育秧群棚环境自动监控调节的智能化设计

　　引言

　　黑龙江垦区所处地域属中、寒温带大陆性季风气候区，经过 60 年开发建设，成为全国规模最大、机械化程度最高的国有农场经济区域，同时是国家重要的商品粮生产基地和战略储备基地，其水稻生产占据重要地位。目前，垦区工厂化育苗主要以规模化、流程标准化、生产自动化、管理智能化方式进行，其主要由智能催芽棚、智能化水稻育秧大棚、智能监控室组成。

　　水稻育秧每年 3 月份在标准育秧棚内需要培育 1 个月多的时间，秧苗生长健壮与否和是否提供最佳育秧环境有着至关重要的关系，因此监控育苗生长环境在育秧过程中显得特别重要。但是，目前垦区育秧大棚环境监测与调控多采用传统的温度计、湿度计和人工调控棚内环境等，消耗人力资源多，智能化和自动化程度不高。

　　王巍等以 MSP430F149 为核心，由 DB420 空气温湿度传感器与 DS18B20 土壤传感器、显示电路、键盘电路、无线传输等组成了温室大棚监控系统。田芳明等采用 MSP430F149 为控制核心，采用 SM51 模块实现智能监控管理室与智能监控设备之间进行无线通信，同时应用 GSM 通信技术实现短信提醒，通过监控管理室和手机终端可以观测棚内采集信息; 该系统同时具有自动电动卷帘与电磁开关微喷的功能。

　　在上述系统设计中，棚内参数采集均采用一个核心微控制器与传感器进行采集棚内环境参数，棚内传感器越多，就会导致需要铺设大量采集线路，势必会增加产品和施工成本。因此，本设计采用系统硬件分系统设计、传感器技术、ＲS485 通信技术、无线通信技术、计算机技术及自动控制技术等，实现育秧群棚环境自动监控调节的同时使棚内主线减少到两条，提高了垦区工厂化育秧生产智能化和自动化程度，减少了人力资源消耗及成本，为秧苗健康茁壮生长提供最佳生长环境。

　　1 系统整体设计

　　系统总体结构如图 1 所示。在实际生产中，大多农场实现了育秧棚建设规模化、育秧流程标准化、管理统一化，为确保秧苗茁壮成长提供了良好设施条件。该系统主要由物联网中的感知层、传输层、应用层组成。感知层主要是由空气温湿度传感器、土壤水分传感器、土壤温度传感器、二氧化碳传感器、光照传感器、pH 值传感器及微型 CPU 组成的感知网络。该系统应用硬件分系统设计，每个育秧棚由主监控设备、采集器 1、采集器 2、采集器 3、执行机构组成，解决了 DS18B20 在5V 供电电压下传输受距离限制导致信号衰减为 0 无法采集到远端土壤温度的问题。采用工业防水连接器处理连接处，支持不同育秧棚中的采集器互换通用，支持快速拆组设备，便于维护。传输层为感知层和应用层的互通建立通信桥梁，通过无线模块等传输给上位机管理平台。该系统可以通过管理平台向使用用户终端发送相关棚内环境信息和预警信息等，用户可以通过移动终端查询棚内环境状况，同时通过移动终端发送控制指令对育秧棚进行控制。该系统执行机构设计采用手/自一体化控制，在计算机自动控制失效后，可以切换到手动控制，确保系统正常运行，同时方便管理人员或者用户使用手动模式对育秧棚环境进行监控。【图1】

　　
　　2 感知层系统设计

　　感知系统主要包括1 个主监控器和3 个从机数据采集器。主监控系统负责收集从机数据采集系统采集的棚内环境因子，将参数上传至上位机，接收上位机发出的调控指令，并按照指令进行调控。【图2】

　　
　　2． 1 主机监控器

　　下位机主监控器主要包括控执行机构、数据收集模块、无线通信模块。主机核心处理器选择成熟型STC12C5A60S 作为核心处理器，该芯片具有内嵌入A / D 模块、内存大、高速、高可靠、多串口、抗静电强、抗干扰强等特点。主监控器采用与从机数据采集器采用全双工主从式多机通信方式，主机发送采集命令，从机匹配命令后向主监控器发送采集的数据，并显示在主机监控器显示屏上，同时负责执行上位机发出的调控命令。

　　执行机构核心控制部分主要由卷帘电机和电磁灌溉开关构成，设有自动和手动控制模式，控制方式灵活，方便管理者根据农艺生产需求调控棚内环境。

　　为了防止卷帘电机倾角过大，卷帘电机采用 24V 直流无角度保护型电机 KOS4060，同时在卷帘模块电路中安装有上、中、下行程开关，实现卷帘限位，防止卷帘超限。电磁灌溉开关采用 24V 直流常闭型电磁阀DN25。为了防止继电器闭合产生电磁干扰，在控制信号输出端与继电器之间加入光耦隔离装置，同时在继电器的线圈两端并接一个二极管续流，提高了系统的可靠性。在自动控制模式下，主要依据是实际育苗水分阈值进行调控棚内秧盘水分; 在手动控制模式下，可以通过面板控制开关进行调控棚内秧盘水分。

