基于智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)控蚯蚓養(yǎng)殖技術(shù)參數(shù)的初步探索

區(qū)家秀 蔣思中 王桂文

摘 要：為了提高蚯蚓小型實(shí)驗(yàn)室的養(yǎng)殖效率，以便提供蚯蚓加工研究的小試原料，本文設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一套智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用Web Service、組態(tài)軟件、西門(mén)子PLC、觸摸屏等技術(shù)，通過(guò)Web端實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)視蚯蚓養(yǎng)殖的溫度、濕度、pH值、光度等關(guān)鍵的工藝技術(shù)參數(shù)，使得管理員能及時(shí)獲取養(yǎng)殖過(guò)程的工藝參數(shù)，從而優(yōu)化蚯蚓的生長(zhǎng)繁殖。

關(guān)鍵詞：智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng);蚯蚓;養(yǎng)殖;參數(shù);探索

中圖分類(lèi)號(hào)：S-3 ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI：10.19754/j.nyyjs.20201030007

蚯蚓是常見(jiàn)的陸生環(huán)節(jié)動(dòng)物，含有大量的蛋白質(zhì)、抗菌肽、生物酶等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，既可以加工為葉面肥;也可以做成動(dòng)物飼料，未來(lái)還可以加工為人類(lèi)使用的食品、藥品與化妝品等產(chǎn)品[1]。蚯蚓的生長(zhǎng)繁殖有六喜六怕的特點(diǎn)，六喜是喜陰暗、喜潮濕、喜安靜、喜溫暖、喜甜酸、喜同代同居;六怕是怕光、怕震動(dòng)、怕水浸泡、怕悶氣、怕農(nóng)藥、怕酸堿。以“大平2號(hào)”蚯蚓品種為例，除了滿足六喜六怕的條件，還需要防干燥、缺氧的高溫環(huán)境[2]。

傳統(tǒng)的蚯蚓養(yǎng)殖采用人工控制工藝條件，精準(zhǔn)度低且成本高。物聯(lián)網(wǎng)可以改變我們的工藝參數(shù)控制。早在1999年，美國(guó)麻省理工學(xué)院就提出網(wǎng)絡(luò)無(wú)線射頻識(shí)別（RFID）系統(tǒng)，物聯(lián)網(wǎng)的概念便由此演變而來(lái)，其旨在把物品與互聯(lián)網(wǎng)連接起來(lái)，實(shí)現(xiàn)智能化管理與控制[3]。

目前，國(guó)內(nèi)外針對(duì)溫室環(huán)境智能監(jiān)控系統(tǒng)的研究較多，但是針對(duì)蚯蚓養(yǎng)殖實(shí)驗(yàn)室的智能監(jiān)控系統(tǒng)鮮有報(bào)道。宋曉萌設(shè)計(jì)了一個(gè)草莓溫室大棚智能監(jiān)控系統(tǒng)[4]，將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和模糊PID控制引入到溫室大棚監(jiān)控系統(tǒng)中。余文煥研發(fā)了一套基干ARM11和嵌入式Web的溫室遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)[5]，以ARM11開(kāi)發(fā)板和上位機(jī)Web瀏覽器為控制中心。胡云陽(yáng)、張智斌、王海瑞等人，完成了基于Web的遠(yuǎn)程農(nóng)業(yè)溫室監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[6]。馬増煒、馬錦儒等人設(shè)計(jì)了集成WIFI和ARM芯片的的智能溫室監(jiān)控系統(tǒng)，上位機(jī)軟件采用VB語(yǔ)言編寫(xiě)程序[7]，是典型的C/S結(jié)構(gòu)。鄭強(qiáng)、彭琳等人設(shè)計(jì)了基于嵌入式Web服務(wù)器的遠(yuǎn)程溫室監(jiān)控系統(tǒng)[8]，使用Linux內(nèi)核，結(jié)合CGI技術(shù)實(shí)現(xiàn)將采集數(shù)據(jù)反饋到Web頁(yè)面。

本文通過(guò)利用Web Service、組態(tài)軟件、西門(mén)子PLC等技術(shù)，研發(fā)了基于Web和PLC的蚯蚓養(yǎng)殖實(shí)驗(yàn)室智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。管理人員通過(guò)Web端就能遠(yuǎn)程監(jiān)控蚯蚓養(yǎng)殖實(shí)驗(yàn)室的溫度、濕度、土壤酸堿度、通氣性、光度等參數(shù)，能使蚯蚓在適宜條件下生長(zhǎng)繁殖，大幅度提高蚯蚓的產(chǎn)量和產(chǎn)值。

