高菊玲，徐荣丽

（江苏农林职业技术学院机电工程学院，江苏句容 212400）

0 引言

植物工厂是现代设施农业领域的一个研究热点，是一种高效、全封闭、节能型、智能化、立体多层的系统，能够实现对作物生长的温度、湿度、光照强度、CO2浓度、营养液浓度等环境条件进行控制，作物的生长过程全程可控[1，2]。同时植物工厂能够实现周年不间断生产，种植出来的蔬菜绿色、环保，智能化植物工厂代表未来农业的发展方向。植物工厂作为一个典型的机电一体化系统，在机电一体化技术专业开展植物工厂实训很有必要，但大型、中型的植物工厂无法直接搬到实验室进行教学。

目前高职院校的实验实训教学主要分为两种：一是利用学校的场地来建设实验实训室，通过一定的台套数来满足学生实验实训需要，可通过购买方式实现，但成本比较高；二是利用虚拟仿真软件来开展相应课程的实验实训，但虚拟仿真与实际设备存在一定的差别，仿真成功，实物调试不一定能成功[3-6]。因此，综合上述两种方案的优缺点，开发一种基于虚实结合的植物工厂仿真实训系统，可以丰富教学内容，弥补设备不足，突破时空限制，提高实验实训的成效。

1 植物工厂仿真实训系统总体设计

植物工厂仿真实训系统主要应用于机电一体化技术、电气自动化技术等专业课程的实践教学，基于OBE成果导向的教学理念，以学生最终能搭建出一个可以使用的植物工厂为目标，聚焦于学生理论联系实际能力、实践操作能力和创新能力的培养，采用虚实结合的方式进行系统设计，如图1所示。将虚拟仿真和技能实操结合，一方面以虚补实，通过仿真实操减少在实物上的盲目操作和失误；另一方面虚往实归，通过虚拟仿真后再进行植物工厂控制系统实物制作，提升学生的实践动手能力和创新能力；最后虚能控实，由于实物不能做到每个学生一套，可以通过虚拟软件来控制实际植物工厂的补光灯、风扇等，实际植物工厂中的传感器数据可以在虚拟软件中显示，方便随时查看，虚实结合的方式能够打破时空限制，学生可以随时学习。

图1 植物工厂仿真实训系统总体设计图

2 植物工厂仿真实训系统实验设计

植物工厂仿真实训系统主要涉及PLC与电气控制、人机界面、电机拖动等相关技术，其中PLC是该系统的重要组成部分。在实际生产应用中，植物工厂系统设计前需要了解植物工厂的整体框架搭建、控制系统所需的元器件组成、营养液的配比等，通过实验设计，分为5个教学场景，主要达到以下目的：①熟悉植物工厂主要构造，掌握其基本原理；②学会搭建植物工厂相关系统，能进行电气接线与调试；③掌握植物工厂电气控制系统中PLC的原理、程序编写、模拟仿真等技能；④掌握营养液自动配比系统的工作原理；⑤了解各系统之间的关系，最终实现整机联调及运行。

2.1 走近“植物工厂”

走近“植物工厂”教学场景，给学生展示植物工厂的系统组成。包括管路系统、环境参数采集（温度、湿度、光照强度、CO2浓度等）与控制系统、营养液自动配比系统、LED智能光照系统等。

2.2 搭建“植物工厂”

基于OBE教学理念，以实际植物工厂的需求为引导，以在虚拟仿真软件中搭建出一个真实的植物工厂为目标，以培养学生的虚拟仿真操作能力为手段，设计搭建“植物工厂”教学场景。植物工厂的虚拟搭建力求步骤简单、操作简便，使学生有身临其境的感觉，激发学生的兴趣。

从植物工厂内管道、植物栽培槽的搭建开始，到传感器（温湿度传感器、光照强度传感器、CO2浓度传感器）的布置，再到LED智能光照系统的搭建，逐步引导学生自主探究，遵循由易到难、循序渐进的方式，培养学生的工程思维和职业素养，提高学生的适岗能力。例如传感器接线的实验教学过程分四步进行：①讲解不同传感器的工作原理和接线方式；②利用仿真系统示范传感器的电气线路连接，边示范边提出问题，引导学生自主思考；③指导学生开展传感器接线练习，引导学生找出错误并纠正；④学生独立完成几种传感器的仿真连线，考核验收。

2.3 认识“营养液自动配比系统”

