微型水培人工气候箱环境监控系统设计_张鑫宇.pdf

微型水培人工气候箱环境监控系统设计 张鑫宇 1 肖雨萌 1 孟泽江 1 史颖刚 1 3 崔永杰 1 2 3 1 西北农林科技大学 机械与电子工程学院 陕西 杨凌 712100 2 陕西省农业信息感知与智能服务重点 实验室 陕西 杨凌 712100 3 农业农村部农业物联网重点实验室 陕西 杨凌 712100 摘 要 针对水培菜生长过程中对光照强度 环境温湿度及营养液的不同需求 设计了一种微型水培人工气候 箱环境监控系统 可用于家庭园艺或餐厅农场 基于 STM32F103ZET6 控制器 设计了系统相关硬件电路及系统 控制程序 主要包括外部环境检测模块 外部环境调节模块 营养液检测模块 营养液调节模块 LCD 显示及按键 模块及上位机显示界面 用户可实时监测微型人工气候箱中的光照强度 温湿度以及营养液的 pH 酸碱度 值 EC 电导率 值 DO 溶解氧 值和主要养分离子浓度 相关执行机构工作 可将各环境参数自动调节至标准阈值 内 由上位机界面显示各环境参数的变化情况 系统运行测试结果表明 系统能够在 15min 内完成对作物生长 所需各项环境参数的调节 为作物生长提供稳定可靠的环境条件 同时可监测所得主要养分离子浓度的变化情 况 为后续研究作物生长养分吸收规律和养分动态管理提供依据 关键词 微型人工气候箱 水培环境 实时监测 自动调节 中图分类号 S626 S625 5 文献标识码 A 文章编号 1003 188X 2022 06 0077 06 0 引言 营养液水培模式是无土栽培的常见模式 1 2 具 有操作简便 病虫害少 便于自动化和智能化控制等 优点 3 5 是 微农业 的典型形式之一 6 7 被广泛 应用于家庭阳台 庭院的微型植物工厂 针对微型植 物工厂环境调控及植物生长过程等方面的智能控制 很多专家 学者也开展了相关研究 部分研究可以远 程监控密闭式家庭植物工厂的温度 湿度 营养液循 环 光照 氧气和二氧化碳浓度及二氧化碳浓度 8 9 并分时段采用不同控制策略调控各环境参数 10 另 外 还有些研究基于物联网 用户可以通过 Web 浏览 器或手机 APP 远程查看微型植物工厂运行状态 修改 控制系统设置参数 11 13 空气温湿度 光照强度等环境条件是作物健康生 长的基本要求 但营养液成分是水培模式下作物能否 健康生长的关键 目前 针对微型植物工厂环境控制 的相关研究 主要聚集于温湿度 光照强度等空气环 收稿日期 2021 04 12 基金项目 陕西省重点研发计划项目 2019ZDLNY02 04 陕西省高 等教育学会 2019 年高等教育科学研究项目 XGH19023 2019 陕西高校创新创业课程建设项目 2019 2020 西北 农林 科 技 大 学 大学生创新创业训练计划 项 目 S202010712606 作者简介 张鑫宇 1997 女 陕西延安人 硕士研究生 E mail zxy1014849304 163 com 通讯作者 崔永杰 1971 男 吉林图们人 教授 博士生导师 E mail agriculturalrobot nwafu edu cn 境的监测与调控 针对营养液特征参数及其养分浓度 变化的相关研究较少 为此 笔者设计了基于 STM32 控制器的微型人工 气候箱水培环境监控系统 检测并实时显示种植环境 的温湿度 光照强度 营养液的 pH 值 EC 值 DO 值以 及主要养分 K Ca 2 NO 3 离子浓度的动态变化 再驱 动相关执行机构工作 调节环境参数 为作物生长持 续提供适宜的环境条件 1 系统整体设计 微型人工气候箱尺寸为 700mm 700mm 500mm 整体结构如图 1 所示 其中 温湿度传感器 光照传 感器以及调节气候箱内部环境的电风扇 加热片 加 湿器均安装在箱体侧壁和内部 植物生长灯位于箱体 顶部 用于补充环境光照 采集营养液特征参数的 pH EC DO 值传感器以及 K Ca 2 NO 3 离子选择电 极固定在栽培槽上 栽培槽四周连接输水管和循环 泵 实现营养液的循环控制 储液箱和增氧泵放置于 箱体外部 用户可通过箱体外侧的上位机显示界面 实时查看气候箱内的环境参数 水培环境监控系统主要由主控制器模块 外部环 境检测模块 调节模块 营养液检测模块 调节模块 LCD 显示及按键模块以及上位机显示界面组成 如图 2 所示 系统通过温湿度传感器检测种植环境的温度 和湿度 利用光照传感器检测环境的光照强度 并通 过调节模块中的执行机构实现对环境的调控 着重监 77 2022 年 6 月 农 机 化 