基于智能监测系统监控蚯蚓养殖技术参数的初步探索

区家秀 蒋思中 王桂文

摘 要：为了提高蚯蚓小型实验室的养殖效率，以便提供蚯蚓加工研究的小试原料，本文设计开发了一套智能监测系统，该系统利用Web Service、组态软件、西门子PLC、触摸屏等技术，通过Web端实时远程监视蚯蚓养殖的温度、湿度、pH值、光度等关键的工艺技术参数，使得管理员能及时获取养殖过程的工艺参数，从而优化蚯蚓的生长繁殖。

关键词：智能监测系统;蚯蚓;养殖;参数;探索

中图分类号：S-3       文献标识码：A

DOI：10.19754/j.nyyjs.20201030007

蚯蚓是常见的陆生环节动物，含有大量的蛋白质、抗菌肽、生物酶等营养物质，既可以加工为叶面肥;也可以做成动物饲料，未来还可以加工为人类使用的食品、药品与化妆品等产品[1]。蚯蚓的生长繁殖有六喜六怕的特点，六喜是喜阴暗、喜潮湿、喜安静、喜温暖、喜甜酸、喜同代同居;六怕是怕光、怕震动、怕水浸泡、怕闷气、怕农药、怕酸碱。以“大平2号”蚯蚓品种为例，除了满足六喜六怕的条件，还需要防干燥、缺氧的高温环境[2]。

传统的蚯蚓养殖采用人工控制工艺条件，精准度低且成本高。物联网可以改变我们的工艺参数控制。早在1999年，美国麻省理工学院就提出网络无线射频识别（RFID）系统，物联网的概念便由此演变而来，其旨在把物品与互联网连接起来，实现智能化管理与控制[3]。

目前，国内外针对温室环境智能监控系统的研究较多，但是针对蚯蚓养殖实验室的智能监控系统鲜有报道。宋晓萌设计了一个草莓温室大棚智能监控系统[4]，将物联网技术和模糊PID控制引入到温室大棚监控系统中。余文焕研发了一套基干ARM11和嵌入式Web的温室远程监控系统[5]，以ARM11开发板和上位机Web浏览器为控制中心。胡云阳、张智斌、王海瑞等人，完成了基于Web的远程农业温室监控系统设计[6]。马増炜、马锦儒等人设计了集成WIFI和ARM芯片的的智能温室监控系统，上位机软件采用VB语言编写程序[7]，是典型的C/S结构。郑强、彭琳等人设计了基于嵌入式Web服务器的远程温室监控系统[8]，使用Linux内核，结合CGI技术实现将采集数据反馈到Web页面。

本文通过利用Web Service、组态软件、西门子PLC等技术，研发了基于Web和PLC的蚯蚓养殖实验室智能监测系统。管理人员通过Web端就能远程监控蚯蚓养殖实验室的温度、湿度、土壤酸碱度、通气性、光度等参数，能使蚯蚓在适宜条件下生长繁殖，大幅度提高蚯蚓的产量和产值。

1 蚯蚓养殖的主要工艺参数

蚯蚓养殖的主要工艺参数有温湿度、pH值、土壤溶氧量、光照度、噪声等，这些参数对蚯蚓的生长繁殖有着不同程度的影响，在适宜参数的环境条件下养殖的蚯蚓生长快，繁殖倍数高。

1.1 温湿度

蚯蚓喜欢温暖、潮湿的环境，适合其生长繁殖的温度和湿度范围分别是20～40℃、30%～60%。温度和湿度过低或过高会使蚯蚓的生长受到抑制，甚至死亡。传统的检测方式是通过温度计测量基料温度，以手握基料挤出水滴来判断湿度的大小;而智能监测系统，温湿度自动显示在手机APP或电脑屏幕上。

1.2 pH值

蚯蚓对环境酸碱度的忍耐范围是在pH6～pH8之间，传统的检测采用pH试纸或pH计，既耗时也不准确;而用传感器则简单快捷。

1.3 土壤溶氧量

蚯蚓的生长繁殖需要良好的通气环境。当通气不良时，蚯蚓垄会形成厌氧并产生氨、二氧化碳、硫化氢等毒气，导致蚯蚓中毒死亡，因此检测土壤溶氧量就非常重要，把传感器插入蚯蚓垄内进行实时监测，就能在第一时间获取溶氧量参数。

