旋轉(zhuǎn)式家用蔬菜花卉一體種植智能微型小溫棚設計

唐梓豪，劉 亮，歐陽有偉，王福平

（北方民族大學 電氣信息工程學院，寧夏回族自治區(qū) 銀川 750021)

現(xiàn)代自控溫室發(fā)展初期，受到技術條件的限制，僅能對溫室內(nèi)某一環(huán)節(jié)因子進行調(diào)節(jié)[1]。雖然隨著科技的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)在智能大棚方面已有應用，但多集中于操控單一農(nóng)作物的溫室大棚，系統(tǒng)復雜，成本高昂[2]，多用于科學研究，很少用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)[3]。另外，我國現(xiàn)有的溫室大棚監(jiān)控系統(tǒng)大多對使用者的專業(yè)知識要求較高[4]，很不適合擁有豐富傳統(tǒng)農(nóng)耕經(jīng)驗但缺乏現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)管理知識的農(nóng)民使用。2021年，殷振新等[5]設計了一種MINI 溫室，通過升降輸送機構(gòu)解決了老年人體力受限、搬運等工作不便親自操作的問題，但是未涉及合理安排種植空間、多種植物智慧種植算法以及多設備云平臺聯(lián)網(wǎng)控制等問題。基于此，本文設計了一種由PLC、觸摸屏、手機app、物聯(lián)網(wǎng)云平臺共同控制的旋轉(zhuǎn)式家用蔬菜花卉一體種植智能微型小溫棚，以實現(xiàn)家庭蔬菜、花卉的一體化智能種植。

1 旋轉(zhuǎn)式家用微型小溫棚概況

旋轉(zhuǎn)式多功能微型小溫棚由溫棚外殼、可旋轉(zhuǎn)種植架、溫控系統(tǒng)、通風系統(tǒng)、噴淋系統(tǒng)及PLC 控制系統(tǒng)組成，圖1 展示的是1 300 mm×1 000 mm×1 100 mm 規(guī)格的溫棚，用戶還可以根據(jù)家庭陽臺面積定制適合的溫棚規(guī)格。

圖1 旋轉(zhuǎn)式多功能溫棚Fig.1 Rotary multifunctional warming shed

溫棚是保障植物正常生長的區(qū)域，為了有效控制溫室環(huán)境因素，防止外界環(huán)境對其產(chǎn)生的干擾，僅將前外殼側(cè)板設計為可開啟式的操作門，供用戶栽培操作，操作門關閉時溫棚成為一個封閉的種植空間。溫控系統(tǒng)由粘貼在溫棚背部的電伴熱帶、安裝在兩側(cè)的風扇和頂部的噴水閥共同組成，溫度低于設定值時，電伴熱帶工作，加熱升溫，防止低溫對植物產(chǎn)生凍害；溫度高于設定值時，噴水閥噴出水霧且風扇旋轉(zhuǎn)通風實現(xiàn)溫棚內(nèi)降溫操作。同時利用風扇的正、反2 種旋轉(zhuǎn)方向也可以實現(xiàn)CO2濃度的有效調(diào)節(jié)，利用噴水閥噴水和噴霧2種工作方式可以實現(xiàn)空氣和土壤的含水量調(diào)節(jié)。溫棚中安裝了多種傳感器，使用WiFi無線網(wǎng)絡將檢測到的數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)皆贫朔掌鳌？刂葡到y(tǒng)CPU 使用西門子s7-200 Smart系列，外接配套17.78 cm 觸摸屏和各種拓展模塊，利用巨控遠程模塊實現(xiàn)無線通訊功能。旋轉(zhuǎn)栽培架設置4 層，每層深度100 mm，分為3段，可以分別種植不同的蔬菜或花卉，例如菠菜、油菜等，其旋轉(zhuǎn)式的結(jié)構(gòu)和透明的外殼材料有效的提高了空間利用率、增加了植株的光照面積。

目前，市場上能購買到的家用種植設備僅僅是一個提供恒溫恒濕環(huán)境的小型電溫箱，無法滿足家庭多種類植物種植的需求和彌補城市居民種植經(jīng)驗的不足。因此，根據(jù)調(diào)研與實際工況分析，家用溫棚應滿足以下需求：實時監(jiān)測植物生長環(huán)境參數(shù)；具備手動/自動控制功能；可以種植多種植物。由系統(tǒng)需求及實際工況分析衍生出的旋轉(zhuǎn)式家用蔬菜花卉一體種植智能微型小溫棚的功能包括：自動旋轉(zhuǎn)、自動澆水、溫度控制、CO2濃度控制、遠程操作、智慧種植算法等。

2 機械結(jié)構(gòu)設計

2.1 外形結(jié)構(gòu)設計

微型小溫棚的設計高度為1.3 m，右側(cè)面1.2 m 高處設置了控制箱，圖1 中假人身高為1.76 m，因此，控制箱的設計高度既符合人體工程學設計方便操作又節(jié)省了室內(nèi)空間。同時控制箱上設置了電源開關、指示燈、急停按鈕和觸摸屏。微型小溫棚的兩側(cè)裝有通風扇，背部敷設有寬度為12 mm 的電伴熱帶，頂部的3 個噴水閥可分別對植托盤內(nèi)不同位置的植物澆水。

2.2 旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)設計

種植架由種植托盤、轉(zhuǎn)盤、軸承、底座和電機組成。旋轉(zhuǎn)時，應避免種植托盤與植株相干涉從而影響植株的生長空間，因此，需要考慮種植托盤的層間高度。以我國各地常見的家庭種植蔬菜為例，油麥菜的成熟高度約300 mm、小白菜的成熟高度約250 mm、韭菜的成熟高度約250 mm，君子蘭的葉片長度在300～500 mm、蘭花的直立高度為50～200 mm，因此，相鄰種植托盤設計的層間高度為360 mm 可保證植株與種植托盤互不干涉，種植架定位見圖2。

