基于Makeblock的智能生態種植箱設計與開發*

張 闖 ，高 強 ，2*，武英童 ，周 明 ，劉俊煒

（1.沈陽工程學院，遼寧 沈陽 110136；2.沈陽建筑大學 機械工程學院，遼寧 沈陽 110168；3.沈陽農業大學，遼寧 沈陽 110866）

隨著工業化的發展，傳統的人工勞作趨向于智能機械工作，利用物聯網技術實現農業設備智能化已逐步發展為國內外的研究焦點[1]，隨著現代農業設備的發展，家用型農業生態系統也開始受到人們的重視。

我國家用型生態系統起步較晚，市場尚未開發，隨著2060碳中和的提出，預示著增大綠色植物種植將是大勢所趨，家用型生態種植也將會脫穎而出。

目前關于家用型生態種植研究較少，且以理論研究為主，如高帥等人[2]對家用陽臺農業發展現狀進行綜述，楊冬連等人[3]結合物聯網技術設計了一種智能種植箱系統。周趙鳳[4]對陽臺立體種植進行方案與軟件設計，李軍輝[5]基于Esp8266使用機智云平臺實現陽臺生態的手機控制。

對于溫室大棚，現有國內外研究較多，這對家用型智能生態種植箱設計與開發具有較大的參考價值。如李云強[6]基于Arduino連接傳感器與顯示器，對植物生長環境實時監控，按照預先設定的最佳環境狀態，分別控制繼電器調節大棚的環境。山東科技大學生林相春[7]以山東智能溫室控制系統為研究對象，設計了一套智能控制系統。

本文針對家用型智能生態種植展開研究，設計一種能改自動調節溫度、濕度、光照等環境參數的種植箱，使植物在無人監管時，能夠在適宜的環境下生長。

1 整體結構設計

本文設計的生態種植箱的NX UG三維模型如圖1所示，由透光箱體1、固定頂棚2、滑動頂棚3、種植底板4、第一電機5、第一絲杠6、第一螺紋滑動塊7、第二電機8、第二絲杠9、第二螺紋滑動塊10、橫向導軌11、第三電機12、帶傳動機構13、縱向導軌14、噴淋裝置15、調溫風扇16、顯示面板17等組成。

種植箱的四周由透光箱體、固定頂棚、滑動頂棚、種植底板組成，透光箱體與種植底板組成開頂的長方體，固定頂棚固定在一側的透光箱體板上方，滑動頂棚的初始位置在另一側，固定頂棚與滑動頂棚接觸部分有一條導軌，保證滑動頂棚直線運動的方向。滑動頂棚可以實現植物的遮光，固定頂棚與滑動頂棚下的補光燈可以實現植物的補光。箱體外部的顯示面板可以實時顯示生態系統內的溫度、濕度。另一側箱體內部的調溫風扇可以調節種植箱內溫度。

第一電機、第一絲杠、第一螺紋滑動塊組成的第一絲杠傳動機構通過第一螺紋滑動塊連接滑動頂棚實現滑動頂棚的橫向移動。第二電機、第二絲杠、第二螺紋滑動塊組成的第二絲杠傳動機構通過第二螺紋滑動塊連接第三電機、帶傳動機構、縱向導軌、噴淋裝置實現以上四個部分在縱向導軌上的移動；噴淋裝置再通過第三電機、帶傳動機構組成的帶傳動機構實現在縱向導軌上的移動。使噴淋裝置能夠在種植箱內全方位移動，實現水霧無死角全方位覆蓋。

圖1 生態種植箱三維模型

2 控制系統設計

智能生態種植箱內的環境是一個半封閉的生態系統，影響種植箱內的植物生長的因素主要有溫度、濕度、光照、空氣成分等，由于各個參數之間具有強耦合性，其復雜的非線性關系難以通過常規的模型表示[8]。對于此類問題可以通過模糊控制、BP神經網絡控制等方法實現智能控制[9]。

模糊控制是一種智能的非線性控制方法[10]，常用于時變非線性系統中，可以很好地處理難以用數學表達的復雜對象，典型的模糊控制系統如圖2所示。

圖2 典型模糊控制系統結構

模糊控制系統由輸入端、模糊控制器、執行機構、被控量、輸出端和測量裝置六個部分組成，通過將操作人員或專家經驗編成模糊規則，然后將來自傳感器的實時信號模糊化，將模糊化后的信號作為模糊規則的輸入，完成模糊推理，將推理后得到的輸出量加到執行器上。

BP網絡是一種典型的多層前饋型網絡[11]，廣泛應用于模式識別、故障診斷，該模型結構如圖3所示：

圖3 三層BP網絡結構

BP網絡一般由輸入層、隱藏層、輸出層組成，數據從輸入層依次傳播至隱藏層、輸出層，在輸出層將誤差反向傳播并調整網絡的權值參數，之后不斷迭代上述步驟直至誤差為零，完成網絡的訓練過程。