1 蚯蚓養(yǎng)殖的主要工藝參數(shù)

蚯蚓養(yǎng)殖的主要工藝參數(shù)有溫濕度、pH值、土壤溶氧量、光照度、噪聲等，這些參數(shù)對(duì)蚯蚓的生長(zhǎng)繁殖有著不同程度的影響，在適宜參數(shù)的環(huán)境條件下養(yǎng)殖的蚯蚓生長(zhǎng)快，繁殖倍數(shù)高。

1.1 溫濕度

蚯蚓喜歡溫暖、潮濕的環(huán)境，適合其生長(zhǎng)繁殖的溫度和濕度范圍分別是20～40℃、30%～60%。溫度和濕度過(guò)低或過(guò)高會(huì)使蚯蚓的生長(zhǎng)受到抑制，甚至死亡。傳統(tǒng)的檢測(cè)方式是通過(guò)溫度計(jì)測(cè)量基料溫度，以手握基料擠出水滴來(lái)判斷濕度的大小;而智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，溫濕度自動(dòng)顯示在手機(jī)APP或電腦屏幕上。

1.2 pH值

蚯蚓對(duì)環(huán)境酸堿度的忍耐范圍是在pH6～pH8之間，傳統(tǒng)的檢測(cè)采用pH試紙或pH計(jì)，既耗時(shí)也不準(zhǔn)確;而用傳感器則簡(jiǎn)單快捷。

1.3 土壤溶氧量

蚯蚓的生長(zhǎng)繁殖需要良好的通氣環(huán)境。當(dāng)通氣不良時(shí)，蚯蚓壟會(huì)形成厭氧并產(chǎn)生氨、二氧化碳、硫化氫等毒氣，導(dǎo)致蚯蚓中毒死亡，因此檢測(cè)土壤溶氧量就非常重要，把傳感器插入蚯蚓壟內(nèi)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，就能在第一時(shí)間獲取溶氧量參數(shù)。

1.4 光照度

蚯蚓常年生活在地下，視覺(jué)已經(jīng)退化，暴露在地表上，不適應(yīng)強(qiáng)光，所以它們喜歡白天鉆到地下活動(dòng)，晚上再出來(lái)覓食。通過(guò)安裝光照度傳感器，獲取光照度數(shù)值。

1.5 噪聲

蚯蚓喜歡安靜的環(huán)境，要求噪聲低。如果噪聲過(guò)大，蚯蚓會(huì)出現(xiàn)不安，甚至逃逸，不利于蚯蚓生長(zhǎng)。為了解蚯蚓養(yǎng)殖實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的噪聲值，安裝噪聲傳感檢測(cè)器觀察蚯蚓的生長(zhǎng)狀況。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

蚯蚓養(yǎng)殖實(shí)驗(yàn)室智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括溫濕度傳感器、土壤酸堿度傳感器、土壤含氧量傳感器、光照度傳感器、環(huán)境噪聲傳感器、西門(mén)子S7-1200PLC、西門(mén)子KTP700觸摸屏、冷暖空調(diào)和加濕器等儀器。其中溫濕度傳感器分空氣溫濕度傳感器和土壤溫濕度傳感器。西門(mén)子S7-1200P模擬量采集系統(tǒng)是核心部位。

2.2 整體系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

蚯蚓養(yǎng)殖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，全部采用傳感器采集數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)回傳，整體系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)包括：空氣開(kāi)關(guān);220V交流接觸器;西門(mén)子RS485通訊模塊;西門(mén)S7-1200PLC;西門(mén)子模擬量輸入模塊;物聯(lián)網(wǎng)關(guān)模塊;直流電源模塊;接線端子排;光照傳感器;土壤含氧量傳感器;土壤酸堿傳感器;空氣溫濕度傳感器;土壤溫濕度傳感器;噪聲監(jiān)測(cè)傳感器，共14個(gè)部件。

2.3 軟件設(shè)計(jì)

