趙立軍,陳亞，王英雪，許春林，何堤

（東北農(nóng)業(yè)大學工程學院，哈爾濱 150030）

閉鎖式立體水稻育秧室環(huán)境控制系統(tǒng)研制

趙立軍,陳亞，王英雪，許春林，何堤*

（東北農(nóng)業(yè)大學工程學院，哈爾濱 150030）

針對水稻閉鎖式立體育秧室內(nèi)環(huán)境參數(shù)無法在線獲取和難以調(diào)控等問題，研制閉鎖式立體水稻育秧室環(huán)境控制與監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)可視化監(jiān)測與調(diào)控秧苗生長環(huán)境，確定秧苗生長最佳環(huán)境，實現(xiàn)監(jiān)測調(diào)控自動化，使秧苗保持最佳生長狀態(tài)；將STC12C5A60S2單片機作為下位機，結(jié)合DS18B20溫度傳感器、DHT11溫濕度傳感器及土壤水分傳感器采集數(shù)據(jù)，運用STC12C5A60S2單片機自帶AD數(shù)模轉(zhuǎn)換土壤水分信息，實現(xiàn)秧苗生長環(huán)境可視化。后期育秧試驗表明，秧苗綜合質(zhì)量優(yōu)于大棚育秧秧苗。研究結(jié)果為后續(xù)完善秧苗生長技術(shù)提供有效數(shù)據(jù)保障。

水稻育秧；閉鎖式；STC12C5A60S2型單片機；DS18B20溫度傳感器

趙立軍,陳亞,王英雪,等.閉鎖式立體水稻育秧室環(huán)境控制系統(tǒng)研制[J].東北農(nóng)業(yè)大學學報,2016,47(10):67-73.

Zhao lijun,Chen Ya,Wang Yingxue,et al.Development of environmental control system in closed and stereo rice seedling room[J].Journal of Northeast Agricultural University,2016,47(10):67-73.(in Chinese with English abstract)

黑龍江省是東北優(yōu)質(zhì)大米主要生產(chǎn)基地，2015年水稻種植面積6 111.3 hm2，配套育秧大棚面積60 hm2。水稻生產(chǎn)技術(shù)不斷進步，但仍有育苗技術(shù)尚待解決[1]。

傳統(tǒng)溫室大棚單層育秧空間與開放式育秧環(huán)境，影響秧苗生產(chǎn)效率與培育質(zhì)量，制約稻米產(chǎn)能；單純通過增加育秧棚室面積，難以解決低質(zhì)、低效、高風險棚室育秧現(xiàn)狀[2-3]。閉鎖式立體水稻育秧是新育秧模式，水稻育秧受自然條件影響小，能抵御極端氣候?qū)ρ砻鐐Γ瑸檠砻缣峁┻m宜、均衡生長環(huán)境；生產(chǎn)計劃性強，生長速度快、占地面積小、周期短，自動化程度高，使用人造基質(zhì)或營養(yǎng)液無污染。利用多層式立體栽培方式可監(jiān)測與調(diào)控秧苗生長環(huán)境，現(xiàn)已成為近年來水稻育秧研究重點[4-5]。

環(huán)境因子對工廠化育秧幼苗質(zhì)量有重要影響。Hwang等基于無線傳感網(wǎng)絡研究農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)[6]。Dumitra?cu等以編程控制器為控制核心，利用傳感器采集數(shù)據(jù)及上位機控制器控制溫室環(huán)境，檢測植物生長狀況，應用遠程監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)溫室內(nèi)植物合理灌溉[7]。Gaowa等設計一套設備監(jiān)控管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實現(xiàn)環(huán)境檢測設備智能化管理和監(jiān)控，提高設備管理使用效率[8]。趙斌等采用MCU技術(shù)、ZigBee無線網(wǎng)絡技術(shù)、GSM通信技術(shù)和傳感器技術(shù)研究工廠化育秧環(huán)境控制系統(tǒng)[9]。席桂清等開發(fā)基于GSM網(wǎng)絡智能監(jiān)測系統(tǒng)，可測量、顯示、存儲環(huán)境溫濕度和土壤水分信息，定時或大棚內(nèi)溫濕度超過設定閾值時，系統(tǒng)通過GSM網(wǎng)絡自動發(fā)送數(shù)據(jù)到指定手機上，方便、快捷、準確指導稻農(nóng)育苗管理[10]。王福祿等采用基于ZigBee技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡監(jiān)測溫室環(huán)境指標[11]。

