唐梓豪，劉 亮，歐陽(yáng)有偉，王福平

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

現(xiàn)代自控溫室發(fā)展初期，受到技術(shù)條件的限制，僅能對(duì)溫室內(nèi)某一環(huán)節(jié)因子進(jìn)行調(diào)節(jié)[1]。雖然隨著科技的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)在智能大棚方面已有應(yīng)用，但多集中于操控單一農(nóng)作物的溫室大棚，系統(tǒng)復(fù)雜，成本高昂[2]，多用于科學(xué)研究，很少用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)[3]。另外，我國(guó)現(xiàn)有的溫室大棚監(jiān)控系統(tǒng)大多對(duì)使用者的專業(yè)知識(shí)要求較高[4]，很不適合擁有豐富傳統(tǒng)農(nóng)耕經(jīng)驗(yàn)但缺乏現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)管理知識(shí)的農(nóng)民使用。2021年，殷振新等[5]設(shè)計(jì)了一種MINI 溫室，通過升降輸送機(jī)構(gòu)解決了老年人體力受限、搬運(yùn)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(shè)備云平臺(tái)聯(lián)網(wǎng)控制等問題。基于此，本文設(shè)計(jì)了一種由PLC、觸摸屏、手機(jī)app、物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)共同控制的旋轉(zhuǎn)式家用蔬菜花卉一體種植智能微型小溫棚，以實(shí)現(xiàn)家庭蔬菜、花卉的一體化智能種植。

1 旋轉(zhuǎn)式家用微型小溫棚概況

旋轉(zhuǎn)式多功能微型小溫棚由溫棚外殼、可旋轉(zhuǎn)種植架、溫控系統(tǒng)、通風(fēng)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(jù)家庭陽(yáng)臺(tái)面積定制適合的溫棚規(guī)格。

圖1 旋轉(zhuǎn)式多功能溫棚Fig.1 Rotary multifunctional warming shed

溫棚是保障植物正常生長(zhǎng)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(duì)其產(chǎn)生的干擾，僅將前外殼側(cè)板設(shè)計(jì)為可開啟式的操作門，供用戶栽培操作，操作門關(guān)閉時(shí)溫棚成為一個(gè)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(cè)的風(fēng)扇和頂部的噴水閥共同組成，溫度低于設(shè)定值時(shí)，電伴熱帶工作，加熱升溫，防止低溫對(duì)植物產(chǎn)生凍害；溫度高于設(shè)定值時(shí)，噴水閥噴出水霧且風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)通風(fēng)實(shí)現(xiàn)溫棚內(nèi)降溫操作。同時(shí)利用風(fēng)扇的正、反2 種旋轉(zhuǎn)方向也可以實(shí)現(xiàn)CO2濃度的有效調(diào)節(jié)，利用噴水閥噴水和噴霧2種工作方式可以實(shí)現(xiàn)空氣和土壤的含水量調(diào)節(jié)。溫棚中安裝了多種傳感器，使用WiFi無(wú)線網(wǎng)絡(luò)將檢測(cè)到的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)皆贫朔?wù)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(yuǎn)程模塊實(shí)現(xiàn)無(wú)線通訊功能。旋轉(zhuǎn)栽培架設(shè)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(zhuǎn)式的結(jié)構(gòu)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(chǎng)上能購(gòu)買到的家用種植設(shè)備僅僅是一個(gè)提供恒溫恒濕環(huán)境的小型電溫箱，無(wú)法滿足家庭多種類植物種植的需求和彌補(bǔ)城市居民種植經(jīng)驗(yàn)的不足。因此，根據(jù)調(diào)研與實(shí)際工況分析，家用溫棚應(yīng)滿足以下需求：實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)植物生長(zhǎng)環(huán)境參數(shù)；具備手動(dòng)/自動(dòng)控制功能；可以種植多種植物。由系統(tǒng)需求及實(shí)際工況分析衍生出的旋轉(zhuǎn)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(dòng)旋轉(zhuǎn)、自動(dòng)澆水、溫度控制、CO2濃度控制、遠(yuǎn)程操作、智慧種植算法等。

2 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 外形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

微型小溫棚的設(shè)計(jì)高度為1.3 m，右側(cè)面1.2 m 高處設(shè)置了控制箱，圖1 中假人身高為1.76 m，因此，控制箱的設(shè)計(jì)高度既符合人體工程學(xué)設(shè)計(jì)方便操作又節(jié)省了室內(nèi)空間。同時(shí)控制箱上設(shè)置了電源開關(guān)、指示燈、急停按鈕和觸摸屏。微型小溫棚的兩側(cè)裝有通風(fēng)扇，背部敷設(shè)有寬度為12 mm 的電伴熱帶，頂部的3 個(gè)噴水閥可分別對(duì)植托盤內(nèi)不同位置的植物澆水。

2.2 旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

種植架由種植托盤、轉(zhuǎn)盤、軸承、底座和電機(jī)組成。旋轉(zhuǎn)時(shí)，應(yīng)避免種植托盤與植株相干涉從而影響植株的生長(zhǎng)空間，因此，需要考慮種植托盤的層間高度。以我國(guó)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(zhǎng)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(shè)計(jì)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(shè)計(jì)

微型小溫棚的控制由可編程邏輯控制器PLC（Programmable Logic Controller）實(shí)現(xiàn)，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(yuǎn)程模塊和KT700觸摸屏組成總控單元?？刂葡渖蟽H設(shè)置了通電旋鈕和急停按鈕，對(duì)溫棚的操作都需要使用觸摸屏和手機(jī)app兩種方式進(jìn)行。

