基于虛實(shí)結(jié)合的植物工廠(chǎng)仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)與探索

高菊玲，徐榮麗

（江蘇農(nóng)林職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，江蘇句容 212400）

0 引言

植物工廠(chǎng)是現(xiàn)代設(shè)施農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)，是一種高效、全封閉、節(jié)能型、智能化、立體多層的系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)作物生長(zhǎng)的溫度、濕度、光照強(qiáng)度、CO2濃度、營(yíng)養(yǎng)液濃度等環(huán)境條件進(jìn)行控制，作物的生長(zhǎng)過(guò)程全程可控[1，2]。同時(shí)植物工廠(chǎng)能夠?qū)崿F(xiàn)周年不間斷生產(chǎn)，種植出來(lái)的蔬菜綠色、環(huán)保，智能化植物工廠(chǎng)代表未來(lái)農(nóng)業(yè)的發(fā)展方向。植物工廠(chǎng)作為一個(gè)典型的機(jī)電一體化系統(tǒng)，在機(jī)電一體化技術(shù)專(zhuān)業(yè)開(kāi)展植物工廠(chǎng)實(shí)訓(xùn)很有必要，但大型、中型的植物工廠(chǎng)無(wú)法直接搬到實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行教學(xué)。

目前高職院校的實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)教學(xué)主要分為兩種：一是利用學(xué)校的場(chǎng)地來(lái)建設(shè)實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)室，通過(guò)一定的臺(tái)套數(shù)來(lái)滿(mǎn)足學(xué)生實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)需要，可通過(guò)購(gòu)買(mǎi)方式實(shí)現(xiàn)，但成本比較高；二是利用虛擬仿真軟件來(lái)開(kāi)展相應(yīng)課程的實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)，但虛擬仿真與實(shí)際設(shè)備存在一定的差別，仿真成功，實(shí)物調(diào)試不一定能成功[3-6]。因此，綜合上述兩種方案的優(yōu)缺點(diǎn)，開(kāi)發(fā)一種基于虛實(shí)結(jié)合的植物工廠(chǎng)仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)，可以豐富教學(xué)內(nèi)容，彌補(bǔ)設(shè)備不足，突破時(shí)空限制，提高實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)的成效。

1 植物工廠(chǎng)仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

植物工廠(chǎng)仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)主要應(yīng)用于機(jī)電一體化技術(shù)、電氣自動(dòng)化技術(shù)等專(zhuān)業(yè)課程的實(shí)踐教學(xué)，基于OBE成果導(dǎo)向的教學(xué)理念，以學(xué)生最終能搭建出一個(gè)可以使用的植物工廠(chǎng)為目標(biāo)，聚焦于學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際能力、實(shí)踐操作能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，采用虛實(shí)結(jié)合的方式進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)，如圖1所示。將虛擬仿真和技能實(shí)操結(jié)合，一方面以虛補(bǔ)實(shí)，通過(guò)仿真實(shí)操減少在實(shí)物上的盲目操作和失誤；另一方面虛往實(shí)歸，通過(guò)虛擬仿真后再進(jìn)行植物工廠(chǎng)控制系統(tǒng)實(shí)物制作，提升學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力；最后虛能控實(shí)，由于實(shí)物不能做到每個(gè)學(xué)生一套，可以通過(guò)虛擬軟件來(lái)控制實(shí)際植物工廠(chǎng)的補(bǔ)光燈、風(fēng)扇等，實(shí)際植物工廠(chǎng)中的傳感器數(shù)據(jù)可以在虛擬軟件中顯示，方便隨時(shí)查看，虛實(shí)結(jié)合的方式能夠打破時(shí)空限制，學(xué)生可以隨時(shí)學(xué)習(xí)。

