一种基于时序控制的智能化炼苗控制系统＊

吴万敏，郝子祺，邱峻寅，田卓尔，郑 杰，李 玮

（四川大学电子信息学院，四川 成都 610207）

互联网与未来社会发展密切相关，能实现万物联网，同时，推动传统产业信息化的发展，也是当今时代的发展新目标[1-2]。习近平总书记在十九大报告中指出，“推进农业现代化建设，是我国一二十年内农业农村发展的国家基本战略。”而农业4.0作为农业行业现代化的制高点，最显著的特征是无人化管理和智能化控制，但是，目前我国在此所处的阶段并不算在前列，实现农业4.0还需要长期的稳步发展。

植物组织培养是根据植物细胞的全能性，从植物体分离出可用的组织、器官、细胞或原生质体等作为外植体，在适宜的无菌环境下，通过一系列的无菌操作将其培养成再生的完整植株的过程[3]。在培养过程中，炼苗移栽是一重要环节，它是指将生长健壮的生根苗进行室外炼苗，再将其移栽到土壤中[4]。因为其对环境温湿度、土壤湿度和施肥浓度及时间要求很高，往往会因操作不当或对环境的调节不够及时而导致炼苗失败。室内外自然环境中存在的不稳定因素，使得传统的组培出瓶苗因需锻炼驯化而采用人工遮阴浇水的措施，大大增加了人工护理的成本和难度[5-6]。

随着时序控制概念的提出，各种各样的时序控制器也相继问世，但控制方式单一且复杂。本文提出的一种基于时序控制的智能化组织培养炼苗控制系统，正是针对组培育苗烦琐的培养流程和条件控制问题，旨在开拓新的时序控制方式并实现多路交叉，以满足用户随时随地安排多项任务运行顺序、查看任务执行情况的需求。与现存的单一控制和低智能化的时序控制器相比，对于大规模的植物组织培养，此时序控制系统具有人药隔离，以及同时涵盖3种控制方式的优势，同时，还具有自动化程度高、可重复性强等特点，对未来万物联网发展具有先行性意义。

图1 系统结构框图

1 系统总体设计

此系统在对植物的培养方面为用户提供了更便捷、准确的控制方法，用户可以提前设定好需要对植物生长环境进行改变的时间段及对应的各种参数值后，系统便会在无人坚守的情况下自动调节炼苗所需的环境条件，并将数据及时反馈给用户。该系统主要分为4个子系统，分别是环境温、湿度调节系统，光照调节系统，土壤湿度调节系统和控制单元内的本地及远程控制系统。控制系统结合了本地控制、PC端软件控制和APP软件控制3种不同的控制方式，对其他3个子系统进行交叉控制。系统结构如图1所示。

1.1 环境温、湿度，光照和土壤湿度调节系统

通过对环境温湿度和光照等参数的监测和采集而形成的量化数据来确定并提前设定好适用于植物苗的最佳生长条件值[7]。当温度传感器、湿度传感器和光强度传感器检测到环境的温湿度和光照强度不在正常范围时，装置可以启动通风系统和换热器的换热系统来改变环境温湿度，同时，通过调节调光板使光照强度达到适宜值。土壤湿度传感器在检测到土壤水分含量低于设定值时，泵开始工作，抽取缓冲池中的水对土壤进行喷灌。自动配液系统根据用户提前设定好的喷药施肥时间，再与时钟模块读取到的本地时间相比，按照设定好的浓度值开始配置农药浓度，并将其引入缓冲池，再启动泵开始喷洒。这3种子系统在各自涉及到的传感器的基础上不需要人工监测就可以分析监控环境条件，并及时做出调控，大大节省了人力和物力。

1.2 控制系统

控制单元是对上述子系统的总体控制，时序控制在硬件的基础条件下就可以实现本地控制。除此之外，我们引入软件控制，包括移动终端控制和PC端控制2种远程控制模式，可随时随地查看空座状态，并设定好工作时间。此时序控制采用3种控制方式多路交叉，均可实现时间控制，同时，以最小成本实现了设备的智能化。

2 控制系统总体设计

一个系统最重要的是硬件部分，而硬件部分是整个系统的核心，它构成了整个系统的框架[8]。此外，软件的实现也是基于硬件的，硬件与软件相辅相成，共同控制整个系统。时序控制原理如图2所示。时序控制器由核心控制部分、输出控制部分和网络连接3个部分组成。核心控制部分主要提供系统时间、处理输入的设置信息、显示设置信息和控制通断等功能，包括时钟芯片和MCU。输出控制部分包括液晶显示模块和继电器输出模块，用于显示系统运行状态以及控制输出电源的通断。网络连接部分由GPRS模块、云服务器和APP构成，以实现对设备的远程操作和运行情况检测。该时序控制器拟采用的技术路线总流程如图3所示。本文就此时序控制涉及到的硬件部分和软件部分分别进行介绍。

