基于数字农业的植物生长环境模拟平台构建

钟闻宇，王永江，陈旭彬

（吉林农业科技学院电气与信息工程学院，吉林吉林 132101）

对于学习自动化控制的电气、电子、计算机专业类的非农学专业学生来说，进入农业类实验室进行操作具有一定的不现实性，不能随意操控农业实验室设备，进而观察环境变化对植物生长的影响。与此同时，植物生长周期长且数据变化缓慢，自动化设备在实际监控中的控制效果反映不明显。因此，设计一套模拟系统，让教师和学生既能用作教学，又可以用作科研，实现快速调控植物生长环境的同时又不会因植物损伤而出现巨大损失的系统显得十分必要。

1 整体设计

选用豆瓣绿作为此次项目的植物研究对象。此植物特点是耐寒、耐旱，繁殖快，易更换，成本低。

采用温湿度传感器、光照传感器、土壤综合传感器、植物补光灯、二氧化碳传感器及灌溉设备对植物沙盘中的植物进行监测和调控。

分别利用单片机、可编程逻辑控制器（PLC）、计算机作为中央控制器，进行数据采集和控制存储。

2 环境监测

无论是野外还是温室大棚，土壤温湿度、空气温湿度、光照度、土壤氮磷钾含量、土壤pH 值及空气CO2含量等数据采集对植物生长来说都是必不可少的环境因素［1］。同时，这些数据具有普遍性，可以适用于多种植物的生长检测，是研究植物生长的主要和重要数据［2-3］。本次研究以这些信息和数据的采集为基础进行深入研究，温室大棚环境监控如图1 所示。

图1 温室大棚环境监控示意图

3 硬件系统设计

针对沙盘种植植物的特点，选择合适设备和元器件作为此次研究的硬件基础。本系统的硬件系统主要是设计采集设备、执行设备和中央控制器组成［4］。

3.1 数据采集传感器

数据采集传感器主要包括温湿度传感器、光照传感器、土壤氮磷钾传感器、土壤pH 值传感器、空气CO2传感器［5］。

考虑到信号统一性和单片机、PLC 及计算机采集模块的输入信号容量，所有传感器均采用RS485 通信与控制器连接，这种选择形式信号即统一，又能避免模拟量信号多控制器成本增加，而且接线简单，安装调试也很方便。数据采集传感器接线原理图如图2 所示。

图2 数据采集传感器接线原理图

3.2 执行设备

执行设备主要由灌溉设备、加热设备、补光设备和通风设备组成。

3.3 中央控制器

中央控制器采用单片机控制、PLC 控制、计算机控制3 种模式，3 种模式属于并行关系。通过开关进行切换。单片机采用51 系列，用液晶屏显示所有数据。PLC 采用西门子S7-200 系列与触摸屏结合进行控制和显示［6］。计算机系统采用开关量模块和RS232 转RS485 通讯模块与上位机连接采集和传输数据［7］。

4 软件系统设计

4.1 系统控制流程

单片机控制、PLC 控制和计算机控制的软件编制过程思路相同，只是表现形式不同。

系统控制流程如图3 所示。系统上电后，运行进行初始化，检测系统设备运行是否正常，如有故障给出提示，否则开始采集并显示各种传感器信号［8］；同时与设置值进行比对，出现偏差则控制输出设备如灌溉设备、补光灯或者通风设备来调整环境参数从而达到植物生长正常条件。

图3 系统控制流程图

4.2 控制模块

控制模块主要是控制灌溉系统设备、补光灯、通风设备的输出。

根据植物生长过程中的水分要求及采集土壤的湿度，控制水泵补水［9］。根据水量需求的大小，控制水泵长时间运行和间隔运行。当水箱水位过低时，提示水箱补水；当一段时间内光度不足，则开启补光灯。补光时间的长短根据不同季节和天气情况进行连续补光和间隔补光［10］。

当沙盘内温度过高或者土壤湿度过大、二氧化碳浓度过高时，开启通风设备使沙盘空气流通，调整沙盘内温湿度和二氧化碳浓度。

4.3 数据存储模块

夏季，特别是7 月、8 月室内和沙盘内温度都很高，控制频率相对较高，因此每隔10 min 采集一次数据并存储；春季、秋季和冬季，室内及沙盘内温度相对稳定，控制频率低，每隔30 min 或者60 min 采集并存储数据。同时，与设置值比对绘制曲线，提供历史数据显示。

5 结论与讨论

本次模拟植物生长环境平台搭建，从实用角度来看：1）用简单的设备控制真实的植物种植过程；2）充分利用电子传感器技术、计算机技术和网络技术，使电子、电气、计算机专业教师及学生能够将理论知识和农业生产实际相结合并获得最真实的材料和经验；3）因为是自主研发的系统，无论修改和扩充功能都十分方便，为教师和学生的科研及教学工作提供了恰当的实验平台。