一種能提供近似自然生長環境的育苗系統設計

陳菊，張誠喆，陳園，趙慶

（1.武昌工學院 信息工程學院，湖北武漢，430000；2.湖北工業大學，湖北武漢，430000）

0 引言

中國自古以來就是一個農業大國，農業是我國國民經濟的基礎[1]。但是隨著我國人口老齡化形勢日益嚴峻以及耕地日益減少，農業勞動力日益短缺。同時，我國農業現代化程度較低。2021 年11 月12 日，國務院印發的《“十四五”推進農業農村現代化規劃》中明確指出：“實現農業農村現代化是全面建設社會主義現代化國家的重大任務”。智能農業裝備也被列入了2025 中國智造計劃。

隨著計算機技術、通信技術以及傳感器技術的發展，基于互聯網技術的物聯網在智能家居、共享交通、工業生產等領域得到了廣泛的應用[2]。在農業領域，物聯網技術的出現同樣帶來了翻天覆地的變化。智能溫室大棚就是基于物聯網技術典型代表，90 年代初我國農業科學院研制了基于Windows 的智能溫控管理系統，孫學斌等人研制了基于計算機和51 單片機的智能溫室系統，能夠監測溫室環境中的各種生長因素并對其進行控制；90 年代中期，毛罕平等人研制了一種能對多種參數綜合控制的溫室軟硬件控制系統[3]。1995 年開始，國內各高校開始研究大棚各參數調控系統[4]。2007 年6 月，中國農業科學院研制了國內第一套單井抽灌淺層地能溫室環境調控系統。2012 年劉俊巖等人設計了一套由太陽能供電的溫室自動灌溉系統，系統采用ZigBee 無線傳輸的方式，實現了遠程的實時監控功能[5]。2015 年，姚偉等人設計了溫室環境的檢測與調節系統，利用 PLC 采集環境參數并作為控制器控制相關執行機構，利用 Visual Basic 開發了上位機監控軟件[6]。

我國智能溫室大棚技術雖然取得了較大的進步[7]，但溫室育苗仍然存在幼苗移植到自然環境中后成活率低、抗自然災害能力差的特點[8]，通過對文獻的查閱及與育苗技術人員的交流發現，產生上述問題的主要原因是溫室育苗過程中的生長參數與實際自然環境差異較大，導致移植后的幼苗移植幼苗成活率低、抗自然災害能力差。針對上述問題，本文提出了一種基于云平臺和大數據的，能為種苗培育提供接近其自然生長環境的智能育苗系統[9]。該系統能夠監測及控制育苗過程中的溫度、濕度、光照度、通風等關鍵生長參數，通過對抗自然災害能力強的幼苗生長環境的大數據監測，獲得最佳的育苗參數并存儲在云平臺；同時，該系統用云平臺進行大數據分析與存儲、以STM32 單片機作為育苗系統的主控制器，利用4G 無線傳輸模塊與云平臺上的總控制通信，具有成本低、管理方便的優點。論文的研究成果在智能育苗設備及種苗培育行業具有極大的應用潛力。

1 系統設計

智能育苗系統包括由不同系列育苗箱構成的感知層、無線網絡傳輸層和網絡應用層三部分構成[10]，系統結構圖如圖1 所示。育苗箱能夠自主運行，通過自身安裝的控制器可以實現溫度、濕度、光照度、通風等關鍵生長參數的調節與控制，同時還能夠將測得的環境參數通過4G 透傳模塊發送給網絡應用層進行大數據記錄；基于4G 的無線網絡傳輸層的作用是將多個獨立的育苗箱設備與應用管理系統連接，實現信息的互通；應用層的管理系統能夠分析并記錄幼苗的生長數據，并通過大數據實現幼苗最佳生長數據的擬合與分類存儲，當需要利用育苗箱培育某種幼苗時，用戶可以從管理系統中調取幼苗的最佳生長數據，并實時地發送給育苗箱進行幼苗培育。