图2 时序控制原理框图

图3 时序控制器总流程图

2.1 控制硬件设计

我们选用STM32f103ZET6单片机作为整个系统的MCU，控制时钟电路、显示电路、继电器输出电路和操作控制电路。

2.1.1 时钟电路

时钟电路采用DS1302模块，是时序控制器的基础，它为单片机提供了时间依据，同时，可以通过按键、PC端软件和APP来设置时间，并将其存储在单片机内。用户通过3种控制方式可随时实现对系统时间的修改，而系统可通过单片机将当前系统时间和设定时间进行对比，以达到时序控制的目的。

2.1.2 显示电路

显示电路采用1602液晶模块，反应当前时序控制器的工作状态。系统时间的6路时序输出的开关状态均在液晶屏上显示，同时，用户在使用本地控制时，可根据液晶屏上显示的工作状态和工作时间段来设定所需时间段，它是实现人机交流的工具。

2.1.3 继电器输出电路

继电器主要控制外接电路的通断，实现整个系统的输出。控制器工作时，单片机将读取到的当前系统时间和用户设定的时间进行对比，以此来判断I/O端口的通断，从而驱动相应的继电器实现时序控制的功能。由于单片机输出电流太小，需要三极管来放大电流，为了保护三极管不会击穿，我们在继电器上并联了一个“续流保护二极管”。

2.1.4 操作控制电路

操作控制电路用于设置系统显示和控制。用户通过操作按键来设定系统时间和工作时间，实现时序控制器最基础的本地控制。

2.2 软件设计

此时序控制器涉及到的软件部分分为PC端软件和APP。这2种方式不同于本地控制，不需要亲临设备现场便可对系统进行远程控制，并接收反馈回来的数据。下面分别对这两方面进行简单介绍。

2.2.1 PC端软件

使用PC端软件，用户在办公室内便可完成对系统的控制。PC端面积大，并且鼠标和键盘相互交叉使得操作更加精确，接收到的信息更便于查看。PC端软件是指安装在计算机中的、可直接发送的操控命令，还可显示智能化炼苗控制系统的各类信号变化情况。PC端软件发出的命令送STM32f103ZET6单片机，STM32f103ZET6单片机再根据此命令将其解释为相应的控制信号，并直接控制相应设备，用户不用接触时序控制器便可实现时序控制。

2.2.2 APP

不同于PC端软件的是，用APP进行智能控制，用户能随时随地对系统进行控制，我们采用的APP控制正是基于现代人们喜爱手机的便捷操作来实现这一点的。

APP会设置2个界面，分别是登陆界面和程序主界面。前者为账号和密码的输入，后者包括1个设备选择控件，2个开始和结束时间设置控件，1个接收反馈信息的文本框，1个确定按钮。用户在完成登陆操作后，先选择已有的设备号，再设置硬件的启动和结束时间，并可通过文本框接受并查看硬件的反馈信息。APP可以与服务器进行基于TCP/IP协议的通信，也可以满足用户随时随地控制并监控设备的需求。APP软件安装在手机中，不仅可以远程发送操控命令，还可以显示智能化炼苗控制系统的各类信号变化。APP软件发出的命令通过服务器送入STM32f103ZET6单片机，STM32f103ZET6单片机再根据此命令将其解释为相应的控制信号，并直接控制相应设备，用户只需要对APP进行操作便可实现远程时序控制。

3 结束语

在农业4.0阶段，人们充分运用物联网这一新兴信息技术完成传统农业由机械化、自动化向无人化、智能化的转变，实现农业行业的无人化作业、精确化管理和智能化控制。一方面，农业智能化建设的实现，将促使我国在农业方面处于世界顶尖行列；另一方面，时序控制器的人工控制早已普遍，却与当今的互联网时代不符。互联网创新发展与新工业革命正处于历史交汇期，本文所提出的这一时序控制系统正符合当下的时代发展需求。传统的时序控制器大多采用本地控制，也有的利用PC端软件来实现时序控制。虽然远程控制已经实现，但做到随时随地的远程控制却并未普及。本文提出的时序控制器填补了这一空缺，并在低成本的情况下采用APP远程控制，再辅以传统的本地控制和新兴的PC端软件控制，3种不同方式的交叉控制，实现了对电源的状态监控。同时，将此时序控制器应用于智能化组织培养炼苗控制系统或者其他中小规模的工业农业生产，为政府监管部门提供了一种实时、便捷的监管手段。