圖2 種植架定位圖Fig.2 Planting frame location map

3 控制系統(tǒng)設計

微型小溫棚的控制由可編程邏輯控制器PLC（Programmable Logic Controller）實現(xiàn)，選用西門子S7-200 Smart系列的ST 20 CPU、SB CM01 通 訊 模 塊、EM AE04 模 擬 量 模 塊GRM530遠程模塊和KT700觸摸屏組成總控單元。控制箱上僅設置了通電旋鈕和急停按鈕，對溫棚的操作都需要使用觸摸屏和手機app兩種方式進行。

3.1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

控制系統(tǒng)中的被控對象有：以數(shù)字量形式直接接入CPU自帶端子的手動按鈕、自動按鈕、急停按鈕、噴水閥、電機接觸器、風扇、伴熱帶以數(shù)字量形式直接接入CPU 自帶端子，溫度傳感器、光照傳感器以模擬量形式與EM AE04 模塊連接，土壤墑情傳感器通過SB CM01模塊傳遞數(shù)據(jù)。

3.2 手動控制模式

在手動控制模式下直接點擊觸摸屏上的按鈕進行對各個系統(tǒng)的點動控制。例如：用戶點擊通風啟動按鈕后，觸摸屏通過以太網(wǎng)通訊將CPU 模塊中定義的與通風啟動相對應的中間變量置位，使風扇連接的輸出觸點Q0.1 閉合輸出，風扇開始旋轉(zhuǎn)。用戶還可以在觸摸屏界面中查看各個傳感器的實時數(shù)據(jù)，自主判斷植物生長環(huán)境的適宜程度。

3.3 自動控制模式

在自動控制模式下，控制系統(tǒng)會實時讀取傳感器中的數(shù)據(jù)，并通過無線通訊模塊將實時數(shù)據(jù)傳輸并保存到云平臺，與部署于云平臺的智能種植算法相比對，當數(shù)據(jù)超出植物事宜的環(huán)境參數(shù)范圍后，服務器立即向PLC 發(fā)出指令，通過控制包括溫控系統(tǒng)在內(nèi)的不同功能模塊實現(xiàn)對溫棚內(nèi)環(huán)境參數(shù)的實時調(diào)節(jié)，為植物提供更加適宜的生長環(huán)境。用戶只需要進行播種和采摘操作即可收獲新鮮蔬菜。

3.4 遠程控制模式

針對不能在家照料植株的人群設計出了遠程控制模式，用戶可使用手機app 進行手/自動控制模式選擇。app 中設計了各個功能的操作界面和數(shù)據(jù)監(jiān)測界面，方便用戶操作各項功能并查看生長環(huán)境參數(shù)。

4 功能測試

4.1 機械功能測試

使用SolidWorks 軟件進行模型干涉檢查和有限元分析，其結(jié)果顯示旋轉(zhuǎn)架運動結(jié)構(gòu)無相互干涉，可正常實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)功能，對其施加200 N豎直向下的力后未產(chǎn)生明顯形變，根據(jù)分析結(jié)果制造出微型小溫棚實物。

4.2 數(shù)據(jù)采集測試

溫棚內(nèi)實時數(shù)據(jù)的采集是分析和控制植株生長環(huán)境的關鍵關鍵步驟，隨機抽取了各個傳感器的數(shù)據(jù)，結(jié)果見表1。

表1 傳感器數(shù)據(jù)Tab.1 Sensor data

4.3 數(shù)據(jù)傳輸測試

微型小溫棚的控制算和數(shù)據(jù)庫部署在物聯(lián)網(wǎng)云平臺上，使用巨控GRM530 模塊實現(xiàn)控制箱與云平臺的數(shù)據(jù)交互，因此，需要對云平臺的數(shù)據(jù)傳輸功能進行測試，其服務器部署及數(shù)據(jù)監(jiān)控界面見圖4。

圖4 數(shù)據(jù)傳輸測試Fig.4 Data transmission test

5 結(jié)論

通過市面上傳統(tǒng)溫棚與主流溫棚監(jiān)控系統(tǒng)對比，傳統(tǒng)溫棚無法做到種植環(huán)境的可檢測與管理。本套系統(tǒng)設計采用wifi 無線傳感網(wǎng)絡，通過設計現(xiàn)場檢測終端與遠程云監(jiān)控平臺，實現(xiàn)了感知層、網(wǎng)絡層到平臺層和應用層，設計了一套完整的旋轉(zhuǎn)式多功能智能家庭溫棚監(jiān)控系統(tǒng)。構(gòu)建了旋轉(zhuǎn)式家用蔬菜花卉一體種植智能微型小溫棚的機械結(jié)構(gòu)，旋轉(zhuǎn)式的結(jié)構(gòu)充分的利用了家庭陽臺的垂直高度，有效提高了光照利用率，可支持多種蔬菜和花卉同時種植。設計了基于PLC的溫棚控制系統(tǒng)，能實時讀取溫棚內(nèi)各個傳感器的數(shù)據(jù)并完成旋轉(zhuǎn)、澆水、通風、加熱和加濕等動作的控制，以人機交互的形式增加了用戶在種植過程中的參與程度。開發(fā)了觸摸屏操作界面、手機應用程序，分別通過實體按鈕、觸摸屏和手機app 實現(xiàn)了手動、自動、遠程3 種控制方式，適合不同人群的多種應用場景，同時，內(nèi)置的智慧種植算法也解決了城市居民缺少種植經(jīng)驗的問題。