工廠化育苗存在關鍵設備和主要資材缺乏、環(huán)境調(diào)控粗放、人工補光技術(shù)落后、育苗生產(chǎn)效率和效益低等問題[12]。目前育秧監(jiān)測模式均為人工監(jiān)測調(diào)控，監(jiān)測數(shù)據(jù)不準確，監(jiān)測不及時及調(diào)控不方便，影響育秧室內(nèi)環(huán)境[14]。因此本文開發(fā)閉鎖式立體水稻育秧室環(huán)境控制與監(jiān)測系統(tǒng)，通過秧苗生長環(huán)境可視化監(jiān)測與調(diào)控，使秧苗在最佳環(huán)境下生長，擺脫自然條件和地域性限制，控制秧苗生長周期，促進種苗快速發(fā)育，栽培環(huán)境采用完全封閉式，為種苗繁育創(chuàng)造良好生長環(huán)境；提高作業(yè)效率，降低勞動強度，減少人員操作對秧苗生長影響，為水稻育秧系統(tǒng)高效穩(wěn)定生產(chǎn)提供技術(shù)支撐。

1 系統(tǒng)工作原理及模塊設計

閉鎖式立體水稻育秧室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集及分析系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)顯示及可視化三大部分。系統(tǒng)總體設計如圖1所示，數(shù)據(jù)采集及分析系統(tǒng)包含空氣溫濕度多點測量、土壤溫度、水分多點測量及數(shù)據(jù)采集與分析；控制系統(tǒng)處理包含無線數(shù)據(jù)傳輸模塊，數(shù)據(jù)及可視化包含界面顯示、數(shù)據(jù)儲存及歷史數(shù)據(jù)查詢。

圖1 系統(tǒng)總體設計Fig.1Design of control system

1.1 系統(tǒng)工作原理

①育秧室內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)實時采集：通過STC12C 5A50S2單片機電路板，結(jié)合DS18B20、DHT11及土壤水分等傳感器，在線采集育秧室內(nèi)空氣溫濕度，土壤溫度、土壤水分等環(huán)境參數(shù)，通過無線數(shù)據(jù)傳輸裝置同步傳給上位機顯示和保存，實現(xiàn)

閉鎖式育秧環(huán)境監(jiān)測及育秧環(huán)境可視化。

②光照智能控制：通過繼電器及控制電路板，實現(xiàn)秧苗生長光照定時調(diào)控。調(diào)節(jié)秧苗明光期和暗光期時間，模擬適合秧苗生長光照條件。

③軟件監(jiān)測平臺：通過MATLAB軟件GUI界面設計，如圖2所示，實現(xiàn)育秧環(huán)境溫度和濕度等關鍵數(shù)據(jù)在線顯示、數(shù)據(jù)存儲、歷史數(shù)據(jù)查詢等功能?？刹樵兊揭欢螘r間內(nèi)秧苗生長環(huán)境數(shù)據(jù)，根據(jù)秧苗生長不同階段對環(huán)境參數(shù)要求，調(diào)節(jié)秧苗生長環(huán)境。

圖2 GUI界面設計Fig.2GUIInterface

1.2 系統(tǒng)控制模塊設計

單片機是監(jiān)測系統(tǒng)核心部分，系統(tǒng)供電電壓對其功耗有直接影響。根據(jù)整個系統(tǒng)工作特點，控制模塊采用8051系列單片機為核心處理芯片，有編程靈活、易于控制、穩(wěn)定性好、擴展方便等優(yōu)點。

考慮單片機最小系統(tǒng)功耗、時鐘周期、串口通訊方式及A/D轉(zhuǎn)換器等因素，選用STC12C5A60S2型單片機，該單片機主要特性：

①與傳統(tǒng)8051單片機相比，具有更快處理速度，更高處理精度；

②具有更大工作頻率范圍，在0～35 Hz；

③有40個I/O口，可實現(xiàn)多種不同規(guī)定模式設置；

④內(nèi)部自帶8通道，10位高速A/D轉(zhuǎn)換器，速度可達（25 k·s-1），上電復位后P1弱上拉I/O口，用戶可通過軟件設置將8路中任何一路設置為A/D轉(zhuǎn)換；

⑤具有雙串口，共有4個十六位定時器。

1.3 系統(tǒng)傳感器及檢測模塊設計

1.3.1 土壤溫度傳感器選用及程序設計

選用DS18B20溫度傳感器，該傳感器使用美國達拉斯（Dallas）公司單總線數(shù)字溫度傳感器芯片，可直接將監(jiān)測溫度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。通過一個單總線接口發(fā)送或接受信息，中央處理器和DS18B20間僅需一條連接線（加上地線），其測溫范圍為（-55～+125）℃，在（-10～+85）℃精度為±0.1℃。

