基于虛實結(jié)合的植物工廠仿真實訓系統(tǒng)開發(fā)與探索

高菊玲，徐榮麗

（江蘇農(nóng)林職業(yè)技術(shù)學院機電工程學院，江蘇句容 212400）

0 引言

植物工廠是現(xiàn)代設施農(nóng)業(yè)領域的一個研究熱點，是一種高效、全封閉、節(jié)能型、智能化、立體多層的系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)對作物生長的溫度、濕度、光照強度、CO2濃度、營養(yǎng)液濃度等環(huán)境條件進行控制，作物的生長過程全程可控[1，2]。同時植物工廠能夠?qū)崿F(xiàn)周年不間斷生產(chǎn)，種植出來的蔬菜綠色、環(huán)保，智能化植物工廠代表未來農(nóng)業(yè)的發(fā)展方向。植物工廠作為一個典型的機電一體化系統(tǒng)，在機電一體化技術(shù)專業(yè)開展植物工廠實訓很有必要，但大型、中型的植物工廠無法直接搬到實驗室進行教學。

目前高職院校的實驗實訓教學主要分為兩種：一是利用學校的場地來建設實驗實訓室，通過一定的臺套數(shù)來滿足學生實驗實訓需要，可通過購買方式實現(xiàn)，但成本比較高；二是利用虛擬仿真軟件來開展相應課程的實驗實訓，但虛擬仿真與實際設備存在一定的差別，仿真成功，實物調(diào)試不一定能成功[3-6]。因此，綜合上述兩種方案的優(yōu)缺點，開發(fā)一種基于虛實結(jié)合的植物工廠仿真實訓系統(tǒng)，可以豐富教學內(nèi)容，彌補設備不足，突破時空限制，提高實驗實訓的成效。

1 植物工廠仿真實訓系統(tǒng)總體設計

植物工廠仿真實訓系統(tǒng)主要應用于機電一體化技術(shù)、電氣自動化技術(shù)等專業(yè)課程的實踐教學，基于OBE成果導向的教學理念，以學生最終能搭建出一個可以使用的植物工廠為目標，聚焦于學生理論聯(lián)系實際能力、實踐操作能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，采用虛實結(jié)合的方式進行系統(tǒng)設計，如圖1所示。將虛擬仿真和技能實操結(jié)合，一方面以虛補實，通過仿真實操減少在實物上的盲目操作和失誤；另一方面虛往實歸，通過虛擬仿真后再進行植物工廠控制系統(tǒng)實物制作，提升學生的實踐動手能力和創(chuàng)新能力；最后虛能控實，由于實物不能做到每個學生一套，可以通過虛擬軟件來控制實際植物工廠的補光燈、風扇等，實際植物工廠中的傳感器數(shù)據(jù)可以在虛擬軟件中顯示，方便隨時查看，虛實結(jié)合的方式能夠打破時空限制，學生可以隨時學習。

圖1 植物工廠仿真實訓系統(tǒng)總體設計圖

2 植物工廠仿真實訓系統(tǒng)實驗設計

植物工廠仿真實訓系統(tǒng)主要涉及PLC與電氣控制、人機界面、電機拖動等相關技術(shù)，其中PLC是該系統(tǒng)的重要組成部分。在實際生產(chǎn)應用中，植物工廠系統(tǒng)設計前需要了解植物工廠的整體框架搭建、控制系統(tǒng)所需的元器件組成、營養(yǎng)液的配比等，通過實驗設計，分為5個教學場景，主要達到以下目的：①熟悉植物工廠主要構(gòu)造，掌握其基本原理；②學會搭建植物工廠相關系統(tǒng)，能進行電氣接線與調(diào)試；③掌握植物工廠電氣控制系統(tǒng)中PLC的原理、程序編寫、模擬仿真等技能；④掌握營養(yǎng)液自動配比系統(tǒng)的工作原理；⑤了解各系統(tǒng)之間的關系，最終實現(xiàn)整機聯(lián)調(diào)及運行。

2.1 走近“植物工廠”