2.3.1 I/O分配

西門(mén)子1200PLC的主要作用是與模擬量模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取轉(zhuǎn)換操作，以及與觸摸屏進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，I/O地址分配為：輸入元件和輸出元件及其PLC輸入點(diǎn)。輸入元件為空氣溫濕度傳感器（溫度）、空氣溫濕度傳感器（濕度）、土壤溫濕度傳感器（溫度）、土壤溫濕度傳感器（濕度）、pH酸堿度傳感器、土壤含氧量傳感器和噪聲傳感器，它們的PLC輸入點(diǎn)分別為IW46、IW48、IW50、IW52、IW54、IW56、IW58;輸出元件為光照傳感器，其PLC輸入點(diǎn)為IW60。

2.3.2 PLC程序設(shè)計(jì)

主要采用PLC四則運(yùn)算功能指令進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，編程時(shí)有兩個(gè)注意事項(xiàng)：

PLC在執(zhí)行除法時(shí)會(huì)舍棄掉余數(shù)保留商，為保證精度設(shè)計(jì)在編寫(xiě)梯形圖時(shí)先乘后除。

IW46中的數(shù)據(jù)類(lèi)型為實(shí)數(shù)（Real），該值有小數(shù)位所以必須先用CONV指令將數(shù)據(jù)類(lèi)型轉(zhuǎn)換為Real。

3 總結(jié)

本研究針對(duì)人工檢測(cè)養(yǎng)殖參數(shù)，不僅成本高，而且效果不理想的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一套蚯蚓養(yǎng)殖實(shí)驗(yàn)室智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。以西門(mén)子S7-1200PLC為核心元件，將傳感器所采集來(lái)的各項(xiàng)環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，通過(guò)Web端和觸摸屏實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控。安裝了智能檢測(cè)系統(tǒng)后，已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室養(yǎng)殖大平二號(hào)蚯蚓5批，滿足蚯蚓葉面肥研制所需的蚯蚓，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)材料的自給自足。監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)室蚯蚓的生長(zhǎng)周期為60d，比野外蚯蚓的生長(zhǎng)周期少30d左右，每框（60.5cm×42cm×10.5cm）的蚯蚓產(chǎn)量為1kg左右，而且蚯蚓體型整齊、個(gè)體大，有的個(gè)體體重達(dá)到0.5g左右。采用西門(mén)子S7-1200PLC為核心元件，故障發(fā)生少、方便檢修與維護(hù)，容易擴(kuò)展功能，能根據(jù)工藝條件變化快速調(diào)整檢測(cè)方案。通過(guò)小型蚯蚓監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)室的實(shí)踐證明，此檢測(cè)系統(tǒng)可以減少人工成本，提高蚯蚓養(yǎng)殖成活率，減少生長(zhǎng)周期，生長(zhǎng)速度快，這為以后規(guī)模化、自動(dòng)化、機(jī)械化養(yǎng)殖提供了科學(xué)依據(jù)。

參考文獻(xiàn)

[1] 廖威，唐思，鐘梅清，王大銳，廖國(guó)乾，韋紅霞.蚯蚓規(guī)模化高效養(yǎng)殖關(guān)鍵技術(shù)[J].南方農(nóng)業(yè)，2017，11（12）：88-89.

[2]廖威，區(qū)家秀，鐘梅清，黃庶識(shí).蚯蚓生態(tài)養(yǎng)殖及其飼料加工中存在的問(wèn)題與對(duì)策[J].南方農(nóng)業(yè)，2018，12（32）：160-161.

[3]楊秀生.關(guān)于中國(guó)農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣及溫室產(chǎn)業(yè)發(fā)展的思考[J].科學(xué)對(duì)社會(huì)的影響，1998（04）：2-8.

[4]宋曉萌.草莓溫室大棚智能監(jiān)控系統(tǒng)的研發(fā)[D].山東農(nóng)業(yè)大學(xué)，2018.

[5]余文煥.基干ARM11和嵌入式Web的溫室遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].太原理工大學(xué)，2018.

[6]胡云陽(yáng)，張智斌，王海瑞.基于Web的遠(yuǎn)程農(nóng)業(yè)溫室監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2016，44（05）：328-330.

[7]馬增煒，馬錦儒，李亞敏.基于WIFI的智能溫室監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].農(nóng)機(jī)化研究，2011，33（02）：154-157，162.

[8]鄭強(qiáng)，彭琳，鄒秋霞，郜魯濤.基于嵌入式Web服務(wù)器的遠(yuǎn)程溫室監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].農(nóng)機(jī)化研究，2013，35（11）：84-87.

（責(zé)任編輯 李媛媛）