基于數字農業的植物生長環境模擬平臺構建

鐘聞宇，王永江，陳旭彬

（吉林農業科技學院電氣與信息工程學院，吉林吉林 132101）

對于學習自動化控制的電氣、電子、計算機專業類的非農學專業學生來說，進入農業類實驗室進行操作具有一定的不現實性，不能隨意操控農業實驗室設備，進而觀察環境變化對植物生長的影響。與此同時，植物生長周期長且數據變化緩慢，自動化設備在實際監控中的控制效果反映不明顯。因此，設計一套模擬系統，讓教師和學生既能用作教學，又可以用作科研，實現快速調控植物生長環境的同時又不會因植物損傷而出現巨大損失的系統顯得十分必要。

1 整體設計

選用豆瓣綠作為此次項目的植物研究對象。此植物特點是耐寒、耐旱，繁殖快，易更換，成本低。

采用溫濕度傳感器、光照傳感器、土壤綜合傳感器、植物補光燈、二氧化碳傳感器及灌溉設備對植物沙盤中的植物進行監測和調控。

分別利用單片機、可編程邏輯控制器（PLC）、計算機作為中央控制器，進行數據采集和控制存儲。

2 環境監測

無論是野外還是溫室大棚，土壤溫濕度、空氣溫濕度、光照度、土壤氮磷鉀含量、土壤pH 值及空氣CO2含量等數據采集對植物生長來說都是必不可少的環境因素［1］。同時，這些數據具有普遍性，可以適用于多種植物的生長檢測，是研究植物生長的主要和重要數據［2-3］。本次研究以這些信息和數據的采集為基礎進行深入研究，溫室大棚環境監控如圖1 所示。

圖1 溫室大棚環境監控示意圖

3 硬件系統設計

針對沙盤種植植物的特點，選擇合適設備和元器件作為此次研究的硬件基礎。本系統的硬件系統主要是設計采集設備、執行設備和中央控制器組成［4］。

3.1 數據采集傳感器

數據采集傳感器主要包括溫濕度傳感器、光照傳感器、土壤氮磷鉀傳感器、土壤pH 值傳感器、空氣CO2傳感器［5］。

考慮到信號統一性和單片機、PLC 及計算機采集模塊的輸入信號容量，所有傳感器均采用RS485 通信與控制器連接，這種選擇形式信號即統一，又能避免模擬量信號多控制器成本增加，而且接線簡單，安裝調試也很方便。數據采集傳感器接線原理圖如圖2 所示。

圖2 數據采集傳感器接線原理圖

3.2 執行設備

執行設備主要由灌溉設備、加熱設備、補光設備和通風設備組成。

3.3 中央控制器

中央控制器采用單片機控制、PLC 控制、計算機控制3 種模式，3 種模式屬于并行關系。通過開關進行切換。單片機采用51 系列，用液晶屏顯示所有數據。PLC 采用西門子S7-200 系列與觸摸屏結合進行控制和顯示［6］。計算機系統采用開關量模塊和RS232 轉RS485 通訊模塊與上位機連接采集和傳輸數據［7］。

4 軟件系統設計

4.1 系統控制流程

單片機控制、PLC 控制和計算機控制的軟件編制過程思路相同，只是表現形式不同。

系統控制流程如圖3 所示。系統上電后，運行進行初始化，檢測系統設備運行是否正常，如有故障給出提示，否則開始采集并顯示各種傳感器信號［8］；同時與設置值進行比對，出現偏差則控制輸出設備如灌溉設備、補光燈或者通風設備來調整環境參數從而達到植物生長正常條件。

圖3 系統控制流程圖

4.2 控制模塊

控制模塊主要是控制灌溉系統設備、補光燈、通風設備的輸出。

根據植物生長過程中的水分要求及采集土壤的濕度，控制水泵補水［9］。根據水量需求的大小，控制水泵長時間運行和間隔運行。當水箱水位過低時，提示水箱補水；當一段時間內光度不足，則開啟補光燈。補光時間的長短根據不同季節和天氣情況進行連續補光和間隔補光［10］。

當沙盤內溫度過高或者土壤濕度過大、二氧化碳濃度過高時，開啟通風設備使沙盤空氣流通，調整沙盤內溫濕度和二氧化碳濃度。

4.3 數據存儲模塊

夏季，特別是7 月、8 月室內和沙盤內溫度都很高，控制頻率相對較高，因此每隔10 min 采集一次數據并存儲；春季、秋季和冬季，室內及沙盤內溫度相對穩定，控制頻率低，每隔30 min 或者60 min 采集并存儲數據。同時，與設置值比對繪制曲線，提供歷史數據顯示。

5 結論與討論

本次模擬植物生長環境平臺搭建，從實用角度來看：1）用簡單的設備控制真實的植物種植過程；2）充分利用電子傳感器技術、計算機技術和網絡技術，使電子、電氣、計算機專業教師及學生能夠將理論知識和農業生產實際相結合并獲得最真實的材料和經驗；3）因為是自主研發的系統，無論修改和擴充功能都十分方便，為教師和學生的科研及教學工作提供了恰當的實驗平臺。