可控微環境氣霧立體栽培監測監控系統設計與實現

申再賀，馬春燕，陳 燕，竇銀科

(太原理工大學 電氣與動力工程學院，太原 030024)

0 引言

新鮮蔬菜的供應，一直是困擾我國南、北極科考的一大難題，同時也是偏遠邊防哨所亟待解決的問題之一。中國南極中山站，一年所需的蔬菜僅靠“雪龍”號從國內和澳大利亞等途經國家補給，僅在夏季供應兩次，不僅成本高昂，且儲存時間有限。當南極進入漫長的冬季，科考隊員只能依靠大白菜等幾種有限的蔬菜越冬[1]。因此，研制出適用于南、北極地及偏遠邊防哨所等特殊環境下的可控微環境氣霧立體栽培模式具有重要的現實意義。

氣霧立體栽培技術，使作物根系直接暴露在栽培塔充滿霧化營養的空氣中，可有效解決普通水培供氧、供肥的矛盾，實現立體空間的有效利用，顯著提高單位面積作物產量，具有養分供應速度快、養分和水分利用率高等特點，并且可以很好地與自動控制技術相結合，被認為是一種最先進且最具發展前景的無土栽培模式，符合未來智能化農業生產發展的方向[2-3]。目前，常用的氣霧立體栽培裝置包括：“A”型栽培裝置、箱式栽培裝置及柱式立體栽培裝置等[4]。柱式立體栽培裝置可以向上延伸培育，實現植物的垂直栽培，有效節省種植空間，具有廣泛的發展應用前景。美國、日本、荷蘭等國家已實現了氣霧立體栽培模式的推廣及應用，并在高級花卉、蔬菜等種植方面取得了突出表現。氣霧立體栽培裝置不僅可以實現工廠化的生產模式，更加適合于微小環境下的作物栽培，且結合計算機智能控制技術，可以實現惡劣環境下的作物生長，達到高產、高效等目的[5]。

1 氣霧立體栽培裝置設計

氣霧立體栽培裝置主要由藤蔓架兼補光燈架、栽培塔、小風扇、母液槽、霧化器、定植孔和自動控制系統等部分組成，如圖1所示。

圖1 氣霧立體栽培裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of aeroponic Stereoscopic Cultivation device

栽培塔和定植孔：為了整套霧培裝置的移動和定植方便，栽培塔采用分體式結構設計，整個栽培塔由5層圓柱形栽培柱組成(可根據不同環境，調整栽培柱的個數)，每層栽培柱高19cm，直徑22cm，采用空腔結構，便于霧氣彌散，上端和下端均設有高度為0.6cm的連接口；栽培柱圓周開設3～4個傾角為45°的定植孔，用于固定植株。

霧化器由3個高頻超聲波霧化頭組成，實現營養液的霧化。由于超聲波霧化器需要工作在距離營養液液面5cm左右位置，因此利用海綿懸吊方式控制霧化器位置，在母液槽中實現霧化，借助于母液槽旁側風扇的適當風力，使霧化后的營養液霧滴彌漫至栽培塔中供作物根系吸收；未被吸收的霧氣待凝結回流至母液槽，實現營養液的循環利用。

為彌補光照不足，在栽培塔四周安裝了補光燈支架，并均勻固定4個紅藍LED補光燈，不僅實現了補光，還可以滿足藤蔓植物爬蔓需要。

2 監測監控系統結構設計

2.1 監測監控對象分析

作物的生長不僅取決于根系吸收的營養是否充分，還取決于生長環境的適宜程度，如果能夠將影響作物生長的環境因子人為控制在適合作物生長的范圍內，則會縮短作物的生長周期，提高作物的產量和品質[6]。合適的溫度對作物的呼吸作用以及水分、養分的吸收有非常大的幫助，而合適的CO2濃度和光照強度更加有利于作物進行光合作用，適宜的濕度環境可以有效降低作物病蟲害發病率[7-8]。本文監測監控對象是長3.1m、寬1.9m、頂高2.4m、肩高1.8m的溫室微環境，包括溫度、濕度、CO2濃度、光照強度等參數的控制，以及氣霧立體栽培裝置中超聲波霧化器的工作頻率控制。圖2為微環境結構以及部分傳感器和設備布置圖。