植物工厂大多采用营养液栽培模式，营养液自动配比可以通过精准灌溉施肥机完成，实现水肥精准配比，做到节水、节肥、省工、增产。精准灌溉施肥机模型采用学院科研创新团队自主研发的精准灌溉施肥机，通过虚拟仿真操作可以了解精准灌溉施肥机的主要构造，以及其中主要器件如文丘里、过滤器、油令球阀等的工作原理；通过动画展示，让学生掌握精准灌溉施肥机的基本工作原理；能进行精准灌溉施肥机虚拟拆装和排故，让学生直观感受精准灌溉施肥设备的本体结构和排故步骤，使教学更加形象化、视觉化和互动化。

2.4 植物工厂自动控制系统

植物工厂能实现作物生长过程的全过程监控，通过实时采集植物工厂内的温度、湿度、光照强度、CO2浓度、营养液的pH值、EC值等参数，与设定值相比较，自动对执行机构进行实时控制，满足作物生长的需求。在进行这一教学场景设计时，充分考虑如何实现植物工厂自动控制系统，在虚拟软件中设计5个部分：①电气控制系统的安装、接线与调试；②PLC的编程、模拟仿真调试；③人机界面；④植物工厂的自动控制原理（动画）；⑤与精准灌溉施肥机进行联调（管路的连接等），在虚拟软件中能够完成对虚拟植物工厂的自动控制，同时可以实现对实验室实际植物工厂的控制。

2.5 一粒种子的“新”路历程

植物工厂系统虚拟搭建完成后，通过让学生选择种植的品种（生菜等）、数量等，让学生体验从一颗种子的萌发到茁壮生长的真实过程，通过动画的形式展示以下部分：①营养液配比的工作过程；②营养液输送到植物工厂各层栽培槽；③蔬菜在植物工厂中的生长过程演示；④通过软件来控制实物的温度调节、光照调节等。

另外，在实验室实际植物工厂中配套种植相应的品种，采用自动控制模式，让学生同步感受生菜生长的全过程。通过虚实结合，在虚中做，在实中检验，不断优化植物工厂仿真实训系统。

3 植物工厂仿真实训系统实现

植物工厂仿真实训系统模拟真实植物工厂，虚拟仿真出与真实植物工厂相似的生产环境，实现以虚补实、虚往实归、虚能控实。

3.1 环境搭建

系统采用Unity3D引擎开发，三维模型采用PBR建模，真实还原实际使用场景，数据库采用MySQL，支持PC端及WEB端多平台操作。可以通过鼠标、键盘操作在三维场景中移动和漫游。采用虚拟现实实时渲染方式，结合通讯协议和硬件网关实现虚实结合的控制效果。

3.2 系统功能设计

3.2.1 利用零件模型库，搭建虚拟植物工厂。真实植物工厂所有零件模型逐个进行设计搭建，每个零件模型均单独保存，并且能进行组装、搭建、拆卸等。从管路系统开始，到环境参数采集与控制系统、营养液自动配比系统、LED智能光照系统等依次开始虚拟植物工厂的搭建，实现植物工厂真实呈现。

3.2.2 以虚补实，完成虚拟植物工厂系统调试。虚拟植物工厂搭建完成后，根据植物工厂的电路设计，进行虚拟仿真系统的电气控制线路连接，并开展虚拟通电调试，虚拟仿真设备能够按照控制要求正常工作，并且可以仿真出工作状态。在真实植物工厂采集到的环境参数，均保存至本地数据库，并编码上传至服务器端，采用虚实结合的方式，能够在虚拟仿真软件上显示出来。

营养液自动配比可以通过对话框选择混合罐中营养液的比例，根据真实数据，在虚拟仿真软件上进行自动配肥动画显示，并能仿真出具体工作原理。

3.2.3 以虚控实，实现植物工厂全程可控。完成虚拟植物工厂系统调试后，可以通过虚拟软件上的控制开关开启真实植物工厂的补光灯、风扇等执行设备，并能显示补光灯、风扇等的开关状态。植物工厂内作物从栽培到成熟的整个流程，都是可视可控的。学生可以通过环境参数调节或硬件调节来实现不同状态下的作物培育，并显示出在此状态下作物不同的生长状态及模拟参数。

4 结语

植物工厂仿真实训系统通过虚实结合的方式进行实验方案的设计，聚焦于学生实践操作能力和创新能力的培养。通过虚拟仿真出与真实植物工厂生产环境，有效激发了学生的学习兴趣、学习主动性和积极性。虚拟仿真可以提供真实、安全的操作环境，学生可以反复熟悉设备的工作原理及操作，提高学习效率，实现以虚补实、虚往实归、虚能控实。虚实互为补充，互相印证，为实验实训教学提供了新的方式方法。并根据学生的学习情况，不断优化实验方案，不断完善系统功能，改进教学方法，进一步培养学生的工程素养，提升学生的就业竞争力。