基于Arduino的智能生物培養(yǎng)系統(tǒng)設(shè)計＊

薛正寬，吳 晗，時寬樂

（山東石油化工學(xué)院，山東 東營 257061）

中國是一個農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)占有重要地位[1]。而中國人口多，耕地少，氣候和土壤條件差異較大，傳統(tǒng)生物培養(yǎng)實驗分散，周期長，成本高。利用生物培育箱來進(jìn)行物種的培育實驗，不僅可以通過多個實驗箱建立多個實驗環(huán)境同時進(jìn)行物種的培育實驗并進(jìn)行新物種的橫向?qū)Ρ龋源蠓瓤s減實驗周期，而且可以通過實現(xiàn)實驗箱的智能化，減少實驗人員的精力消耗并提升實驗效率[2]。但市面上的生物培育箱智能程度低，可控因素少，而智能程度高的培育箱價格過于高昂。近年來，互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)飛速發(fā)展，并被運用到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，數(shù)字農(nóng)業(yè)和智慧農(nóng)業(yè)得以迅猛發(fā)展[3-4]。本文旨在將多傳感器、發(fā)生器、控制器嵌入生物培育箱內(nèi)，通過Arduino及物聯(lián)網(wǎng)平臺設(shè)計一種能夠?qū)崿F(xiàn)細(xì)致化、智能化管理的智能生物培養(yǎng)系統(tǒng)。在提高智能化的同時，造價低廉，適用范圍廣泛，從而使生物的培優(yōu)和育種實驗周期短、投入小、效率高，促進(jìn)中國農(nóng)業(yè)智能化生產(chǎn)的進(jìn)程。

1 智能生物培養(yǎng)系統(tǒng)簡介

在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，影響農(nóng)作物生長的環(huán)境因素主要有溫度、光照強度、氣體濃度、土壤濕度等等，想要通過人工培養(yǎng)的方式對上述條件進(jìn)行精確控制是非常困難的。本文提出的基于Arduino的智能生物培養(yǎng)系統(tǒng)則具有以下功能：①箱體內(nèi)溫度的監(jiān)測及調(diào)控；②箱體內(nèi)CO2濃度的監(jiān)測及調(diào)控；③箱體內(nèi)光照強度的檢測及調(diào)控；④箱體內(nèi)土壤濕度的檢測及調(diào)控；⑤將收集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)桨⒗镌破脚_顯示；⑥提供手機APP，用于監(jiān)視和調(diào)控環(huán)境數(shù)據(jù)。

1.1 Arduino軟件

Arduino是一款使用簡單，集硬件、軟件環(huán)境于一身的開源開發(fā)平臺，旨在為智能硬件愛好者、交互藝術(shù)設(shè)計師和電子軟件工程師提供簡單易用的開發(fā)體驗。Arduino采用知識共享（CC）許可證，任何人都可以制作電路板的副本，并且擁有完善的軟件開發(fā)資源。

1.2 Arduino主控板

本文設(shè)計的智能生物培養(yǎng)系統(tǒng)采用Arduino UNO開發(fā)板，采用atmega328p微處理器，工作電壓5 V，輸入電壓7～12 V，數(shù)字輸入/輸出引腳14個（PWM輸出6個），PWM數(shù)字I/O引腳6個，模擬輸入引腳6個，閃存32 KB。

1.3 傳感器的選擇

1.3.1 BME280傳感器模塊

BME280是一種環(huán)境傳感器，可以感應(yīng)環(huán)境溫度、濕度和大氣壓力。它支持I2C和SPI接口，兼容3.3 V/5 V電平，完美適配Arduino UNO開發(fā)板；尺寸小，功耗低、精度高且穩(wěn)定性好，在本系統(tǒng)中主要用于監(jiān)測箱體內(nèi)的溫度和濕度。

1.3.2 CCS811傳感器模塊

CCS811是一種數(shù)字氣體傳感器，集成了CCS811傳感器和8位MCU，用來檢測CO2和各種揮發(fā)性有機化合物氣體。其尺寸小，功耗低，靈敏度高，采用智能算法計算TVOC/eCO2數(shù)值，輸出I2C信號，直接與主系統(tǒng)通信，適用于環(huán)境監(jiān)測、物聯(lián)網(wǎng)等應(yīng)用場景。在本系統(tǒng)中主要用于監(jiān)測箱體內(nèi)的CO2濃度。

1.3.3 土壤濕度傳感器模塊

土壤水分傳感器用于判斷土壤的含水量，從而確定土壤的含水量。當(dāng)土壤濕度傳感器插入土壤時，由于土壤含水量不同，土壤的阻力值也不同。三極管的底座提供大小不同的傳導(dǎo)電流。三極管集電極到發(fā)射極的傳導(dǎo)電流由基極控制，并在發(fā)射極的下拉電阻后轉(zhuǎn)換為電壓。在本系統(tǒng)中主要用于監(jiān)測箱體內(nèi)的土壤濕度。