走近“植物工廠”教學場景，給學生展示植物工廠的系統(tǒng)組成。包括管路系統(tǒng)、環(huán)境參數(shù)采集（溫度、濕度、光照強度、CO2濃度等）與控制系統(tǒng)、營養(yǎng)液自動配比系統(tǒng)、LED智能光照系統(tǒng)等。

2.2 搭建“植物工廠”

基于OBE教學理念，以實際植物工廠的需求為引導，以在虛擬仿真軟件中搭建出一個真實的植物工廠為目標，以培養(yǎng)學生的虛擬仿真操作能力為手段，設計搭建“植物工廠”教學場景。植物工廠的虛擬搭建力求步驟簡單、操作簡便，使學生有身臨其境的感覺，激發(fā)學生的興趣。

從植物工廠內(nèi)管道、植物栽培槽的搭建開始，到傳感器（溫濕度傳感器、光照強度傳感器、CO2濃度傳感器）的布置，再到LED智能光照系統(tǒng)的搭建，逐步引導學生自主探究，遵循由易到難、循序漸進的方式，培養(yǎng)學生的工程思維和職業(yè)素養(yǎng)，提高學生的適崗能力。例如傳感器接線的實驗教學過程分四步進行：①講解不同傳感器的工作原理和接線方式；②利用仿真系統(tǒng)示范傳感器的電氣線路連接，邊示范邊提出問題，引導學生自主思考；③指導學生開展傳感器接線練習，引導學生找出錯誤并糾正；④學生獨立完成幾種傳感器的仿真連線，考核驗收。

2.3 認識“營養(yǎng)液自動配比系統(tǒng)”

植物工廠大多采用營養(yǎng)液栽培模式，營養(yǎng)液自動配比可以通過精準灌溉施肥機完成，實現(xiàn)水肥精準配比，做到節(jié)水、節(jié)肥、省工、增產(chǎn)。精準灌溉施肥機模型采用學院科研創(chuàng)新團隊自主研發(fā)的精準灌溉施肥機，通過虛擬仿真操作可以了解精準灌溉施肥機的主要構(gòu)造，以及其中主要器件如文丘里、過濾器、油令球閥等的工作原理；通過動畫展示，讓學生掌握精準灌溉施肥機的基本工作原理；能進行精準灌溉施肥機虛擬拆裝和排故，讓學生直觀感受精準灌溉施肥設備的本體結(jié)構(gòu)和排故步驟，使教學更加形象化、視覺化和互動化。

2.4 植物工廠自動控制系統(tǒng)

植物工廠能實現(xiàn)作物生長過程的全過程監(jiān)控，通過實時采集植物工廠內(nèi)的溫度、濕度、光照強度、CO2濃度、營養(yǎng)液的pH值、EC值等參數(shù)，與設定值相比較，自動對執(zhí)行機構(gòu)進行實時控制，滿足作物生長的需求。在進行這一教學場景設計時，充分考慮如何實現(xiàn)植物工廠自動控制系統(tǒng)，在虛擬軟件中設計5個部分：①電氣控制系統(tǒng)的安裝、接線與調(diào)試；②PLC的編程、模擬仿真調(diào)試；③人機界面；④植物工廠的自動控制原理（動畫）；⑤與精準灌溉施肥機進行聯(lián)調(diào)（管路的連接等），在虛擬軟件中能夠完成對虛擬植物工廠的自動控制，同時可以實現(xiàn)對實驗室實際植物工廠的控制。

2.5 一粒種子的“新”路歷程

植物工廠系統(tǒng)虛擬搭建完成后，通過讓學生選擇種植的品種（生菜等）、數(shù)量等，讓學生體驗從一顆種子的萌發(fā)到茁壯生長的真實過程，通過動畫的形式展示以下部分：①營養(yǎng)液配比的工作過程；②營養(yǎng)液輸送到植物工廠各層栽培槽；③蔬菜在植物工廠中的生長過程演示；④通過軟件來控制實物的溫度調(diào)節(jié)、光照調(diào)節(jié)等。

