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摘要：

通過控制卷覆膜機、電熱膜以及電磁閥，構(gòu)建基于移動苗床的溫室“小環(huán)境”，以葉用薯尖為例研究全程自動化控制算法；并將育苗過程分為三個階段，以溫度為控制核心，采用基于區(qū)分白天和黑夜及時間驅(qū)動模式，設(shè)計一種基于嵌入式和傳感技術(shù)的智能移動苗床控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)實現(xiàn)越冬薯尖扦插后育苗環(huán)境的全程自動化控制；集控中心實現(xiàn)多類種苗不同培育期在同一溫室內(nèi)的統(tǒng)一管理，降低了育苗的人工成本；精準(zhǔn)控制育苗小環(huán)境也提高育苗效率，縮短育苗周期，增加經(jīng)濟效益；可以推廣到其他品類蔬菜育苗系統(tǒng)中。

關(guān)鍵詞：

葉用薯尖；自動化；智能苗床；越冬育苗

0引言

作物的越冬育苗是市場需求的必然要求，在冬季、早春等低溫時節(jié)的育苗作業(yè)中，需要利用溫室加熱系統(tǒng)［1］對整個溫室內(nèi)環(huán)境進(jìn)行加溫，能耗大、運行成本高；同時還要在苗床上搭蓋塑料薄膜來增加苗床的蓄熱、保濕能力［2］，工作量大、效率低下。為解決上述問題，王銳等人針對這類系統(tǒng)進(jìn)行了改造性的研究，并定型了基于移動苗床的溫室“小環(huán)境”控制裝置，即通過移動苗床拱棚裝置、加熱隔熱系統(tǒng)，建立苗床及作物的獨立加熱保溫小環(huán)境，實現(xiàn)節(jié)能降耗，并利用苗床覆膜機自動完成塑料薄膜的覆蓋、卷收功能，解放勞動力、提高作業(yè)效率［3］。經(jīng)過兩年來的不斷改進(jìn)升級，鑒于該苗床優(yōu)秀的節(jié)能效果，在市場上已經(jīng)經(jīng)受住了考驗，武漢地區(qū)的育苗企業(yè)已經(jīng)開始應(yīng)用該種苗床［4］，提升育苗成苗率41．4％，降低單株苗加熱成本69％以上［5］。隨著勞動力成本［6］的增加，苗床群大規(guī)模、集群自動化控制需求將越來越高。為了進(jìn)一步解放勞動力，將育苗扦插完成后的環(huán)境控制參數(shù)自動設(shè)定在分控器中，精準(zhǔn)區(qū)分每個苗床育苗不同時期和狀態(tài)，將育苗過程的環(huán)境需求工藝抽象出來，開發(fā)出了基于薯尖育苗的全程自動控制算法，并將其植入到控制系統(tǒng)中，實現(xiàn)薯尖育苗扦插完成后的全自動控制，讓工人專注于扦插工作。用精準(zhǔn)、數(shù)字化來武裝傳統(tǒng)設(shè)施栽培領(lǐng)域［79］，為工廠化育苗在同一溫室內(nèi)集群管理和柔性化生產(chǎn)提供了便利。

1系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)分為移動苗床集控中心主控制器和每個苗床上安裝的分控制器，通過線纜或無線設(shè)備連接。苗床控制器預(yù)留了RS485通信接口，保證多個苗床控制器可以組成總線通信系統(tǒng)，掛接到中央控制器進(jìn)行集中管理與監(jiān)控，集控中心只需要支持RS485通信協(xié)議，可以與苗床企業(yè)原有管理設(shè)備兼容通用。一般現(xiàn)有苗床都規(guī)整方正，現(xiàn)場覆膜加熱系統(tǒng)也有現(xiàn)成的有線路，因此一般采用有線模式；而遵守RS485通信協(xié)議的無線設(shè)備則使控制器位置分布則更加靈活。此扁平架構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、組網(wǎng)方便、功能強、抗干擾能力好、面向控制的優(yōu)點。移動苗床集控中心為集中管控系統(tǒng)，可以為原有管理設(shè)備增加軟件。苗床分控制器負(fù)責(zé)監(jiān)控每個苗床小環(huán)境的具體控制實施。