1.3.4 光敏電阻模塊

光敏電阻器用于檢測光照強度。其工作原理是基于內(nèi)部光電效應(yīng)，光線越強，電阻值越低。隨著光強的增加，電阻值迅速減小，亮電阻值可小于1 kΩ。光刻膠對光非常敏感。當(dāng)沒有光線時，它顯示高電阻狀態(tài)，暗電阻通常高達(dá)1.5 MΩ。在本系統(tǒng)中主要用于監(jiān)測箱體內(nèi)的光照強度。

1.3.5 繼電器模塊

本系統(tǒng)應(yīng)用的執(zhí)行器主要由水泵、排氣風(fēng)扇、加熱板組成。土壤濕度低時水泵將進(jìn)行工作，CO2濃度高時排氣風(fēng)扇將會進(jìn)行工作；箱體內(nèi)溫度較低時，加熱板將進(jìn)行工作。

1.3.6 Wi-Fi模塊——EMW3080模塊

本系統(tǒng)采用EMW3080嵌入式Wi-Fi模塊，最高主頻133 MHz，內(nèi)置256 KB SRAM，2MFL ASH，3.3 V單電源供電。箱體內(nèi)的數(shù)據(jù)將通過Wi-Fi模塊把數(shù)據(jù)傳輸?shù)桨⒗镌莆锫?lián)網(wǎng)平臺，數(shù)據(jù)將顯示在Web制作的網(wǎng)頁當(dāng)中。用戶也可使用Wi-Fi模塊連接手機APP，通過手機APP對箱體內(nèi)的環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控。各模塊控制圖如圖1所示。

圖1 各模塊控制圖

2 系統(tǒng)架構(gòu)解析

生物培育箱系統(tǒng)可以實時監(jiān)控箱體內(nèi)的環(huán)境因素，系統(tǒng)框架如圖2所示。本系統(tǒng)由感知層、網(wǎng)絡(luò)層、平臺層和應(yīng)用層組成。感知層利用傳感器對箱內(nèi)的各種環(huán)境因素進(jìn)行識別和收集；網(wǎng)絡(luò)層利用Arduino UNO進(jìn)行傳感器數(shù)據(jù)的采集、處理及動作邏輯的執(zhí)行，由Wi-Fi模塊通過AT指令將數(shù)據(jù)通過公網(wǎng)傳輸?shù)皆破脚_端；平臺層負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的鑒權(quán)、接入和轉(zhuǎn)發(fā)，利用阿里云的物聯(lián)網(wǎng)平臺將數(shù)據(jù)可視化及實現(xiàn)各組件之間的聯(lián)動；應(yīng)用層負(fù)責(zé)結(jié)合具體的應(yīng)用需求，在云平臺上對數(shù)據(jù)進(jìn)行計算、處理、挖掘，實現(xiàn)智能化。

圖2 系統(tǒng)框架圖

2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

在本系統(tǒng)中，利用Arduino UNO作為感知節(jié)點的核心部分，確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確及可靠，通過Arduino采集不同接口形式的傳感數(shù)據(jù)，收集培育箱中的影響生物培育的各環(huán)境因素，并將采集到的數(shù)據(jù)上傳到主控板上，由Arduino模塊進(jìn)行采集。數(shù)據(jù)采集后，由Wi-Fi模塊通過APP進(jìn)行傳輸?shù)模ㄟ^公網(wǎng)傳送到云平臺端，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)、處理等。云端將控制信號發(fā)回給主控板，Arduino模塊根據(jù)控制信號對執(zhí)行器進(jìn)行控制，以達(dá)到控制箱體內(nèi)環(huán)境的目的。

2.2 系統(tǒng)程序設(shè)計

該系統(tǒng)的編程是在Arduino IDE編程軟件上進(jìn)行的。系統(tǒng)的編程分為4個部分：數(shù)據(jù)采集、邏輯控制、數(shù)據(jù)云和命令響應(yīng)。數(shù)據(jù)采集部分要將各種傳感器給出的參數(shù)轉(zhuǎn)化為直接可用的數(shù)字量；邏輯控制部分根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)得到執(zhí)行器的動作；數(shù)據(jù)云部分將傳感器的狀態(tài)及執(zhí)行器的狀態(tài)上傳到物聯(lián)網(wǎng)平臺，通過物聯(lián)網(wǎng)對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，若采集到的環(huán)境數(shù)據(jù)未達(dá)到設(shè)定的閾值，則通過物聯(lián)網(wǎng)平臺向控制板下發(fā)控制指令，通過指令響應(yīng)這部分代碼對控制指令進(jìn)行解析并響應(yīng)。總體上本系統(tǒng)的程序應(yīng)具有以下功能：①土壤濕度及與水泵的聯(lián)動。本編程部分是測量培育箱內(nèi)的土壤濕度，并根據(jù)濕度進(jìn)行與水泵的聯(lián)動。②溫度傳感器與制冷器和加熱片的聯(lián)動。本編程部分是測量培育箱內(nèi)的溫度，并根據(jù)溫度進(jìn)行與制冷器和加熱片的聯(lián)動。③光照傳感器與LED燈的聯(lián)動。本編程部分是測量培育箱內(nèi)的光照強度，并根據(jù)光照強度進(jìn)行與LED燈的聯(lián)動。④二氧化碳濃度傳感器與風(fēng)扇的聯(lián)動。本編程部分是測量培育箱內(nèi)的CO2濃度，并根據(jù)CO2濃度進(jìn)行與風(fēng)扇的聯(lián)動。⑤數(shù)據(jù)的上傳。本編程部分是通過AT指令將實驗箱的數(shù)據(jù)上傳到阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺。⑥對控制信息的響應(yīng)。本編程部分對阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺下發(fā)的控制信息進(jìn)行分析與響應(yīng)。⑦運行狀態(tài)響應(yīng)。本編程部分通過蜂鳴器展現(xiàn)程序當(dāng)前運行的狀態(tài)，響1聲為連接電源，連續(xù)響2聲為連上Wi-Fi，連續(xù)響3聲為連接到阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺。

