基于智能監測系統監控蚯蚓養殖技術參數的初步探索

區家秀 蔣思中 王桂文

摘 要：為了提高蚯蚓小型實驗室的養殖效率，以便提供蚯蚓加工研究的小試原料，本文設計開發了一套智能監測系統，該系統利用Web Service、組態軟件、西門子PLC、觸摸屏等技術，通過Web端實時遠程監視蚯蚓養殖的溫度、濕度、pH值、光度等關鍵的工藝技術參數，使得管理員能及時獲取養殖過程的工藝參數，從而優化蚯蚓的生長繁殖。

關鍵詞：智能監測系統;蚯蚓;養殖;參數;探索

中圖分類號：S-3 ? ? ? 文獻標識碼：A

DOI：10.19754/j.nyyjs.20201030007

蚯蚓是常見的陸生環節動物，含有大量的蛋白質、抗菌肽、生物酶等營養物質，既可以加工為葉面肥;也可以做成動物飼料，未來還可以加工為人類使用的食品、藥品與化妝品等產品[1]。蚯蚓的生長繁殖有六喜六怕的特點，六喜是喜陰暗、喜潮濕、喜安靜、喜溫暖、喜甜酸、喜同代同居;六怕是怕光、怕震動、怕水浸泡、怕悶氣、怕農藥、怕酸堿。以“大平2號”蚯蚓品種為例，除了滿足六喜六怕的條件，還需要防干燥、缺氧的高溫環境[2]。

傳統的蚯蚓養殖采用人工控制工藝條件，精準度低且成本高。物聯網可以改變我們的工藝參數控制。早在1999年，美國麻省理工學院就提出網絡無線射頻識別（RFID）系統，物聯網的概念便由此演變而來，其旨在把物品與互聯網連接起來，實現智能化管理與控制[3]。

目前，國內外針對溫室環境智能監控系統的研究較多，但是針對蚯蚓養殖實驗室的智能監控系統鮮有報道。宋曉萌設計了一個草莓溫室大棚智能監控系統[4]，將物聯網技術和模糊PID控制引入到溫室大棚監控系統中。余文煥研發了一套基干ARM11和嵌入式Web的溫室遠程監控系統[5]，以ARM11開發板和上位機Web瀏覽器為控制中心。胡云陽、張智斌、王海瑞等人，完成了基于Web的遠程農業溫室監控系統設計[6]。馬増煒、馬錦儒等人設計了集成WIFI和ARM芯片的的智能溫室監控系統，上位機軟件采用VB語言編寫程序[7]，是典型的C/S結構。鄭強、彭琳等人設計了基于嵌入式Web服務器的遠程溫室監控系統[8]，使用Linux內核，結合CGI技術實現將采集數據反饋到Web頁面。

本文通過利用Web Service、組態軟件、西門子PLC等技術，研發了基于Web和PLC的蚯蚓養殖實驗室智能監測系統。管理人員通過Web端就能遠程監控蚯蚓養殖實驗室的溫度、濕度、土壤酸堿度、通氣性、光度等參數，能使蚯蚓在適宜條件下生長繁殖，大幅度提高蚯蚓的產量和產值。

1 蚯蚓養殖的主要工藝參數

蚯蚓養殖的主要工藝參數有溫濕度、pH值、土壤溶氧量、光照度、噪聲等，這些參數對蚯蚓的生長繁殖有著不同程度的影響，在適宜參數的環境條件下養殖的蚯蚓生長快，繁殖倍數高。

1.1 溫濕度

蚯蚓喜歡溫暖、潮濕的環境，適合其生長繁殖的溫度和濕度范圍分別是20～40℃、30%～60%。溫度和濕度過低或過高會使蚯蚓的生長受到抑制，甚至死亡。傳統的檢測方式是通過溫度計測量基料溫度，以手握基料擠出水滴來判斷濕度的大小;而智能監測系統，溫濕度自動顯示在手機APP或電腦屏幕上。

1.2 pH值

蚯蚓對環境酸堿度的忍耐范圍是在pH6～pH8之間，傳統的檢測采用pH試紙或pH計，既耗時也不準確;而用傳感器則簡單快捷。

1.3 土壤溶氧量

蚯蚓的生長繁殖需要良好的通氣環境。當通氣不良時，蚯蚓壟會形成厭氧并產生氨、二氧化碳、硫化氫等毒氣，導致蚯蚓中毒死亡，因此檢測土壤溶氧量就非常重要，把傳感器插入蚯蚓壟內進行實時監測，就能在第一時間獲取溶氧量參數。