研 究 第 6 期 DOI 10 13427 ki njyi 2022 06 013 测营养液的特征参数 包括 pH 值 EC 值 DO 值以及 营养液中 K Ca 2 NO 3 离子浓度的变化情况 利用 循环泵实现营养液循环 并根据检测的特征参数补充 氧气或更换营养液 LCD 显示及按键模块供用户提 前设置各环境参数的阈值 当检测到的环境条件超出 设定阈值时执行机构运行 直至各环境参数的检测值 符合要求 利用 WiFi 模块将系统接收的数据无线传 送至上位机软件 并显示动态变化曲线 实现对微型 人工气候箱内水培环境的整体监测和自动调控 1 储液箱 2 增氧泵 3 输气管 4 输水管 5 栽培槽 6 定植板 7 离子选择电极 8 电风扇 9 亚克力透明箱体 10 光照传感器 11 温湿度传感器 12 加热片 13 加湿器 14 循环泵 图 1 微型人工气候箱 Fig 1 Miniature artificial climate box 图 2 水培环境监控系统结构 Fig 2 Hydroponic environment monitoring system structure 2 系统电路设计 2 1 电源模块设计 整个监控系统需要实现对多个环境参数的检测 及自动调控 因此基于 STM32F103ZET6 芯片设计主 控系统 控制多个传感器和多个执行机构 以实现精 准监控微型人工气候箱内水培环境 气候箱外部共 有十几种设备需要进行供电 其功率与电压如表 1 所 示 为满足不同电压等级设备的供电需求 避免不同 等级电压的相互影响 设计如图 3 所示的 DC12V 转 DC5V DC12V 转 DC3 3V 两种电压转换电路 表 1 外围设备电压与功率 Table 1 Voltage and power of peripheral equipment 设备类型 工作电压 V 最大功率 W 循环泵 DC12 12 000 LCD 显示屏 DC3 3 0 680 主控制器 DC3 3 0 118 加湿器 DC12 15 000 植物生长灯 DC5 7 000 其他传感器 DC3 5 5 3 000 图 3 电源转换电路图 Fig 3 Power conversion circuit 2 2 数据预设及采集 参考专家 学者关于水培蔬菜的种植环境条件的 相关研究 14 15 预先设置了气候箱内的空气温度 湿 度 光照强度 营养液 pH 值 DO 值和 EC 值的标准参 数阈值 如表 2 所示 农户结合培育水培蔬菜过程中 总结的相关生产经验 通过按键模块和 LCD 显示屏 调整相关参数的预设值 液晶显示屏选用 LCD1602 按键电路 见图 4 分为 设置 增大 减小 3 个按 键 当用户使用设置键来切换要改变的环境参数时 LCD 显示屏上出现相应的文字 用户即可对标准环境 参数的阈值进行设定 其中 光照强度每次按键的改 变值为 1000lux 空气温度每次按键的改变值为 1 C 空气湿度每次按键改变量为 1 H 营养液 pH 值每 次按键的改变值为 0 1 DO 值每次按键的改变值为 0 1mg L EC 值每次按键的改变值为 0 1dS m 87 2022 年 6 月 农 机 化 研 究 第 6 期 表 2 环境参数标准阈值 Table 2 Standard threshold of environmental parameters 参数名称 设定阈值 环境温度 18 25 环境湿度 75 H 85 H 光照强度 18000 30000lux 营养液 pH 值 6 0 6 9 营养液 EC 值 1 8 2 5dS m 营养液 DO 值 7 0 8 0mg L 图 4 按键电路 Fig 4 Button circuit 系统的数据采集由外部环境检测模块和营养液 检测模块两部分组成 其中 外部环境检测模块选用 DHT11 温湿度传感器和 GY 30 型光照传感器 营养 液检测模块选用 STD ECCG 1 型 EC 值传感器 KDS 25B 型溶解氧传感器 雷磁 E 201 型 pH 值传感器 采用离子选择电极检测营养液中 K Ca 2 NO 3 的浓 度变化 采集好的数据需要传输到主控系统 以便系 统做出决策 完成后续调控 其中 光照传感器采用 IIC 通信方式进行数据传输 温湿度传感器采用单总 线方式通信 营养液特征参数检测传感器均采用 S485 串口通信的方式 2 3 调控模块驱动电路 当环境参数超出预设的阈值条件时 系统会做出 决策 驱动相应的执行机构工作 其中 通过植物生 长灯 电风扇 加湿器和加热片来实现对温湿度及光 