基于数字孪生的新能源智能温室控制系统设计

朱旭东，李卓群，薛文初

（兰州交通大学 新能源与动力工程学院，甘肃兰州，730070）

0 引言

现代化新型农业发展格局下，互联网、物联网、数字孪生等新型信息技术与农业生产的深度融合，为全面推动数字化转型，着力改善农业生产生活的环境质量提供了前所未有的历史机遇。

数字孪生是一项运用数字技术创建某一设备或系统的数字等效物的技术，用于在虚拟空间中反映其本体的实时状态以及外界环境条件。虽然数字孪生技术的应用重点在于工业制造业，但仍有学者尝试将其应用于农业领域。顾生浩[1]等探讨了数字孪生系统在农业生产中的应用，为我国农业数字孪生系统的发展提出建议。王志强[2]等将数字孪生与区块链技术结合，针对金银花采摘场景设计数字孪生系统；毛雨晗[3]研究了温室自动化多层栽培装备数字孪生监控方法，实现了温室场景的可视化与环境数据的监测；赖禄安[4]等基于Unit3D 搭建了数字孪生温室大棚环境监测系统，实现了温室大棚的可视化监控。

目前数字孪生技术在农业中的应用较少，部分农业数字孪生项目本体的实时状态与外界环境在孪生体三维模型中映射不完全，且没有达到以虚控实的效果。针对以上不足，本文提出一种基于数字孪生的新能源智能温室控制系统设计。

1 系统方案

■1.1 系统概述

该系统通过对作物状态、生长环境、设备能耗及资源可用性等数据的实时收集和监控，利用物联网与嵌入式技术，建立智慧感知系统，通过信息采集、数据分析，结合作物生长周期、生长环境、作物当前状态、存在的问题等众多因素进行数据分析并呈现，有效实现对温室作物生产系统的智慧管控，提高农业生产效率。

■1.2 系统组成

系统设计框架如图1 所示。

图1 系统设计框架简图

（1）数字孪生平台：以LabVIEW 为平台开发的数字孪生上位机软件。

（2）智能温室部分：以单片机为主控核心，内部设有传感器以及通风、灌溉、照明等执行机构。

2 硬件设计

系统的硬件部分以STC89C52 单片机作为主控核心，主要针对温室数据采集、数据传输、数据显示等部分进行设计。

■2.1 前端采集站

前端设有各种环境信息采集设备，主要包括DHT22 温湿度传感器、RBY-CO2 二氧化碳传感器、光照强度传感器等，电路内部包含一块ADC0832 芯片，将传感器传输出的0～5V 模拟电压转换为数字值。

（1）温湿度传感器：DHT22 是一种无需经过其他变换电路，直接输出温湿度数字量的温度传感器，它采用单总线技术，可直接与单片机接口相连。温湿度信号传入P1.0 口，再由STC89C52 单片机对温湿度信号进行处理，然后通过串口将数据传输给上位机，LabVIEW 上位机程序进行进一步的数据分析处理，最终在前面板中显示温湿度结果，实现温湿度的实时监测[5]。

（2）二氧化碳传感器和光照强度传感器：分别用来检测温室内CO2浓度大小和光照强度，并将CO2浓度和光强大小转换为电阻值大小。此次传感器选用RBY-CO2型二氧化碳传感器与光敏电阻传感器，传感器由敏感元件以及转换电路组成。系统工作中，当CO2浓度和光照强度大小变化时，传感器电阻值发生变化，经转换电路引起输出电压的变化，并将此电压信号输送至数模转换器，将电压转化为数字量以便单片机判别运算。

（3）ADC0832 模数转换芯片：因为光照传感器和CO2浓度传感器采集的光强信息和CO2浓度信息为模拟量，经转换电路后输出电压信号也为模拟量，因此需选用ADC0832 模数转换器将模拟量转换为单片机能够识别的数字量。ADC0832 是8 位分辨率的A/D 模数转换器，适应多数的模拟量转换要求[6]。该模数转换器的CS 端口由单片机P1.1 控制，两传感器分别将信号传入CH0、CH1 双通道，由CH0、CH1 和通道接收来的模拟信号经转换后由DO 口送至单片机P1.4 口。

