一种能提供近似自然生长环境的育苗系统设计

陈菊，张诚喆，陈园，赵庆

（1.武昌工学院 信息工程学院，湖北武汉，430000；2.湖北工业大学，湖北武汉，430000）

0 引言

中国自古以来就是一个农业大国，农业是我国国民经济的基础[1]。但是随着我国人口老龄化形势日益严峻以及耕地日益减少，农业劳动力日益短缺。同时，我国农业现代化程度较低。2021 年11 月12 日，国务院印发的《“十四五”推进农业农村现代化规划》中明确指出：“实现农业农村现代化是全面建设社会主义现代化国家的重大任务”。智能农业装备也被列入了2025 中国智造计划。

随着计算机技术、通信技术以及传感器技术的发展，基于互联网技术的物联网在智能家居、共享交通、工业生产等领域得到了广泛的应用[2]。在农业领域，物联网技术的出现同样带来了翻天覆地的变化。智能温室大棚就是基于物联网技术典型代表，90 年代初我国农业科学院研制了基于Windows 的智能温控管理系统，孙学斌等人研制了基于计算机和51 单片机的智能温室系统，能够监测温室环境中的各种生长因素并对其进行控制；90 年代中期，毛罕平等人研制了一种能对多种参数综合控制的温室软硬件控制系统[3]。1995 年开始，国内各高校开始研究大棚各参数调控系统[4]。2007 年6 月，中国农业科学院研制了国内第一套单井抽灌浅层地能温室环境调控系统。2012 年刘俊岩等人设计了一套由太阳能供电的温室自动灌溉系统，系统采用ZigBee 无线传输的方式，实现了远程的实时监控功能[5]。2015 年，姚伟等人设计了温室环境的检测与调节系统，利用 PLC 采集环境参数并作为控制器控制相关执行机构，利用 Visual Basic 开发了上位机监控软件[6]。

我国智能温室大棚技术虽然取得了较大的进步[7]，但温室育苗仍然存在幼苗移植到自然环境中后成活率低、抗自然灾害能力差的特点[8]，通过对文献的查阅及与育苗技术人员的交流发现，产生上述问题的主要原因是温室育苗过程中的生长参数与实际自然环境差异较大，导致移植后的幼苗移植幼苗成活率低、抗自然灾害能力差。针对上述问题，本文提出了一种基于云平台和大数据的，能为种苗培育提供接近其自然生长环境的智能育苗系统[9]。该系统能够监测及控制育苗过程中的温度、湿度、光照度、通风等关键生长参数，通过对抗自然灾害能力强的幼苗生长环境的大数据监测，获得最佳的育苗参数并存储在云平台；同时，该系统用云平台进行大数据分析与存储、以STM32 单片机作为育苗系统的主控制器，利用4G 无线传输模块与云平台上的总控制通信，具有成本低、管理方便的优点。论文的研究成果在智能育苗设备及种苗培育行业具有极大的应用潜力。

1 系统设计

智能育苗系统包括由不同系列育苗箱构成的感知层、无线网络传输层和网络应用层三部分构成[10]，系统结构图如图1 所示。育苗箱能够自主运行，通过自身安装的控制器可以实现温度、湿度、光照度、通风等关键生长参数的调节与控制，同时还能够将测得的环境参数通过4G 透传模块发送给网络应用层进行大数据记录；基于4G 的无线网络传输层的作用是将多个独立的育苗箱设备与应用管理系统连接，实现信息的互通；应用层的管理系统能够分析并记录幼苗的生长数据，并通过大数据实现幼苗最佳生长数据的拟合与分类存储，当需要利用育苗箱培育某种幼苗时，用户可以从管理系统中调取幼苗的最佳生长数据，并实时地发送给育苗箱进行幼苗培育。

图1 系统结构图

■1.1 育苗箱硬件系统设计

智能育苗箱的硬件结构图如图2 所示，采用主从两个控制器实现系统传感信号的测量与处理，其中主控制器主要负责传感信号的采集、数据的处理、与云平台通讯，以及控制从控制器的工作；从控制器结合大功率LED 驱动器主要实现三路（拓展更多路）植物灯的强度控制。该智能育苗系统可以通过设备自带的触摸屏设定内部温度、湿度以及光照度等环境参数，也可以通过云平台上的控制系统实现上述环境参数的远程设置；主控制器通过传感获取实时环境参数并与目标值比对；并根据比对结果控制通风、加湿、空调等设备调节育苗系统内部环境参数直到其达到设定值。

图2 育苗箱硬件结构图

主控芯片主要需要将采集到的数据进行运算级、处理，并通过4G 透传模块发送给云端总控制系统，另外需要接收主机传达的命令，对设备进行控制。论文对常用单片机性能进行了比较，如表1 所示。论文最终选择了I/O 口丰富、数据处理及抗干扰能力强的STM32F103C8T6 单片机作为本系统的主控制器[11]。

表1 单片机性能比较

■1.2 传感器选型

（1）温湿度传感器

本文环境温湿度的测试 选 用DHT11 芯 片， 实物图如图3 所示。该芯片采用电阻式元件用于采集湿度以及NTC 感温元件，内含一个8 位单片机。它具有性价比高，体积小，抗干扰能力强，精度高，功耗小等优点。该芯片其他参数见表2。

图3 DHT11 模块实物图

（2）CO2浓度传感器

对于环境中CO2浓度的采集采用MG811 传感器。该传感器是一种半导体氧化物化学传感器。工作原理：利用固体电解质电池原理来检测CO2的浓度，当传感器保持在一定的工作温度，置于CO2气氛中时，电池正负极发生电极反应，传感器敏感电极和参考电极之间产生电动势，输出信号电压与CO2浓度的对数成反比例线性关系，通过测试信号电压的变化，可检测到CO2浓度的变化。MG811 传感器主要参数见表3。

