基于Arduino的智能生物培養系統設計＊

薛正寬，吳 晗，時寬樂

（山東石油化工學院，山東 東營 257061）

中國是一個農業大國，農業經濟占有重要地位[1]。而中國人口多，耕地少，氣候和土壤條件差異較大，傳統生物培養實驗分散，周期長，成本高。利用生物培育箱來進行物種的培育實驗，不僅可以通過多個實驗箱建立多個實驗環境同時進行物種的培育實驗并進行新物種的橫向對比，以大幅度縮減實驗周期，而且可以通過實現實驗箱的智能化，減少實驗人員的精力消耗并提升實驗效率[2]。但市面上的生物培育箱智能程度低，可控因素少，而智能程度高的培育箱價格過于高昂。近年來，互聯網、大數據、人工智能等技術飛速發展，并被運用到農業生產中，數字農業和智慧農業得以迅猛發展[3-4]。本文旨在將多傳感器、發生器、控制器嵌入生物培育箱內，通過Arduino及物聯網平臺設計一種能夠實現細致化、智能化管理的智能生物培養系統。在提高智能化的同時，造價低廉，適用范圍廣泛，從而使生物的培優和育種實驗周期短、投入小、效率高，促進中國農業智能化生產的進程。

1 智能生物培養系統簡介

在農業生產中，影響農作物生長的環境因素主要有溫度、光照強度、氣體濃度、土壤濕度等等，想要通過人工培養的方式對上述條件進行精確控制是非常困難的。本文提出的基于Arduino的智能生物培養系統則具有以下功能：①箱體內溫度的監測及調控；②箱體內CO2濃度的監測及調控；③箱體內光照強度的檢測及調控；④箱體內土壤濕度的檢測及調控；⑤將收集的數據傳輸到阿里云平臺顯示；⑥提供手機APP，用于監視和調控環境數據。

1.1 Arduino軟件

Arduino是一款使用簡單，集硬件、軟件環境于一身的開源開發平臺，旨在為智能硬件愛好者、交互藝術設計師和電子軟件工程師提供簡單易用的開發體驗。Arduino采用知識共享（CC）許可證，任何人都可以制作電路板的副本，并且擁有完善的軟件開發資源。

1.2 Arduino主控板

本文設計的智能生物培養系統采用Arduino UNO開發板，采用atmega328p微處理器，工作電壓5 V，輸入電壓7～12 V，數字輸入/輸出引腳14個（PWM輸出6個），PWM數字I/O引腳6個，模擬輸入引腳6個，閃存32 KB。

1.3 傳感器的選擇

1.3.1 BME280傳感器模塊

BME280是一種環境傳感器，可以感應環境溫度、濕度和大氣壓力。它支持I2C和SPI接口，兼容3.3 V/5 V電平，完美適配Arduino UNO開發板；尺寸小，功耗低、精度高且穩定性好，在本系統中主要用于監測箱體內的溫度和濕度。

1.3.2 CCS811傳感器模塊

CCS811是一種數字氣體傳感器，集成了CCS811傳感器和8位MCU，用來檢測CO2和各種揮發性有機化合物氣體。其尺寸小，功耗低，靈敏度高，采用智能算法計算TVOC/eCO2數值，輸出I2C信號，直接與主系統通信，適用于環境監測、物聯網等應用場景。在本系統中主要用于監測箱體內的CO2濃度。

1.3.3 土壤濕度傳感器模塊

土壤水分傳感器用于判斷土壤的含水量，從而確定土壤的含水量。當土壤濕度傳感器插入土壤時，由于土壤含水量不同，土壤的阻力值也不同。三極管的底座提供大小不同的傳導電流。三極管集電極到發射極的傳導電流由基極控制，并在發射極的下拉電阻后轉換為電壓。在本系統中主要用于監測箱體內的土壤濕度。

1.3.4 光敏電阻模塊

光敏電阻器用于檢測光照強度。其工作原理是基于內部光電效應，光線越強，電阻值越低。隨著光強的增加，電阻值迅速減小，亮電阻值可小于1 kΩ。光刻膠對光非常敏感。當沒有光線時，它顯示高電阻狀態，暗電阻通常高達1.5 MΩ。在本系統中主要用于監測箱體內的光照強度。

1.3.5 繼電器模塊

本系統應用的執行器主要由水泵、排氣風扇、加熱板組成。土壤濕度低時水泵將進行工作，CO2濃度高時排氣風扇將會進行工作；箱體內溫度較低時，加熱板將進行工作。

1.3.6 Wi-Fi模塊——EMW3080模塊

本系統采用EMW3080嵌入式Wi-Fi模塊，最高主頻133 MHz，內置256 KB SRAM，2MFL ASH，3.3 V單電源供電。箱體內的數據將通過Wi-Fi模塊把數據傳輸到阿里云物聯網平臺，數據將顯示在Web制作的網頁當中。用戶也可使用Wi-Fi模塊連接手機APP，通過手機APP對箱體內的環境數據進行監控。各模塊控制圖如圖1所示。

圖1 各模塊控制圖

2 系統架構解析

生物培育箱系統可以實時監控箱體內的環境因素，系統框架如圖2所示。本系統由感知層、網絡層、平臺層和應用層組成。感知層利用傳感器對箱內的各種環境因素進行識別和收集；網絡層利用Arduino UNO進行傳感器數據的采集、處理及動作邏輯的執行，由Wi-Fi模塊通過AT指令將數據通過公網傳輸到云平臺端；平臺層負責數據的鑒權、接入和轉發，利用阿里云的物聯網平臺將數據可視化及實現各組件之間的聯動；應用層負責結合具體的應用需求，在云平臺上對數據進行計算、處理、挖掘，實現智能化。