在讀取測溫數(shù)據(jù)前，應先讀出ROM中溫度傳感器序列號，本系統(tǒng)有6個DS18B20傳感器，在使用前需編程識別每一個DS18B20序列號，讀取每一個傳感器數(shù)據(jù)依次編號。數(shù)據(jù)通訊應遵循1-Wire總線協(xié)議，外部微處理訪問DS18B20數(shù)字溫度傳感器協(xié)議如下：

初始化命令：通過1-Wire總線上所有操作過程均以初始化開始。初始化包括不偏激發(fā)出復

位脈沖和DS18B20發(fā)出存在脈沖即總線上接有DS18B20并將已就緒信息傳遞給單片機。

ROM操作指令：當單片機檢測到DS18B20發(fā)出應答脈沖后，單片機即發(fā)送ROM命令。因為總線上連有6個DS18B20，而單片機在對從機操作時，需指定某個從機設備。對系統(tǒng)而言，首先需通過搜索指令（search ROM）及讀指令（read ROM）將每一個DS128B20溫度傳感器64位序列號讀出并保存，通過發(fā)送匹配指令（match ROM）及64位ROM編碼序列，讓單片機在多點總線上定位一個特定DS18B20操作。多個DS18B20序列號搜索程序流程見圖3。

圖3 多個DS18B20序列號搜索程序流程Fig.3Multiple DS18B20 sequence number search program flow

DS18B20功能指令：當單片機完成ROM指令確定總線上只有一個DS18B20響應后，便發(fā)送一條DS18B20功能指令。指令包括溫度轉(zhuǎn)換、寫暫存器（WRITE SCRACHPAD）、讀暫存器、拷貝暫存器（COPY SCRACHPAD）、恢復E2 PROM（RE?CALL E2）、讀取電源供電方式（READ POWER?SUPPLY），允許單片機讀寫DS18B20暫存器，啟動溫度轉(zhuǎn)換和判斷供電模式。

當單片機發(fā)送溫度轉(zhuǎn)換指令[44h]后，溫度轉(zhuǎn)換結(jié)果數(shù)據(jù)以2個字節(jié)形式被存儲在高速暫存器中。如果DS18B20處于轉(zhuǎn)換中，則返回0，若溫度轉(zhuǎn)換完成，則返回1。當發(fā)送寫暫存器指令[4Eh]時，即開始向DS18B20暫存器中寫入數(shù)據(jù)，首先從TH寄存器寫入，其次為TL寄存器，最后寫入配置寄存器中。當發(fā)送讀暫存器指令[BEh]時，將讀取暫存器9個字節(jié)數(shù)值中最后一個字節(jié)為循環(huán)冗余校驗CRC。

1.3.2 空氣溫濕度傳感器選用及程序設計

DHT11數(shù)字溫濕度傳感器是一款含已校準數(shù)字信號輸出溫濕度復合傳感器，應用專用數(shù)字模塊采集和溫濕度傳感技術(shù)，可靠性高且穩(wěn)定性強。DHT11傳感器測溫范圍為0～50℃，濕度為20%～90%RH，溫度測量精度為±0.1℃，濕度測量精度為±1%RH，DHT11為4針單排引腳封裝，連接方便。其引腳名稱與功能如表1所示。

DHT11采用單線雙向串行接口技術(shù)，DATA用于微處理器與DHT11間通訊和同步，采用單總線數(shù)據(jù)格式，1次通訊時間4 ms，數(shù)據(jù)分小數(shù)和整數(shù)部分，1次完整數(shù)據(jù)傳輸為40 bit，數(shù)據(jù)格式為：8 bit濕度整數(shù)數(shù)據(jù)+8bit濕度小數(shù)數(shù)據(jù)+8 bit溫度整數(shù)數(shù)據(jù)+8 bit溫度小數(shù)數(shù)據(jù)+8 bit校驗和。數(shù)據(jù)傳輸正確時校驗和數(shù)據(jù)等于“8 bit濕度整數(shù)數(shù)據(jù)+8 bit濕度小數(shù)數(shù)據(jù)+8 bit溫度整數(shù)數(shù)據(jù)+8 bit溫度小數(shù)數(shù)據(jù)”所得結(jié)果末8位。

DHT11總線空閑時為高電平，主機把總線拉低等待DHT11響應，拉低時間應＞18 ms，保證DHT11檢測到起始信號。DHT11接收到主機開始信號后，等待主機開始信號結(jié)束，發(fā)送80 μs低電平響應信號，主機發(fā)送開始信號結(jié)束后，延時等待20～40 μs，讀取DHT11響應信號，主機發(fā)送開始信號后，切換到輸入模式，或輸出高電平均可，總線由上拉電阻拉高。

