基于Makeblock的智能生態(tài)種植箱設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)*

張 闖 ，高 強(qiáng) ，2*，武英童 ，周 明 ，劉俊煒

（1.沈陽(yáng)工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110136；2.沈陽(yáng)建筑大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110168；3.沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)，遼寧 沈陽(yáng) 110866）

隨著工業(yè)化的發(fā)展，傳統(tǒng)的人工勞作趨向于智能機(jī)械工作，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)設(shè)備智能化已逐步發(fā)展為國(guó)內(nèi)外的研究焦點(diǎn)[1]，隨著現(xiàn)代農(nóng)業(yè)設(shè)備的發(fā)展，家用型農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)也開(kāi)始受到人們的重視。

我國(guó)家用型生態(tài)系統(tǒng)起步較晚，市場(chǎng)尚未開(kāi)發(fā)，隨著2060碳中和的提出，預(yù)示著增大綠色植物種植將是大勢(shì)所趨，家用型生態(tài)種植也將會(huì)脫穎而出。

目前關(guān)于家用型生態(tài)種植研究較少，且以理論研究為主，如高帥等人[2]對(duì)家用陽(yáng)臺(tái)農(nóng)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行綜述，楊冬連等人[3]結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計(jì)了一種智能種植箱系統(tǒng)。周趙鳳[4]對(duì)陽(yáng)臺(tái)立體種植進(jìn)行方案與軟件設(shè)計(jì)，李軍輝[5]基于Esp8266使用機(jī)智云平臺(tái)實(shí)現(xiàn)陽(yáng)臺(tái)生態(tài)的手機(jī)控制。

對(duì)于溫室大棚，現(xiàn)有國(guó)內(nèi)外研究較多，這對(duì)家用型智能生態(tài)種植箱設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)具有較大的參考價(jià)值。如李云強(qiáng)[6]基于Arduino連接傳感器與顯示器，對(duì)植物生長(zhǎng)環(huán)境實(shí)時(shí)監(jiān)控，按照預(yù)先設(shè)定的最佳環(huán)境狀態(tài)，分別控制繼電器調(diào)節(jié)大棚的環(huán)境。山東科技大學(xué)生林相春[7]以山東智能溫室控制系統(tǒng)為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)了一套智能控制系統(tǒng)。

本文針對(duì)家用型智能生態(tài)種植展開(kāi)研究，設(shè)計(jì)一種能改自動(dòng)調(diào)節(jié)溫度、濕度、光照等環(huán)境參數(shù)的種植箱，使植物在無(wú)人監(jiān)管時(shí)，能夠在適宜的環(huán)境下生長(zhǎng)。

1 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的生態(tài)種植箱的NX UG三維模型如圖1所示，由透光箱體1、固定頂棚2、滑動(dòng)頂棚3、種植底板4、第一電機(jī)5、第一絲杠6、第一螺紋滑動(dòng)塊7、第二電機(jī)8、第二絲杠9、第二螺紋滑動(dòng)塊10、橫向?qū)к?1、第三電機(jī)12、帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)13、縱向?qū)к?4、噴淋裝置15、調(diào)溫風(fēng)扇16、顯示面板17等組成。

種植箱的四周由透光箱體、固定頂棚、滑動(dòng)頂棚、種植底板組成，透光箱體與種植底板組成開(kāi)頂?shù)拈L(zhǎng)方體，固定頂棚固定在一側(cè)的透光箱體板上方，滑動(dòng)頂棚的初始位置在另一側(cè)，固定頂棚與滑動(dòng)頂棚接觸部分有一條導(dǎo)軌，保證滑動(dòng)頂棚直線運(yùn)動(dòng)的方向。滑動(dòng)頂棚可以實(shí)現(xiàn)植物的遮光，固定頂棚與滑動(dòng)頂棚下的補(bǔ)光燈可以實(shí)現(xiàn)植物的補(bǔ)光。箱體外部的顯示面板可以實(shí)時(shí)顯示生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)的溫度、濕度。另一側(cè)箱體內(nèi)部的調(diào)溫風(fēng)扇可以調(diào)節(jié)種植箱內(nèi)溫度。

第一電機(jī)、第一絲杠、第一螺紋滑動(dòng)塊組成的第一絲杠傳動(dòng)機(jī)構(gòu)通過(guò)第一螺紋滑動(dòng)塊連接滑動(dòng)頂棚實(shí)現(xiàn)滑動(dòng)頂棚的橫向移動(dòng)。第二電機(jī)、第二絲杠、第二螺紋滑動(dòng)塊組成的第二絲杠傳動(dòng)機(jī)構(gòu)通過(guò)第二螺紋滑動(dòng)塊連接第三電機(jī)、帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、縱向?qū)к墶娏苎b置實(shí)現(xiàn)以上四個(gè)部分在縱向?qū)к壣系囊苿?dòng)；噴淋裝置再通過(guò)第三電機(jī)、帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)組成的帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)在縱向?qū)к壣系囊苿?dòng)。使噴淋裝置能夠在種植箱內(nèi)全方位移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)水霧無(wú)死角全方位覆蓋。

