基于STM32的農用高壓靜電場助長系統研究

摘 要：為了研究強度適宜的高壓靜電場對農業系統中農作物、禽畜的增益作用，設計了一種利用光伏發電供能的農用高壓靜電場助長系統。該系統以STM32、傳感器為硬件核心，利用光伏發電作為系統的能源供給，通過施加強度適宜的高壓靜電場提高農作物和禽畜的生長效率和產量，并且配備了相應的物聯網交互軟件，使農場管理者可以實時查看農場環境，結合實際情況調整系統參數設置。為了驗證理論分析及設計，制作了實驗樣機并編寫了物聯網交互軟件。實驗結果表明，高壓靜電場可以有效促進農牧循環中的個體生長，對農場環境具有優化作用，農場管理者可以實施檢測并調整農業助長系統的參數設置，以數字化助推農、牧、場三位一體化優質發展。

關鍵詞：農牧循環；光伏儲能；高壓靜電場；STM32；遙視監控；智慧農業

中圖分類號：TP272 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2024）07-00-03

0 引 言

我國農業土地總體呈小而散的分布形式，大部分地區仍停留在傳統農業生產模式，基礎設施落后，勞動生產率較低。隨著經濟與科技水平的發展，新的智慧農牧種養模式被大力推廣，經濟、社會、生態三類效益一體化的農產目標不斷被強調。其中農用高壓靜電場助長系統是數字化智慧農場的新產物。強度適宜的高壓靜電場對農場系統具有積極作用，對農作物、畜禽生命活動等許多方面具有增益作用。文獻[1]驗證了電場預處理對小麥幼苗抗寒性的增益作用，不但可以提高小麥幼苗葉片的脯氨酸含量，而且可以提高幼苗的抗低溫脅迫能力。文獻[2]研究發現，經高壓靜電場處理后的番茄種子，其發芽率、株高、莖粗、葉片數及抗病性等生物學指標均發生了明顯改善，并且對葉霉病的抗病性也得到了大幅提高。文獻[3]證明了適宜的電場強度和作用時間可以促進雛雞的體重增加，在一定范圍內的不同場強和不同作用時間對雛雞體重增加的影響有差異。文獻[4]通過在豬舍安裝高壓靜電場設備，驗證了豬舍電暈線正下方、豬欄呼吸高度以及通道的空氣負離子含量均顯著提高，粉塵含量有所降低，對改善豬舍空氣質量具有重要增益。文獻[5]研究了在高壓靜電場照射下的雛雞免疫器官T細胞數量，以及對雛雞ConA增殖功能的檢測，揭示了高壓靜電場對雛雞免疫器官細胞免疫功能的影響，為進一步探索高壓靜電場對動物免疫功能的作用和產生機制提供科學依據。為了確定不同高壓靜電場對蛋白質功能特性的影響，文獻[6]將雞蛋置于不同高壓靜電場中進行處理并分別測定其變化，最終分析高壓靜電場對雞蛋新鮮度的影響。文獻[7]設計了一種數控高壓靜電場電源實驗裝置，通過單片機編程進行零點檢測和占空比調整，控制晶閘管觸發，為高壓產生電路提供0～200 V的直流電壓，該高壓靜電場電源能夠滿足不同場景下的高壓靜電場需求，在該電源條件下能夠設計出滿足適合農牧循環的高壓靜電場裝置。

本文設計并制作了一種可以產生適宜高壓靜電場的農用助長裝置。該裝置利用光伏發電作為能量供應來源，以STM32為硬件控制核心，對農場環境施加高壓靜電場，并且編寫了配套的物聯網交互軟件，使得管理者可以遠程監測并遙控高壓靜電場的參數設置。在高壓靜電場環境下的智能農業系統，可以充分發揮種養結合的優勢，不僅可以利用畜禽糞便作為農作物肥料，還可以通過種植作物凈化農場的空氣環境，調節生態環境平衡，同時獲得有機生態產品，而高壓靜電場可以對種養結合起到提質增效的作用。

1 高壓靜電場助長系統總體架構

本文研究設計的高壓靜電系統以光伏發電及儲能技術為基礎，結合高壓電源與物聯網技術，為畜禽和作物搭建智能高壓靜電場應用網絡。通過微控制器實時采集農牧循環生產過程中的信息參數，同時借助云端遠程控制發送的電壓指令，構建適宜作物和畜禽生長發育的高壓靜電場，最大程度實現農牧間物質能量循環利用，其總體框架如圖1所示。

2 硬件電路設計

2.1 光伏模塊設計

高壓靜電場系統的供能部件是光伏發電模塊，將光伏板安裝在畜禽棚頂部，假定該系統位于北京郊區，可以計算得到該地區的日均太陽能發電量Wd，表達式為：

式中：Td為平均日照時間，北京郊區的平均日照小時數為7.2 h；P為光伏陣列總功率，根據農場實際規模計算光伏列陣大致需要安裝20塊，每塊單晶光伏板的功率約為300 W，在日照充足的晴天總功率可達6 kW；η為發電效率，約為70%。綜合考慮損耗可知，此農場每天發電量約為30.24 kW·h，可以滿足包括系統在內的整個農場的基本供電需求[8]。