圖2 系統框架圖

2.1 系統硬件設計

在本系統中，利用Arduino UNO作為感知節點的核心部分，確保數據的準確及可靠，通過Arduino采集不同接口形式的傳感數據，收集培育箱中的影響生物培育的各環境因素，并將采集到的數據上傳到主控板上，由Arduino模塊進行采集。數據采集后，由Wi-Fi模塊通過APP進行傳輸的，通過公網傳送到云平臺端，實現數據的轉發、處理等。云端將控制信號發回給主控板，Arduino模塊根據控制信號對執行器進行控制，以達到控制箱體內環境的目的。

2.2 系統程序設計

該系統的編程是在Arduino IDE編程軟件上進行的。系統的編程分為4個部分：數據采集、邏輯控制、數據云和命令響應。數據采集部分要將各種傳感器給出的參數轉化為直接可用的數字量；邏輯控制部分根據采集到的數據得到執行器的動作；數據云部分將傳感器的狀態及執行器的狀態上傳到物聯網平臺，通過物聯網對數據進行分析，若采集到的環境數據未達到設定的閾值，則通過物聯網平臺向控制板下發控制指令，通過指令響應這部分代碼對控制指令進行解析并響應。總體上本系統的程序應具有以下功能：①土壤濕度及與水泵的聯動。本編程部分是測量培育箱內的土壤濕度，并根據濕度進行與水泵的聯動。②溫度傳感器與制冷器和加熱片的聯動。本編程部分是測量培育箱內的溫度，并根據溫度進行與制冷器和加熱片的聯動。③光照傳感器與LED燈的聯動。本編程部分是測量培育箱內的光照強度，并根據光照強度進行與LED燈的聯動。④二氧化碳濃度傳感器與風扇的聯動。本編程部分是測量培育箱內的CO2濃度，并根據CO2濃度進行與風扇的聯動。⑤數據的上傳。本編程部分是通過AT指令將實驗箱的數據上傳到阿里云物聯網平臺。⑥對控制信息的響應。本編程部分對阿里云物聯網平臺下發的控制信息進行分析與響應。⑦運行狀態響應。本編程部分通過蜂鳴器展現程序當前運行的狀態，響1聲為連接電源，連續響2聲為連上Wi-Fi，連續響3聲為連接到阿里云物聯網平臺。

系統總體流程圖如圖3所示。

圖3 系統總體流程圖

3 系統的測試及運行結果

3.1 系統程序測試

在Arduino IDE編程軟件上編寫完成后，連接電源，根據蜂鳴器確定設備已經連接到阿里云物聯網平臺，打開物聯網平臺進行測試。

溫度模塊測試。BME280環境檢測傳感器接數字端口A0，當溫度高于35℃時，接口2的繼電器開啟，空調開始運行，來達到降低實驗箱溫度的目的；當溫度低于35℃時，接口2的繼電器關閉，空調停止運行；當溫度低于20℃時，接口10的繼電器開啟，加熱片開始運行，來達到提高溫度的目的。

濕度模塊測試。土壤濕度傳感器接數字端口A1，當濕度傳感器數值高于900時，接口4的繼電器開啟，水泵開始運行，來達到增加實驗箱土壤濕度的目的；當濕度傳感器數值低于400時，接口4的繼電器關閉，水泵停止運行。

光照模塊測試。光敏傳感器接數字端口A2，當光敏傳感器數值高于400時，接口7、8、9的繼電器開啟，LED燈開始運行，來達到提高實驗箱光照強度的目的；當光敏傳感器數值低于200時，接口4的繼電器關閉，LED燈停止運行。

二氧化碳模塊測試。CCS811二氧化碳傳感器接數字端口A0，當CO2濃度數值低于800時，接口11的繼電器開啟，換氣風扇開始運行，達到降低CO2濃度的目的；當CO2濃度數值高于900時，關閉風扇。

Web端及APP端對箱體內數據信息的顯示。使用打火機靠近BME280環境檢測傳感器，APP端溫度欄顯示的數值提示，向土壤濕度傳感器澆水，APP端濕度欄顯示的數值降低，向CCS811二氧化碳傳感器呼出一口氣，APP端CO2濃度欄顯示的數值降低，打開手電筒指向光敏傳感器，APP端光照強度欄顯示的數值降低。

3.2 系統測試總結

本文研究基于Arduino的智能生物培育箱，測試過程中通過阿里云物聯網平臺對采集到的數據進行實時監控。測試結果表明，此系統可以對培育箱的環境數據進行準確的接收、顯示及處理。Arduino主控板能夠正常接收并執行云平臺下發的指令，通過設定數據采集頻率，云平臺也會接收到培育箱內最新的環境因素，用戶可以在Web及APP上隨時查看培育箱內最新的環境因素，并對環境進行控制。

4 總結

本文通過Arduino及物聯網技術，設計了一種智能生物培育系統，利用生物培育所需的環境模型，實現對箱內環境的實時采集、顯示和智能控制，從而保證生物培育實驗的高效進行，并確定生物最佳培育環境運用于實踐中，在提高培養效率的同時降低成本及工作強度。本系統具有數據穩定性強、造價成本低、通訊距離遠等特點，提高生物培優育種效率的同時降低成本及工作強度，對于智慧農業有一定的推動作用。