　　2． 2 从机数据采集器

　　该系统每棚主机配 3 个从机数据采集器，分别标号为 1 号采集器、2 号采集器、3 号采集器，1 号、3 号采集器分别接入 2 个空气温湿度采集点、1 个土壤水分采集点、1 个土壤温度采集点; 2 号采集器在 1 号、3号采集器基础上增加 1 个照度采集点、1 个 C02浓度采集点，除此之外再加一个 pH 值采集点，共 14 个传感器 22 采集点。每个从机采集器主要由单片机最小系统、传感器模块、MAX485 通信模块及显示模块组成，主要负责实时采集数据，等待主监控器采集数据命令，匹配判断，依次向主监控器发送棚内环境实时数据。【图3】

　　
　　该系统采用传感器主要包括数字式和模拟式两类。数字式传感器的特点是直接输出数字信号，便于同微处理器直接连接，主要为 I2C 总线式。例如，空气温湿度传感器为 DHT21，测量精度高、稳定性好。除此之外，光照传感器 HS2303、土壤温度传感器采用DSl8B20，直接输出数字信号，因此不需要 A / D 转换。

　　模拟式传感器输出 4 ～20mA 电流信号，如土壤水分传感器 DBT－1、C02浓度传感器 NDIＲ、pH 值传感等。该类传感器与处理器 I/O 连接前需要采用精密电阻进行电 阻 － 电 压 转 换，将 转 换 后 的 电 压 信 号 输 入STC12C5A60S，具有 A / D 转换功能的 I / O 口中供其调用处理。

　　2． 3 通信模块设计

　　下位机主监控器与中央监控管理中心采用无线传输方式，可以有效减少现场施工工作量，节约成本，解决有线传输距离远无法接收到信号或者信号不稳定的问题，增加数据传输可靠性。下位机主监控器与从机采集器采用一主三从的总线型主从式结构。

　　多机通信主从示意图如图 4 所示。所谓主从式，即在数个单片机中，有一个是主机，其余的是从机，从机要服从主机的调度、支配。【图4】

　　
　　该系统设计采用硬件分系统设计和 ＲS－485 串行标准总线进行数据传输。主机发送一地址帧，其中8 位是地址，第 9 位为地址 / 数据的区分标志，该位置1 表示该帧为地址帧。所有从机收到地址帧后，都将接收的地址与本机的地址比较: 对于地址相符的从机，使自己的 SM2 位置 0，以接收主机随后发来的数据帧，并把本站地址发回主机作为应答; 对于地址不符的从机，仍保持 SM2 =1，对主机随后发来的数据帧不予理睬。从机发送数据结束后，要发送一帧校验和，并置第 9 位( TB8) 为 1，作为从机数据传送结束的标志。主 机 接 收 数 据 时，先 判 断 数 据 接 收 标 志( ＲB8) : 若 ＲB8 = 1，表示数据传送结束; 若接收帧的ＲB8 = 0，则存数据到缓冲区，并准备接收下帧信息。

　　主机收到从机应答地址后，确认地址是否相符: 如果地址不符，发复位信号( 数据帧中 TB8 =1) ; 如果地址相符，则清 TB8，开始发送数据。从机收到复位命令后回到监听地址状态( SM2=1) ，否则开始接收数据和命令。

　　2． 4 感知层系统软件设计

　　感知层系统软件流程如图 5 所示。首先系统进行初始化、采集器初始化，主机向从机发送地址，从机判断地址是否应答，如应答从机将采集数据发送给主机，主机接收并显示在显示屏上。为了防止程序跑飞，启动看门狗，增加系统稳定性。【图5】

　　
　　3 监控管理系统设计

　　智能监控管理中心的监控系统采用 C#语言开发设计、功能模块化设计，界面可视化程度高、人机交互性好、操作简单、易推广，功能如图 6 所示。【图6】

　　
　　该系统主要负责实时显示棚内环境参数变化，采用 SQL2005 数据库存储管理采集参数，并具有图表绘制显示、历史数据查阅、导出数据、控制管理及收发短信等功能。智能管理监控系统设有自动和手动两种控制模式，方便管理者使用: 在自动模式下，根据农艺生产需求的环境要求设置阈值，按照预先设定算法向感知层系统发送调控指令; 在手动模式下，可以通过鼠标触点系统界面发送调控指令，单棚数据监控界面如图 7 所示。该系统可以短信模块向使用用户终端发送相关棚内环境及预警信息等，用户可以通过移动终端查询棚内环境状况，同时通过移动终端发送控制指令对育秧棚进行控制。【图略】
　　
　　4 结论

　　该系统通过实验室安装测试，已经在庆丰农场安装 4 栋大棚。从实验室实际测试和现场实际运行情况看，该系统运行稳定、抗干扰性强、参数准确、便于组拆、易于操作，减少了人力资源消耗及成本，满足现代化农场生产自动化的要求。

　　参考文献:

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