2育苗工藝

本次選用葉用薯尖［1011］作為實驗對象，它是一種深受消費者喜愛的新型綠色蔬菜。根據(jù)文獻(xiàn)［12］葉用薯尖工廠化育苗技術(shù)，在霜凍前利用溫室為其提供適宜的環(huán)境條件，用刀片將葉用薯的主枝或側(cè)枝切下，插入專用基質(zhì)中生根，本文主要關(guān)注扦插后苗床小環(huán)境的自動調(diào)節(jié)管理。扦插成活前管理：覆蓋一層薄膜保濕，溫度不宜超過30℃，中午遮強光。扦插成活后管理包括肥水和溫光調(diào)控：（1）肥水管理：葉用薯尖喜肥水，應(yīng)保持基質(zhì)濕潤，濕度應(yīng)達(dá)到80％～90％。每7d澆1次500倍液氮磷鉀（20—20—20）三元復(fù)合肥。（2）溫光調(diào)控：葉用薯尖種苗對溫度要求較高，一般在18～30℃范圍內(nèi)，隨著溫度升高，葉用薯尖種苗生長越快，溫度高于30℃后生長緩慢，且易老化。葉用薯尖種苗對光照的要求不高，正常即可。參考《蔬菜標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)技術(shù)規(guī)范》等［1314］相關(guān)文獻(xiàn)，其他類型蔬菜溫度控制也有多個階段，但至少包含三個階段：出苗、生長（根部健壯、生長）、煉苗。經(jīng)過苗床企業(yè)的大量實驗［5］，將葉用薯尖工廠化抽象為以下幾個時期：1）生根期（第1～5天，亦稱為存活期）養(yǎng)護：需保證苗床內(nèi)空氣溫度25～30℃，濕度90％左右，每日短時通風(fēng)換氣，白天打開溫室內(nèi)保溫層以增加透光量。第3～4天可生根。2）發(fā)根期（第5～10天）養(yǎng)護：需保證苗床內(nèi)空氣溫度20～25℃，濕度70％～80％，若溫度允許可長時間通風(fēng)換氣（常規(guī)作業(yè)方式下此階段已撤走薄膜），白天打開溫室內(nèi)保溫層以增加透光量。此階段末期種苗根部可生長至3～5cm。3）生長期（第10～20天，其中第15～20天稱為煉苗期）養(yǎng)護：需保證苗床內(nèi)空氣溫度15℃～20℃，濕度70％～80％，若溫度允許可長時間通風(fēng)換氣，白天打開溫室內(nèi)保溫層以增加透光量，夜晚則采取低于白天5℃左右溫差進(jìn)行調(diào)控。此階段末期種苗根部盤旋。

3主控器設(shè)計

3．1管理功能

集中管理和控制所有苗床，可以選擇單個苗床控制，也可以分組控制，多臺聯(lián)動。集中顯示每個苗床工作狀態(tài)和育苗時間日歷。還可以根據(jù)當(dāng)批次的育苗效果二次配置各種苗的育苗工藝參數(shù)，并下發(fā)到分控制器。控制模式分為自動控制和手動控制模式。手動模式可以直接控制卷覆膜正反轉(zhuǎn)、加熱膜通斷電等。自動模式則是根據(jù)育苗日歷和育苗工藝來自動比對計算然后再自動操作相關(guān)執(zhí)行機構(gòu)。

3．2育苗日歷

根據(jù)輸入育苗品種類型主動計算出最優(yōu)時間周期和控制參數(shù)，還可以根據(jù)出苗時間倒推控制區(qū)間。生根期非常關(guān)鍵，也就是扦插成活前管理，常規(guī)情況膜是一直覆著的。如果是訂單生產(chǎn)時間需要的話，也是通過適當(dāng)拉長發(fā)根期和生長期的周期，并降低溫度實現(xiàn)，生根期（存活期）保持不變。起始日模式則是按照最短最優(yōu)時間標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置。

