鐘聞宇 王永江 陳旭彬

摘 要 數(shù)字農(nóng)業(yè)已成為目前農(nóng)業(yè)科研的重要方向，開設農(nóng)學專業(yè)的高校更是在此方向上投入大量人力、物力?；诖?，立足于高校智慧農(nóng)業(yè)實驗室，將科研教研融為一體，開發(fā)一套基于數(shù)字農(nóng)業(yè)，依靠傳感器技術、生物技術、物聯(lián)網(wǎng)、自動化技術的植物生長環(huán)境模擬平臺。

關鍵詞 環(huán)境模擬平臺;植物生長;數(shù)字農(nóng)業(yè)

中圖分類號：S126 文獻標志碼：B DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2021.09.110

對于學習自動化控制的電氣、電子、計算機專業(yè)類的非農(nóng)學專業(yè)學生來說，進入農(nóng)業(yè)類實驗室進行操作具有一定的不現(xiàn)實性，不能隨意操控農(nóng)業(yè)實驗室設備，進而觀察環(huán)境變化對植物生長的影響。與此同時，植物生長周期長且數(shù)據(jù)變化緩慢，自動化設備在實際監(jiān)控中的控制效果反映不明顯。因此，設計一套模擬系統(tǒng)，讓教師和學生既能用作教學，又可以用作科研，實現(xiàn)快速調(diào)控植物生長環(huán)境的同時又不會因植物損傷而出現(xiàn)巨大損失的系統(tǒng)顯得十分必要。

1 整體設計

選用豆瓣綠作為此次項目的植物研究對象。此植物特點是耐寒、耐旱，繁殖快，易更換，成本低。

采用溫濕度傳感器、光照傳感器、土壤綜合傳感器、植物補光燈、二氧化碳傳感器及灌溉設備對植物沙盤中的植物進行監(jiān)測和調(diào)控。

分別利用單片機、可編程邏輯控制器（PLC）、計算機作為中央控制器，進行數(shù)據(jù)采集和控制存儲。

2 環(huán)境監(jiān)測

無論是野外還是溫室大棚，土壤溫濕度、空氣溫濕度、光照度、土壤氮磷鉀含量、土壤pH值及空氣CO2含量等數(shù)據(jù)采集對植物生長來說都是必不可少的環(huán)境因素[1]。同時，這些數(shù)據(jù)具有普遍性，可以適用于多種植物的生長檢測，是研究植物生長的主要和重要數(shù)據(jù)[2-3]。本次研究以這些信息和數(shù)據(jù)的采集為基礎進行深入研究，溫室大棚環(huán)境監(jiān)控如圖1所示。

3 硬件系統(tǒng)設計

針對沙盤種植植物的特點，選擇合適設備和元器件作為此次研究的硬件基礎。本系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)主要是設計采集設備、執(zhí)行設備和中央控制器組成[4]。

3.1 數(shù)據(jù)采集傳感器

數(shù)據(jù)采集傳感器主要包括溫濕度傳感器、光照傳感器、土壤氮磷鉀傳感器、土壤pH值傳感器、空氣CO2傳感器[5]。

考慮到信號統(tǒng)一性和單片機、PLC及計算機采集模塊的輸入信號容量，所有傳感器均采用RS485通信與控制器連接，這種選擇形式信號即統(tǒng)一，又能避免模擬量信號多控制器成本增加，而且接線簡單，安裝調(diào)試也很方便。數(shù)據(jù)采集傳感器接線原理圖如圖2所示。

3.2 執(zhí)行設備

執(zhí)行設備主要由灌溉設備、加熱設備、補光設備和通風設備組成。

3.3 中央控制器

中央控制器采用單片機控制、PLC控制、計算機控制3種模式，3種模式屬于并行關系。通過開關進行切換。單片機采用51系列，用液晶屏顯示所有數(shù)據(jù)。PLC采用西門子S7-200系列與觸摸屏結合進行控制和顯示[6]。計算機系統(tǒng)采用開關量模塊和RS232轉RS485通訊模塊與上位機連接采集和傳輸數(shù)據(jù)[7]。

4 軟件系統(tǒng)設計

4.1 系統(tǒng)控制流程

單片機控制、PLC控制和計算機控制的軟件編制過程思路相同，只是表現(xiàn)形式不同。

系統(tǒng)控制流程如圖3所示。系統(tǒng)上電后，運行進行初始化，檢測系統(tǒng)設備運行是否正常，如有故障給出提示，否則開始采集并顯示各種傳感器信號[8];同時與設置值進行比對，出現(xiàn)偏差則控制輸出設備如灌溉設備、補光燈或者通風設備來調(diào)整環(huán)境參數(shù)從而達到植物生長正常條件。

4.2 控制模塊

控制模塊主要是控制灌溉系統(tǒng)設備、補光燈、通風設備的輸出。

根據(jù)植物生長過程中的水分要求及采集土壤的濕度，控制水泵補水[9]。根據(jù)水量需求的大小，控制水泵長時間運行和間隔運行。當水箱水位過低時，提示水箱補水;當一段時間內(nèi)光度不足，則開啟補光燈。補光時間的長短根據(jù)不同季節(jié)和天氣情況進行連續(xù)補光和間隔補光[10]。

當沙盤內(nèi)溫度過高或者土壤濕度過大、二氧化碳濃度過高時，開啟通風設備使沙盤空氣流通，調(diào)整沙盤內(nèi)溫濕度和二氧化碳濃度。

4.3 數(shù)據(jù)存儲模塊

夏季，特別是7月、8月室內(nèi)和沙盤內(nèi)溫度都很高，控制頻率相對較高，因此每隔10 min采集一次數(shù)據(jù)并存儲;春季、秋季和冬季，室內(nèi)及沙盤內(nèi)溫度相對穩(wěn)定，控制頻率低，每隔30 min或者60 min采集并存儲數(shù)據(jù)。同時，與設置值比對繪制曲線，提供歷史數(shù)據(jù)顯示。

5 結論與討論

本次模擬植物生長環(huán)境平臺搭建，從實用角度來看：1）用簡單的設備控制真實的植物種植過程;2）充分利用電子傳感器技術、計算機技術和網(wǎng)絡技術，使電子、電氣、計算機專業(yè)教師及學生能夠將理論知識和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實際相結合并獲得最真實的材料和經(jīng)驗;3）因為是自主研發(fā)的系統(tǒng)，無論修改和擴充功能都十分方便，為教師和學生的科研及教學工作提供了恰當?shù)膶嶒炂脚_。

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（責任編輯：趙中正）