1.通風窗 2.溫濕度傳感器 3.淋噴加濕器 4.CO2傳感器 5.光照傳感器 6.加熱器圖2 可控微環境結構示意圖Fig.2 Schematic diagram of controllable micro-environment

2.2 系統結構

系統由上位機和下位機組成，上位機采用PC機，下位機由單片機控制核心、前端數據采集、后端設備控制3個主要部分組成。其中，單片機作為系統的主要控制核心，負責對各個傳感器采集來的數據處理分析，發出輔助設備的控制指令，還將與上位機進行數據通信。系統結構如圖3所示。前端數據采集部分包括溫度傳感器、濕度傳感器、CO2濃度傳感器、光照傳感器及pH值傳感器；后端輔助設備包括加熱器、加濕器、補光燈、CO2電磁閥、通風窗及超聲波霧化器等設備。

圖3 監測監控系統結構圖Fig.3 Structure Chart of monitoring and control system

3 系統硬件設計

3.1 單片機主控模塊設計

系統選用STC15F60S2單片機作為下位機主控芯片，是一款低功耗、強抗干擾的新型單片機，采用增強型8051內核，速度比傳統51單片機快7～12倍，具有42個通用I/O口、兩個串口、自帶8路10位高速A/D轉換接口，具有外圍電路設計簡單及設計成本低等優點[9]。采用LCD12864液晶顯示模塊，實時顯示傳感器采集的環境參數，利用獨立按鍵模塊，完成控制參數設定功能，通過串口通信模塊實現與上位機數據交互功能。

3.2 前端數據采集模塊設計

選用合適的傳感器是滿足系統設計的關鍵，首選數字型輸出傳感器，不僅硬件電路設計簡單，且具有較高準確度。各個傳感器信息如表1所示。

傳感器與STC15單片機的接口電路如圖4所示。單片機與DHT11溫濕度傳感器，采用單總線接線方式，接口電路簡單。為了提高溫濕度數據的采集準確度，本系統采用多組傳感器取均值的方式，實現多處溫濕度的數據采集。

表1 傳感器信息Table 1 The information of sensors

圖4 部分傳感器與單片機接口圖Fig.4 Part of the sensor and microcontroller interface diagram

BH1750FVI數字型光照強度傳感器，采用I2C總線進行數據傳輸，具有接口設計簡單，傳輸速率快等優點。

微環境下的CO2濃度利用MH-Z14A紅外傳感器采集，選用串口數字輸出模式，并采用STC15F60S2第二串口功能，將串口波特率設置為9 600，數據位設置為8位，停止位1位，無奇偶校驗位。該模式下量程為0～5 000×10-6滿足設計需要。

對于營養液的pH數據采集，采用E-201-C復合電極與pH傳感器模塊共同實現，電極輸出信號為毫伏級，pH傳感器模塊將信號放大輸出0～5V電壓值，因為STC15系列單片機內置A/D轉換功能，省略外部A/D轉換模塊，電路設計更加簡單。由于pH傳感器模塊需要通過調節電位器旋鈕調節輸出電壓，所以必須進行標準溶液測量，根據實測值繪制出pH標準曲線，進而完成電壓與pH值的換算。

3.3 后端輔助設備控制模塊設計

控制部分主要包括對加熱器、加濕器、通風設備、CO2補氣閥、補光燈及超聲波霧化器等設備的控制。加熱、加濕、補光及CO2補氣使用繼電器或電磁閥進行控制，為了使控制系統安全可靠，添加光耦隔離，其一路繼電器電路如圖5所示。

圖5 帶光耦繼電器接口電路示意圖Fig.5 With optocoupler relay interface circuit diagram

通風設備的控制包括通風窗的開啟及通風風扇的運行，通風窗通過齒輪齒條式開窗機構控制，動力源為電動機[10]。

氣霧立體栽培最為重要的環節就是合理控制霧化頻率，單片機將栽培塔內部采集的濕度值與上下限設定值進行比較，當濕度值高于上限值，霧化器停止工作;而低于下限值時，霧化器開啟，能夠有效實現營養和水分的供應。