1.4 光照度

蚯蚓常年生活在地下，視覺已經退化，暴露在地表上，不適應強光，所以它們喜歡白天鉆到地下活動，晚上再出來覓食。通過安裝光照度傳感器，獲取光照度數值。

1.5 噪聲

蚯蚓喜歡安靜的環境，要求噪聲低。如果噪聲過大，蚯蚓會出現不安，甚至逃逸，不利于蚯蚓生長。為了解蚯蚓養殖實驗室內的噪聲值，安裝噪聲傳感檢測器觀察蚯蚓的生長狀況。

2 系統設計

2.1 系統總體架構

蚯蚓養殖實驗室智能監測系統包括溫濕度傳感器、土壤酸堿度傳感器、土壤含氧量傳感器、光照度傳感器、環境噪聲傳感器、西門子S7-1200PLC、西門子KTP700觸摸屏、冷暖空調和加濕器等儀器。其中溫濕度傳感器分空氣溫濕度傳感器和土壤溫濕度傳感器。西門子S7-1200P模擬量采集系統是核心部位。

2.2 整體系統硬件結構圖

蚯蚓養殖監測系統中，全部采用傳感器采集數據并將數據回傳，整體系統硬件結構包括：空氣開關;220V交流接觸器;西門子RS485通訊模塊;西門S7-1200PLC;西門子模擬量輸入模塊;物聯網關模塊;直流電源模塊;接線端子排;光照傳感器;土壤含氧量傳感器;土壤酸堿傳感器;空氣溫濕度傳感器;土壤溫濕度傳感器;噪聲監測傳感器，共14個部件。

2.3 軟件設計

2.3.1 I/O分配

西門子1200PLC的主要作用是與模擬量模塊進行數據讀取轉換操作，以及與觸摸屏進行數據交換，I/O地址分配為：輸入元件和輸出元件及其PLC輸入點。輸入元件為空氣溫濕度傳感器（溫度）、空氣溫濕度傳感器（濕度）、土壤溫濕度傳感器（溫度）、土壤溫濕度傳感器（濕度）、pH酸堿度傳感器、土壤含氧量傳感器和噪聲傳感器，它們的PLC輸入點分別為IW46、IW48、IW50、IW52、IW54、IW56、IW58;輸出元件為光照傳感器，其PLC輸入點為IW60。

2.3.2 PLC程序設計

主要采用PLC四則運算功能指令進行程序設計，編程時有兩個注意事項：

PLC在執行除法時會舍棄掉余數保留商，為保證精度設計在編寫梯形圖時先乘后除。

IW46中的數據類型為實數（Real），該值有小數位所以必須先用CONV指令將數據類型轉換為Real。

3 總結

本研究針對人工檢測養殖參數，不僅成本高，而且效果不理想的問題，設計了一套蚯蚓養殖實驗室智能監測系統。以西門子S7-1200PLC為核心元件，將傳感器所采集來的各項環境監測數據，通過Web端和觸摸屏實現實時監控。安裝了智能檢測系統后，已經在實驗室養殖大平二號蚯蚓5批，滿足蚯蚓葉面肥研制所需的蚯蚓，實現實驗材料的自給自足。監測實驗室蚯蚓的生長周期為60d，比野外蚯蚓的生長周期少30d左右，每框（60.5cm×42cm×10.5cm）的蚯蚓產量為1kg左右，而且蚯蚓體型整齊、個體大，有的個體體重達到0.5g左右。采用西門子S7-1200PLC為核心元件，故障發生少、方便檢修與維護，容易擴展功能，能根據工藝條件變化快速調整檢測方案。通過小型蚯蚓監測實驗室的實踐證明，此檢測系統可以減少人工成本，提高蚯蚓養殖成活率，減少生長周期，生長速度快，這為以后規模化、自動化、機械化養殖提供了科學依據。

參考文獻

[1] 廖威，唐思，鐘梅清，王大銳，廖國乾，韋紅霞.蚯蚓規模化高效養殖關鍵技術[J].南方農業，2017，11（12）：88-89.

[2]廖威，區家秀，鐘梅清，黃庶識.蚯蚓生態養殖及其飼料加工中存在的問題與對策[J].南方農業，2018，12（32）：160-161.

[3]楊秀生.關于中國農業技術推廣及溫室產業發展的思考[J].科學對社會的影響，1998（04）：2-8.

[4]宋曉萌.草莓溫室大棚智能監控系統的研發[D].山東農業大學，2018.

[5]余文煥.基干ARM11和嵌入式Web的溫室遠程監控系統設計[D].太原理工大學，2018.

[6]胡云陽，張智斌，王海瑞.基于Web的遠程農業溫室監控系統設計[J].安徽農業科學，2016，44（05）：328-330.

[7]馬增煒，馬錦儒，李亞敏.基于WIFI的智能溫室監控系統設計[J].農機化研究，2011，33（02）：154-157，162.

[8]鄭強，彭琳，鄒秋霞，郜魯濤.基于嵌入式Web服務器的遠程溫室監控系統設計[J].農機化研究，2013，35（11）：84-87.

（責任編輯 李媛媛）