基于Arduino的智能生物培养系统设计＊

薛正宽，吴 晗，时宽乐

（山东石油化工学院，山东 东营 257061）

中国是一个农业大国，农业经济占有重要地位[1]。而中国人口多，耕地少，气候和土壤条件差异较大，传统生物培养实验分散，周期长，成本高。利用生物培育箱来进行物种的培育实验，不仅可以通过多个实验箱建立多个实验环境同时进行物种的培育实验并进行新物种的横向对比，以大幅度缩减实验周期，而且可以通过实现实验箱的智能化，减少实验人员的精力消耗并提升实验效率[2]。但市面上的生物培育箱智能程度低，可控因素少，而智能程度高的培育箱价格过于高昂。近年来，互联网、大数据、人工智能等技术飞速发展，并被运用到农业生产中，数字农业和智慧农业得以迅猛发展[3-4]。本文旨在将多传感器、发生器、控制器嵌入生物培育箱内，通过Arduino及物联网平台设计一种能够实现细致化、智能化管理的智能生物培养系统。在提高智能化的同时，造价低廉，适用范围广泛，从而使生物的培优和育种实验周期短、投入小、效率高，促进中国农业智能化生产的进程。

1 智能生物培养系统简介

在农业生产中，影响农作物生长的环境因素主要有温度、光照强度、气体浓度、土壤湿度等等，想要通过人工培养的方式对上述条件进行精确控制是非常困难的。本文提出的基于Arduino的智能生物培养系统则具有以下功能：①箱体内温度的监测及调控；②箱体内CO2浓度的监测及调控；③箱体内光照强度的检测及调控；④箱体内土壤湿度的检测及调控；⑤将收集的数据传输到阿里云平台显示；⑥提供手机APP，用于监视和调控环境数据。

1.1 Arduino软件

Arduino是一款使用简单，集硬件、软件环境于一身的开源开发平台，旨在为智能硬件爱好者、交互艺术设计师和电子软件工程师提供简单易用的开发体验。Arduino采用知识共享（CC）许可证，任何人都可以制作电路板的副本，并且拥有完善的软件开发资源。

1.2 Arduino主控板

本文设计的智能生物培养系统采用Arduino UNO开发板，采用atmega328p微处理器，工作电压5 V，输入电压7～12 V，数字输入/输出引脚14个（PWM输出6个），PWM数字I/O引脚6个，模拟输入引脚6个，闪存32 KB。

1.3 传感器的选择

1.3.1 BME280传感器模块

BME280是一种环境传感器，可以感应环境温度、湿度和大气压力。它支持I2C和SPI接口，兼容3.3 V/5 V电平，完美适配Arduino UNO开发板；尺寸小，功耗低、精度高且稳定性好，在本系统中主要用于监测箱体内的温度和湿度。

1.3.2 CCS811传感器模块

CCS811是一种数字气体传感器，集成了CCS811传感器和8位MCU，用来检测CO2和各种挥发性有机化合物气体。其尺寸小，功耗低，灵敏度高，采用智能算法计算TVOC/eCO2数值，输出I2C信号，直接与主系统通信，适用于环境监测、物联网等应用场景。在本系统中主要用于监测箱体内的CO2浓度。

1.3.3 土壤湿度传感器模块

土壤水分传感器用于判断土壤的含水量，从而确定土壤的含水量。当土壤湿度传感器插入土壤时，由于土壤含水量不同，土壤的阻力值也不同。三极管的底座提供大小不同的传导电流。三极管集电极到发射极的传导电流由基极控制，并在发射极的下拉电阻后转换为电压。在本系统中主要用于监测箱体内的土壤湿度。

1.3.4 光敏电阻模块

光敏电阻器用于检测光照强度。其工作原理是基于内部光电效应，光线越强，电阻值越低。随着光强的增加，电阻值迅速减小，亮电阻值可小于1 kΩ。光刻胶对光非常敏感。当没有光线时，它显示高电阻状态，暗电阻通常高达1.5 MΩ。在本系统中主要用于监测箱体内的光照强度。

1.3.5 继电器模块

本系统应用的执行器主要由水泵、排气风扇、加热板组成。土壤湿度低时水泵将进行工作，CO2浓度高时排气风扇将会进行工作；箱体内温度较低时，加热板将进行工作。

1.3.6 Wi-Fi模块——EMW3080模块

本系统采用EMW3080嵌入式Wi-Fi模块，最高主频133 MHz，内置256 KB SRAM，2MFL ASH，3.3 V单电源供电。箱体内的数据将通过Wi-Fi模块把数据传输到阿里云物联网平台，数据将显示在Web制作的网页当中。用户也可使用Wi-Fi模块连接手机APP，通过手机APP对箱体内的环境数据进行监控。各模块控制图如图1所示。

图1 各模块控制图

2 系统架构解析

生物培育箱系统可以实时监控箱体内的环境因素，系统框架如图2所示。本系统由感知层、网络层、平台层和应用层组成。感知层利用传感器对箱内的各种环境因素进行识别和收集；网络层利用Arduino UNO进行传感器数据的采集、处理及动作逻辑的执行，由Wi-Fi模块通过AT指令将数据通过公网传输到云平台端；平台层负责数据的鉴权、接入和转发，利用阿里云的物联网平台将数据可视化及实现各组件之间的联动；应用层负责结合具体的应用需求，在云平台上对数据进行计算、处理、挖掘，实现智能化。