圖1 生態(tài)種植箱三維模型

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

智能生態(tài)種植箱內(nèi)的環(huán)境是一個(gè)半封閉的生態(tài)系統(tǒng)，影響種植箱內(nèi)的植物生長(zhǎng)的因素主要有溫度、濕度、光照、空氣成分等，由于各個(gè)參數(shù)之間具有強(qiáng)耦合性，其復(fù)雜的非線性關(guān)系難以通過(guò)常規(guī)的模型表示[8]。對(duì)于此類(lèi)問(wèn)題可以通過(guò)模糊控制、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等方法實(shí)現(xiàn)智能控制[9]。

模糊控制是一種智能的非線性控制方法[10]，常用于時(shí)變非線性系統(tǒng)中，可以很好地處理難以用數(shù)學(xué)表達(dá)的復(fù)雜對(duì)象，典型的模糊控制系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 典型模糊控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

模糊控制系統(tǒng)由輸入端、模糊控制器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、被控量、輸出端和測(cè)量裝置六個(gè)部分組成，通過(guò)將操作人員或?qū)＜医?jīng)驗(yàn)編成模糊規(guī)則，然后將來(lái)自傳感器的實(shí)時(shí)信號(hào)模糊化，將模糊化后的信號(hào)作為模糊規(guī)則的輸入，完成模糊推理，將推理后得到的輸出量加到執(zhí)行器上。

BP網(wǎng)絡(luò)是一種典型的多層前饋型網(wǎng)絡(luò)[11]，廣泛應(yīng)用于模式識(shí)別、故障診斷，該模型結(jié)構(gòu)如圖3所示：

圖3 三層BP網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

BP網(wǎng)絡(luò)一般由輸入層、隱藏層、輸出層組成，數(shù)據(jù)從輸入層依次傳播至隱藏層、輸出層，在輸出層將誤差反向傳播并調(diào)整網(wǎng)絡(luò)的權(quán)值參數(shù)，之后不斷迭代上述步驟直至誤差為零，完成網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練過(guò)程。

根據(jù)智能生態(tài)種植箱的特點(diǎn)，選取溫度、濕度、光照三種因子作為輸入量，通過(guò)如圖4所示的智能控制組合策略進(jìn)行控制。

圖4 智能生態(tài)種植箱控制系統(tǒng)

2.1 控制系統(tǒng)組成與運(yùn)行

如圖5所示，智能生態(tài)種植箱的控制系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理與分析、數(shù)據(jù)顯示、調(diào)節(jié)執(zhí)行四個(gè)部分組成。

圖5 控制系統(tǒng)模塊組成

2.1.1數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊由溫度、濕度、光照等傳感器組成，用于實(shí)時(shí)監(jiān)控環(huán)境參數(shù)。

2.1.2 數(shù)據(jù)處理與分析模塊

參數(shù)分析模塊是控制系統(tǒng)的核心部分，采用MagePi Pro開(kāi)發(fā)板加裝MegaPi Pro RJ25轉(zhuǎn)接板，用于處理和分析環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)，并發(fā)送到數(shù)據(jù)顯示與調(diào)節(jié)執(zhí)行模塊。

2.1.3 數(shù)據(jù)顯示模塊

數(shù)據(jù)顯示模塊接收轉(zhuǎn)換后溫濕度的數(shù)字量，將溫度、濕度分別顯示在屏幕上。2.1.4調(diào)節(jié)執(zhí)行模塊

溫度調(diào)節(jié)：通過(guò)控制調(diào)溫風(fēng)扇轉(zhuǎn)速與滑動(dòng)頂棚打開(kāi)來(lái)調(diào)節(jié)溫度。

濕度調(diào)節(jié)：通過(guò)噴淋裝置令水霧無(wú)死角地覆蓋整個(gè)生態(tài)箱進(jìn)行濕度調(diào)節(jié)與灌溉。

光照調(diào)節(jié)：通過(guò)控制固定頂棚、滑動(dòng)頂棚下的補(bǔ)光燈與滑動(dòng)頂棚的開(kāi)合來(lái)調(diào)節(jié)光照。

2.2 控制系統(tǒng)硬件組成

2.2.1 主控板MegaPi Pro

MegaPi Pro是一個(gè)基于ATmega2560的微主控板，完全兼容Arduino編程。MegaPi Pro擁有強(qiáng)大的驅(qū)動(dòng)能力，輸出功率最高可達(dá)120W，其主要技術(shù)規(guī)格如表1所示。

