作者：田芳明 衣淑娟 譚峰 王曉亮 閆麗 劉英楠 單位：黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)信息技術(shù)學(xué)院

1系統(tǒng)主要功能與構(gòu)成

1.1主要功能本系統(tǒng)實現(xiàn)了水稻育秧大棚的環(huán)境條件監(jiān)測與控制，根據(jù)育秧整個過程的農(nóng)藝要求，系統(tǒng)具有以下功能：（1）育秧棚內(nèi)環(huán)境參數(shù)實時采集：針對水稻育秧的整個生長周期進行環(huán)境檢測，主要檢測參數(shù)包括土壤溫度、土壤水分、空氣溫濕度、光照強度、CO2濃度和pH值等，棚內(nèi)的參數(shù)將實時顯示在下位機液晶屏上，可隨時觀察數(shù)據(jù)，通過調(diào)控確保其生長在最佳的環(huán)境中[4]。（2）育秧棚灌溉及通風(fēng)自動控制：系統(tǒng)通過對采集的土壤溫度、土壤水分、空氣溫濕度等參數(shù)進行分析，依據(jù)農(nóng)藝參數(shù)進行智能決策，實現(xiàn)對微噴與卷簾開關(guān)的自動控制。在下位機亦可通過按鍵進行手動操作，具有現(xiàn)場操作靈活等特點。（3）上位機實時監(jiān)控：以Delphi作為開發(fā)語言，在此平臺上開發(fā)了群體水稻秧棚監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)能直觀地顯示各育秧棚內(nèi)的環(huán)境變化。同時使用SQL2000數(shù)據(jù)庫功能，對采集到數(shù)據(jù)進行存儲，能夠顯示歷史數(shù)據(jù)，對比每天監(jiān)測的數(shù)據(jù)，能夠?qū)С鯡xcel文件。該系統(tǒng)以一種統(tǒng)一的、直觀的圖形化界面，使操作人員能方便地運用鼠標和鍵盤進行操作，使得本系統(tǒng)在試驗與推廣時顯得方便、靈活。

1.2系統(tǒng)構(gòu)成該系統(tǒng)利用電子技術(shù)、計算機技術(shù)、無線通信技術(shù)實現(xiàn)了水稻育秧大棚生長環(huán)境的智能控制，系統(tǒng)中采用“監(jiān)控中心-秧棚采集控制器”架構(gòu)進行構(gòu)建（圖1）。監(jiān)控中心位于監(jiān)控室中，通過無線方式實時采集各秧棚中繼器處理的各環(huán)境參數(shù)及卷簾、微噴的狀態(tài)信息，發(fā)送各種命令到中繼器，實現(xiàn)育秧期調(diào)節(jié)、時間調(diào)節(jié)、卷簾及微噴開關(guān)操作等。秧棚采集控制器位于育秧棚中，采用msp430f149作為控制器核心部件，與傳感節(jié)點采用有線方式連接，與監(jiān)控中心采用無線方式通信，無線模塊采用微功耗模塊SM51實現(xiàn)通信。

2系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)硬件主要由以msp430f149為核心的控制器、傳感器采集模塊、卷簾通風(fēng)及微噴灌溉控制電路、無線通信接口電路4部分組成（圖2）[5]。

2.1微控制器選型及可靠復(fù)位電路設(shè)計經(jīng)過比較，選擇了TI公司生產(chǎn)的MSP430F149作為微控制器[6]，該產(chǎn)品具有低功耗、高可靠性、內(nèi)嵌A/D接口等優(yōu)點，在工業(yè)現(xiàn)場使用較多，該芯片為3.3V供電，系統(tǒng)配備電源為5V，故采用TPS76033實現(xiàn)5~3.3V的轉(zhuǎn)換。由于該芯片的復(fù)位門檻較高，為了提高系統(tǒng)的可靠性，在復(fù)位電路中采用專用復(fù)位芯片實現(xiàn)其復(fù)位功能，復(fù)位芯片采用MAX809S。

2.2傳感器與處理模塊設(shè)計針對育秧棚現(xiàn)場的農(nóng)藝需求，對棚內(nèi)的多點空氣溫濕度、多點土壤水分、多層土壤溫度、CO2濃度、土壤pH值、光照強度等參數(shù)進行實時采集，根據(jù)系統(tǒng)的工作環(huán)境及低功耗的需求，采用了集成傳感器實現(xiàn)采集功能。使用的傳感器分為兩類：一類為模擬類傳感器，輸出為4~20ma信號，如土壤水分傳感器DBT-1、PH值傳感器選擇了GS650、CO2傳感器NDIR等，該類傳感器在與微控制器接口時采用電阻-電壓轉(zhuǎn)換，系統(tǒng)采用100Ω精密電阻實現(xiàn)，轉(zhuǎn)換后的電壓信號輸入MSP430F149的具有A/D轉(zhuǎn)換功能的I/O中[7]，進一步處理后將采集數(shù)據(jù)顯示在液晶屏中。第二類為數(shù)字輸出傳感器，該類傳感器輸出為數(shù)字信號，如溫濕度傳感器為DB111-10、土壤溫度傳感器采用DS18B20、光照傳感器HS2303[8]，此類傳感器便于與控制器連接，但多數(shù)傳輸距離有限，易受干擾，故系統(tǒng)中采用磁隔離電路提高系統(tǒng)的抗干擾性能，磁隔離芯片為ADI公司的ADUM1250，該隔離芯片具有體積小、功耗低、使用靈活、集成度高等特點。