根據智能生態種植箱的特點，選取溫度、濕度、光照三種因子作為輸入量，通過如圖4所示的智能控制組合策略進行控制。

圖4 智能生態種植箱控制系統

2.1 控制系統組成與運行

如圖5所示，智能生態種植箱的控制系統主要由數據采集、數據處理與分析、數據顯示、調節執行四個部分組成。

圖5 控制系統模塊組成

2.1.1數據采集模塊

數據采集模塊由溫度、濕度、光照等傳感器組成，用于實時監控環境參數。

2.1.2 數據處理與分析模塊

參數分析模塊是控制系統的核心部分，采用MagePi Pro開發板加裝MegaPi Pro RJ25轉接板，用于處理和分析環境參數數據，并發送到數據顯示與調節執行模塊。

2.1.3 數據顯示模塊

數據顯示模塊接收轉換后溫濕度的數字量，將溫度、濕度分別顯示在屏幕上。2.1.4調節執行模塊

溫度調節：通過控制調溫風扇轉速與滑動頂棚打開來調節溫度。

濕度調節：通過噴淋裝置令水霧無死角地覆蓋整個生態箱進行濕度調節與灌溉。

光照調節：通過控制固定頂棚、滑動頂棚下的補光燈與滑動頂棚的開合來調節光照。

2.2 控制系統硬件組成

2.2.1 主控板MegaPi Pro

MegaPi Pro是一個基于ATmega2560的微主控板，完全兼容Arduino編程。MegaPi Pro擁有強大的驅動能力，輸出功率最高可達120W，其主要技術規格如表1所示。

表1 MegaPi Pro主控板技術規格

MegaPi Pro有四個Port插口，一個四路電機擴展接口，一個RJ25轉接板接口，一個智能舵機接口。強大的擴展能力使其可以輕松應對教育、比賽、娛樂等各方面的要求。支持多個編程環境，包括基于Scratch的圖形化編程軟件mBlock和慧編程，還有Arduino以及Python3環境的編程。其端口及接插模塊介紹如圖6所示。

圖6 MegaPi Pro端口及接插模塊介紹

MegaPi Pro RJ25轉接板工作電壓為5V，模塊尺寸為66mm×42mm，可以將MegaPi Pro針腳轉換為Makeblock的RJ25接口，可以用來連接Makeblock的電子模塊。可以引出8個Port口，使用6P6C RJ25接口方便接線。其中5號接口為硬件串口，使用該接口的模塊有藍牙雙模模塊、WiFi模塊，6-12號接口為單雙數字、模擬、I2C接口，傳感器、開關、顯示屏等模塊使用該接口。

MegaPi Pro RJ25轉接板連接MegaPi Pro主控板如圖7所示：

圖7 MegaPi Pro主控板與RJ25轉接板的連接

MegaPi Pro的ATmega2560的芯片電路原理圖如圖8所示。

圖8 MegaPi Pro ATmega2560的芯片電路原理圖

2.2.2 傳感器

傳感器需要采集智能生態種植箱內的溫度、濕度、光照的數據，使用Makeblock創客平臺的傳感器，通過RJ25線連接到MegaPi Pro RJ25轉接板，其中溫度、濕度使用溫濕度傳感器采集，光照通過光線傳感器采集。

溫濕度傳感器如圖9所示，溫濕度傳感器就是一個含有校準數字信號輸出的傳感器，它的核心元件為DHT11溫濕度傳感器，包括了一個電阻式濕度傳感組件和NTC溫度測量組件。校準系數以程序形式存儲在OTP存儲器中，并在處理檢測到的信號時由傳感器調用。

圖9 溫濕度傳感器實物圖

其主要技術規格如表2所示。

表2 溫濕度傳感器技術規格

溫濕度傳感器電路原理圖如圖10所示。

圖10 溫濕度傳感器電路原理圖

光線傳感器如圖11所示，光線傳感器就是基于半導體的光電效應原理所開發的，它的核心元件為光電晶體管，其電阻隨光的強度增加而減小，通過和另一電阻串聯，輸出電阻的分壓值，便能將變化的光信號變換為變化的電氣信號，并從模擬口輸出。

圖11 光線傳感器實物圖

其主要技術規格如表3所示。

表3 光線傳感器技術規格

光線傳感器電路原理圖如圖12所示。

圖12 光線傳感器電路原理圖

3 樣機模型搭建

對樣機按1:1比例進行制作，驅動電機使用9V直流電機，縱向絲杠使用鋁型材，滑動塊、電機座、噴淋裝置等非標件使用3D打印技術進行材料成型，透光箱體通過激光切割亞克力材料制作。樣機模型如圖13所示。

圖13 樣機模型

4 結束語

如今隨著我國城鎮化的推進，大多數人回到家后，只能被封閉在空中高高的“鳥籠”里，只有透過窗戶才能看到外面的世界，呼吸到新鮮的空氣。針對以上問題，打造便攜式無人化陽臺花園，讓人近距離接觸大自然，實現了城市森林花園建筑。

基于Makeblock創客平臺的MegaPi Pro主控板設計的智能生態種植箱使用多類傳感器收集數據自動調節種植箱內的環境，并將種植箱內的溫度、濕度在數碼管上實時顯示，可以有效地對綠色植物生長的智能化監管。該設計有很大的應用空間，其成本是大部分家庭可以接受的價格，具有一定的推廣價值。