旋转式家用蔬菜花卉一体种植智能微型小温棚设计

唐梓豪，刘 亮，欧阳有伟，王福平

（北方民族大学 电气信息工程学院，宁夏回族自治区 银川 750021)

现代自控温室发展初期，受到技术条件的限制，仅能对温室内某一环节因子进行调节[1]。虽然随着科技的发展，物联网在智能大棚方面已有应用，但多集中于操控单一农作物的温室大棚，系统复杂，成本高昂[2]，多用于科学研究，很少用于农业生产[3]。另外，我国现有的温室大棚监控系统大多对使用者的专业知识要求较高[4]，很不适合拥有丰富传统农耕经验但缺乏现代化农业管理知识的农民使用。2021年，殷振新等[5]设计了一种MINI 温室，通过升降输送机构解决了老年人体力受限、搬运等工作不便亲自操作的问题，但是未涉及合理安排种植空间、多种植物智慧种植算法以及多设备云平台联网控制等问题。基于此，本文设计了一种由PLC、触摸屏、手机app、物联网云平台共同控制的旋转式家用蔬菜花卉一体种植智能微型小温棚，以实现家庭蔬菜、花卉的一体化智能种植。

1 旋转式家用微型小温棚概况

旋转式多功能微型小温棚由温棚外壳、可旋转种植架、温控系统、通风系统、喷淋系统及PLC 控制系统组成，图1 展示的是1 300 mm×1 000 mm×1 100 mm 规格的温棚，用户还可以根据家庭阳台面积定制适合的温棚规格。

图1 旋转式多功能温棚Fig.1 Rotary multifunctional warming shed

温棚是保障植物正常生长的区域，为了有效控制温室环境因素，防止外界环境对其产生的干扰，仅将前外壳侧板设计为可开启式的操作门，供用户栽培操作，操作门关闭时温棚成为一个封闭的种植空间。温控系统由粘贴在温棚背部的电伴热带、安装在两侧的风扇和顶部的喷水阀共同组成，温度低于设定值时，电伴热带工作，加热升温，防止低温对植物产生冻害；温度高于设定值时，喷水阀喷出水雾且风扇旋转通风实现温棚内降温操作。同时利用风扇的正、反2 种旋转方向也可以实现CO2浓度的有效调节，利用喷水阀喷水和喷雾2种工作方式可以实现空气和土壤的含水量调节。温棚中安装了多种传感器，使用WiFi无线网络将检测到的数据实时传输到云端服务器。控制系统CPU 使用西门子s7-200 Smart系列，外接配套17.78 cm 触摸屏和各种拓展模块，利用巨控远程模块实现无线通讯功能。旋转栽培架设置4 层，每层深度100 mm，分为3段，可以分别种植不同的蔬菜或花卉，例如菠菜、油菜等，其旋转式的结构和透明的外壳材料有效的提高了空间利用率、增加了植株的光照面积。

目前，市场上能购买到的家用种植设备仅仅是一个提供恒温恒湿环境的小型电温箱，无法满足家庭多种类植物种植的需求和弥补城市居民种植经验的不足。因此，根据调研与实际工况分析，家用温棚应满足以下需求：实时监测植物生长环境参数；具备手动/自动控制功能；可以种植多种植物。由系统需求及实际工况分析衍生出的旋转式家用蔬菜花卉一体种植智能微型小温棚的功能包括：自动旋转、自动浇水、温度控制、CO2浓度控制、远程操作、智慧种植算法等。

2 机械结构设计

2.1 外形结构设计

微型小温棚的设计高度为1.3 m，右侧面1.2 m 高处设置了控制箱，图1 中假人身高为1.76 m，因此，控制箱的设计高度既符合人体工程学设计方便操作又节省了室内空间。同时控制箱上设置了电源开关、指示灯、急停按钮和触摸屏。微型小温棚的两侧装有通风扇，背部敷设有宽度为12 mm 的电伴热带，顶部的3 个喷水阀可分别对植托盘内不同位置的植物浇水。

