群体育秧棚环境的自动调节系统实现

　　0、引言

　　黑龙江省属于温带大陆性季风气候,是我国重要的粮食基地。黑龙江省的农业生产以农垦总局的大规模集约化生产为主,到2012年黑龙江省的水稻种植面积逾333.3万hm2。目前,黑龙江省农垦总局的水稻种植生产以工厂化、集约化模式进行,对水稻的浸种、育秧、种植、收获全程实行集中管理。农垦总局下各个农场建有大规模的工厂化育秧棚,方便农户集中进行育秧,且可强化管理、降低成本。但是,目前育秧棚的环境调控多数还是采用人工控制或简单的自动控制,造成劳动强度大、育秧环境差,无法实现信息化、自动化生产。

　　王鹏等采用低功耗设计方法,以MSP430F149单片机为核心,由基于SHT11数字温湿度传感器、液晶显示、键盘、电源和无线传输等模块组成监测系统。

　　席桂清等提出并开发了基于GSM网络的智能监测系统,可以测量、显示、存储环境温湿度和土壤水分信息,每隔设定时间或大棚内温湿度超过设定的阈值,系统通过GSM网络自动发送数据到指定手机上,方便、快捷、准确地指导稻农进行育苗管理。田芳明等采用MSP430F149以及低功耗网络传输芯片SM51,尽可能降低系统能耗,PC机与大棚控制器间利用无线收发设备传输数据和控制指令,通过监控中心可进行育秧棚内信息的采集;系统具有微喷、通风卷帘的自动控制等功能。

　　上述研究中,棚内传感器到控制器之间仍需要敷设明线。棚内采集参数越多,线缆敷设量和成本越大,而且影响棚内农事生产,易损坏。本研究采用嵌入式技术、传感器技术、无线通信技术、计算机技术和自动控制技术,实现了群体育秧棚环境的自动调节,提升了农场育秧生产过程的自动化程度,降低了劳动强度及成本,实现了秧苗最优生长环境。

　　1、系统总体设计

　　系统结构如图1所示。由于多数农场集中了几十栋育秧棚,进行集中育秧、集中管理,为保苗壮秧提供便利设施及条件。如果采用计算机集中控制,势必无法照顾全面。因此,本系统采用集散控制方法,由中央控制室计算机作主控机,负责全局的调控;在每个棚室设置嵌入式控制器做下位机,完成数据采集、数据传输、控制指令执行、环境调控等功能。由于工厂化育秧棚规模大、占地广,如果计算机与下位机之间的数据通信采用有线数据传输的形式,现场布线工作量大、成本高,并且电缆过长会造成信号衰减。因此,本系统采用无线传输模块,完成计算机与下位机之间的数据传输。为减少棚内布线、提高系统可靠性,棚内控制器与执行器、传感器之间采用ZigBee模块,棚内各节点自动组网;为降低系统成本,自制控制器网关节点,用于组织棚内无线节点间的通信和完成与上位机之间的信息传输。为了使农户随时随地了解秧苗生长环境状况,本系统通过GSM模块,定时将育秧棚环境状况发送至农户手机,农户也可以通过手机查询当前状况,管理层人员还可以通过手机对育秧棚进行控制。为保证育秧环境控制的安全、可靠,系统除了通过计算机进行控制外,设置了手动控制系统,在计算机系统出现故障时,农户可以通过手动部分完成对育秧环境的控制。

　　2、下位机系统设计

　　下位机负责采集棚内参数,将参数传送给上位机,并接收上位机指令,控制相应的执行机构,对棚内环境进行调控。下位机系统包括控制器及棚内网关两部分。

　　2.1控制器设计

　　控制器根据网关所发指令,控制执行器完成棚内环境调节。棚内环境调节执行机构主要由左右两侧卷膜器和灌溉电磁阀构成。图2为左卷膜器控制电路图。图2中,L1_M_U和L1_M_D分别为单片机输出I/O口,L1_U_O和L1_D_O分别为光耦输出控制卷膜器上升和下降的继电器。为防止出现撕毁棚膜现象和确定卷膜器所在位置,左右卷膜器的行程上都安装了上、中、下位置开关。图2中的L1_T、L1_M和L1_B分别是左卷膜器的上、中和下位置开关,在卷膜器到达上、下极限位置时,及时切断卷膜器电源,同时可以检测卷膜器所在位置。卷膜器采用24V直流电机KOS4060,最大扭矩32N·m,最大卷高3m,转速5r/min;电磁阀采用24V直流电磁阀DF1-25。为了避免继电器动作对单片机系统产生电磁干扰,在单片机控制输出引脚加接光电耦合器,隔离5V系统和24V系统;光耦输出通过接线端子连接外部继电器,由继电器的常开触点接通卷膜器和电磁阀,利用继电器的常闭触点构成电机互锁保护电路。

　　工作时,上位机发送自动控制或上位机手动控制指令给棚内网关,网关根据上位机的指令,通过SPI接口发送给控制器。如果是上位机手动控制指令,上位机只是发送开或闭信号,网关直接将该信息传送给控制器即可;如果是自动控制指令,上位机会把自动控制的上下限阈值发送给网关,网关根据实时采集的测量数据与阈值做比较,对应将执行机构的开或闭信号传输给控制器。控制器根据网关给出的指令驱动光耦,使外接继电器动作,接通执行机构电源。