照强度等外部环境的调控 设计继电器电路间接控制 执行机构 共有 4 个继电器 分别连接加热片 电风 扇 加湿器和植物生长灯用以各因素的自动调控 如 图 5 所示 其中 P2 是连接外设的 KF128 2P 端子 当调控参数值不在设定的阈值范围时 LED 亮起 起警 示作用 调控营养液需要采用循环泵定时循环营养液 增 氧泵补充营养液中的氧气 但主控制器不能直接控制 DC12V 的泵 因此 采用耗尽型 CMOS 管间接控制循 环泵和增氧泵 采用 TLP521 光电耦合器隔离主控制 器与执行机构供电电路 避免外界信号串扰主控制 器 增强了系统的稳定和安全性 循环泵和增氧泵的 驱动电路如图 6 所示 图 5 继电器电路 Fig 5 elay circuit 图 6 泵驱动电路 Fig 6 Circulating pump drive circuit 2 4 WiFi 传输模块 系统内部数据需要无线上传上位机 通过选用 ESP8266WiFi 芯 片 连 接 微 控 器 的 USA T2 同 时 ESP8266 芯片连接家庭的网络路由器 再通过路由器 建立起本地数据与上位机软件数据的交互 接口电路 如图 7 所示 图 7 WiFi 接口电路 Fig 7 WiFi interface circuit 3 系统软件设计 3 1 环境控制策略 要完成对气候箱内水培环境各参数的监测和自 97 2022 年 6 月 农 机 化 研 究 第 6 期 动调控 基于 STM32 的控制电路 设计了系统控制流 程以及各模块控制子程序 如图 8 所示 图 8 系统控制流程 Fig 8 System control flow 各传感器采集环境参数数据并传输给主控系统 判断各个参数是否超过预设的参数阈值 当检测指 标超出阈值时 系统驱动执行机构进行调控 其中 温湿度传感器检测到环境温度低于 18 时启动加热 片 温度高于 25 时启动加湿器和电风扇降温 湿度 值低于 75 H 时加湿器工作 湿度值高于 85 H 时启动电风扇通风 光照传感器检测到环境光照强度 低于 18000lx 时 启动植物生长灯进行补光 营养液 DO 值小于 7 0mg L 时 启动增氧泵补充氧气 营养液 EC 值或 pH 值不正常时 更换储液箱中的备用营养 液 循环泵每隔 24h 工作 60min 完成营养液循环 在调控过程中 环境参数恢复至初始阈值的中值时 执行机构停止工作 按键扫描程序中 设置 Key1 为设置键 根据按键 次数分别对应 7 种模式 模式功能如表 3 所示 当按 下 Key1 的次数大于等于 7 时 次数计数变为 0 返回 按键模式 0 Key2 对应增大键 使相应阈值增大 Key3 对应减少键 使相应阈值减少 3 2 串口通信设计 微型人工气候箱内包含多种传感器 需要控制多 种不同的执行机构自动调控环境参数 由于控制信 息复杂多样 为保证系统能够高效完成数据传输 实 现参数设置 控制驱动等多种功能 设计了串口通讯 流程 如图 9 所示 当串口接收以 0 xff 0 xff 结尾的数 据时 将标识前的数据作为动作处理 将标志位 data flag 置 1 当串口接收以 0 xff 0 xfe 结尾的数据时 标识 前的数据应被当做命令处理 命令标志位 command flag 置 1 表 3 按键模式对应功能 Table 3 Corresponding function of key mode 编号 模式 功能 1 0 显示当前空气温湿度 光照强度 2 1 温度上限阈值可改变 3 2 温度下限阈值可改变 4 3 湿度上限阈值可改变 5 4 湿度下限阈值可改变 6 5 光照强度上限阈值可改变 7 6 光照强度下限阈值可改变 图 9 串口通信流程 Fig 9 Serial communication process 3 3 上位机界面设计 传感器采集到的数据通过 WiFi 模块实时传输到 上位机的 7 寸液晶显示屏 显示界面采用 LabVIEW 软 件开发 用户可直观查看各环境参数 图 10 所示的 主显示界面可显示气候箱内的光照强度 营养液的 pH 值 EC 值 DO 值 营养液中的钙离子 钾离子和硝 酸根离子浓度值 以及 3 种养分离子的浓度变化曲 线 用户滑动屏幕切换到如图 11 所示的第 2 显示界 面 可查看实时温湿度值及其变化曲线 4 系统运行测试 将定植期内的生菜幼苗移栽至微型人工气候箱 08 2022 年 6 月 农 机 化 研 究 第 6 期 内模拟生菜种植环境 利用水培环境监控系统的 LCD 屏 按键模块 