4 系統軟件設計

4.1 下位機運行軟件設計

系統軟件包括下位機運行程序和上位機監控程序兩部分，程序運行的主流程如圖6所示。單片機對傳感器采集來的數據進行處理，在LCD12864液晶顯示屏上顯示，并傳送給上位機進行處理顯示，在上位機人機交互界面上設置環境參數值，當采集到的環境數據超出設定限值之后，便調用相關輔助設備執行控制子程序。數據采集子程序包括溫濕度采集子程序、光照參數采集子程序、二氧化碳采集子程序，以及pH值數據采集子程序。

由于微環境系統具有非線性、強耦合、大時滯等特點，很難建立精確的數學模型；而模糊控制算法可以在不確定系統的精確模型情況下，通過模糊推理和專家經驗來控制執行器動作，能夠有效改善溫濕度參數控制的耦合問題。模糊控制方案如圖7所示。

圖6 系統運行流程圖Fig.6 System operation flow chart

圖7 模糊控制方案圖Fig.7 Fuzzy control scheme diagram

其中，E1、E2分別為溫、濕度設定值與實際測量值的偏差，K1、K2為量化因子，將E1、E2作為模糊控制器的輸入量，經過模糊控制器后，得到相關執行機構的控制量。將輸入量與輸出量的模糊論域定義為[-5,5]，采用三角形隸屬函數，模糊子集語言均{NB,NS,ZE,PS,PB}，模糊子集隸屬函數曲線如圖8所示。

圖8 隸屬函數曲線Fig.8 Membership function curve

根據環境參數控制特點和環境監控優先級溫度大于濕度的原則制定出模糊規則，利用重心法解模糊，控制量輸出為相關設備的執行時間。

4.2 上位機監控軟件設計

上位機人機交互界面采用LABVIEW編程軟件編寫。LABVIEW是一種圖形化編程語言開發環境，具有設計簡單及交互性好等優點[11]。本次系統設計中，上位機與下位機的通訊通過串口通信實現，可以實時顯示微環境下的環境參數數據，并將歷史數據存儲，以便日后查詢，作為氣霧栽培的數據參考。其具有參數設置功能，可以設置各個環境參數值，達到控制目的，用戶界面如圖9所示。

圖9 用戶界面Fig.9 User Interface

5 系統調試及應用

目前，系統已在實驗室進行了調試和運行，利用氣霧立體栽培裝置進行生菜栽培實驗，通過在上位機界面設置目標環境參數值，使得微環境的參數維持在生菜生長最適溫度20℃左右，且濕度60%RH左右。經過1個月的栽培觀察，生菜生長狀態良好，生長速率較快，對某一時段中每隔5min采集的溫濕度數據進行觀察，2h的溫濕度參數采集結果如圖10所示。

圖10 溫濕度數據采集結果Fig.10 Temperature and humidity data collection results

結果表明：采用模糊智能控制方法，溫度最高20.9℃，最低19.5℃，誤差范圍±1℃；濕度最高61.7%RH，最低58.0%RH，誤差范圍±2%RH，誤差范圍小，滿足設計要求；且溫濕度參數控制精確，系統運行穩定可靠，充分發揮了氣霧立體栽培的優勢。

6 結論

1) 可控微環境氣霧立體栽培監測監控系統與普通大棚溫室控制不同，由于環境空間較小，控制精度有明顯提高，且能充分發揮氣霧立體栽培模式的優勢，充分利用了環境空間，提高了單位面積產量，可以克服南、北極地等惡劣環境的制約，實現多種蔬菜的種植。

2) 通過新型STC15系列單片機及數字式傳感器的選用，使得控制系統的外圍接口電路設計簡單，在降低成本的同時也保證了系統的監測和控制精度。

3) 生菜栽培實驗表明：氣霧立體栽培模式融合微環境智能調控技術，對于縮短作物的生長周期、提升作物品質有良好的效果，特別適合南北極等惡劣環境下的蔬菜栽培。