■2.2 数据传输

数据传输使用串口通信，对前端采集站采集的数据进行传输，同时接收后端传输的指令参数，适时对温室作出相应的调整。

使用CH340G 芯片实现 USB 转串口的功能。51 单片机内部自带UART（通用异步收发器），可实现单片机的串口通信。该系统所用通信方式是一帧10 位的异步串行通信方式，包括1 个起始位（值为0×FF），8 个数据位和1 个停止位（值为0×EE）。其中，传输数据时字符低位优先传送，字符高位稍后传送，即数据由低到高传输。

（1）数据发送：当TI=0 时，开始发送，由硬件自动加入起始位和停止位，构成一帧数据，然后由TXD 端串行输出。发送完成后，TXD 输出线维持在“1”状态下，并将SCOM 中的TI 置1，表示一帧数据发送完毕。

（2）数据接收：RI=0，REN=1 时，接收电路以波特率的16 倍速度采样RXD 引脚，如出现“1”变“0”跳变，认为有数据正在发送[7]。

串行口工作之前，对其进行初始化，主要是设置产生波特率的定时器（T1）、串行控制和中断相关寄存器。

■2.3 数据显示

温室端内为了对采集的数据进行观测、分析，方便及时监测农业数据，选用 LCD1602 液晶屏显示温湿度、CO2浓度以及光照强度等数据。如图2 所示，运行过程中LCD 屏第一行“SD”显示温室内湿度，“CO2”显示二氧化碳浓度；第二行“WD”显示温室内温度数据，“GZ”显示温室内光照强度。LCD1602 液晶屏的 8 位数据端 D1～D7 由单片机的 P0 口控制，RS、R/W、E 端分别由单片机P2.6、P2.5、P2.4 控制[6]。

图2 温室端电路图

■2.4 执行设备控制

平台端对下位机发出指令，控制继电器吸合（低电平触发）从而控制照明、通风、灌溉、温控等设备。

■2.5 供电设备

以太阳能为动力为温室系统供能，清洁可靠。供电系统内部蓄电池为12V 可充电锂电池，经稳压模块电压变换后输出得到一个逻辑数字5V 的直流电压，为单片机、传感器、显示屏和继电器等设备供电；执行机构由独立电源供电。

图2为温室端电路图。

3 软件设计

以LabVIEW 软件为开发环境设计数字孪生平台，平台端通过三维模拟温室的实时状态、显示温室端的实时环境数据以及视频监控等功能，将本体的实时状态以及外界环境条件复现到“孪生体”上，同时平台可对温室系统中的通风、灌溉、照明等执行机构进行远程管理。

■3.1 前面板设计

软件设计包括数字孪生界面和实时采样界面。

（1）数字孪生界面：包括视频监控实时采集视频数据，环境数据实时显示，构建基地“孪生体”三维模型，实现种植环境可视化以及温室内部执行设备控制等功能[8]。

平台数字孪生界面如图3 所示，图中面板上端为视频采集区，获取实时视频数据；右上角为气象显示区，通过心知天气API 获取气象数据；左侧为环境数据显示区域，显示温室内各项环境数据，并提供环境数据阈值设置与报警功能；右侧为控制区域，控制温室内执行设备的运行、串行口的开关以及自动管理功能的开关。

图3 数字孪生与控制界面

（2）实时采样界面：显示温室内部各项指标数据详细变化情况，并可选择数据保存，记录此前的环境数据，以便帮助用户跟进作物生长过程。

■3.2 后面板程序设计

程序包括四个独立部分分别为：构建温室孪生体、数字孪生、视频监控和网络气象数据读取。

其中数据交互与显示和数字孪生部分包含在一个状态机结构中，程序结构利用While 循环、条件结构和移位寄存器构成一个状态机，状态机结构有Init（初始化）、Wait（等待）、GetDate（获取数据）、Deal（数据处理）、Exit（退出）五个分支；视频监控和网络气象数据读取程序处于状态机结构之外，是独立运行的部分。