另外，在實驗室實際植物工廠中配套種植相應的品種，采用自動控制模式，讓學生同步感受生菜生長的全過程。通過虛實結(jié)合，在虛中做，在實中檢驗，不斷優(yōu)化植物工廠仿真實訓系統(tǒng)。

3 植物工廠仿真實訓系統(tǒng)實現(xiàn)

植物工廠仿真實訓系統(tǒng)模擬真實植物工廠，虛擬仿真出與真實植物工廠相似的生產(chǎn)環(huán)境，實現(xiàn)以虛補實、虛往實歸、虛能控實。

3.1 環(huán)境搭建

系統(tǒng)采用Unity3D引擎開發(fā)，三維模型采用PBR建模，真實還原實際使用場景，數(shù)據(jù)庫采用MySQL，支持PC端及WEB端多平臺操作?？梢酝ㄟ^鼠標、鍵盤操作在三維場景中移動和漫游。采用虛擬現(xiàn)實實時渲染方式，結(jié)合通訊協(xié)議和硬件網(wǎng)關實現(xiàn)虛實結(jié)合的控制效果。

3.2 系統(tǒng)功能設計

3.2.1 利用零件模型庫，搭建虛擬植物工廠。真實植物工廠所有零件模型逐個進行設計搭建，每個零件模型均單獨保存，并且能進行組裝、搭建、拆卸等。從管路系統(tǒng)開始，到環(huán)境參數(shù)采集與控制系統(tǒng)、營養(yǎng)液自動配比系統(tǒng)、LED智能光照系統(tǒng)等依次開始虛擬植物工廠的搭建，實現(xiàn)植物工廠真實呈現(xiàn)。

3.2.2 以虛補實，完成虛擬植物工廠系統(tǒng)調(diào)試。虛擬植物工廠搭建完成后，根據(jù)植物工廠的電路設計，進行虛擬仿真系統(tǒng)的電氣控制線路連接，并開展虛擬通電調(diào)試，虛擬仿真設備能夠按照控制要求正常工作，并且可以仿真出工作狀態(tài)。在真實植物工廠采集到的環(huán)境參數(shù)，均保存至本地數(shù)據(jù)庫，并編碼上傳至服務器端，采用虛實結(jié)合的方式，能夠在虛擬仿真軟件上顯示出來。

營養(yǎng)液自動配比可以通過對話框選擇混合罐中營養(yǎng)液的比例，根據(jù)真實數(shù)據(jù)，在虛擬仿真軟件上進行自動配肥動畫顯示，并能仿真出具體工作原理。

3.2.3 以虛控實，實現(xiàn)植物工廠全程可控。完成虛擬植物工廠系統(tǒng)調(diào)試后，可以通過虛擬軟件上的控制開關開啟真實植物工廠的補光燈、風扇等執(zhí)行設備，并能顯示補光燈、風扇等的開關狀態(tài)。植物工廠內(nèi)作物從栽培到成熟的整個流程，都是可視可控的。學生可以通過環(huán)境參數(shù)調(diào)節(jié)或硬件調(diào)節(jié)來實現(xiàn)不同狀態(tài)下的作物培育，并顯示出在此狀態(tài)下作物不同的生長狀態(tài)及模擬參數(shù)。

4 結(jié)語

植物工廠仿真實訓系統(tǒng)通過虛實結(jié)合的方式進行實驗方案的設計，聚焦于學生實踐操作能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。通過虛擬仿真出與真實植物工廠生產(chǎn)環(huán)境，有效激發(fā)了學生的學習興趣、學習主動性和積極性。虛擬仿真可以提供真實、安全的操作環(huán)境，學生可以反復熟悉設備的工作原理及操作，提高學習效率，實現(xiàn)以虛補實、虛往實歸、虛能控實。虛實互為補充，互相印證，為實驗實訓教學提供了新的方式方法。并根據(jù)學生的學習情況，不斷優(yōu)化實驗方案，不斷完善系統(tǒng)功能，改進教學方法，進一步培養(yǎng)學生的工程素養(yǎng)，提升學生的就業(yè)競爭力。