基于數(shù)字孿生的新能源智能溫室控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

朱旭東，李卓群，薛文初

（蘭州交通大學(xué) 新能源與動力工程學(xué)院，甘肅蘭州，730070）

0 引言

現(xiàn)代化新型農(nóng)業(yè)發(fā)展格局下，互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、數(shù)字孿生等新型信息技術(shù)與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的深度融合，為全面推動數(shù)字化轉(zhuǎn)型，著力改善農(nóng)業(yè)生產(chǎn)生活的環(huán)境質(zhì)量提供了前所未有的歷史機(jī)遇。

數(shù)字孿生是一項(xiàng)運(yùn)用數(shù)字技術(shù)創(chuàng)建某一設(shè)備或系統(tǒng)的數(shù)字等效物的技術(shù)，用于在虛擬空間中反映其本體的實(shí)時(shí)狀態(tài)以及外界環(huán)境條件。雖然數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用重點(diǎn)在于工業(yè)制造業(yè)，但仍有學(xué)者嘗試將其應(yīng)用于農(nóng)業(yè)領(lǐng)域。顧生浩[1]等探討了數(shù)字孿生系統(tǒng)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用，為我國農(nóng)業(yè)數(shù)字孿生系統(tǒng)的發(fā)展提出建議。王志強(qiáng)[2]等將數(shù)字孿生與區(qū)塊鏈技術(shù)結(jié)合，針對金銀花采摘場景設(shè)計(jì)數(shù)字孿生系統(tǒng)；毛雨晗[3]研究了溫室自動化多層栽培裝備數(shù)字孿生監(jiān)控方法，實(shí)現(xiàn)了溫室場景的可視化與環(huán)境數(shù)據(jù)的監(jiān)測；賴祿安[4]等基于Unit3D 搭建了數(shù)字孿生溫室大棚環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了溫室大棚的可視化監(jiān)控。

目前數(shù)字孿生技術(shù)在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用較少，部分農(nóng)業(yè)數(shù)字孿生項(xiàng)目本體的實(shí)時(shí)狀態(tài)與外界環(huán)境在孿生體三維模型中映射不完全，且沒有達(dá)到以虛控實(shí)的效果。針對以上不足，本文提出一種基于數(shù)字孿生的新能源智能溫室控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

1 系統(tǒng)方案

■1.1 系統(tǒng)概述

該系統(tǒng)通過對作物狀態(tài)、生長環(huán)境、設(shè)備能耗及資源可用性等數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)收集和監(jiān)控，利用物聯(lián)網(wǎng)與嵌入式技術(shù)，建立智慧感知系統(tǒng)，通過信息采集、數(shù)據(jù)分析，結(jié)合作物生長周期、生長環(huán)境、作物當(dāng)前狀態(tài)、存在的問題等眾多因素進(jìn)行數(shù)據(jù)分析并呈現(xiàn)，有效實(shí)現(xiàn)對溫室作物生產(chǎn)系統(tǒng)的智慧管控，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率。

■1.2 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)設(shè)計(jì)框架如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框架簡圖

（1）數(shù)字孿生平臺：以LabVIEW 為平臺開發(fā)的數(shù)字孿生上位機(jī)軟件。

（2）智能溫室部分：以單片機(jī)為主控核心，內(nèi)部設(shè)有傳感器以及通風(fēng)、灌溉、照明等執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

2 硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的硬件部分以STC89C52 單片機(jī)作為主控核心，主要針對溫室數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)顯示等部分進(jìn)行設(shè)計(jì)。

■2.1 前端采集站

前端設(shè)有各種環(huán)境信息采集設(shè)備，主要包括DHT22 溫濕度傳感器、RBY-CO2 二氧化碳傳感器、光照強(qiáng)度傳感器等，電路內(nèi)部包含一塊ADC0832 芯片，將傳感器傳輸出的0～5V 模擬電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)字值。

（1）溫濕度傳感器：DHT22 是一種無需經(jīng)過其他變換電路，直接輸出溫濕度數(shù)字量的溫度傳感器，它采用單總線技術(shù)，可直接與單片機(jī)接口相連。溫濕度信號傳入P1.0 口，再由STC89C52 單片機(jī)對溫濕度信號進(jìn)行處理，然后通過串口將數(shù)據(jù)傳輸給上位機(jī)，LabVIEW 上位機(jī)程序進(jìn)行進(jìn)一步的數(shù)據(jù)分析處理，最終在前面板中顯示溫濕度結(jié)果，實(shí)現(xiàn)溫濕度的實(shí)時(shí)監(jiān)測[5]。