　　2.2棚内ZigBee网关设计

　　网关是下位机系统的核心,负责与上位机无线通信,接收指令、发送采集数据;与控制器SPI通信,发送指令、接收执行机构状态;与采集节点通信,接收棚内环境数据。网关有现成产品,但是价格昂贵,因此自行研究设计网关部分,使成本是现有产品的1/100,可以连接节点数255,在棚室内已经足够,如有需求还可以增加到65535个。

　　网关电路如图3所示。网关核心采用的是STC12C5A08S2,具有双串口,满足了本系统的双串口通讯需求,UART0端口通过MAX232做电平转换,连接无线模块SRWF_1028,与上位机进行数据传输,SR-WF_1028工作频率433MHz,通讯距离2500m,满足目前工厂化育秧基地的距离要求;UART1端口用于与ZigBee模块ATZGB_S3通信,ATZGB_S3工作频率780MHz,工作电压DC2.2~3.6V,接口电平为LV_TTL,不能与单片机电平兼容。因此,单片机通过电平转换器做电平转换,连接ATZGB_S3。2个模块挂接在同一个单片机上,如果同时工作,SRWF_1028的信号会淹没ATZGB_S3的信号;但是,在网关程序设计上,把两者的通信分时段进行,避免了信号间的相互干扰。

　　2.3棚内ZigBee节点设计

　　棚内节点完成采集棚内环境参数、接收网关指令、发送采集数据等功能。每个节点采集的参数包括2个空气温湿度、1个土壤温度、1个土壤水分、1个土壤pH值、1个照度、1个CO2浓度,棚内节点数量可以根据棚内参数采集的需要而增加或减少。根据节点功能需求,选择STC12C5410AD作为节点的核心,具有8路8位/12位的ADC,单片机除挂接数字传感器和模拟传感器外,还接有ATZGB-S3Zigbee从节点无线模块,连接方法同图3网关方法。同时,考虑到用户需求增加,系统扩容方便,留出4个备用A/D转换接口,可以接入直流电压/电流信号。

　　传感器使用情况如下:空气温湿度传感器采用DHT21,测量范围分别为-40~100℃和0~100%RH,每个参数16位数字量输出,单总线接口;土壤温度采用工业级防水密封处理的DS18B20;土壤pH值测量采用了GPS-650金属PH电极,具有耐腐蚀、寿命长的特点;输出信号4~20mADC;照度传感器采用了SS6101,测量范围0~200000Lux,电源24VDC,输出4~20mADC;CO2浓度传感器采用了BM-1000,测量范围0~10000×10-6;电源24VDC,输出4~20mADC,4~20mADC信号由250Ω精密电阻转为1~5VDC信号,送给单片机做A/D转换;土壤湿度传感器采用DBT-1,电源24VDC,输出4~20mADC,输出由100欧精密电阻转为0.4~2VDC信号。

　　2.4下位机系统软件设计

　　下位机系统软件流程如图4所示。

　　首先,下位机系统中网关、控制器、各节点初始化,各节点开始进行数据采集、转换;网关在没有收到上位机指令时,依次向各节点发送指令,接收采集数据,并存于RAM。当收到上位机索要数据指令时,网关顺序发出采集数据;当收到上位机控制指令时,网关进行指令处理,然后向控制器发送控制指令,并等待控制器返回执行机构运动状态。为防止程序跑飞、死循环,各个单片机都启动了“看门狗”定时器。

　　3、上位机软件管理功能

　　上位机完成数据处理、下位机管理、GSM短信收发等功能,系统采用C#语言设计,模块化结构,图形界面简单,易于操作,功能如图5所示。

　　下位机通过无线模块按棚号顺序向各个网关收集数据,并存储于数据库,通过运算处理显示各个棚的环境参数。显示形式以数字、图形、曲线形式为主,用户随时可以调用历史数据,进行分析、报表、打印等操作。上位机对育秧棚环境控制可以采用手动控制和自动控制两种形式:手动控制是通过鼠标点击界面中的图标按钮,直接向网关发送卷帘和电磁阀的控制指令;自动控制是由用户设定控制阈值,由程序按照设定算法,自动向网关发送控制指令,无需人工再参与。

　　上位机还可以利用GSM短信模块将棚室内状况或控制报警信息发送到农户手机,也可以接收农户通过手机发来的控制指令。

　　4、结语

　　本系统在洪河农场安装运行1个月,共安装了6栋棚,每栋面积为870m2。从运行状况来看,系统成本低、运行稳定、采集参数准确、控制方式灵活,减少了大量的人力资源投入,节约了水资源。

　　参考文献:
　　[1]王鹏,谭峰.低功耗水稻育秧秧棚监测系统的设计[J].黑龙江八一农垦大学学报,2011,23(3):78-81.
　　[2]席桂清,田芳明,衣淑娟,等.寒地水稻育秧大棚智能监测系统设计与试验[J].农机化研究,2011,33(11):40-43.
　　[3]田芳明,谭峰,衣淑娟.基于单片机的低功耗水稻育秧棚监控系统设计[J].农机化研究,2011,33(11):15-19.