通過4G 透傳模塊發(fā)送給云端總控制系統(tǒng)，另外需要接收主機傳達(dá)的命令，對設(shè)備進(jìn)行控制。論文對常用單片機性能進(jìn)行了比較，如表1 所示。論文最終選擇了I/O 口豐富、數(shù)據(jù)處理及抗干擾能力強的STM32F103C8T6 單片機作為本系統(tǒng)的主控制器[11]。

表1 單片機性能比較

■1.2 傳感器選型

（1）溫濕度傳感器

本文環(huán)境溫濕度的測試 選 用DHT11 芯 片， 實物圖如圖3 所示。該芯片采用電阻式元件用于采集濕度以及NTC 感溫元件，內(nèi)含一個8 位單片機。它具有性價比高，體積小，抗干擾能力強，精度高，功耗小等優(yōu)點。該芯片其他參數(shù)見表2。

圖3 DHT11 模塊實物圖

（2）CO2濃度傳感器

對于環(huán)境中CO2濃度的采集采用MG811 傳感器。該傳感器是一種半導(dǎo)體氧化物化學(xué)傳感器。工作原理：利用固體電解質(zhì)電池原理來檢測CO2的濃度，當(dāng)傳感器保持在一定的工作溫度，置于CO2氣氛中時，電池正負(fù)極發(fā)生電極反應(yīng)，傳感器敏感電極和參考電極之間產(chǎn)生電動勢，輸出信號電壓與CO2濃度的對數(shù)成反比例線性關(guān)系，通過測試信號電壓的變化，可檢測到CO2濃度的變化。MG811 傳感器主要參數(shù)見表3。

表3 MG811參數(shù)

（3）光照強度傳感器

光強信息的采集選用HA2003 光照傳感器。該傳感器采用高精度的光電轉(zhuǎn)換模塊，將光強轉(zhuǎn)換為電信號調(diào)理電路轉(zhuǎn)換為0～2V。具有精度高、體積小、耐腐蝕響應(yīng)速度快等優(yōu)點。HA2003 光照傳感器的主要參數(shù)見表4。

表4 HA2003主要參數(shù)

■1.3 DTU 傳輸模塊選型

本系統(tǒng)對于傳輸數(shù)據(jù)的速率要求不高，因此采用性價比較高的GPRS 方法。DTU 是一種基于GPRS 網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臒o線終端設(shè)備[12]。DTU 具有以下優(yōu)點：組網(wǎng)迅速靈活，建設(shè)周期短、成本低；網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍廣；安全保密性能好；鏈路支持永遠(yuǎn)在線、按流量計費、用戶使用成本低?，F(xiàn)場測試節(jié)點與 DTU 之間通過 RS-232 串口通信實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，DTU模塊將數(shù)據(jù)整理成網(wǎng)絡(luò)通信的數(shù)據(jù)包，利用 GPRS 網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至服務(wù)器端進(jìn)行存儲。論文選用的DTU 實物圖4 所示。

圖4 DTU 實物

■1.4 電氣控制模塊設(shè)計

本系統(tǒng)執(zhí)行設(shè)備的狀態(tài)只有“開”和“關(guān)”兩種狀態(tài)，論文采用繼電器進(jìn)行控制。繼電器是一種應(yīng)用于自動控制電路中的控制器件，主要作用是通過小電流來控制大電流，起著保護電路、電路轉(zhuǎn)換和自動調(diào)節(jié)的作用，具有體積小、動作快、穩(wěn)定性強等優(yōu)點。其工作原理為：利用電磁感應(yīng)通過在線圈兩端加電壓產(chǎn)生電流繼續(xù)對銜鐵產(chǎn)生吸引力進(jìn)而控制電路通斷。目前繼電器主要有電磁式繼電器和固態(tài)繼電器兩種類型。論文通過控制器向繼電器發(fā)送命令使電路通或者斷。

本系統(tǒng)采用SRD-05VDC-SL-C 電磁繼電器。主要參數(shù)為：吸合電壓為 5V；最低為 3.75V；吸合額定電流為 71.4mA；落下電壓為 0.5V。總共有六套執(zhí)行機構(gòu)，分別為：通風(fēng)機、CO2制造器、遮陽機、補光機、溫度控制器、濕簾系統(tǒng)，每一個執(zhí)行設(shè)備都設(shè)計了單獨的繼電器控制電路。同時，為了避免執(zhí)行機構(gòu)與前端控制電路的相互干擾，論文在兩者中間加入了一個PC817 光電隔離器。繼電器控制電路如圖5 所示。

圖5 繼電器控制電路

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

育苗系統(tǒng)的軟件包括育苗系統(tǒng)主控制器部分的STM32單片機程序和平臺主控制軟件程序。前者主要內(nèi)容為：STM32 單片機上操作系統(tǒng)的移植、 LwIP 協(xié)議移植、測量模塊程序設(shè)計、執(zhí)行單元程序設(shè)計以及顯示器程序設(shè)計；后者主要內(nèi)容為：軟件界面設(shè)計、通信模塊設(shè)計、數(shù)據(jù)庫模塊設(shè)計。軟件框架如圖6 所示。