系統(tǒng)總體流程圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)總體流程圖

3 系統(tǒng)的測試及運行結(jié)果

3.1 系統(tǒng)程序測試

在Arduino IDE編程軟件上編寫完成后，連接電源，根據(jù)蜂鳴器確定設(shè)備已經(jīng)連接到阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺，打開物聯(lián)網(wǎng)平臺進(jìn)行測試。

溫度模塊測試。BME280環(huán)境檢測傳感器接數(shù)字端口A0，當(dāng)溫度高于35℃時，接口2的繼電器開啟，空調(diào)開始運行，來達(dá)到降低實驗箱溫度的目的；當(dāng)溫度低于35℃時，接口2的繼電器關(guān)閉，空調(diào)停止運行；當(dāng)溫度低于20℃時，接口10的繼電器開啟，加熱片開始運行，來達(dá)到提高溫度的目的。

濕度模塊測試。土壤濕度傳感器接數(shù)字端口A1，當(dāng)濕度傳感器數(shù)值高于900時，接口4的繼電器開啟，水泵開始運行，來達(dá)到增加實驗箱土壤濕度的目的；當(dāng)濕度傳感器數(shù)值低于400時，接口4的繼電器關(guān)閉，水泵停止運行。

光照模塊測試。光敏傳感器接數(shù)字端口A2，當(dāng)光敏傳感器數(shù)值高于400時，接口7、8、9的繼電器開啟，LED燈開始運行，來達(dá)到提高實驗箱光照強度的目的；當(dāng)光敏傳感器數(shù)值低于200時，接口4的繼電器關(guān)閉，LED燈停止運行。

二氧化碳模塊測試。CCS811二氧化碳傳感器接數(shù)字端口A0，當(dāng)CO2濃度數(shù)值低于800時，接口11的繼電器開啟，換氣風(fēng)扇開始運行，達(dá)到降低CO2濃度的目的；當(dāng)CO2濃度數(shù)值高于900時，關(guān)閉風(fēng)扇。

Web端及APP端對箱體內(nèi)數(shù)據(jù)信息的顯示。使用打火機靠近BME280環(huán)境檢測傳感器，APP端溫度欄顯示的數(shù)值提示，向土壤濕度傳感器澆水，APP端濕度欄顯示的數(shù)值降低，向CCS811二氧化碳傳感器呼出一口氣，APP端CO2濃度欄顯示的數(shù)值降低，打開手電筒指向光敏傳感器，APP端光照強度欄顯示的數(shù)值降低。

3.2 系統(tǒng)測試總結(jié)

本文研究基于Arduino的智能生物培育箱，測試過程中通過阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行實時監(jiān)控。測試結(jié)果表明，此系統(tǒng)可以對培育箱的環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行準(zhǔn)確的接收、顯示及處理。Arduino主控板能夠正常接收并執(zhí)行云平臺下發(fā)的指令，通過設(shè)定數(shù)據(jù)采集頻率，云平臺也會接收到培育箱內(nèi)最新的環(huán)境因素，用戶可以在Web及APP上隨時查看培育箱內(nèi)最新的環(huán)境因素，并對環(huán)境進(jìn)行控制。

4 總結(jié)

本文通過Arduino及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，設(shè)計了一種智能生物培育系統(tǒng)，利用生物培育所需的環(huán)境模型，實現(xiàn)對箱內(nèi)環(huán)境的實時采集、顯示和智能控制，從而保證生物培育實驗的高效進(jìn)行，并確定生物最佳培育環(huán)境運用于實踐中，在提高培養(yǎng)效率的同時降低成本及工作強度。本系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)穩(wěn)定性強、造價成本低、通訊距離遠(yuǎn)等特點，提高生物培優(yōu)育種效率的同時降低成本及工作強度，對于智慧農(nóng)業(yè)有一定的推動作用。