區(qū)家秀 蔣思中 王桂文

摘 要：為了提高蚯蚓小型實驗室的養(yǎng)殖效率，以便提供蚯蚓加工研究的小試原料，本文設(shè)計開發(fā)了一套智能監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用Web Service、組態(tài)軟件、西門子PLC、觸摸屏等技術(shù)，通過Web端實時遠程監(jiān)視蚯蚓養(yǎng)殖的溫度、濕度、pH值、光度等關(guān)鍵的工藝技術(shù)參數(shù)，使得管理員能及時獲取養(yǎng)殖過程的工藝參數(shù)，從而優(yōu)化蚯蚓的生長繁殖。

關(guān)鍵詞：智能監(jiān)測系統(tǒng);蚯蚓;養(yǎng)殖;參數(shù);探索

中圖分類號：S-3 ? ? ? 文獻標識碼：A

DOI：10.19754/j.nyyjs.20201030007

蚯蚓是常見的陸生環(huán)節(jié)動物，含有大量的蛋白質(zhì)、抗菌肽、生物酶等營養(yǎng)物質(zhì)，既可以加工為葉面肥;也可以做成動物飼料，未來還可以加工為人類使用的食品、藥品與化妝品等產(chǎn)品[1]。蚯蚓的生長繁殖有六喜六怕的特點，六喜是喜陰暗、喜潮濕、喜安靜、喜溫暖、喜甜酸、喜同代同居;六怕是怕光、怕震動、怕水浸泡、怕悶氣、怕農(nóng)藥、怕酸堿。以“大平2號”蚯蚓品種為例，除了滿足六喜六怕的條件，還需要防干燥、缺氧的高溫環(huán)境[2]。

傳統(tǒng)的蚯蚓養(yǎng)殖采用人工控制工藝條件，精準度低且成本高。物聯(lián)網(wǎng)可以改變我們的工藝參數(shù)控制。早在1999年，美國麻省理工學院就提出網(wǎng)絡(luò)無線射頻識別（RFID）系統(tǒng)，物聯(lián)網(wǎng)的概念便由此演變而來，其旨在把物品與互聯(lián)網(wǎng)連接起來，實現(xiàn)智能化管理與控制[3]。

目前，國內(nèi)外針對溫室環(huán)境智能監(jiān)控系統(tǒng)的研究較多，但是針對蚯蚓養(yǎng)殖實驗室的智能監(jiān)控系統(tǒng)鮮有報道。宋曉萌設(shè)計了一個草莓溫室大棚智能監(jiān)控系統(tǒng)[4]，將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和模糊PID控制引入到溫室大棚監(jiān)控系統(tǒng)中。余文煥研發(fā)了一套基干ARM11和嵌入式Web的溫室遠程監(jiān)控系統(tǒng)[5]，以ARM11開發(fā)板和上位機Web瀏覽器為控制中心。胡云陽、張智斌、王海瑞等人，完成了基于Web的遠程農(nóng)業(yè)溫室監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計[6]。馬増煒、馬錦儒等人設(shè)計了集成WIFI和ARM芯片的的智能溫室監(jiān)控系統(tǒng)，上位機軟件采用VB語言編寫程序[7]，是典型的C/S結(jié)構(gòu)。鄭強、彭琳等人設(shè)計了基于嵌入式Web服務(wù)器的遠程溫室監(jiān)控系統(tǒng)[8]，使用Linux內(nèi)核，結(jié)合CGI技術(shù)實現(xiàn)將采集數(shù)據(jù)反饋到Web頁面。

本文通過利用Web Service、組態(tài)軟件、西門子PLC等技術(shù)，研發(fā)了基于Web和PLC的蚯蚓養(yǎng)殖實驗室智能監(jiān)測系統(tǒng)。管理人員通過Web端就能遠程監(jiān)控蚯蚓養(yǎng)殖實驗室的溫度、濕度、土壤酸堿度、通氣性、光度等參數(shù)，能使蚯蚓在適宜條件下生長繁殖，大幅度提高蚯蚓的產(chǎn)量和產(chǎn)值。