圖6 軟件框架

■2.1 STM32 程序設(shè)計

STM32 單片機程序主要是為了實現(xiàn)對硬件系統(tǒng)的測量與控制，是整個系統(tǒng)的核心。STM32 單片機可以與平臺主控制軟件通訊，發(fā)送測量數(shù)據(jù)給平臺主控制軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲、分析與顯示；同時接收平臺主控制軟件發(fā)送過來的控制指令，接收指令經(jīng)過解碼與分析后，控制系統(tǒng)的空調(diào)系統(tǒng)、加濕系統(tǒng)、光照、通風(fēng)等設(shè)備按照預(yù)設(shè)的流程進(jìn)行工作，并實時檢測各設(shè)備是否正在工作。 STM32 單片機的關(guān)鍵程序執(zhí)行流程如圖7 所示，單片機啟動后，首先檢測與平臺主控制軟件通信是否連接成功，如果連接未成功，一直處于等待連接的狀態(tài)；連接成功后，將各傳感器測得的數(shù)據(jù)發(fā)送給控制軟件平臺，并提示單片機控制系統(tǒng)正常工作；如果平臺主控制軟件下發(fā)了控制設(shè)備指令，單片機按照控制指令控制各設(shè)備工作；如果未接收到控制指令，STM32 單片機一直處于參數(shù)監(jiān)測狀態(tài)。

圖7 數(shù)據(jù)傳輸流程

■2.2 平臺主控制軟件設(shè)計

平臺主控制軟件基于具有面向?qū)ο筇匦缘腣C6.0 平臺設(shè)計。其主控制界面如圖8 所示。整個主控制軟件界面包括各監(jiān)測參數(shù)的上下限設(shè)置、監(jiān)測結(jié)果的實時顯示，以及各設(shè)備控制兩大部分。其中設(shè)備的控制可設(shè)置手動控制和自動控制兩種運行方式。手動設(shè)置模式下，設(shè)備開啟，并實時顯示各傳感參數(shù)；自動控制模式下，設(shè)備在各個參數(shù)設(shè)置的上下線區(qū)間工作，并顯示實時測量結(jié)果。另外平臺主控制軟件中設(shè)置了一個報警系統(tǒng)，當(dāng)監(jiān)測值超過了預(yù)設(shè)的上下限會立刻報警，提示某個參數(shù)超出預(yù)設(shè)范圍；設(shè)備控制包括對光照系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)、濕簾系統(tǒng)、二氧化碳產(chǎn)生器的控制等，分為自動控制跟手動控制兩種控制方式。在自動模式下，能夠自動保持各項參數(shù)處于預(yù)設(shè)范圍之內(nèi)。

圖8 主控制界面

另外，平臺主控制軟件還具有數(shù)據(jù)保存功能、數(shù)據(jù)查詢功能、數(shù)據(jù)刪除功能。當(dāng)育種箱環(huán)境某一個參數(shù)超出了預(yù)設(shè)范圍時，控制軟件會進(jìn)行聲音報警跟閃爍燈報警。數(shù)據(jù)庫采用SQL Sever 2008 數(shù)據(jù)庫，主要用于保存溫室環(huán)境各項參數(shù)跟執(zhí)行單元信息。用戶可以對數(shù)據(jù)保存、查詢、刪除。例如勾選自動控制，通過“設(shè)置”子菜單調(diào)取某種幼苗生長曲線，點擊運行后育苗系統(tǒng)會按照生長曲線控制幼苗的環(huán)境參數(shù)。

3 總結(jié)

論文針對我國非自然環(huán)境下育苗系統(tǒng)智能化程度低、移植幼苗抗自然災(zāi)害能力差的問題，設(shè)計了基于云平臺和STM32 單片機的遠(yuǎn)程育苗系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠通過對幼苗生長大數(shù)據(jù)監(jiān)測，擬合最佳的育苗參數(shù)并存儲在云平臺。當(dāng)需要育苗時，云平臺上的總控制系統(tǒng)調(diào)出幼苗的生長數(shù)據(jù)，并通過4G 無線傳輸模塊實現(xiàn)與育苗系統(tǒng)主控制器通訊；育苗箱主控制器根據(jù)總控制系統(tǒng)下發(fā)的指令，能夠控制通風(fēng)、加濕、調(diào)溫、調(diào)光等設(shè)備的運行，實現(xiàn)育種箱內(nèi)部環(huán)境參數(shù)的調(diào)控，同時監(jiān)測育苗系統(tǒng)的環(huán)境參數(shù)，并上傳到云平臺分析、存儲。論文的研究成果在智能育苗設(shè)備及種苗培育行業(yè)具有極大的應(yīng)用潛力。