（2）二氧化碳傳感器和光照強(qiáng)度傳感器：分別用來檢測溫室內(nèi)CO2濃度大小和光照強(qiáng)度，并將CO2濃度和光強(qiáng)大小轉(zhuǎn)換為電阻值大小。此次傳感器選用RBY-CO2型二氧化碳傳感器與光敏電阻傳感器，傳感器由敏感元件以及轉(zhuǎn)換電路組成。系統(tǒng)工作中，當(dāng)CO2濃度和光照強(qiáng)度大小變化時(shí)，傳感器電阻值發(fā)生變化，經(jīng)轉(zhuǎn)換電路引起輸出電壓的變化，并將此電壓信號輸送至數(shù)模轉(zhuǎn)換器，將電壓轉(zhuǎn)化為數(shù)字量以便單片機(jī)判別運(yùn)算。

（3）ADC0832 模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片：因?yàn)楣庹諅鞲衅骱虲O2濃度傳感器采集的光強(qiáng)信息和CO2濃度信息為模擬量，經(jīng)轉(zhuǎn)換電路后輸出電壓信號也為模擬量，因此需選用ADC0832 模數(shù)轉(zhuǎn)換器將模擬量轉(zhuǎn)換為單片機(jī)能夠識別的數(shù)字量。ADC0832 是8 位分辨率的A/D 模數(shù)轉(zhuǎn)換器，適應(yīng)多數(shù)的模擬量轉(zhuǎn)換要求[6]。該模數(shù)轉(zhuǎn)換器的CS 端口由單片機(jī)P1.1 控制，兩傳感器分別將信號傳入CH0、CH1 雙通道，由CH0、CH1 和通道接收來的模擬信號經(jīng)轉(zhuǎn)換后由DO 口送至單片機(jī)P1.4 口。

■2.2 數(shù)據(jù)傳輸

數(shù)據(jù)傳輸使用串口通信，對前端采集站采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸，同時(shí)接收后端傳輸?shù)闹噶顓?shù)，適時(shí)對溫室作出相應(yīng)的調(diào)整。

使用CH340G 芯片實(shí)現(xiàn) USB 轉(zhuǎn)串口的功能。51 單片機(jī)內(nèi)部自帶UART（通用異步收發(fā)器），可實(shí)現(xiàn)單片機(jī)的串口通信。該系統(tǒng)所用通信方式是一幀10 位的異步串行通信方式，包括1 個(gè)起始位（值為0×FF），8 個(gè)數(shù)據(jù)位和1 個(gè)停止位（值為0×EE）。其中，傳輸數(shù)據(jù)時(shí)字符低位優(yōu)先傳送，字符高位稍后傳送，即數(shù)據(jù)由低到高傳輸。

（1）數(shù)據(jù)發(fā)送：當(dāng)TI=0 時(shí)，開始發(fā)送，由硬件自動加入起始位和停止位，構(gòu)成一幀數(shù)據(jù)，然后由TXD 端串行輸出。發(fā)送完成后，TXD 輸出線維持在“1”狀態(tài)下，并將SCOM 中的TI 置1，表示一幀數(shù)據(jù)發(fā)送完畢。

（2）數(shù)據(jù)接收：RI=0，REN=1 時(shí)，接收電路以波特率的16 倍速度采樣RXD 引腳，如出現(xiàn)“1”變“0”跳變，認(rèn)為有數(shù)據(jù)正在發(fā)送[7]。

串行口工作之前，對其進(jìn)行初始化，主要是設(shè)置產(chǎn)生波特率的定時(shí)器（T1）、串行控制和中斷相關(guān)寄存器。

■2.3 數(shù)據(jù)顯示

溫室端內(nèi)為了對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行觀測、分析，方便及時(shí)監(jiān)測農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)，選用 LCD1602 液晶屏顯示溫濕度、CO2濃度以及光照強(qiáng)度等數(shù)據(jù)。如圖2 所示，運(yùn)行過程中LCD 屏第一行“SD”顯示溫室內(nèi)濕度，“CO2”顯示二氧化碳濃度；第二行“WD”顯示溫室內(nèi)溫度數(shù)據(jù)，“GZ”顯示溫室內(nèi)光照強(qiáng)度。LCD1602 液晶屏的 8 位數(shù)據(jù)端 D1～D7 由單片機(jī)的 P0 口控制，RS、R/W、E 端分別由單片機(jī)P2.6、P2.5、P2.4 控制[6]。

圖2 溫室端電路圖

■2.4 執(zhí)行設(shè)備控制

平臺端對下位機(jī)發(fā)出指令，控制繼電器吸合（低電平觸發(fā)）從而控制照明、通風(fēng)、灌溉、溫控等設(shè)備。

■2.5 供電設(shè)備

以太陽能為動力為溫室系統(tǒng)供能，清潔可靠。供電系統(tǒng)內(nèi)部蓄電池為12V 可充電鋰電池，經(jīng)穩(wěn)壓模塊電壓變換后輸出得到一個(gè)邏輯數(shù)字5V 的直流電壓，為單片機(jī)、傳感器、顯示屏和繼電器等設(shè)備供電；執(zhí)行機(jī)構(gòu)由獨(dú)立電源供電。