图2 系统框架图

2.1 系统硬件设计

在本系统中，利用Arduino UNO作为感知节点的核心部分，确保数据的准确及可靠，通过Arduino采集不同接口形式的传感数据，收集培育箱中的影响生物培育的各环境因素，并将采集到的数据上传到主控板上，由Arduino模块进行采集。数据采集后，由Wi-Fi模块通过APP进行传输的，通过公网传送到云平台端，实现数据的转发、处理等。云端将控制信号发回给主控板，Arduino模块根据控制信号对执行器进行控制，以达到控制箱体内环境的目的。

2.2 系统程序设计

该系统的编程是在Arduino IDE编程软件上进行的。系统的编程分为4个部分：数据采集、逻辑控制、数据云和命令响应。数据采集部分要将各种传感器给出的参数转化为直接可用的数字量；逻辑控制部分根据采集到的数据得到执行器的动作；数据云部分将传感器的状态及执行器的状态上传到物联网平台，通过物联网对数据进行分析，若采集到的环境数据未达到设定的阈值，则通过物联网平台向控制板下发控制指令，通过指令响应这部分代码对控制指令进行解析并响应。总体上本系统的程序应具有以下功能：①土壤湿度及与水泵的联动。本编程部分是测量培育箱内的土壤湿度，并根据湿度进行与水泵的联动。②温度传感器与制冷器和加热片的联动。本编程部分是测量培育箱内的温度，并根据温度进行与制冷器和加热片的联动。③光照传感器与LED灯的联动。本编程部分是测量培育箱内的光照强度，并根据光照强度进行与LED灯的联动。④二氧化碳浓度传感器与风扇的联动。本编程部分是测量培育箱内的CO2浓度，并根据CO2浓度进行与风扇的联动。⑤数据的上传。本编程部分是通过AT指令将实验箱的数据上传到阿里云物联网平台。⑥对控制信息的响应。本编程部分对阿里云物联网平台下发的控制信息进行分析与响应。⑦运行状态响应。本编程部分通过蜂鸣器展现程序当前运行的状态，响1声为连接电源，连续响2声为连上Wi-Fi，连续响3声为连接到阿里云物联网平台。

系统总体流程图如图3所示。

图3 系统总体流程图

3 系统的测试及运行结果

3.1 系统程序测试

在Arduino IDE编程软件上编写完成后，连接电源，根据蜂鸣器确定设备已经连接到阿里云物联网平台，打开物联网平台进行测试。

温度模块测试。BME280环境检测传感器接数字端口A0，当温度高于35℃时，接口2的继电器开启，空调开始运行，来达到降低实验箱温度的目的；当温度低于35℃时，接口2的继电器关闭，空调停止运行；当温度低于20℃时，接口10的继电器开启，加热片开始运行，来达到提高温度的目的。

湿度模块测试。土壤湿度传感器接数字端口A1，当湿度传感器数值高于900时，接口4的继电器开启，水泵开始运行，来达到增加实验箱土壤湿度的目的；当湿度传感器数值低于400时，接口4的继电器关闭，水泵停止运行。

光照模块测试。光敏传感器接数字端口A2，当光敏传感器数值高于400时，接口7、8、9的继电器开启，LED灯开始运行，来达到提高实验箱光照强度的目的；当光敏传感器数值低于200时，接口4的继电器关闭，LED灯停止运行。

二氧化碳模块测试。CCS811二氧化碳传感器接数字端口A0，当CO2浓度数值低于800时，接口11的继电器开启，换气风扇开始运行，达到降低CO2浓度的目的；当CO2浓度数值高于900时，关闭风扇。

Web端及APP端对箱体内数据信息的显示。使用打火机靠近BME280环境检测传感器，APP端温度栏显示的数值提示，向土壤湿度传感器浇水，APP端湿度栏显示的数值降低，向CCS811二氧化碳传感器呼出一口气，APP端CO2浓度栏显示的数值降低，打开手电筒指向光敏传感器，APP端光照强度栏显示的数值降低。

3.2 系统测试总结

本文研究基于Arduino的智能生物培育箱，测试过程中通过阿里云物联网平台对采集到的数据进行实时监控。测试结果表明，此系统可以对培育箱的环境数据进行准确的接收、显示及处理。Arduino主控板能够正常接收并执行云平台下发的指令，通过设定数据采集频率，云平台也会接收到培育箱内最新的环境因素，用户可以在Web及APP上随时查看培育箱内最新的环境因素，并对环境进行控制。

4 总结

本文通过Arduino及物联网技术，设计了一种智能生物培育系统，利用生物培育所需的环境模型，实现对箱内环境的实时采集、显示和智能控制，从而保证生物培育实验的高效进行，并确定生物最佳培育环境运用于实践中，在提高培养效率的同时降低成本及工作强度。本系统具有数据稳定性强、造价成本低、通讯距离远等特点，提高生物培优育种效率的同时降低成本及工作强度，对于智慧农业有一定的推动作用。