基于STM32的農(nóng)用高壓靜電場助長系統(tǒng)研究

摘 要：為了研究強(qiáng)度適宜的高壓靜電場對農(nóng)業(yè)系統(tǒng)中農(nóng)作物、禽畜的增益作用，設(shè)計了一種利用光伏發(fā)電供能的農(nóng)用高壓靜電場助長系統(tǒng)。該系統(tǒng)以STM32、傳感器為硬件核心，利用光伏發(fā)電作為系統(tǒng)的能源供給，通過施加強(qiáng)度適宜的高壓靜電場提高農(nóng)作物和禽畜的生長效率和產(chǎn)量，并且配備了相應(yīng)的物聯(lián)網(wǎng)交互軟件，使農(nóng)場管理者可以實時查看農(nóng)場環(huán)境，結(jié)合實際情況調(diào)整系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置。為了驗證理論分析及設(shè)計，制作了實驗樣機(jī)并編寫了物聯(lián)網(wǎng)交互軟件。實驗結(jié)果表明，高壓靜電場可以有效促進(jìn)農(nóng)牧循環(huán)中的個體生長，對農(nóng)場環(huán)境具有優(yōu)化作用，農(nóng)場管理者可以實施檢測并調(diào)整農(nóng)業(yè)助長系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置，以數(shù)字化助推農(nóng)、牧、場三位一體化優(yōu)質(zhì)發(fā)展。

關(guān)鍵詞：農(nóng)牧循環(huán)；光伏儲能；高壓靜電場；STM32；遙視監(jiān)控；智慧農(nóng)業(yè)

中圖分類號：TP272 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2024）07-00-03

0 引 言

我國農(nóng)業(yè)土地總體呈小而散的分布形式，大部分地區(qū)仍停留在傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式，基礎(chǔ)設(shè)施落后，勞動生產(chǎn)率較低。隨著經(jīng)濟(jì)與科技水平的發(fā)展，新的智慧農(nóng)牧種養(yǎng)模式被大力推廣，經(jīng)濟(jì)、社會、生態(tài)三類效益一體化的農(nóng)產(chǎn)目標(biāo)不斷被強(qiáng)調(diào)。其中農(nóng)用高壓靜電場助長系統(tǒng)是數(shù)字化智慧農(nóng)場的新產(chǎn)物。強(qiáng)度適宜的高壓靜電場對農(nóng)場系統(tǒng)具有積極作用，對農(nóng)作物、畜禽生命活動等許多方面具有增益作用。文獻(xiàn)[1]驗證了電場預(yù)處理對小麥幼苗抗寒性的增益作用，不但可以提高小麥幼苗葉片的脯氨酸含量，而且可以提高幼苗的抗低溫脅迫能力。文獻(xiàn)[2]研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)高壓靜電場處理后的番茄種子，其發(fā)芽率、株高、莖粗、葉片數(shù)及抗病性等生物學(xué)指標(biāo)均發(fā)生了明顯改善，并且對葉霉病的抗病性也得到了大幅提高。文獻(xiàn)[3]證明了適宜的電場強(qiáng)度和作用時間可以促進(jìn)雛雞的體重增加，在一定范圍內(nèi)的不同場強(qiáng)和不同作用時間對雛雞體重增加的影響有差異。文獻(xiàn)[4]通過在豬舍安裝高壓靜電場設(shè)備，驗證了豬舍電暈線正下方、豬欄呼吸高度以及通道的空氣負(fù)離子含量均顯著提高，粉塵含量有所降低，對改善豬舍空氣質(zhì)量具有重要增益。文獻(xiàn)[5]研究了在高壓靜電場照射下的雛雞免疫器官T細(xì)胞數(shù)量，以及對雛雞ConA增殖功能的檢測，揭示了高壓靜電場對雛雞免疫器官細(xì)胞免疫功能的影響，為進(jìn)一步探索高壓靜電場對動物免疫功能的作用和產(chǎn)生機(jī)制提供科學(xué)依據(jù)。為了確定不同高壓靜電場對蛋白質(zhì)功能特性的影響，文獻(xiàn)[6]將雞蛋置于不同高壓靜電場中進(jìn)行處理并分別測定其變化，最終分析高壓靜電場對雞蛋新鮮度的影響。文獻(xiàn)[7]設(shè)計了一種數(shù)控高壓靜電場電源實驗裝置，通過單片機(jī)編程進(jìn)行零點檢測和占空比調(diào)整，控制晶閘管觸發(fā)，為高壓產(chǎn)生電路提供0～200 V的直流電壓，該高壓靜電場電源能夠滿足不同場景下的高壓靜電場需求，在該電源條件下能夠設(shè)計出滿足適合農(nóng)牧循環(huán)的高壓靜電場裝置。