光伏發電模塊主要由光伏組件、控制器、蓄電池、逆變器組成，如圖2所示。

晴朗的白天光照充足時，將各光伏組件串并聯形成光伏陣列，使得方陣電壓達到系統輸入電壓的要求，同時對蓄電池進行充電，將太陽能轉換而成的電能貯存起來[9]。陰天或夜晚光照不足時，光伏板和蓄電池組為整個系統供電，逆變器將直流電轉換成交流電，供給農場的交流負載，不足的電力通過連接電網來調節，保證農場的電能供應[10]。

電源電壓轉換部分由設計的反激電路完成，其拓撲如圖3所示。反激電路的原邊輸入為12 V直流電，并且在副邊采用電阻塔分壓的方式實現電壓采樣，可以在高壓側輸出0～30 kV的高電壓，滿足農牧循環生產的需求。

2.2 MCU及樣機電路板設計

選用STM32MP157作為系統的控制核心，使用的模塊主要有PWM輸出模塊、串口、藍牙通信模塊、ADC等。通過MCU調節輸出PWM的占空比，從而控制反激電路MOSFET開關的通斷，調整輸出電壓。同時，MCU對輸出電壓進行采樣處理，通過上位機通信功能實現農場系統的遠程監控。由ADC讀取的農場系統的溫度、濕度等參數可以實時顯示在觸控界面上。設計的樣機電路板實物如圖4所示。

3 物聯網軟件設計

高壓靜電場系統可以通過各種傳感器采集數據到MCU，并利用藍牙模塊將數據發送至云端，使農場管理者通過電腦或手機等上位機遠程監控農場信息，實現農場系統互聯網，提高監管效率。系統軟硬件交互框圖如圖5所示。

根據農場管理的需求，設計了連接智能農業系統和互聯網的物聯網軟件，其界面與功能設計如圖6所示。在農場外，管理者可以通過PLC觸控屏直接觀測大棚、雞舍等地方的環境指標，還可遠程修改云組態界面中高壓輸出的預設值，搭建適宜農牧循環產業的高壓靜電場。采用云技術結合大數據庫開發技術，在云服務器上開發云數據庫，合理監控作物的生長環境和畜禽的飼養情況，可視化監控物聯設備的實時狀況，智能化分析農場的能耗和銷售盈利情況，打造大數據分析網絡，高效利用資源。

4 樣機實驗及結果分析

為了驗證高壓靜電場系統對農業環境的增益效果，將制作的樣機安裝在真實的農場系統中進行相關實驗，直觀展現不同場強對農場的具體影響。本次研究主要進行了雛雞增重、農場空氣凈化等實驗。

4.1 雛雞增重實驗

分析已有結論可知，在適宜的靜電場下照射一定時間，可以激發雛雞的生理機能，對其生長發育具有促進作用。在實際實驗時，將150只生長日齡相同的雛雞平均分為3組，將第1、2組設置為實驗組，分別放置在電場強度為60 kV/m、30 kV/m的靜電場環境中，第3組為對照組。進行為期1個月的靜電場照射實驗，每周測量實驗雛雞的增重數據，獲得實驗結果如圖7所示。由圖7可知，經靜電場處理后的雛雞增重速度明顯高于未經照射的對照組雛雞，而30 kV/m靜電場環境中的雛雞增重量又高于60 kV/m靜電場環境的，說明適宜強度的靜電場照射可以激發雛雞的生理機能，這與理論分析是相符的。

4.2 農場空氣凈化實驗

高壓靜電場對農場畜禽舍內的細菌和粉塵具有凈化作用。實驗時，使用高壓靜電場對畜禽舍處理一周，記錄畜禽舍內各處的空氣平均菌落數和粉塵含量，分別如圖8和圖9所示。由圖可見，畜禽舍內各個位置的空氣平均菌落數均有明顯下降，其中畜禽下層糞道內的細菌抑制效果最明顯，與靜電場處理前相比下降了34.8%，上層空氣和畜禽活動區域內的空氣平均菌落數分別下降了18.9%和18.6%。而經過高壓靜電場處理后畜禽舍內的粉塵含量相較于處理之前也有明顯的下降，其中中央區域的粉塵含量下降了23.6%，門口區域的粉塵含量下降了13.6%。證明了高壓靜電場對農場畜禽舍內的細菌和粉塵具有明顯的凈化作用。

5 結 語

本文研究了高壓靜電場對農業系統中農作物、畜禽以及環境的增益效果，研發了基于STM32的農用高壓靜電場農業助長系統，制作了樣機及配套物聯網軟件，具有通信功能強大、可視化程度高等特點，以高壓靜電場為聯結的立體循環種養系統使不同生態層次的生物類群在系統中各得其所、互惠互利，系統充分利用太陽能、土地資源、水分和礦物質營養元素為生物營造一個良好的生態環境，形成了畜禽糞污源頭減排和資源化綜合利用技術，作為畜牧業主推技術進行推廣，進一步推動農牧循環一體化邁入快車道。

參考文獻

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