圖2為溫室端電路圖。

3 軟件設(shè)計(jì)

以LabVIEW 軟件為開發(fā)環(huán)境設(shè)計(jì)數(shù)字孿生平臺，平臺端通過三維模擬溫室的實(shí)時(shí)狀態(tài)、顯示溫室端的實(shí)時(shí)環(huán)境數(shù)據(jù)以及視頻監(jiān)控等功能，將本體的實(shí)時(shí)狀態(tài)以及外界環(huán)境條件復(fù)現(xiàn)到“孿生體”上，同時(shí)平臺可對溫室系統(tǒng)中的通風(fēng)、灌溉、照明等執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行遠(yuǎn)程管理。

■3.1 前面板設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)包括數(shù)字孿生界面和實(shí)時(shí)采樣界面。

（1）數(shù)字孿生界面：包括視頻監(jiān)控實(shí)時(shí)采集視頻數(shù)據(jù)，環(huán)境數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示，構(gòu)建基地“孿生體”三維模型，實(shí)現(xiàn)種植環(huán)境可視化以及溫室內(nèi)部執(zhí)行設(shè)備控制等功能[8]。

平臺數(shù)字孿生界面如圖3 所示，圖中面板上端為視頻采集區(qū)，獲取實(shí)時(shí)視頻數(shù)據(jù)；右上角為氣象顯示區(qū)，通過心知天氣API 獲取氣象數(shù)據(jù)；左側(cè)為環(huán)境數(shù)據(jù)顯示區(qū)域，顯示溫室內(nèi)各項(xiàng)環(huán)境數(shù)據(jù)，并提供環(huán)境數(shù)據(jù)閾值設(shè)置與報(bào)警功能；右側(cè)為控制區(qū)域，控制溫室內(nèi)執(zhí)行設(shè)備的運(yùn)行、串行口的開關(guān)以及自動管理功能的開關(guān)。

圖3 數(shù)字孿生與控制界面

（2）實(shí)時(shí)采樣界面：顯示溫室內(nèi)部各項(xiàng)指標(biāo)數(shù)據(jù)詳細(xì)變化情況，并可選擇數(shù)據(jù)保存，記錄此前的環(huán)境數(shù)據(jù)，以便幫助用戶跟進(jìn)作物生長過程。

■3.2 后面板程序設(shè)計(jì)

程序包括四個(gè)獨(dú)立部分分別為：構(gòu)建溫室孿生體、數(shù)字孿生、視頻監(jiān)控和網(wǎng)絡(luò)氣象數(shù)據(jù)讀取。

其中數(shù)據(jù)交互與顯示和數(shù)字孿生部分包含在一個(gè)狀態(tài)機(jī)結(jié)構(gòu)中，程序結(jié)構(gòu)利用While 循環(huán)、條件結(jié)構(gòu)和移位寄存器構(gòu)成一個(gè)狀態(tài)機(jī)，狀態(tài)機(jī)結(jié)構(gòu)有Init（初始化）、Wait（等待）、GetDate（獲取數(shù)據(jù)）、Deal（數(shù)據(jù)處理）、Exit（退出）五個(gè)分支；視頻監(jiān)控和網(wǎng)絡(luò)氣象數(shù)據(jù)讀取程序處于狀態(tài)機(jī)結(jié)構(gòu)之外，是獨(dú)立運(yùn)行的部分。

下面分別介紹四個(gè)獨(dú)立部分。

（1）構(gòu)建溫室孿生體：使用三維圖片控件構(gòu)建溫室三維模型。

通過3DMax、SolidWorks 等建模軟件構(gòu)建溫室主體以及內(nèi)部設(shè)備的三維模型，并將三維模型文件轉(zhuǎn)換為WRL 格式；使用Photoshop 制作建立溫室三維模型所需要的圖片文件，并將其轉(zhuǎn)換BMP 格式。在準(zhǔn)備好WRL 模型文件和BMP 文件的基礎(chǔ)上，在狀態(tài)機(jī)結(jié)構(gòu)Wait（等待）分支里通過“創(chuàng)建對象”“添加對象”“縮放對象”“設(shè)置平移”“旋轉(zhuǎn)X/Y/Z 軸”等控件，調(diào)節(jié)模型的顯示位置，構(gòu)建溫室可視化三維模型[9]。構(gòu)建溫室孿生體程序框圖見圖4。