本文設(shè)計并制作了一種可以產(chǎn)生適宜高壓靜電場的農(nóng)用助長裝置。該裝置利用光伏發(fā)電作為能量供應(yīng)來源，以STM32為硬件控制核心，對農(nóng)場環(huán)境施加高壓靜電場，并且編寫了配套的物聯(lián)網(wǎng)交互軟件，使得管理者可以遠(yuǎn)程監(jiān)測并遙控高壓靜電場的參數(shù)設(shè)置。在高壓靜電場環(huán)境下的智能農(nóng)業(yè)系統(tǒng)，可以充分發(fā)揮種養(yǎng)結(jié)合的優(yōu)勢，不僅可以利用畜禽糞便作為農(nóng)作物肥料，還可以通過種植作物凈化農(nóng)場的空氣環(huán)境，調(diào)節(jié)生態(tài)環(huán)境平衡，同時獲得有機(jī)生態(tài)產(chǎn)品，而高壓靜電場可以對種養(yǎng)結(jié)合起到提質(zhì)增效的作用。

1 高壓靜電場助長系統(tǒng)總體架構(gòu)

本文研究設(shè)計的高壓靜電系統(tǒng)以光伏發(fā)電及儲能技術(shù)為基礎(chǔ)，結(jié)合高壓電源與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，為畜禽和作物搭建智能高壓靜電場應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)。通過微控制器實時采集農(nóng)牧循環(huán)生產(chǎn)過程中的信息參數(shù)，同時借助云端遠(yuǎn)程控制發(fā)送的電壓指令，構(gòu)建適宜作物和畜禽生長發(fā)育的高壓靜電場，最大程度實現(xiàn)農(nóng)牧間物質(zhì)能量循環(huán)利用，其總體框架如圖1所示。

2 硬件電路設(shè)計

2.1 光伏模塊設(shè)計

高壓靜電場系統(tǒng)的供能部件是光伏發(fā)電模塊，將光伏板安裝在畜禽棚頂部，假定該系統(tǒng)位于北京郊區(qū)，可以計算得到該地區(qū)的日均太陽能發(fā)電量Wd，表達(dá)式為：

式中：Td為平均日照時間，北京郊區(qū)的平均日照小時數(shù)為7.2 h；P為光伏陣列總功率，根據(jù)農(nóng)場實際規(guī)模計算光伏列陣大致需要安裝20塊，每塊單晶光伏板的功率約為300 W，在日照充足的晴天總功率可達(dá)6 kW；η為發(fā)電效率，約為70%。綜合考慮損耗可知，此農(nóng)場每天發(fā)電量約為30.24 kW·h，可以滿足包括系統(tǒng)在內(nèi)的整個農(nóng)場的基本供電需求[8]。

光伏發(fā)電模塊主要由光伏組件、控制器、蓄電池、逆變器組成，如圖2所示。

晴朗的白天光照充足時，將各光伏組件串并聯(lián)形成光伏陣列，使得方陣電壓達(dá)到系統(tǒng)輸入電壓的要求，同時對蓄電池進(jìn)行充電，將太陽能轉(zhuǎn)換而成的電能貯存起來[9]。陰天或夜晚光照不足時，光伏板和蓄電池組為整個系統(tǒng)供電，逆變器將直流電轉(zhuǎn)換成交流電，供給農(nóng)場的交流負(fù)載，不足的電力通過連接電網(wǎng)來調(diào)節(jié)，保證農(nóng)場的電能供應(yīng)[10]。

電源電壓轉(zhuǎn)換部分由設(shè)計的反激電路完成，其拓?fù)淙鐖D3所示。反激電路的原邊輸入為12 V直流電，并且在副邊采用電阻塔分壓的方式實現(xiàn)電壓采樣，可以在高壓側(cè)輸出0～30 kV的高電壓，滿足農(nóng)牧循環(huán)生產(chǎn)的需求。

2.2 MCU及樣機(jī)電路板設(shè)計

選用STM32MP157作為系統(tǒng)的控制核心，使用的模塊主要有PWM輸出模塊、串口、藍(lán)牙通信模塊、ADC等。通過MCU調(diào)節(jié)輸出PWM的占空比，從而控制反激電路MOSFET開關(guān)的通斷，調(diào)整輸出電壓。同時，MCU對輸出電壓進(jìn)行采樣處理，通過上位機(jī)通信功能實現(xiàn)農(nóng)場系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控。由ADC讀取的農(nóng)場系統(tǒng)的溫度、濕度等參數(shù)可以實時顯示在觸控界面上。設(shè)計的樣機(jī)電路板實物如圖4所示。

3 物聯(lián)網(wǎng)軟件設(shè)計

高壓靜電場系統(tǒng)可以通過各種傳感器采集數(shù)據(jù)到MCU，并利用藍(lán)牙模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送至云端，使農(nóng)場管理者通過電腦或手機(jī)等上位機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控農(nóng)場信息，實現(xiàn)農(nóng)場系統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)，提高監(jiān)管效率。系統(tǒng)軟硬件交互框圖如圖5所示。