1 蚯蚓養(yǎng)殖的主要工藝參數(shù)

蚯蚓養(yǎng)殖的主要工藝參數(shù)有溫濕度、pH值、土壤溶氧量、光照度、噪聲等，這些參數(shù)對蚯蚓的生長繁殖有著不同程度的影響，在適宜參數(shù)的環(huán)境條件下養(yǎng)殖的蚯蚓生長快，繁殖倍數(shù)高。

1.1 溫濕度

蚯蚓喜歡溫暖、潮濕的環(huán)境，適合其生長繁殖的溫度和濕度范圍分別是20～40℃、30%～60%。溫度和濕度過低或過高會使蚯蚓的生長受到抑制，甚至死亡。傳統(tǒng)的檢測方式是通過溫度計測量基料溫度，以手握基料擠出水滴來判斷濕度的大小;而智能監(jiān)測系統(tǒng)，溫濕度自動顯示在手機APP或電腦屏幕上。

1.2 pH值

蚯蚓對環(huán)境酸堿度的忍耐范圍是在pH6～pH8之間，傳統(tǒng)的檢測采用pH試紙或pH計，既耗時也不準確;而用傳感器則簡單快捷。

1.3 土壤溶氧量

蚯蚓的生長繁殖需要良好的通氣環(huán)境。當通氣不良時，蚯蚓壟會形成厭氧并產(chǎn)生氨、二氧化碳、硫化氫等毒氣，導(dǎo)致蚯蚓中毒死亡，因此檢測土壤溶氧量就非常重要，把傳感器插入蚯蚓壟內(nèi)進行實時監(jiān)測，就能在第一時間獲取溶氧量參數(shù)。

1.4 光照度

蚯蚓常年生活在地下，視覺已經(jīng)退化，暴露在地表上，不適應(yīng)強光，所以它們喜歡白天鉆到地下活動，晚上再出來覓食。通過安裝光照度傳感器，獲取光照度數(shù)值。

1.5 噪聲

蚯蚓喜歡安靜的環(huán)境，要求噪聲低。如果噪聲過大，蚯蚓會出現(xiàn)不安，甚至逃逸，不利于蚯蚓生長。為了解蚯蚓養(yǎng)殖實驗室內(nèi)的噪聲值，安裝噪聲傳感檢測器觀察蚯蚓的生長狀況。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

蚯蚓養(yǎng)殖實驗室智能監(jiān)測系統(tǒng)包括溫濕度傳感器、土壤酸堿度傳感器、土壤含氧量傳感器、光照度傳感器、環(huán)境噪聲傳感器、西門子S7-1200PLC、西門子KTP700觸摸屏、冷暖空調(diào)和加濕器等儀器。其中溫濕度傳感器分空氣溫濕度傳感器和土壤溫濕度傳感器。西門子S7-1200P模擬量采集系統(tǒng)是核心部位。

2.2 整體系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

蚯蚓養(yǎng)殖監(jiān)測系統(tǒng)中，全部采用傳感器采集數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)回傳，整體系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)包括：空氣開關(guān);220V交流接觸器;西門子RS485通訊模塊;西門S7-1200PLC;西門子模擬量輸入模塊;物聯(lián)網(wǎng)關(guān)模塊;直流電源模塊;接線端子排;光照傳感器;土壤含氧量傳感器;土壤酸堿傳感器;空氣溫濕度傳感器;土壤溫濕度傳感器;噪聲監(jiān)測傳感器，共14個部件。