表1 DHT11引腳名稱與功能Table 1Pin name and function of DHT11

1.3.3 土壤水分傳感器選用及程序設計

土壤水分測量方法有中子測量儀、電阻、電容測量儀及通過測量土壤介電特性間接獲取土壤含水量方法（TRD和FD），而土壤含水量測量準確性取決傳感器精度與數(shù)據(jù)處理算法[11]。經(jīng)對比最終選用SMS-II-50土壤水分傳感器開展本系統(tǒng)土壤水分檢測設計。

由于土壤中體積含水量與土壤介電常數(shù)呈某種函數(shù)關系，而與土質(zhì)和水中所含鹽分無關，因此SMS-II-50土壤水分傳感器通過頻域測量方法，測量中間探針與兩側(cè)探針間電容量，該電容與介電常數(shù)成正比，經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換、單片機運算處理、非線性矯正和DA轉(zhuǎn)換輸出，即獲得與土壤體積含水量成正比線性電壓（電流或485信號）輸出。傳感器內(nèi)部采用進口優(yōu)質(zhì)工業(yè)級單片機和元器件，精度高、可靠性好、經(jīng)久耐用、重復性好而性價比高。

1.4 系統(tǒng)無線通信模塊設計

無線通訊模塊設計分為上位機收發(fā)數(shù)據(jù)設計和單片機收發(fā)數(shù)據(jù)設計兩部分。其中上位機首先向單片機發(fā)送命令，等待單片機接收指令并在地址匹配響應后發(fā)送數(shù)據(jù)，此時上位機進入數(shù)據(jù)接收模式，數(shù)據(jù)接收后等待下次操作。

通過市售無線數(shù)據(jù)傳輸模塊性能分析，選用TTL接口POP2032無線數(shù)傳輸模塊，可直接連接單片機TX RX收發(fā)數(shù)據(jù)。發(fā)射功率是20 dbm，接收電流約35 mA，功率最大時發(fā)射電流95 mA，串口傳輸速率為9 600 bps，休眠電流2 μA。

2 系統(tǒng)育秧試驗驗證

2.1 試驗材料

試驗水稻品種：東農(nóng)428（由東北農(nóng)業(yè)大學水稻研究所提供）。供試基質(zhì)材料：水稻育苗專用基質(zhì)（江蘇省淮安柴米河農(nóng)業(yè)科技發(fā)展有限公司）。

試驗器材：日本硬質(zhì)塑料水稻育秧盤（58 cm× 28 cm×3 cm）28個。試驗藥品：浸種劑、濃硫酸、壯秧劑、尿素。

2.2 試驗設計

試驗環(huán)境共3個處理，室外露天育秧、大棚育秧、閉鎖式立體育秧，3次重復。試驗于2015年4月26號播種，播種前做好選種、曬種工作，催芽露白，每盤播種量120 g芽種。播種后16 d采集秧苗，測定指標。

2.3 測定項目和分析方法

2.3.1 農(nóng)藝指標測定

在每個育秧盤中間部分取一塊方土（10 cm×10 cm），測量出苗率。秧齡指從播種到育秧結(jié)束所用天數(shù)。葉齡是指秧苗長出葉片數(shù)（不包含不完全葉）。用游標卡尺測量莖粗和根長。

2.3.2 生物量指標測定

鮮重：從每個秧盤隨機選取4個點，取出長勢良好30株秧苗，洗凈后用濾紙擦干，電子天平稱其重量。干重：每個秧盤隨機取點，然后取出長勢良好30株秧苗，洗凈后用濾紙擦拭干，將水稻秧苗放入干燥箱內(nèi)，105℃殺青20 min，75℃烘干至恒重（24 h）后，用電子分析天平測量。

2.4 結(jié)果與分析

由表2、3可知，不同育秧環(huán)境對水稻形態(tài)指標、根系指標、有機物積累影響顯著。閉鎖室內(nèi)秧苗符合插秧標準，出苗率、葉齡、株高、莖粗顯著高于其他處理，同時大棚育秧秧苗要優(yōu)于露天育秧。閉鎖室育秧秧苗根長、根數(shù)顯著高于其他處理，大棚育秧秧苗要優(yōu)于露天育秧。不同育秧環(huán)境在有機物積累方面顯著差異，閉鎖室育秧秧苗百株干重、地上百株干重顯著高于其他各處理，同時大棚育秧秧苗優(yōu)于露天育秧。秧苗生長緩慢，易出現(xiàn)凍害。大棚保溫性能較好，但夜間或者陰雨天棚內(nèi)溫度低，光照不足，不利于秧苗生長。閉鎖室內(nèi)溫度、濕度穩(wěn)定，適合水稻秧苗生長。