根據(jù)農(nóng)場管理的需求，設(shè)計了連接智能農(nóng)業(yè)系統(tǒng)和互聯(lián)網(wǎng)的物聯(lián)網(wǎng)軟件，其界面與功能設(shè)計如圖6所示。在農(nóng)場外，管理者可以通過PLC觸控屏直接觀測大棚、雞舍等地方的環(huán)境指標(biāo)，還可遠(yuǎn)程修改云組態(tài)界面中高壓輸出的預(yù)設(shè)值，搭建適宜農(nóng)牧循環(huán)產(chǎn)業(yè)的高壓靜電場。采用云技術(shù)結(jié)合大數(shù)據(jù)庫開發(fā)技術(shù)，在云服務(wù)器上開發(fā)云數(shù)據(jù)庫，合理監(jiān)控作物的生長環(huán)境和畜禽的飼養(yǎng)情況，可視化監(jiān)控物聯(lián)設(shè)備的實時狀況，智能化分析農(nóng)場的能耗和銷售盈利情況，打造大數(shù)據(jù)分析網(wǎng)絡(luò)，高效利用資源。

4 樣機(jī)實驗及結(jié)果分析

為了驗證高壓靜電場系統(tǒng)對農(nóng)業(yè)環(huán)境的增益效果，將制作的樣機(jī)安裝在真實的農(nóng)場系統(tǒng)中進(jìn)行相關(guān)實驗，直觀展現(xiàn)不同場強(qiáng)對農(nóng)場的具體影響。本次研究主要進(jìn)行了雛雞增重、農(nóng)場空氣凈化等實驗。

4.1 雛雞增重實驗

分析已有結(jié)論可知，在適宜的靜電場下照射一定時間，可以激發(fā)雛雞的生理機(jī)能，對其生長發(fā)育具有促進(jìn)作用。在實際實驗時，將150只生長日齡相同的雛雞平均分為3組，將第1、2組設(shè)置為實驗組，分別放置在電場強(qiáng)度為60 kV/m、30 kV/m的靜電場環(huán)境中，第3組為對照組。進(jìn)行為期1個月的靜電場照射實驗，每周測量實驗雛雞的增重數(shù)據(jù)，獲得實驗結(jié)果如圖7所示。由圖7可知，經(jīng)靜電場處理后的雛雞增重速度明顯高于未經(jīng)照射的對照組雛雞，而30 kV/m靜電場環(huán)境中的雛雞增重量又高于60 kV/m靜電場環(huán)境的，說明適宜強(qiáng)度的靜電場照射可以激發(fā)雛雞的生理機(jī)能，這與理論分析是相符的。

4.2 農(nóng)場空氣凈化實驗

高壓靜電場對農(nóng)場畜禽舍內(nèi)的細(xì)菌和粉塵具有凈化作用。實驗時，使用高壓靜電場對畜禽舍處理一周，記錄畜禽舍內(nèi)各處的空氣平均菌落數(shù)和粉塵含量，分別如圖8和圖9所示。由圖可見，畜禽舍內(nèi)各個位置的空氣平均菌落數(shù)均有明顯下降，其中畜禽下層糞道內(nèi)的細(xì)菌抑制效果最明顯，與靜電場處理前相比下降了34.8%，上層空氣和畜禽活動區(qū)域內(nèi)的空氣平均菌落數(shù)分別下降了18.9%和18.6%。而經(jīng)過高壓靜電場處理后畜禽舍內(nèi)的粉塵含量相較于處理之前也有明顯的下降，其中中央?yún)^(qū)域的粉塵含量下降了23.6%，門口區(qū)域的粉塵含量下降了13.6%。證明了高壓靜電場對農(nóng)場畜禽舍內(nèi)的細(xì)菌和粉塵具有明顯的凈化作用。

5 結(jié) 語

本文研究了高壓靜電場對農(nóng)業(yè)系統(tǒng)中農(nóng)作物、畜禽以及環(huán)境的增益效果，研發(fā)了基于STM32的農(nóng)用高壓靜電場農(nóng)業(yè)助長系統(tǒng)，制作了樣機(jī)及配套物聯(lián)網(wǎng)軟件，具有通信功能強(qiáng)大、可視化程度高等特點，以高壓靜電場為聯(lián)結(jié)的立體循環(huán)種養(yǎng)系統(tǒng)使不同生態(tài)層次的生物類群在系統(tǒng)中各得其所、互惠互利，系統(tǒng)充分利用太陽能、土地資源、水分和礦物質(zhì)營養(yǎng)元素為生物營造一個良好的生態(tài)環(huán)境，形成了畜禽糞污源頭減排和資源化綜合利用技術(shù)，作為畜牧業(yè)主推技術(shù)進(jìn)行推廣，進(jìn)一步推動農(nóng)牧循環(huán)一體化邁入快車道。

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