圖4 構(gòu)建溫室孿生體程序框圖

（2）數(shù)字孿生：在狀態(tài)機(jī)結(jié)構(gòu)GetDate（獲取數(shù)據(jù)）分支里，利用VISA 串口接收下位機(jī)數(shù)據(jù)，Deal（數(shù)據(jù)處理）分支里使用數(shù)值轉(zhuǎn)換控件將下位機(jī)采集的8bit 數(shù)據(jù)和16bit數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制，并顯示在程序中，數(shù)據(jù)的處理與顯示程序框圖如圖5 所示。

通過比較處理后的數(shù)據(jù)值與設(shè)定閾值的大小以及獲取下位機(jī)端設(shè)備的運(yùn)行狀況，可在孿生體中實(shí)時(shí)模擬現(xiàn)實(shí)情景，如溫室端光照強(qiáng)度過低時(shí)，孿生體中場景變暗，模擬光照不足時(shí)的場景并發(fā)出警報(bào)；當(dāng)溫室端開啟風(fēng)扇時(shí)，孿生體中風(fēng)扇同時(shí)轉(zhuǎn)動，模擬通風(fēng)場景；當(dāng)溫室端開啟水泵時(shí)，孿生體也開啟水泵模擬灌溉時(shí)場景。同時(shí)平臺端通過串口向下位機(jī)發(fā)送幀頭為“0×FF”，幀尾為“0×EE”的字符指令可遠(yuǎn)程對溫室端內(nèi)的設(shè)備進(jìn)行管理。

（3）視頻監(jiān)控：采用生產(chǎn)者與消費(fèi)者的結(jié)構(gòu)，生產(chǎn)者部分實(shí)現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)流的讀取，消費(fèi)者部分實(shí)現(xiàn)了拍照和錄像的功能。視頻采集程序框圖見圖6。

圖6 視頻采集程序框圖

（4）網(wǎng)絡(luò)氣象數(shù)據(jù)讀取：通過訪問心知天氣API 來獲取天氣數(shù)據(jù)并顯示在程序中。網(wǎng)絡(luò)氣象數(shù)據(jù)讀取程序框圖見圖7。

圖7 網(wǎng)絡(luò)氣象數(shù)據(jù)讀取程序框圖

4 模型驗(yàn)證

搭建溫室試驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D8 所示，接通溫室端電源，溫室端與數(shù)字孿生平臺端通過USB 串口相連接，此時(shí)數(shù)據(jù)開始實(shí)時(shí)交互。

（1）在平臺端手動升高光強(qiáng)過低報(bào)警閾值，來模擬光強(qiáng)不足時(shí)情景，此時(shí)平臺端開始報(bào)警，數(shù)字孿生界面模擬光照不足時(shí)情景。

（2）開啟自動管理模式，數(shù)字孿生平臺針對光強(qiáng)不足的情況對下位機(jī)發(fā)出開啟補(bǔ)光開關(guān)指令，溫室端內(nèi)補(bǔ)光燈開啟，同時(shí)數(shù)字孿生界面模擬開啟補(bǔ)光時(shí)情景。當(dāng)光照強(qiáng)度保持在報(bào)警閾值之內(nèi)時(shí)，補(bǔ)光燈自動關(guān)閉。

（3）平臺端開啟灌溉開關(guān)，溫室端內(nèi)灌溉裝置開啟，同時(shí)數(shù)字孿生界面模擬灌溉時(shí)場景。

（4）將界面切換至實(shí)時(shí)采樣界面，可觀察環(huán)境數(shù)據(jù)詳細(xì)變化。

驗(yàn)證結(jié)果見圖9，所示為不同情況下的數(shù)字孿生界面及實(shí)時(shí)采樣界面。

圖9 不同情況下的數(shù)字孿生界面和實(shí)時(shí)采樣界面

5 結(jié)語

本文將數(shù)字孿生技術(shù)與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)相結(jié)合，對溫室生產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)字化建模與實(shí)時(shí)三維模擬，對溫濕度、光照、CO2濃度等各種環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，實(shí)現(xiàn)了種植過程的可視化監(jiān)測，動態(tài)化控制，幫助農(nóng)民更加科學(xué)和精準(zhǔn)的決策，提高作物的生長效率和產(chǎn)量。

該項(xiàng)目主要應(yīng)用于智能溫室方面，比如農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉，農(nóng)業(yè)節(jié)能控溫，除了溫室種植方面，城市園林、蔬菜種植園、花卉栽培園等場所都是該設(shè)計(jì)的潛在市場。該項(xiàng)目可以實(shí)現(xiàn)智能噴灑、智能控溫（升溫、降溫、通風(fēng)）的同時(shí)降低能耗。項(xiàng)目的推廣適應(yīng)我國新農(nóng)村建設(shè)，響應(yīng)了國家雙碳戰(zhàn)略，對國家經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展作出貢獻(xiàn)，應(yīng)用前景廣闊。