圖1 植物工廠(chǎng)仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)圖

2 植物工廠(chǎng)仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

植物工廠(chǎng)仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)主要涉及PLC與電氣控制、人機(jī)界面、電機(jī)拖動(dòng)等相關(guān)技術(shù)，其中PLC是該系統(tǒng)的重要組成部分。在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中，植物工廠(chǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)前需要了解植物工廠(chǎng)的整體框架搭建、控制系統(tǒng)所需的元器件組成、營(yíng)養(yǎng)液的配比等，通過(guò)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，分為5個(gè)教學(xué)場(chǎng)景，主要達(dá)到以下目的：①熟悉植物工廠(chǎng)主要構(gòu)造，掌握其基本原理；②學(xué)會(huì)搭建植物工廠(chǎng)相關(guān)系統(tǒng)，能進(jìn)行電氣接線(xiàn)與調(diào)試；③掌握植物工廠(chǎng)電氣控制系統(tǒng)中PLC的原理、程序編寫(xiě)、模擬仿真等技能；④掌握營(yíng)養(yǎng)液自動(dòng)配比系統(tǒng)的工作原理；⑤了解各系統(tǒng)之間的關(guān)系，最終實(shí)現(xiàn)整機(jī)聯(lián)調(diào)及運(yùn)行。

2.1 走近“植物工廠(chǎng)”

走近“植物工廠(chǎng)”教學(xué)場(chǎng)景，給學(xué)生展示植物工廠(chǎng)的系統(tǒng)組成。包括管路系統(tǒng)、環(huán)境參數(shù)采集（溫度、濕度、光照強(qiáng)度、CO2濃度等）與控制系統(tǒng)、營(yíng)養(yǎng)液自動(dòng)配比系統(tǒng)、LED智能光照系統(tǒng)等。

2.2 搭建“植物工廠(chǎng)”

基于OBE教學(xué)理念，以實(shí)際植物工廠(chǎng)的需求為引導(dǎo)，以在虛擬仿真軟件中搭建出一個(gè)真實(shí)的植物工廠(chǎng)為目標(biāo)，以培養(yǎng)學(xué)生的虛擬仿真操作能力為手段，設(shè)計(jì)搭建“植物工廠(chǎng)”教學(xué)場(chǎng)景。植物工廠(chǎng)的虛擬搭建力求步驟簡(jiǎn)單、操作簡(jiǎn)便，使學(xué)生有身臨其境的感覺(jué)，激發(fā)學(xué)生的興趣。

從植物工廠(chǎng)內(nèi)管道、植物栽培槽的搭建開(kāi)始，到傳感器（溫濕度傳感器、光照強(qiáng)度傳感器、CO2濃度傳感器）的布置，再到LED智能光照系統(tǒng)的搭建，逐步引導(dǎo)學(xué)生自主探究，遵循由易到難、循序漸進(jìn)的方式，培養(yǎng)學(xué)生的工程思維和職業(yè)素養(yǎng)，提高學(xué)生的適崗能力。例如傳感器接線(xiàn)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程分四步進(jìn)行：①講解不同傳感器的工作原理和接線(xiàn)方式；②利用仿真系統(tǒng)示范傳感器的電氣線(xiàn)路連接，邊示范邊提出問(wèn)題，引導(dǎo)學(xué)生自主思考；③指導(dǎo)學(xué)生開(kāi)展傳感器接線(xiàn)練習(xí)，引導(dǎo)學(xué)生找出錯(cuò)誤并糾正；④學(xué)生獨(dú)立完成幾種傳感器的仿真連線(xiàn)，考核驗(yàn)收。

2.3 認(rèn)識(shí)“營(yíng)養(yǎng)液自動(dòng)配比系統(tǒng)”

植物工廠(chǎng)大多采用營(yíng)養(yǎng)液栽培模式，營(yíng)養(yǎng)液自動(dòng)配比可以通過(guò)精準(zhǔn)灌溉施肥機(jī)完成，實(shí)現(xiàn)水肥精準(zhǔn)配比，做到節(jié)水、節(jié)肥、省工、增產(chǎn)。精準(zhǔn)灌溉施肥機(jī)模型采用學(xué)院科研創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)的精準(zhǔn)灌溉施肥機(jī)，通過(guò)虛擬仿真操作可以了解精準(zhǔn)灌溉施肥機(jī)的主要構(gòu)造，以及其中主要器件如文丘里、過(guò)濾器、油令球閥等的工作原理；通過(guò)動(dòng)畫(huà)展示，讓學(xué)生掌握精準(zhǔn)灌溉施肥機(jī)的基本工作原理；能進(jìn)行精準(zhǔn)灌溉施肥機(jī)虛擬拆裝和排故，讓學(xué)生直觀(guān)感受精準(zhǔn)灌溉施肥設(shè)備的本體結(jié)構(gòu)和排故步驟，使教學(xué)更加形象化、視覺(jué)化和互動(dòng)化。