设置初始环境参数的阈值 人工改变环 境条件 观察系统是否能够完成对环境的自动调控 系统启动 1min 后 手动打开加热片 由于设计 的人工气候箱体积较小 在环境温度升高的同时湿度 值也会有相应变化 以此观察系统对环境温湿度的调 控情况 如图 12 和图 13 所示 由图 12 和图 13 可以 看出 系统初始环境温度 22 左右 启动加热片约 4min 后 温度上升至 25 环境温度超出阈值上限 25 时 系统启动加湿器和电风扇 约在 7min 后系统 温度下降到 22 5 附近 环境湿度值下降至 75 H 以下后 加湿器工作 约在 6min 后将环境湿度恢复到 80 H 左右 图 10 系统运行主界面 Fig 10 Main interface of system operation 图 11 系统运行第 2 界面 Fig 11 The second interface of system operation 图 12 系统测试中温度变化曲线 Fig 12 Temperature curve during system test 整体测试结果表明 营养液补氧 循环和更换机 构均正常工作 系统运行稳定 环境条件超出设置的 参数阈值时 相关执行机构可在 30s 内响应工作 并在 15min 内将各环境参数调控至设定阈值范围内 营养 液循环装置可在 15min 内完成 1 次循环 养分离子浓 度动态检测稳定完整 图 13 系统测试中湿度变化曲线 Fig 13 Humidity curve during system test 5 结论 设计了一种微型人工气候箱水培环境监控系统 可用于自给自足式的家庭园艺或餐厅种植 系统基 于 STM32F103ZET6 控制器 可实现对环境的温湿度 光照强度 通风情况的调控以及营养液定时循环 上 位机界面可显示各环境参数的实时检测值以及营养 液中 K Ca 2 NO 3 离子浓度的动态变化 运行试验 表明 系统稳定可靠 可持续为作物生长提供适宜的 环境条件 同时营养液养分离子浓度的动态变化数据 将为后续研究作物养分吸收规律及养分动态管理提 供基础 参考文献 1 赵根 陈丽萍 韩明丽 等 浅谈城市微农业的功能和意义 J 天津农业科学 2014 20 7 123 126 2 黄婧 肖艳春 陈彪 城市家庭立体微农业模式的初探 J 安徽农学通报 2014 20 20 61 62 3 秦四春 辜松 王跃文 欧洲水培叶菜机械规模化生产系 统 J 农机化研究 2017 39 12 264 268 4 张天柱 李志娟 鲍仁蕾 等 阳台菜园关键栽培技术 J 中国蔬菜 2013 21 47 49 5 王春彦 罗荣园 钱金山 等 家庭水培叶用莴苣模式研究 J 江苏农业科学 2010 1 160 162 6 余锡寿 刘跃萍 微型植物工厂发展分析与展望 J 农业 展望 2016 12 7 59 61 7 梁宝忠 我国首例家庭版植物工厂诞生 J 农业开发与 18 2022 年 6 月 农 机 化 研 究 第 6 期 装备 2010 12 43 8 刘彤 贺宏伟 李尧 等 基于 Android 平台的家庭植物工 厂智能监控系统 J 农机化研究 2015 37 4 197 202 9 艾海波 魏晋宏 邱权 等 微型植物工厂智能控制系统 J 农业机械学报 2013 44 S2 198 204 10 左志宇 卓敏敏 毛罕平 等 基于 STM32F407 微型植物 工厂智能控制系统研制 J 农机化 研 究 2019 41 10 213 218 248 11 左志宇 谭洁 毛罕平 等 基于物联网的微型植物工厂 智能监控系统设计 J 农机化研究 2019 41 11 74 79 12 涂俊亮 邱权 秦琳琳 等 微型植物工厂内部环境调控 试验平台研制及试验 J 农业工程学报 2015 31 2 184 190 13 赵倩 王琨琦 聂铭君 等 集装箱植物工厂自动控制系 统建立 J 农机化研究 2016 38 10 217 222 14 滕巍 马艺荞 马燕 等 植物工厂水培生菜的栽培环境 研究进展 J 黑龙江农业科学 2018 5 156 158 15 滕星 高星爱 姚丽影 等 植物工厂水培生菜技术研究 进展 J 东北农业科学 2017 42 1 40 45 Design of Environmental Monitoring System for Mini Hydroponic Artificial Climate Chamber Zhang Xinyu 1 Xiao Yumeng 1 Meng Zejiang 1 Shi