圖1 系統結構圖

■1.1 育苗箱硬件系統設計

智能育苗箱的硬件結構圖如圖2 所示，采用主從兩個控制器實現系統傳感信號的測量與處理，其中主控制器主要負責傳感信號的采集、數據的處理、與云平臺通訊，以及控制從控制器的工作；從控制器結合大功率LED 驅動器主要實現三路（拓展更多路）植物燈的強度控制。該智能育苗系統可以通過設備自帶的觸摸屏設定內部溫度、濕度以及光照度等環境參數，也可以通過云平臺上的控制系統實現上述環境參數的遠程設置；主控制器通過傳感獲取實時環境參數并與目標值比對；并根據比對結果控制通風、加濕、空調等設備調節育苗系統內部環境參數直到其達到設定值。

圖2 育苗箱硬件結構圖

主控芯片主要需要將采集到的數據進行運算級、處理，并通過4G 透傳模塊發送給云端總控制系統，另外需要接收主機傳達的命令，對設備進行控制。論文對常用單片機性能進行了比較，如表1 所示。論文最終選擇了I/O 口豐富、數據處理及抗干擾能力強的STM32F103C8T6 單片機作為本系統的主控制器[11]。

表1 單片機性能比較

■1.2 傳感器選型

（1）溫濕度傳感器

本文環境溫濕度的測試 選 用DHT11 芯 片， 實物圖如圖3 所示。該芯片采用電阻式元件用于采集濕度以及NTC 感溫元件，內含一個8 位單片機。它具有性價比高，體積小，抗干擾能力強，精度高，功耗小等優點。該芯片其他參數見表2。

圖3 DHT11 模塊實物圖

（2）CO2濃度傳感器

對于環境中CO2濃度的采集采用MG811 傳感器。該傳感器是一種半導體氧化物化學傳感器。工作原理：利用固體電解質電池原理來檢測CO2的濃度，當傳感器保持在一定的工作溫度，置于CO2氣氛中時，電池正負極發生電極反應，傳感器敏感電極和參考電極之間產生電動勢，輸出信號電壓與CO2濃度的對數成反比例線性關系，通過測試信號電壓的變化，可檢測到CO2濃度的變化。MG811 傳感器主要參數見表3。

表3 MG811參數

（3）光照強度傳感器

光強信息的采集選用HA2003 光照傳感器。該傳感器采用高精度的光電轉換模塊，將光強轉換為電信號調理電路轉換為0～2V。具有精度高、體積小、耐腐蝕響應速度快等優點。HA2003 光照傳感器的主要參數見表4。

表4 HA2003主要參數

■1.3 DTU 傳輸模塊選型

本系統對于傳輸數據的速率要求不高，因此采用性價比較高的GPRS 方法。DTU 是一種基于GPRS 網絡傳輸的無線終端設備[12]。DTU 具有以下優點：組網迅速靈活，建設周期短、成本低；網絡覆蓋范圍廣；安全保密性能好；鏈路支持永遠在線、按流量計費、用戶使用成本低。現場測試節點與 DTU 之間通過 RS-232 串口通信實現數據交換，DTU模塊將數據整理成網絡通信的數據包，利用 GPRS 網絡發送至服務器端進行存儲。論文選用的DTU 實物圖4 所示。

圖4 DTU 實物

■1.4 電氣控制模塊設計

本系統執行設備的狀態只有“開”和“關”兩種狀態，論文采用繼電器進行控制。繼電器是一種應用于自動控制電路中的控制器件，主要作用是通過小電流來控制大電流，起著保護電路、電路轉換和自動調節的作用，具有體積小、動作快、穩定性強等優點。其工作原理為：利用電磁感應通過在線圈兩端加電壓產生電流繼續對銜鐵產生吸引力進而控制電路通斷。目前繼電器主要有電磁式繼電器和固態繼電器兩種類型。論文通過控制器向繼電器發送命令使電路通或者斷。