2.2 旋转结构设计

种植架由种植托盘、转盘、轴承、底座和电机组成。旋转时，应避免种植托盘与植株相干涉从而影响植株的生长空间，因此，需要考虑种植托盘的层间高度。以我国各地常见的家庭种植蔬菜为例，油麦菜的成熟高度约300 mm、小白菜的成熟高度约250 mm、韭菜的成熟高度约250 mm，君子兰的叶片长度在300～500 mm、兰花的直立高度为50～200 mm，因此，相邻种植托盘设计的层间高度为360 mm 可保证植株与种植托盘互不干涉，种植架定位见图2。

图2 种植架定位图Fig.2 Planting frame location map

3 控制系统设计

微型小温棚的控制由可编程逻辑控制器PLC（Programmable Logic Controller）实现，选用西门子S7-200 Smart系列的ST 20 CPU、SB CM01 通 讯 模 块、EM AE04 模 拟 量 模 块GRM530远程模块和KT700触摸屏组成总控单元。控制箱上仅设置了通电旋钮和急停按钮，对温棚的操作都需要使用触摸屏和手机app两种方式进行。

3.1 控制系统结构

控制系统中的被控对象有：以数字量形式直接接入CPU自带端子的手动按钮、自动按钮、急停按钮、喷水阀、电机接触器、风扇、伴热带以数字量形式直接接入CPU 自带端子，温度传感器、光照传感器以模拟量形式与EM AE04 模块连接，土壤墒情传感器通过SB CM01模块传递数据。

3.2 手动控制模式

在手动控制模式下直接点击触摸屏上的按钮进行对各个系统的点动控制。例如：用户点击通风启动按钮后，触摸屏通过以太网通讯将CPU 模块中定义的与通风启动相对应的中间变量置位，使风扇连接的输出触点Q0.1 闭合输出，风扇开始旋转。用户还可以在触摸屏界面中查看各个传感器的实时数据，自主判断植物生长环境的适宜程度。

3.3 自动控制模式

在自动控制模式下，控制系统会实时读取传感器中的数据，并通过无线通讯模块将实时数据传输并保存到云平台，与部署于云平台的智能种植算法相比对，当数据超出植物事宜的环境参数范围后，服务器立即向PLC 发出指令，通过控制包括温控系统在内的不同功能模块实现对温棚内环境参数的实时调节，为植物提供更加适宜的生长环境。用户只需要进行播种和采摘操作即可收获新鲜蔬菜。

3.4 远程控制模式

针对不能在家照料植株的人群设计出了远程控制模式，用户可使用手机app 进行手/自动控制模式选择。app 中设计了各个功能的操作界面和数据监测界面，方便用户操作各项功能并查看生长环境参数。

4 功能测试

4.1 机械功能测试

使用SolidWorks 软件进行模型干涉检查和有限元分析，其结果显示旋转架运动结构无相互干涉，可正常实现旋转功能，对其施加200 N竖直向下的力后未产生明显形变，根据分析结果制造出微型小温棚实物。

4.2 数据采集测试

温棚内实时数据的采集是分析和控制植株生长环境的关键关键步骤，随机抽取了各个传感器的数据，结果见表1。

表1 传感器数据Tab.1 Sensor data

4.3 数据传输测试

微型小温棚的控制算和数据库部署在物联网云平台上，使用巨控GRM530 模块实现控制箱与云平台的数据交互，因此，需要对云平台的数据传输功能进行测试，其服务器部署及数据监控界面见图4。

图4 数据传输测试Fig.4 Data transmission test

5 结论

通过市面上传统温棚与主流温棚监控系统对比，传统温棚无法做到种植环境的可检测与管理。本套系统设计采用wifi 无线传感网络，通过设计现场检测终端与远程云监控平台，实现了感知层、网络层到平台层和应用层，设计了一套完整的旋转式多功能智能家庭温棚监控系统。构建了旋转式家用蔬菜花卉一体种植智能微型小温棚的机械结构，旋转式的结构充分的利用了家庭阳台的垂直高度，有效提高了光照利用率，可支持多种蔬菜和花卉同时种植。设计了基于PLC的温棚控制系统，能实时读取温棚内各个传感器的数据并完成旋转、浇水、通风、加热和加湿等动作的控制，以人机交互的形式增加了用户在种植过程中的参与程度。开发了触摸屏操作界面、手机应用程序，分别通过实体按钮、触摸屏和手机app 实现了手动、自动、远程3 种控制方式，适合不同人群的多种应用场景，同时，内置的智慧种植算法也解决了城市居民缺少种植经验的问题。