表3 MG811参数

（3）光照强度传感器

光强信息的采集选用HA2003 光照传感器。该传感器采用高精度的光电转换模块，将光强转换为电信号调理电路转换为0～2V。具有精度高、体积小、耐腐蚀响应速度快等优点。HA2003 光照传感器的主要参数见表4。

表4 HA2003主要参数

■1.3 DTU 传输模块选型

本系统对于传输数据的速率要求不高，因此采用性价比较高的GPRS 方法。DTU 是一种基于GPRS 网络传输的无线终端设备[12]。DTU 具有以下优点：组网迅速灵活，建设周期短、成本低；网络覆盖范围广；安全保密性能好；链路支持永远在线、按流量计费、用户使用成本低。现场测试节点与 DTU 之间通过 RS-232 串口通信实现数据交换，DTU模块将数据整理成网络通信的数据包，利用 GPRS 网络发送至服务器端进行存储。论文选用的DTU 实物图4 所示。

图4 DTU 实物

■1.4 电气控制模块设计

本系统执行设备的状态只有“开”和“关”两种状态，论文采用继电器进行控制。继电器是一种应用于自动控制电路中的控制器件，主要作用是通过小电流来控制大电流，起着保护电路、电路转换和自动调节的作用，具有体积小、动作快、稳定性强等优点。其工作原理为：利用电磁感应通过在线圈两端加电压产生电流继续对衔铁产生吸引力进而控制电路通断。目前继电器主要有电磁式继电器和固态继电器两种类型。论文通过控制器向继电器发送命令使电路通或者断。

本系统采用SRD-05VDC-SL-C 电磁继电器。主要参数为：吸合电压为 5V；最低为 3.75V；吸合额定电流为 71.4mA；落下电压为 0.5V。总共有六套执行机构，分别为：通风机、CO2制造器、遮阳机、补光机、温度控制器、湿帘系统，每一个执行设备都设计了单独的继电器控制电路。同时，为了避免执行机构与前端控制电路的相互干扰，论文在两者中间加入了一个PC817 光电隔离器。继电器控制电路如图5 所示。

图5 继电器控制电路

2 系统软件设计

育苗系统的软件包括育苗系统主控制器部分的STM32单片机程序和平台主控制软件程序。前者主要内容为：STM32 单片机上操作系统的移植、 LwIP 协议移植、测量模块程序设计、执行单元程序设计以及显示器程序设计；后者主要内容为：软件界面设计、通信模块设计、数据库模块设计。软件框架如图6 所示。

图6 软件框架

■2.1 STM32 程序设计

STM32 单片机程序主要是为了实现对硬件系统的测量与控制，是整个系统的核心。STM32 单片机可以与平台主控制软件通讯，发送测量数据给平台主控制软件进行数据存储、分析与显示；同时接收平台主控制软件发送过来的控制指令，接收指令经过解码与分析后，控制系统的空调系统、加湿系统、光照、通风等设备按照预设的流程进行工作，并实时检测各设备是否正在工作。 STM32 单片机的关键程序执行流程如图7 所示，单片机启动后，首先检测与平台主控制软件通信是否连接成功，如果连接未成功，一直处于等待连接的状态；连接成功后，将各传感器测得的数据发送给控制软件平台，并提示单片机控制系统正常工作；如果平台主控制软件下发了控制设备指令，单片机按照控制指令控制各设备工作；如果未接收到控制指令，STM32 单片机一直处于参数监测状态。

图7 数据传输流程

■2.2 平台主控制软件设计

平台主控制软件基于具有面向对象特性的VC6.0 平台设计。其主控制界面如图8 所示。整个主控制软件界面包括各监测参数的上下限设置、监测结果的实时显示，以及各设备控制两大部分。其中设备的控制可设置手动控制和自动控制两种运行方式。手动设置模式下，设备开启，并实时显示各传感参数；自动控制模式下，设备在各个参数设置的上下线区间工作，并显示实时测量结果。另外平台主控制软件中设置了一个报警系统，当监测值超过了预设的上下限会立刻报警，提示某个参数超出预设范围；设备控制包括对光照系统、通风系统、空调系统、湿帘系统、二氧化碳产生器的控制等，分为自动控制跟手动控制两种控制方式。在自动模式下，能够自动保持各项参数处于预设范围之内。

图8 主控制界面

另外，平台主控制软件还具有数据保存功能、数据查询功能、数据删除功能。当育种箱环境某一个参数超出了预设范围时，控制软件会进行声音报警跟闪烁灯报警。数据库采用SQL Sever 2008 数据库，主要用于保存温室环境各项参数跟执行单元信息。用户可以对数据保存、查询、删除。例如勾选自动控制，通过“设置”子菜单调取某种幼苗生长曲线，点击运行后育苗系统会按照生长曲线控制幼苗的环境参数。

3 总结

论文针对我国非自然环境下育苗系统智能化程度低、移植幼苗抗自然灾害能力差的问题，设计了基于云平台和STM32 单片机的远程育苗系统。该系统能够通过对幼苗生长大数据监测，拟合最佳的育苗参数并存储在云平台。当需要育苗时，云平台上的总控制系统调出幼苗的生长数据，并通过4G 无线传输模块实现与育苗系统主控制器通讯；育苗箱主控制器根据总控制系统下发的指令，能够控制通风、加湿、调温、调光等设备的运行，实现育种箱内部环境参数的调控，同时监测育苗系统的环境参数，并上传到云平台分析、存储。论文的研究成果在智能育苗设备及种苗培育行业具有极大的应用潜力。