2.3系統(tǒng)控制模塊設(shè)計系統(tǒng)具有手動控制與自動控制兩種方式，手動控制在秧棚采集控制器處利用按鍵實現(xiàn)，自動控制需要上位機進行設(shè)定，需要操作時，通過上位機自動發(fā)送控制指令。無論哪種方式，都需要秧棚采集控制器輸出控制信號，用以啟動或關(guān)閉電磁閥、卷簾器。其核心部件是光耦隔離器和繼電器。該單元的硬件電路框圖如圖3所示?？刂菩盘柦?jīng)過光耦隔離器后輸出一個大于100mA的電流，該電流可以驅(qū)動繼電器工作，控制電磁閥的開閉。在控制器和繼電器之間加一個光耦隔離器，大大減少了繼電器開關(guān)產(chǎn)生的沖擊對控制器造成的干擾，提高了控制器工作的可靠性。同時，繼電器的線圈兩端并接了一個二極管續(xù)流，進一步地減少繼電器開關(guān)產(chǎn)生的沖擊，提高了系統(tǒng)的可靠性[9-10]。

2.4通信模塊設(shè)計系統(tǒng)采用無線方式與智能監(jiān)控中心通信，無線模塊采用SM51，該模塊為微功耗50mW，可靠傳輸離距離大于1200m，與微控制器的串口連接，采用232通信方式。微控制器將采集的環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)和電磁閥、卷簾器的狀態(tài)信息發(fā)送給無線模塊，無線模塊接受到相應(yīng)的信息，依據(jù)與智能監(jiān)控中心的協(xié)議發(fā)送到監(jiān)控中心連接的無線模塊，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的上傳，同時，監(jiān)控中心亦會向下位機發(fā)送控制指令，秧棚采集控制器收到指令后進行解析，執(zhí)行相應(yīng)的操作[11-12]。

3系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1上位機監(jiān)控軟件設(shè)計智能監(jiān)控中心的監(jiān)控系統(tǒng)以Delphi作為開發(fā)語言，在此平臺上開發(fā)了群體水稻秧棚監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)能直觀的顯示各育秧棚內(nèi)的環(huán)境變化。并使用SQL2000數(shù)據(jù)庫功能，對采集到數(shù)據(jù)進行存儲，能夠顯示歷史數(shù)據(jù)，對比每天監(jiān)測的數(shù)據(jù)，能夠?qū)С鯡xcel文件。該系統(tǒng)以一種統(tǒng)一的、直觀的圖形化界面使得操作人員能方便地運用鼠標和鍵盤進行操作，使得本系統(tǒng)在試驗與推廣時顯得更加方便、靈活，系統(tǒng)查詢功能如圖4所示。

3.2系統(tǒng)運行驗證在10棟育秧大棚中選擇1棟作為示范棚，布局13個傳感器，另外9棟為標準棚，布局4個傳感器，針對育秧棚中的空氣溫濕度、土壤水分、土壤溫度、CO2濃度、土壤pH值、光照強度等參數(shù)進行實時采集，黑龍江八五九農(nóng)場科技園區(qū)系統(tǒng)運行期的監(jiān)控界面見圖5。

4結(jié)語

針對目前育秧棚監(jiān)控現(xiàn)狀的不足，提出智能育秧群棚監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計，該系統(tǒng)利用電子技術(shù)、C語言程序設(shè)計技術(shù)實現(xiàn)了水稻育秧棚內(nèi)環(huán)境參數(shù)的實時采集，具有聲光報警、自動開關(guān)通風(fēng)卷簾、微噴澆灌、數(shù)據(jù)上傳等功能；應(yīng)用無線通信技術(shù)，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的遠程傳輸，解決了鋪設(shè)線路難等問題；利用計算機技術(shù)實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的日常管理、權(quán)限管理、遠程監(jiān)控等功能。該系統(tǒng)為實現(xiàn)水稻工廠化育秧提供了理論依據(jù)和技術(shù)支持，并且設(shè)計的系統(tǒng)經(jīng)實驗室調(diào)試、育秧棚現(xiàn)場安裝投入實際應(yīng)用，如在黑龍江省八五九農(nóng)場科技園區(qū)的10棟育秧棚內(nèi)運行整個育秧周期，結(jié)果表明系統(tǒng)性能優(yōu)良、操作方便、可滿足農(nóng)場目前實際需求，不僅實現(xiàn)了育秧棚環(huán)境的智能控制，系統(tǒng)存儲的大量數(shù)據(jù)還為農(nóng)場決策提供了數(shù)據(jù)支持，具有廣闊的發(fā)展前景。