下面分别介绍四个独立部分。

（1）构建温室孪生体：使用三维图片控件构建温室三维模型。

通过3DMax、SolidWorks 等建模软件构建温室主体以及内部设备的三维模型，并将三维模型文件转换为WRL 格式；使用Photoshop 制作建立温室三维模型所需要的图片文件，并将其转换BMP 格式。在准备好WRL 模型文件和BMP 文件的基础上，在状态机结构Wait（等待）分支里通过“创建对象”“添加对象”“缩放对象”“设置平移”“旋转X/Y/Z 轴”等控件，调节模型的显示位置，构建温室可视化三维模型[9]。构建温室孪生体程序框图见图4。

图4 构建温室孪生体程序框图

（2）数字孪生：在状态机结构GetDate（获取数据）分支里，利用VISA 串口接收下位机数据，Deal（数据处理）分支里使用数值转换控件将下位机采集的8bit 数据和16bit数据转换为十进制，并显示在程序中，数据的处理与显示程序框图如图5 所示。

通过比较处理后的数据值与设定阈值的大小以及获取下位机端设备的运行状况，可在孪生体中实时模拟现实情景，如温室端光照强度过低时，孪生体中场景变暗，模拟光照不足时的场景并发出警报；当温室端开启风扇时，孪生体中风扇同时转动，模拟通风场景；当温室端开启水泵时，孪生体也开启水泵模拟灌溉时场景。同时平台端通过串口向下位机发送帧头为“0×FF”，帧尾为“0×EE”的字符指令可远程对温室端内的设备进行管理。

（3）视频监控：采用生产者与消费者的结构，生产者部分实现图像数据流的读取，消费者部分实现了拍照和录像的功能。视频采集程序框图见图6。

图6 视频采集程序框图

（4）网络气象数据读取：通过访问心知天气API 来获取天气数据并显示在程序中。网络气象数据读取程序框图见图7。

图7 网络气象数据读取程序框图

4 模型验证

搭建温室试验模型如图8 所示，接通温室端电源，温室端与数字孪生平台端通过USB 串口相连接，此时数据开始实时交互。

（1）在平台端手动升高光强过低报警阈值，来模拟光强不足时情景，此时平台端开始报警，数字孪生界面模拟光照不足时情景。

（2）开启自动管理模式，数字孪生平台针对光强不足的情况对下位机发出开启补光开关指令，温室端内补光灯开启，同时数字孪生界面模拟开启补光时情景。当光照强度保持在报警阈值之内时，补光灯自动关闭。

（3）平台端开启灌溉开关，温室端内灌溉装置开启，同时数字孪生界面模拟灌溉时场景。

（4）将界面切换至实时采样界面，可观察环境数据详细变化。

验证结果见图9，所示为不同情况下的数字孪生界面及实时采样界面。

图9 不同情况下的数字孪生界面和实时采样界面

5 结语

本文将数字孪生技术与农业生产相结合，对温室生产系统进行数字化建模与实时三维模拟，对温湿度、光照、CO2浓度等各种环境数据进行实时采集，实现了种植过程的可视化监测，动态化控制，帮助农民更加科学和精准的决策，提高作物的生长效率和产量。

该项目主要应用于智能温室方面，比如农业节水灌溉，农业节能控温，除了温室种植方面，城市园林、蔬菜种植园、花卉栽培园等场所都是该设计的潜在市场。该项目可以实现智能喷洒、智能控温（升温、降温、通风）的同时降低能耗。项目的推广适应我国新农村建设，响应了国家双碳战略，对国家经济可持续发展作出贡献，应用前景广阔。