本系統采用SRD-05VDC-SL-C 電磁繼電器。主要參數為：吸合電壓為 5V；最低為 3.75V；吸合額定電流為 71.4mA；落下電壓為 0.5V。總共有六套執行機構，分別為：通風機、CO2制造器、遮陽機、補光機、溫度控制器、濕簾系統，每一個執行設備都設計了單獨的繼電器控制電路。同時，為了避免執行機構與前端控制電路的相互干擾，論文在兩者中間加入了一個PC817 光電隔離器。繼電器控制電路如圖5 所示。

圖5 繼電器控制電路

2 系統軟件設計

育苗系統的軟件包括育苗系統主控制器部分的STM32單片機程序和平臺主控制軟件程序。前者主要內容為：STM32 單片機上操作系統的移植、 LwIP 協議移植、測量模塊程序設計、執行單元程序設計以及顯示器程序設計；后者主要內容為：軟件界面設計、通信模塊設計、數據庫模塊設計。軟件框架如圖6 所示。

圖6 軟件框架

■2.1 STM32 程序設計

STM32 單片機程序主要是為了實現對硬件系統的測量與控制，是整個系統的核心。STM32 單片機可以與平臺主控制軟件通訊，發送測量數據給平臺主控制軟件進行數據存儲、分析與顯示；同時接收平臺主控制軟件發送過來的控制指令，接收指令經過解碼與分析后，控制系統的空調系統、加濕系統、光照、通風等設備按照預設的流程進行工作，并實時檢測各設備是否正在工作。 STM32 單片機的關鍵程序執行流程如圖7 所示，單片機啟動后，首先檢測與平臺主控制軟件通信是否連接成功，如果連接未成功，一直處于等待連接的狀態；連接成功后，將各傳感器測得的數據發送給控制軟件平臺，并提示單片機控制系統正常工作；如果平臺主控制軟件下發了控制設備指令，單片機按照控制指令控制各設備工作；如果未接收到控制指令，STM32 單片機一直處于參數監測狀態。

圖7 數據傳輸流程

■2.2 平臺主控制軟件設計

平臺主控制軟件基于具有面向對象特性的VC6.0 平臺設計。其主控制界面如圖8 所示。整個主控制軟件界面包括各監測參數的上下限設置、監測結果的實時顯示，以及各設備控制兩大部分。其中設備的控制可設置手動控制和自動控制兩種運行方式。手動設置模式下，設備開啟，并實時顯示各傳感參數；自動控制模式下，設備在各個參數設置的上下線區間工作，并顯示實時測量結果。另外平臺主控制軟件中設置了一個報警系統，當監測值超過了預設的上下限會立刻報警，提示某個參數超出預設范圍；設備控制包括對光照系統、通風系統、空調系統、濕簾系統、二氧化碳產生器的控制等，分為自動控制跟手動控制兩種控制方式。在自動模式下，能夠自動保持各項參數處于預設范圍之內。

圖8 主控制界面

另外，平臺主控制軟件還具有數據保存功能、數據查詢功能、數據刪除功能。當育種箱環境某一個參數超出了預設范圍時，控制軟件會進行聲音報警跟閃爍燈報警。數據庫采用SQL Sever 2008 數據庫，主要用于保存溫室環境各項參數跟執行單元信息。用戶可以對數據保存、查詢、刪除。例如勾選自動控制，通過“設置”子菜單調取某種幼苗生長曲線，點擊運行后育苗系統會按照生長曲線控制幼苗的環境參數。

3 總結

論文針對我國非自然環境下育苗系統智能化程度低、移植幼苗抗自然災害能力差的問題，設計了基于云平臺和STM32 單片機的遠程育苗系統。該系統能夠通過對幼苗生長大數據監測，擬合最佳的育苗參數并存儲在云平臺。當需要育苗時，云平臺上的總控制系統調出幼苗的生長數據，并通過4G 無線傳輸模塊實現與育苗系統主控制器通訊；育苗箱主控制器根據總控制系統下發的指令，能夠控制通風、加濕、調溫、調光等設備的運行，實現育種箱內部環境參數的調控，同時監測育苗系統的環境參數，并上傳到云平臺分析、存儲。論文的研究成果在智能育苗設備及種苗培育行業具有極大的應用潛力。