3.1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

控制系統(tǒng)中的被控對(duì)象有：以數(shù)字量形式直接接入CPU自帶端子的手動(dòng)按鈕、自動(dòng)按鈕、急停按鈕、噴水閥、電機(jī)接觸器、風(fēng)扇、伴熱帶以數(shù)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(shù)據(jù)。

3.2 手動(dòng)控制模式

在手動(dòng)控制模式下直接點(diǎn)擊觸摸屏上的按鈕進(jìn)行對(duì)各個(gè)系統(tǒng)的點(diǎn)動(dòng)控制。例如：用戶點(diǎn)擊通風(fēng)啟動(dòng)按鈕后，觸摸屏通過以太網(wǎng)通訊將CPU 模塊中定義的與通風(fēng)啟動(dòng)相對(duì)應(yīng)的中間變量置位，使風(fēng)扇連接的輸出觸點(diǎn)Q0.1 閉合輸出，風(fēng)扇開始旋轉(zhuǎn)。用戶還可以在觸摸屏界面中查看各個(gè)傳感器的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，自主判斷植物生長(zhǎng)環(huán)境的適宜程度。

3.3 自動(dòng)控制模式

在自動(dòng)控制模式下，控制系統(tǒng)會(huì)實(shí)時(shí)讀取傳感器中的數(shù)據(jù)，并通過無(wú)線通訊模塊將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸并保存到云平臺(tái)，與部署于云平臺(tái)的智能種植算法相比對(duì)，當(dāng)數(shù)據(jù)超出植物事宜的環(huán)境參數(shù)范圍后，服務(wù)器立即向PLC 發(fā)出指令，通過控制包括溫控系統(tǒng)在內(nèi)的不同功能模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)溫棚內(nèi)環(huán)境參數(shù)的實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，為植物提供更加適宜的生長(zhǎng)環(huán)境。用戶只需要進(jìn)行播種和采摘操作即可收獲新鮮蔬菜。

3.4 遠(yuǎn)程控制模式

針對(duì)不能在家照料植株的人群設(shè)計(jì)出了遠(yuǎn)程控制模式，用戶可使用手機(jī)app 進(jìn)行手/自動(dòng)控制模式選擇。app 中設(shè)計(jì)了各個(gè)功能的操作界面和數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)界面，方便用戶操作各項(xiàng)功能并查看生長(zhǎng)環(huán)境參數(shù)。

4 功能測(cè)試

4.1 機(jī)械功能測(cè)試

使用SolidWorks 軟件進(jìn)行模型干涉檢查和有限元分析，其結(jié)果顯示旋轉(zhuǎn)架運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)無(wú)相互干涉，可正常實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)功能，對(duì)其施加200 N豎直向下的力后未產(chǎn)生明顯形變，根據(jù)分析結(jié)果制造出微型小溫棚實(shí)物。

4.2 數(shù)據(jù)采集測(cè)試

溫棚內(nèi)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的采集是分析和控制植株生長(zhǎng)環(huán)境的關(guān)鍵關(guān)鍵步驟，隨機(jī)抽取了各個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)，結(jié)果見表1。

表1 傳感器數(shù)據(jù)Tab.1 Sensor data

4.3 數(shù)據(jù)傳輸測(cè)試

微型小溫棚的控制算和數(shù)據(jù)庫(kù)部署在物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)上，使用巨控GRM530 模塊實(shí)現(xiàn)控制箱與云平臺(tái)的數(shù)據(jù)交互，因此，需要對(duì)云平臺(tái)的數(shù)據(jù)傳輸功能進(jìn)行測(cè)試，其服務(wù)器部署及數(shù)據(jù)監(jiān)控界面見圖4。

圖4 數(shù)據(jù)傳輸測(cè)試Fig.4 Data transmission test

5 結(jié)論

通過市面上傳統(tǒng)溫棚與主流溫棚監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)比，傳統(tǒng)溫棚無(wú)法做到種植環(huán)境的可檢測(cè)與管理。本套系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用wifi 無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)，通過設(shè)計(jì)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)終端與遠(yuǎn)程云監(jiān)控平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了感知層、網(wǎng)絡(luò)層到平臺(tái)層和應(yīng)用層，設(shè)計(jì)了一套完整的旋轉(zhuǎn)式多功能智能家庭溫棚監(jiān)控系統(tǒng)。構(gòu)建了旋轉(zhuǎn)式家用蔬菜花卉一體種植智能微型小溫棚的機(jī)械結(jié)構(gòu)，旋轉(zhuǎn)式的結(jié)構(gòu)充分的利用了家庭陽(yáng)臺(tái)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(shí)種植。設(shè)計(jì)了基于PLC的溫棚控制系統(tǒng)，能實(shí)時(shí)讀取溫棚內(nèi)各個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)并完成旋轉(zhuǎn)、澆水、通風(fēng)、加熱和加濕等動(dòng)作的控制，以人機(jī)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(jī)應(yīng)用程序，分別通過實(shí)體按鈕、觸摸屏和手機(jī)app 實(shí)現(xiàn)了手動(dòng)、自動(dòng)、遠(yuǎn)程3 種控制方式，適合不同人群的多種應(yīng)用場(chǎng)景，同時(shí)，內(nèi)置的智慧種植算法也解決了城市居民缺少種植經(jīng)驗(yàn)的問題。