2.3 軟件設(shè)計

2.3.1 I/O分配

西門子1200PLC的主要作用是與模擬量模塊進行數(shù)據(jù)讀取轉(zhuǎn)換操作，以及與觸摸屏進行數(shù)據(jù)交換，I/O地址分配為：輸入元件和輸出元件及其PLC輸入點。輸入元件為空氣溫濕度傳感器（溫度）、空氣溫濕度傳感器（濕度）、土壤溫濕度傳感器（溫度）、土壤溫濕度傳感器（濕度）、pH酸堿度傳感器、土壤含氧量傳感器和噪聲傳感器，它們的PLC輸入點分別為IW46、IW48、IW50、IW52、IW54、IW56、IW58;輸出元件為光照傳感器，其PLC輸入點為IW60。

2.3.2 PLC程序設(shè)計

主要采用PLC四則運算功能指令進行程序設(shè)計，編程時有兩個注意事項：

PLC在執(zhí)行除法時會舍棄掉余數(shù)保留商，為保證精度設(shè)計在編寫梯形圖時先乘后除。

IW46中的數(shù)據(jù)類型為實數(shù)（Real），該值有小數(shù)位所以必須先用CONV指令將數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換為Real。

3 總結(jié)

本研究針對人工檢測養(yǎng)殖參數(shù)，不僅成本高，而且效果不理想的問題，設(shè)計了一套蚯蚓養(yǎng)殖實驗室智能監(jiān)測系統(tǒng)。以西門子S7-1200PLC為核心元件，將傳感器所采集來的各項環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)，通過Web端和觸摸屏實現(xiàn)實時監(jiān)控。安裝了智能檢測系統(tǒng)后，已經(jīng)在實驗室養(yǎng)殖大平二號蚯蚓5批，滿足蚯蚓葉面肥研制所需的蚯蚓，實現(xiàn)實驗材料的自給自足。監(jiān)測實驗室蚯蚓的生長周期為60d，比野外蚯蚓的生長周期少30d左右，每框（60.5cm×42cm×10.5cm）的蚯蚓產(chǎn)量為1kg左右，而且蚯蚓體型整齊、個體大，有的個體體重達到0.5g左右。采用西門子S7-1200PLC為核心元件，故障發(fā)生少、方便檢修與維護，容易擴展功能，能根據(jù)工藝條件變化快速調(diào)整檢測方案。通過小型蚯蚓監(jiān)測實驗室的實踐證明，此檢測系統(tǒng)可以減少人工成本，提高蚯蚓養(yǎng)殖成活率，減少生長周期，生長速度快，這為以后規(guī)?；⒆詣踊?、機械化養(yǎng)殖提供了科學依據(jù)。

參考文獻

[1] 廖威，唐思，鐘梅清，王大銳，廖國乾，韋紅霞.蚯蚓規(guī)?；咝юB(yǎng)殖關(guān)鍵技術(shù)[J].南方農(nóng)業(yè)，2017，11（12）：88-89.

[2]廖威，區(qū)家秀，鐘梅清，黃庶識.蚯蚓生態(tài)養(yǎng)殖及其飼料加工中存在的問題與對策[J].南方農(nóng)業(yè)，2018，12（32）：160-161.

[3]楊秀生.關(guān)于中國農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣及溫室產(chǎn)業(yè)發(fā)展的思考[J].科學對社會的影響，1998（04）：2-8.

[4]宋曉萌.草莓溫室大棚智能監(jiān)控系統(tǒng)的研發(fā)[D].山東農(nóng)業(yè)大學，2018.

[5]余文煥.基干ARM11和嵌入式Web的溫室遠程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計[D].太原理工大學，2018.

[6]胡云陽，張智斌，王海瑞.基于Web的遠程農(nóng)業(yè)溫室監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計[J].安徽農(nóng)業(yè)科學，2016，44（05）：328-330.

[7]馬增煒，馬錦儒，李亞敏.基于WIFI的智能溫室監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計[J].農(nóng)機化研究，2011，33（02）：154-157，162.

[8]鄭強，彭琳，鄒秋霞，郜魯濤.基于嵌入式Web服務(wù)器的遠程溫室監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計[J].農(nóng)機化研究，2013，35（11）：84-87.

（責任編輯 李媛媛）