Yinggang 1 3 Cui Yongjie 1 2 3 1 College of Mechanical and Electronic Engineering Northwest A F University Yangling 712100 China 2 Shaanxi Key Laboratory of Agricultural Ination Perception and Intelligent Service Yangling 712100 China 3 Key Laboratory of Agricultural Internet of Things Ministry of Agriculture and ural Affairs Yangling 712100 China Abstract Hydroponics mode is very popular in greenhouse leafy vegetable cultivation According to its requirements for different growth parameters of light intensity environmental temperature and humidity and nutrient solution a miniature artificial climate box hydroponic environment monitoring system is designed which can be used for home gardening Or restaurant farm The system is based on the STM32 controller which mainly includes an external environment detection module an external environment adjustment module a nutrient solution detection module a nutrient solution adjustment module an LCD display module and an upper computer display interface It can monitor the light intensity temperature and humidity in the miniature artificial climate chamber in real time as well as the pH value EC value DO value and main nutrient ion concentration of the nutrient solution The relevant actuator works and can automatically adjust various environmental parameters to standard values The interface displays the changes of various environmental parameters The system operation test results show that the system can quickly adjust various environmental parameters required for crop growth and provide stable and reliable environmental conditions for crop growth At the same time monitoring the chan ges in the concentration of the main nutrient segregants obtained will be a follow up study of crop growth nutrients The law of absorption provides a basis Key words mini artificial climate box hydroponic environment real time monitoring automatic Adjustment 28 2022 年 6 月 农 机 化 研 究 第 6 期