表1 MegaPi Pro主控板技術(shù)規(guī)格

MegaPi Pro有四個(gè)Port插口，一個(gè)四路電機(jī)擴(kuò)展接口，一個(gè)RJ25轉(zhuǎn)接板接口，一個(gè)智能舵機(jī)接口。強(qiáng)大的擴(kuò)展能力使其可以輕松應(yīng)對(duì)教育、比賽、娛樂(lè)等各方面的要求。支持多個(gè)編程環(huán)境，包括基于Scratch的圖形化編程軟件mBlock和慧編程，還有Arduino以及Python3環(huán)境的編程。其端口及接插模塊介紹如圖6所示。

圖6 MegaPi Pro端口及接插模塊介紹

MegaPi Pro RJ25轉(zhuǎn)接板工作電壓為5V，模塊尺寸為66mm×42mm，可以將MegaPi Pro針腳轉(zhuǎn)換為Makeblock的RJ25接口，可以用來(lái)連接Makeblock的電子模塊。可以引出8個(gè)Port口，使用6P6C RJ25接口方便接線。其中5號(hào)接口為硬件串口，使用該接口的模塊有藍(lán)牙雙模模塊、WiFi模塊，6-12號(hào)接口為單雙數(shù)字、模擬、I2C接口，傳感器、開(kāi)關(guān)、顯示屏等模塊使用該接口。

MegaPi Pro RJ25轉(zhuǎn)接板連接MegaPi Pro主控板如圖7所示：

圖7 MegaPi Pro主控板與RJ25轉(zhuǎn)接板的連接

MegaPi Pro的ATmega2560的芯片電路原理圖如圖8所示。

圖8 MegaPi Pro ATmega2560的芯片電路原理圖

2.2.2 傳感器

傳感器需要采集智能生態(tài)種植箱內(nèi)的溫度、濕度、光照的數(shù)據(jù)，使用Makeblock創(chuàng)客平臺(tái)的傳感器，通過(guò)RJ25線連接到MegaPi Pro RJ25轉(zhuǎn)接板，其中溫度、濕度使用溫濕度傳感器采集，光照通過(guò)光線傳感器采集。

溫濕度傳感器如圖9所示，溫濕度傳感器就是一個(gè)含有校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的傳感器，它的核心元件為DHT11溫濕度傳感器，包括了一個(gè)電阻式濕度傳感組件和NTC溫度測(cè)量組件。校準(zhǔn)系數(shù)以程序形式存儲(chǔ)在OTP存儲(chǔ)器中，并在處理檢測(cè)到的信號(hào)時(shí)由傳感器調(diào)用。

圖9 溫濕度傳感器實(shí)物圖

其主要技術(shù)規(guī)格如表2所示。

表2 溫濕度傳感器技術(shù)規(guī)格

溫濕度傳感器電路原理圖如圖10所示。

圖10 溫濕度傳感器電路原理圖

光線傳感器如圖11所示，光線傳感器就是基于半導(dǎo)體的光電效應(yīng)原理所開(kāi)發(fā)的，它的核心元件為光電晶體管，其電阻隨光的強(qiáng)度增加而減小，通過(guò)和另一電阻串聯(lián)，輸出電阻的分壓值，便能將變化的光信號(hào)變換為變化的電氣信號(hào)，并從模擬口輸出。

圖11 光線傳感器實(shí)物圖

其主要技術(shù)規(guī)格如表3所示。

表3 光線傳感器技術(shù)規(guī)格

光線傳感器電路原理圖如圖12所示。

圖12 光線傳感器電路原理圖

3 樣機(jī)模型搭建

對(duì)樣機(jī)按1:1比例進(jìn)行制作，驅(qū)動(dòng)電機(jī)使用9V直流電機(jī)，縱向絲杠使用鋁型材，滑動(dòng)塊、電機(jī)座、噴淋裝置等非標(biāo)件使用3D打印技術(shù)進(jìn)行材料成型，透光箱體通過(guò)激光切割亞克力材料制作。樣機(jī)模型如圖13所示。

圖13 樣機(jī)模型

4 結(jié)束語(yǔ)

如今隨著我國(guó)城鎮(zhèn)化的推進(jìn)，大多數(shù)人回到家后，只能被封閉在空中高高的“鳥(niǎo)籠”里，只有透過(guò)窗戶才能看到外面的世界，呼吸到新鮮的空氣。針對(duì)以上問(wèn)題，打造便攜式無(wú)人化陽(yáng)臺(tái)花園，讓人近距離接觸大自然，實(shí)現(xiàn)了城市森林花園建筑。

基于Makeblock創(chuàng)客平臺(tái)的MegaPi Pro主控板設(shè)計(jì)的智能生態(tài)種植箱使用多類(lèi)傳感器收集數(shù)據(jù)自動(dòng)調(diào)節(jié)種植箱內(nèi)的環(huán)境，并將種植箱內(nèi)的溫度、濕度在數(shù)碼管上實(shí)時(shí)顯示，可以有效地對(duì)綠色植物生長(zhǎng)的智能化監(jiān)管。該設(shè)計(jì)有很大的應(yīng)用空間，其成本是大部分家庭可以接受的價(jià)格，具有一定的推廣價(jià)值。