基于Arduino的種植環(huán)境調(diào)控系統(tǒng)設(shè)計

謝碧洪，蕭金瑞，王 豪

（1.羅定職業(yè)技術(shù)學院 機電工程系，廣東 云浮 527200；2.廣州大學廣東省水肥高效利用及太陽能智能灌溉工程技術(shù)研究中心，廣東 廣州 510006；3.國機智能科技有限公司，廣東 廣州 510530）

環(huán)境對于植物的生長有極其重要的影響，能否根據(jù)環(huán)境變化及時作出應(yīng)對措施，決定了其生長狀態(tài)[1-3]。近年來，隨勞動力成本的不斷增加、土地有效利用率下降以及氣候環(huán)境惡化，高效智能、智慧控候的種植方式備受親睞[4]。在20世紀中期，美國加州的帕薩迪納研究中心建造了世界第一個“人工氣候室”，實現(xiàn)了室內(nèi)溫度、濕度、光照、空氣等環(huán)境變量的智能調(diào)控，改變了傳統(tǒng)種植完全依賴于自然氣候的現(xiàn)狀[5]。隨后智慧大棚種植應(yīng)運而生，通過計算機、傳感器及執(zhí)行器對作物進行按時按需的自動灌溉、環(huán)境參數(shù)自動采集與調(diào)控、生長周期養(yǎng)分需求自動供給等，使農(nóng)作物在科學規(guī)劃下生長，提高了其質(zhì)量和產(chǎn)量，實現(xiàn)種植業(yè)自動化，降低了勞動力成本，滿足了人們對各種農(nóng)作物和蔬果的需求[6-8]。

然而，隨著城鎮(zhèn)化進程的推進，有效耕地面積大幅縮減，智慧大棚種植也難有一席之地。因而，智能化調(diào)控、精細化種植、小巧化培育的種植模式顯得尤為必要。許多學者開展了相關(guān)研究，段宇婷設(shè)計了面向城市家庭的小巧型蔬菜種植設(shè)備，可實現(xiàn)環(huán)境溫、光、濕等檢測與調(diào)控[9]；尹娟開發(fā)了由前端設(shè)備、無線網(wǎng)關(guān)、后臺監(jiān)控管理平臺組成的基于物聯(lián)網(wǎng)驅(qū)動的智慧農(nóng)業(yè)精細種植系統(tǒng),實現(xiàn)了種植環(huán)境數(shù)據(jù)的遠程查詢、實時監(jiān)控等功能[10]；小米科技開發(fā)了基于濕度、溫度、養(yǎng)分自動供給的物聯(lián)網(wǎng)智慧無土栽培箱，滿足了部分市民的需求。然而現(xiàn)有研究大多聚焦于無土栽培，鮮有對于傳統(tǒng)有土種植與智慧栽培相結(jié)合的智能種植方面的研究。由于大部分植物均難以適應(yīng)無土栽培，使得人們對現(xiàn)有的無土智慧種植產(chǎn)品接受程度不高，精細小巧智能的居家種植難題仍未被解決。

本文基于光、溫、濕、氣、土等環(huán)境變量，結(jié)合Arduino單片機和傳感技術(shù)，設(shè)計一種適用于有土栽培的智慧種植監(jiān)控系統(tǒng)，并對其實際應(yīng)用效果進行分析驗證，以解決日益突出的種植空間供需矛盾問題。

1 控制系統(tǒng)總體架構(gòu)

基于Arduino單片機的有土栽培智慧種植箱控制系統(tǒng)由傳感信息獲取模塊、數(shù)據(jù)信息處理模塊、數(shù)模轉(zhuǎn)換與驅(qū)動模塊、決策執(zhí)行模塊及人機交互模塊5部分組成，見圖1。傳感信息獲取模塊包括環(huán)境溫度、空氣濕度、土壤含水率、土壤鹽酸堿度、光照強度等信息采集傳感模塊，用于實時感知環(huán)境特征變量。數(shù)據(jù)信息處理模塊為Arduino mage 2560 MCU單片機，具有強大的數(shù)據(jù)處理能力及便捷的操控方式。數(shù)模轉(zhuǎn)換與驅(qū)動模塊由中間繼電器、電路放大驅(qū)動模塊、數(shù)模轉(zhuǎn)化模塊等組成，為決策動作執(zhí)行提供準備。決策執(zhí)行模塊由電熱絲加熱模塊、散熱排氣模塊、霧化降溫與加濕模塊、LED補光與遮光模塊、鹽酸堿調(diào)節(jié)系統(tǒng)、澆灌系統(tǒng)等組成，用于執(zhí)行單片機發(fā)出的指令。人機交互模塊可實時展示種植系統(tǒng)環(huán)境狀態(tài)，便于參數(shù)設(shè)定及用戶管理。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)Fig.1 The overall system srchitecture