1.4 光照度

蚯蚓常年生活在地下，视觉已经退化，暴露在地表上，不适应强光，所以它们喜欢白天钻到地下活动，晚上再出来觅食。通过安装光照度传感器，获取光照度数值。

1.5 噪声

蚯蚓喜欢安静的环境，要求噪声低。如果噪声过大，蚯蚓会出现不安，甚至逃逸，不利于蚯蚓生长。为了解蚯蚓养殖实验室内的噪声值，安装噪声传感检测器观察蚯蚓的生长状况。

2 系统设计

2.1 系统总体架构

蚯蚓养殖实验室智能监测系统包括温湿度传感器、土壤酸碱度传感器、土壤含氧量传感器、光照度传感器、环境噪声传感器、西门子S7-1200PLC、西门子KTP700触摸屏、冷暖空调和加湿器等仪器。其中温湿度传感器分空气温湿度传感器和土壤温湿度传感器。西门子S7-1200P模拟量采集系统是核心部位。

2.2 整体系统硬件结构图

蚯蚓养殖监测系统中，全部采用传感器采集数据并将数据回传，整体系统硬件结构包括：空气开关;220V交流接触器;西门子RS485通讯模块;西门S7-1200PLC;西门子模拟量输入模块;物联网关模块;直流电源模块;接线端子排;光照传感器;土壤含氧量传感器;土壤酸碱传感器;空气温湿度传感器;土壤温湿度传感器;噪声监测传感器，共14个部件。

2.3 软件设计

2.3.1 I/O分配

西门子1200PLC的主要作用是与模拟量模块进行数据读取转换操作，以及与触摸屏进行数据交换，I/O地址分配为：输入元件和输出元件及其PLC输入点。输入元件为空气温湿度传感器（温度）、空气温湿度传感器（湿度）、土壤温湿度传感器（温度）、土壤温湿度传感器（湿度）、pH酸碱度传感器、土壤含氧量传感器和噪声传感器，它们的PLC输入点分别为IW46、IW48、IW50、IW52、IW54、IW56、IW58;输出元件为光照传感器，其PLC输入点为IW60。

2.3.2 PLC程序设计

主要采用PLC四則运算功能指令进行程序设计，编程时有两个注意事项：

PLC在执行除法时会舍弃掉余数保留商，为保证精度设计在编写梯形图时先乘后除。

IW46中的数据类型为实数（Real），该值有小数位所以必须先用CONV指令将数据类型转换为Real。

3 总结

本研究针对人工检测养殖参数，不仅成本高，而且效果不理想的问题，设计了一套蚯蚓养殖实验室智能监测系统。以西门子S7-1200PLC为核心元件，将传感器所采集来的各项环境监测数据，通过Web端和触摸屏实现实时监控。安装了智能检测系统后，已经在实验室养殖大平二号蚯蚓5批，满足蚯蚓叶面肥研制所需的蚯蚓，实现实验材料的自给自足。监测实验室蚯蚓的生长周期为60d，比野外蚯蚓的生长周期少30d左右，每框（60.5cm×42cm×10.5cm）的蚯蚓产量为1kg左右，而且蚯蚓体型整齐、个体大，有的个体体重达到0.5g左右。采用西门子S7-1200PLC为核心元件，故障发生少、方便检修与维护，容易扩展功能，能根据工艺条件变化快速调整检测方案。通过小型蚯蚓监测实验室的实践证明，此检测系统可以减少人工成本，提高蚯蚓养殖成活率，减少生长周期，生长速度快，这为以后规模化、自动化、机械化养殖提供了科学依据。

参考文献

[1] 廖威，唐思，钟梅清，王大锐，廖国乾，韦红霞.蚯蚓规模化高效养殖关键技术[J].南方农业，2017，11（12）：88-89.

[2]廖威，区家秀，钟梅清，黄庶识.蚯蚓生态养殖及其饲料加工中存在的问题与对策[J].南方农业，2018，12（32）：160-161.

[3]杨秀生.关于中国农业技术推广及温室产业发展的思考[J].科学对社会的影响，1998（04）：2-8.

[4]宋晓萌.草莓温室大棚智能监控系统的研发[D].山东农业大学，2018.

[5]余文焕.基干ARM11和嵌入式Web的温室远程监控系统设计[D].太原理工大学，2018.

[6]胡云阳，张智斌，王海瑞.基于Web的远程农业温室监控系统设计[J].安徽农业科学，2016，44（05）：328-330.

[7]马增炜，马锦儒，李亚敏.基于WIFI的智能温室监控系统设计[J].农机化研究，2011，33（02）：154-157，162.

[8]郑强，彭琳，邹秋霞，郜鲁涛.基于嵌入式Web服务器的远程温室监控系统设计[J].农机化研究，2013，35（11）：84-87.

（責任编辑 李媛媛）