2.4 植物工廠(chǎng)自動(dòng)控制系統(tǒng)

植物工廠(chǎng)能實(shí)現(xiàn)作物生長(zhǎng)過(guò)程的全過(guò)程監(jiān)控，通過(guò)實(shí)時(shí)采集植物工廠(chǎng)內(nèi)的溫度、濕度、光照強(qiáng)度、CO2濃度、營(yíng)養(yǎng)液的pH值、EC值等參數(shù)，與設(shè)定值相比較，自動(dòng)對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，滿(mǎn)足作物生長(zhǎng)的需求。在進(jìn)行這一教學(xué)場(chǎng)景設(shè)計(jì)時(shí)，充分考慮如何實(shí)現(xiàn)植物工廠(chǎng)自動(dòng)控制系統(tǒng)，在虛擬軟件中設(shè)計(jì)5個(gè)部分：①電氣控制系統(tǒng)的安裝、接線(xiàn)與調(diào)試；②PLC的編程、模擬仿真調(diào)試；③人機(jī)界面；④植物工廠(chǎng)的自動(dòng)控制原理（動(dòng)畫(huà)）；⑤與精準(zhǔn)灌溉施肥機(jī)進(jìn)行聯(lián)調(diào)（管路的連接等），在虛擬軟件中能夠完成對(duì)虛擬植物工廠(chǎng)的自動(dòng)控制，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)室實(shí)際植物工廠(chǎng)的控制。

2.5 一粒種子的“新”路歷程

植物工廠(chǎng)系統(tǒng)虛擬搭建完成后，通過(guò)讓學(xué)生選擇種植的品種（生菜等）、數(shù)量等，讓學(xué)生體驗(yàn)從一顆種子的萌發(fā)到茁壯生長(zhǎng)的真實(shí)過(guò)程，通過(guò)動(dòng)畫(huà)的形式展示以下部分：①營(yíng)養(yǎng)液配比的工作過(guò)程；②營(yíng)養(yǎng)液輸送到植物工廠(chǎng)各層栽培槽；③蔬菜在植物工廠(chǎng)中的生長(zhǎng)過(guò)程演示；④通過(guò)軟件來(lái)控制實(shí)物的溫度調(diào)節(jié)、光照調(diào)節(jié)等。

另外，在實(shí)驗(yàn)室實(shí)際植物工廠(chǎng)中配套種植相應(yīng)的品種，采用自動(dòng)控制模式，讓學(xué)生同步感受生菜生長(zhǎng)的全過(guò)程。通過(guò)虛實(shí)結(jié)合，在虛中做，在實(shí)中檢驗(yàn)，不斷優(yōu)化植物工廠(chǎng)仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)。

3 植物工廠(chǎng)仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

植物工廠(chǎng)仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)模擬真實(shí)植物工廠(chǎng)，虛擬仿真出與真實(shí)植物工廠(chǎng)相似的生產(chǎn)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)以虛補(bǔ)實(shí)、虛往實(shí)歸、虛能控實(shí)。

3.1 環(huán)境搭建

系統(tǒng)采用Unity3D引擎開(kāi)發(fā)，三維模型采用PBR建模，真實(shí)還原實(shí)際使用場(chǎng)景，數(shù)據(jù)庫(kù)采用MySQL，支持PC端及WEB端多平臺(tái)操作。可以通過(guò)鼠標(biāo)、鍵盤(pán)操作在三維場(chǎng)景中移動(dòng)和漫游。采用虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)時(shí)渲染方式，結(jié)合通訊協(xié)議和硬件網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)虛實(shí)結(jié)合的控制效果。