2 各模塊功能設(shè)計

傳感信息獲取模塊可實時檢測種植箱內(nèi)部的環(huán)境溫度、空氣濕度、土壤含水率、土壤鹽酸堿度、光照強度等環(huán)境變量，見圖2，及時準確掌握植物生長的基本要素。環(huán)境溫度和空氣濕度傳感器用于檢測種植箱內(nèi)部濕度和溫度的實時變化，以便于溫濕度調(diào)控，避免內(nèi)部溫濕度過高或過低而影響植物正常呼吸及光合作用。同時，土壤含水率和鹽酸堿度直接影響根系伸展、養(yǎng)分及水分吸收，確保植物體系供需平衡。通過光照強度傳感器檢測種植箱內(nèi)部光強，以衡量其是否滿足植物光合作用需求，進而給執(zhí)行模塊的補光及遮光裝置提供驅(qū)動信息。

圖2 傳感信息獲取模塊Fig.2 The sensor information acquisition module

信息處理與決策執(zhí)行模塊由Arduino單片機與各動作驅(qū)動模塊組成。傳感信息模塊獲取的各類信息通過模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊傳輸至Arduino CPU，并經(jīng)控制程序進行運算處理。其后，根據(jù)運算結(jié)果進行決策判斷，并將種植箱內(nèi)環(huán)境調(diào)節(jié)至最適宜植物當前生長的溫濕度、光照強度、含水率及鹽酸堿度，見圖3、圖4。在不同生長周期，植物對環(huán)境濕度的需求不一致，如果實類植物開花時需提高濕度，有助于枝葉及花蕾吸收，避免枝干、綠葉及花蕾因濕度不足而過早枯萎和凋落，而在果實成熟期，植物需控制果實內(nèi)部水分含量，提高糖等成分濃度，需降低空氣濕度。同時，植物對土壤含水率也有類似的需求，如土壤含水率過高會引起植物根系呼吸不暢而導致爛根，含水率過低則不利于植物內(nèi)細胞活動和生長的平衡調(diào)節(jié)。土壤鹽酸堿檢測主要是為避免化學試劑過量使用而造成的土壤鹽堿化，實時監(jiān)測并調(diào)控土壤的鹽堿度和酸堿度，確保土壤事宜植物的長期生長。此外，由于種植培養(yǎng)箱大多置于室內(nèi)，不便于采光且環(huán)境溫度與大自然存在差異，因而需結(jié)合箱體內(nèi)光照強度、環(huán)境溫度以及植物生長需求，調(diào)節(jié)其內(nèi)光強和溫度，以使其更接近適宜植物生長的大自然。

圖3 濕度、含水率及鹽酸堿度調(diào)控方案Fig.3 The control scheme for humidity,water content and hydrochloric acid alka‐linity

圖4 溫度及光照強度調(diào)控方案Fig.4 The control scheme of temperature and light intensity

為實現(xiàn)上述環(huán)境要素的調(diào)控，本文分別采用通風散熱風扇、加熱供暖模塊、加壓灌溉及肥液調(diào)節(jié)系統(tǒng)、補光LED及遮光板等模塊，并通過中間繼電器、數(shù)模轉(zhuǎn)換電路以及放大驅(qū)動模塊等連接至Arduino控制中心，系統(tǒng)模型見圖5。

圖5 種植環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)模型Fig.5 The planting environment monitoring system model