針對黑龍江省水稻育苗系統(tǒng)存在問題，采用閉鎖式立體水稻育秧室育苗模式，研制該環(huán)境控制系統(tǒng)。通過育苗室試驗研究，水稻秧苗生長情況如圖7所示。

表2 不同育秧環(huán)境參數(shù)Table 2Different seedling environment parameters

表3 不同育秧環(huán)境對秧苗指標影響Table 3Effect of different seedling environment on seedling index

圖4 閉鎖環(huán)境下水稻秧苗生長情況Fig.4Growth of rice seedlings under atresia

結(jié)合表3可知，苗率、葉齡、株高、莖粗、根數(shù)和干物質(zhì)等主要評價秧苗質(zhì)量指標差異較顯著。

育苗室內(nèi)溫度、濕度自動控制設定水平，無顯著性波動。表明該控制系統(tǒng)對提高水稻育苗效率和質(zhì)量具有理論意義和應用前景。

閉鎖式立體水稻育秧可少用殺蟲、消毒農(nóng)藥，解決病蟲害、藥害問題。閉鎖式立體水稻環(huán)境控制系統(tǒng)不僅適用于水稻閉鎖式工廠化育苗，還適合于蔬菜、花卉等設施農(nóng)業(yè)育苗生產(chǎn)。

3 結(jié)論

閉鎖式水稻立體育秧可解決寒地水稻面臨極端氣候頻發(fā)、占地面積大等問題。閉鎖式立體水稻育秧室環(huán)境控制系統(tǒng)可對育秧室內(nèi)秧苗生長所需光、溫、水等環(huán)境因子自動監(jiān)控。通過搭建閉鎖式立體育秧平臺，建立完善育秧室環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)實現(xiàn)可視化，自動化智能調(diào)控、記錄、分析秧苗生長最優(yōu)環(huán)境。本系統(tǒng)將STC12C5A60S2單片機作為下位機，電腦終端作為上位機，運用POP2032無線傳模塊實現(xiàn)單片機與電腦之間數(shù)據(jù)傳送。下位機通過連接DS18B20溫度傳感器、DHT11溫濕度傳感器和土壤水分傳感器，對育秧室內(nèi)各環(huán)境因子參數(shù)采集并保存，減少人為因素對秧苗生長環(huán)境影響。后期育秧效果表明，秧苗綜合質(zhì)量優(yōu)于大棚育秧及露天育秧，秧苗各性狀表現(xiàn)最優(yōu)，其他兩個對照差異顯著。

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Development of environmental control system in closed and stereo rice seedling room

ZHAO Lijun,CHEN Ya,WANG Yingxue,XU Chunlin,HE Di(School of

Engineering,NortheastAgricultural University,Harbin 150030,China)

In order to give the solution of problem of on-line acquirement and difficulty of process control for the environment parameters in a closed and stereo rice seedling room,an environmental control and monitoring system rice seedling room was developed.The system of seedling growth environment visualized monitoring and control,to optimize the seedling growth environment by using an automatic monitoring regulation to achieve the seedlings had an important role in maintaining optimal growth state. Based STC12C5A60S2 microcontroller of system was for the next bit machine with DS18B20 temperature, DHT11 temperature sensors and humidity sensors,and soil moisture sensor data collection and used STC12C5A60S2 MCU come with AD achieve soil moisture information digital to analog conversion,seedling growth environment visualization,and improvement of seedling growth.The result from validation experiments showed the whole quality indices of rice seeding from closed and stereo rice seedling roomare higher than that from green house.The research results provided the effective data protection for stereo sound closed-growing technology.

rice seedling;closed;STC12C5A60S2 microcontroller;DS18B20 temperature sensor

S223.1+3

A

1005-9369（2016）10-0067-07

時間2016-10-26 16:38:00[URL]http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1391.S.20161026.1638.014.html

2016-04-28

國家自然科學基金（51205056）；東農(nóng)研究生科技創(chuàng)新基金（yjscx14021）

趙立軍（1980-），男，工程師，博士研究生，研究方向為田間機械與設施農(nóng)業(yè)工廠化。E-mail：zhlj555@163.com

*通訊作者：何堤，教授，博士生導師，研究方向為田間機械與設施農(nóng)業(yè)工廠化。E-mail：hedi04511558@souhu.com