3.2 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

3.2.1 利用零件模型庫(kù)，搭建虛擬植物工廠(chǎng)。真實(shí)植物工廠(chǎng)所有零件模型逐個(gè)進(jìn)行設(shè)計(jì)搭建，每個(gè)零件模型均單獨(dú)保存，并且能進(jìn)行組裝、搭建、拆卸等。從管路系統(tǒng)開(kāi)始，到環(huán)境參數(shù)采集與控制系統(tǒng)、營(yíng)養(yǎng)液自動(dòng)配比系統(tǒng)、LED智能光照系統(tǒng)等依次開(kāi)始虛擬植物工廠(chǎng)的搭建，實(shí)現(xiàn)植物工廠(chǎng)真實(shí)呈現(xiàn)。

3.2.2 以虛補(bǔ)實(shí)，完成虛擬植物工廠(chǎng)系統(tǒng)調(diào)試。虛擬植物工廠(chǎng)搭建完成后，根據(jù)植物工廠(chǎng)的電路設(shè)計(jì)，進(jìn)行虛擬仿真系統(tǒng)的電氣控制線(xiàn)路連接，并開(kāi)展虛擬通電調(diào)試，虛擬仿真設(shè)備能夠按照控制要求正常工作，并且可以仿真出工作狀態(tài)。在真實(shí)植物工廠(chǎng)采集到的環(huán)境參數(shù)，均保存至本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)，并編碼上傳至服務(wù)器端，采用虛實(shí)結(jié)合的方式，能夠在虛擬仿真軟件上顯示出來(lái)。

營(yíng)養(yǎng)液自動(dòng)配比可以通過(guò)對(duì)話(huà)框選擇混合罐中營(yíng)養(yǎng)液的比例，根據(jù)真實(shí)數(shù)據(jù)，在虛擬仿真軟件上進(jìn)行自動(dòng)配肥動(dòng)畫(huà)顯示，并能仿真出具體工作原理。

3.2.3 以虛控實(shí)，實(shí)現(xiàn)植物工廠(chǎng)全程可控。完成虛擬植物工廠(chǎng)系統(tǒng)調(diào)試后，可以通過(guò)虛擬軟件上的控制開(kāi)關(guān)開(kāi)啟真實(shí)植物工廠(chǎng)的補(bǔ)光燈、風(fēng)扇等執(zhí)行設(shè)備，并能顯示補(bǔ)光燈、風(fēng)扇等的開(kāi)關(guān)狀態(tài)。植物工廠(chǎng)內(nèi)作物從栽培到成熟的整個(gè)流程，都是可視可控的。學(xué)生可以通過(guò)環(huán)境參數(shù)調(diào)節(jié)或硬件調(diào)節(jié)來(lái)實(shí)現(xiàn)不同狀態(tài)下的作物培育，并顯示出在此狀態(tài)下作物不同的生長(zhǎng)狀態(tài)及模擬參數(shù)。

4 結(jié)語(yǔ)

植物工廠(chǎng)仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)通過(guò)虛實(shí)結(jié)合的方式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)，聚焦于學(xué)生實(shí)踐操作能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。通過(guò)虛擬仿真出與真實(shí)植物工廠(chǎng)生產(chǎn)環(huán)境，有效激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、學(xué)習(xí)主動(dòng)性和積極性。虛擬仿真可以提供真實(shí)、安全的操作環(huán)境，學(xué)生可以反復(fù)熟悉設(shè)備的工作原理及操作，提高學(xué)習(xí)效率，實(shí)現(xiàn)以虛補(bǔ)實(shí)、虛往實(shí)歸、虛能控實(shí)。虛實(shí)互為補(bǔ)充，互相印證，為實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)教學(xué)提供了新的方式方法。并根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，不斷優(yōu)化實(shí)驗(yàn)方案，不斷完善系統(tǒng)功能，改進(jìn)教學(xué)方法，進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生的工程素養(yǎng)，提升學(xué)生的就業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。