3 系統(tǒng)測試結(jié)果分析

3.1 測試試驗方法

在室溫條件下，通過人機交互界面的參數(shù)設(shè)置模塊，分別設(shè)定不同的環(huán)境變量，檢驗系統(tǒng)的可靠性。在室溫低于23℃的空間，將初始溫度值設(shè)定為23℃，依次間隔2℃遞增至35℃，啟動溫控調(diào)節(jié)程序，通過加熱裝置、散熱風扇及霧化降溫等調(diào)節(jié)種植系統(tǒng)的溫度至設(shè)定值，采用溫度計檢測調(diào)節(jié)后的溫度值，完成溫度調(diào)節(jié)測試；采用同樣的方式，分別將系統(tǒng)內(nèi)部空氣相對濕度設(shè)定為50%～80%，啟動霧化加濕裝置、排氣及烘干裝置，并采用濕度計測量調(diào)節(jié)后的濕度值，完成濕度調(diào)節(jié)測試；在光強低于100 lx的室內(nèi)，分別將光照強度設(shè)定為100～600 lx，通過自動程序調(diào)節(jié)遮光板和LED亮度實現(xiàn)不同光強的調(diào)整，并采用亮度計測量光強，完成光照強度測試；通過烘干箱將待測土壤烘干，采用分析天平稱量1 kg干土放于種植系統(tǒng)內(nèi)，依次設(shè)定土壤含水率為5%～35%，pH值為6.2～7.4，電導率為1～4 S/m，啟動澆灌系統(tǒng)、烘干裝置、排氣通風裝置、pH值及EC調(diào)節(jié)系統(tǒng)，分別調(diào)節(jié)土壤含水率、酸堿度及電導率，并采用四合一土壤檢測儀檢測調(diào)整后各變量數(shù)值。

為便于表征系統(tǒng)對各環(huán)境變量調(diào)控的可靠性，引入式（1）計算各變量不同設(shè)定值下的調(diào)控精度。

式中：ε——系統(tǒng)調(diào)控精度；ys——設(shè)定值；yc——實測值。

3.2 結(jié)果分析

結(jié)合試驗檢測結(jié)果，對比各環(huán)境變量的調(diào)控精度，見表1。調(diào)控后的實測值均較接近設(shè)定值，大部分環(huán)境變量的調(diào)整精度均高于98%，系統(tǒng)調(diào)控可靠性較高。從單因素看，系統(tǒng)空氣溫度調(diào)節(jié)精度為97.06%～99.86%，相對濕度為96.98%～98.52%，土壤含水率為96.40%～99.47%，光照強度為93.09%～98.21%，酸堿度為97.84%～99.06%，電導率為94.50%～98.29%。可見，酸堿度調(diào)節(jié)精度最高，且波動幅度最小，僅為1.22%，而光照強度調(diào)節(jié)精度最低，波動幅度也最大，高達3.79%。在本次試驗中，通過控制酸堿調(diào)整劑和水含量來調(diào)整系統(tǒng)的酸堿度，受外部環(huán)境影響小，決策執(zhí)行難度較低，因而其調(diào)節(jié)精度較高。光照強度則是通過改變遮光板所在位置和LED功率來調(diào)節(jié)，其調(diào)整過程受外部環(huán)境光線影響較大，且LED光照強度無法隨功率線性改變，故其調(diào)節(jié)精度較低，精度波動幅度較大。整體看，6個變量的調(diào)節(jié)精度均高于93%，滿足了植物種植需求，因而所設(shè)計種植環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)對局部環(huán)境變量調(diào)節(jié)可靠性高。

表1 系統(tǒng)調(diào)控試驗誤差分析Tab.1 The error analysis of system regulation test

4 結(jié)語

本文從居家有土栽培需求出發(fā)，設(shè)計了基于Arduino的種植環(huán)境智能監(jiān)控系統(tǒng)，搭建了軟硬件測試基礎(chǔ)模型。在實驗室環(huán)境下，對所設(shè)計的監(jiān)控系統(tǒng)進行空氣溫度、濕度、光照強度、土壤含水率、酸堿度及電導率等變量的多維度調(diào)控精度測試，結(jié)果表明：空氣溫度調(diào)控精度為97.06%～99.86%，相對濕度為96.98%～98.52%，土壤含水率為96.40%～99.47%，光照強度為93.09%～98.21%，酸堿度為97.84%～99.06%，電導率為94.50%～98.29%，具有較高的調(diào)控可靠性，滿足設(shè)計需求。