3．3工藝配置

依據(jù)育苗工藝抽象的階段，分為白天和黑夜模式，以溫度控制目標(biāo)為核心進(jìn)行程控。1）白天模式：（1）水肥管理：配合卷覆膜（光照，通風(fēng)），每7天澆1次500倍液氮磷鉀（20—20—20）三元復(fù)合肥。（2）扦插成活前管理：卷膜主狀態(tài)關(guān)閉，對應(yīng)傳統(tǒng)覆膜期，濕度超限換氣。（3）扦插成活后管理：（此階段傳統(tǒng)已經(jīng)無膜，主要為了節(jié)能，且溫度能控制精準(zhǔn)些）棚外溫度大于或者等于棚內(nèi)溫度時開膜通風(fēng)；棚外溫度長期低于棚內(nèi)溫度、棚內(nèi)濕度高于設(shè)定值時開膜透氣?？梢灶A(yù)設(shè)幾種動作模式，如早上10點和下午4點開膜透氣一段時間（預(yù)設(shè)為10min）換氣；中午11～13點關(guān)膜遮光；如果卷膜打開了長時間通風(fēng)，加熱系統(tǒng)就暫時不工作（盡量減少能耗）。2）黑夜模式：與白天溫差在5℃左右，夜晚因為無光線，除濕度超限下，卷膜常閉，這樣便于節(jié)能。

3．4通信協(xié)議

分為配置下發(fā)和指令下發(fā)，指令又分為自動模式和手動模式。配置下發(fā)：包括下發(fā)育苗工藝和育苗日歷，是離線調(diào)整工藝和在線下發(fā)日歷。育苗工藝下發(fā)后，分體控制器下一次育苗時采用最新下發(fā)的育苗工藝。育苗日歷則是將當(dāng)前育苗時間同步到分體控制器，強制定義現(xiàn)階段條件。指令下發(fā)：自動模式下以當(dāng)前階段的溫度目標(biāo)進(jìn)行調(diào)控設(shè)備，還可以內(nèi)置固化多條條件控制方法。如約定方法一：通風(fēng)10min，完成開膜，停止加溫，10min后關(guān)閉膜等一系列動作。手動模式：可以直接操作卷覆膜的開關(guān)、加熱系統(tǒng)開關(guān)、噴灌系統(tǒng)開關(guān)、設(shè)置溫度目標(biāo)。

4分控制器設(shè)計

現(xiàn)場控制器也就是分體控制器［15］，是該系統(tǒng)的核心，包括電源模塊、濕度傳感檢測單元、溫度傳感檢測單元、控制驅(qū)動單元、RS—485通信接口、外部按鍵接口、液晶顯示單元、數(shù)據(jù)存儲模塊、時鐘模塊、微控制器MCU微控制單元。

4．1采集單元

由于控制器要完成苗床拱棚小環(huán)境的溫濕度控制，因此控制器的溫濕度傳感檢測單元分別設(shè)計了兩路檢測接口，一路測量苗床拱棚內(nèi)小環(huán)境的溫濕度信息，另一路測量苗床拱棚外的空氣溫濕度信息。濕度傳感檢測單元主要實現(xiàn)空氣濕度的在線測量，同時轉(zhuǎn)換為數(shù)字量供微控制器MCU讀取。濕度傳感檢測單元包括濕度傳感器、電阻分壓網(wǎng)絡(luò)、濾波保護電路、AD模數(shù)轉(zhuǎn)換器。采集空氣濕度信息采用HM1500LF濕度傳感器。它是一種電容式線性電壓輸出濕度模塊，具有高可靠性和長時間穩(wěn)定性，在5V直流供電時，0～100％RH對應(yīng)輸出1～3．6VDC線性電壓，溫度依賴性非常低。保證采集傳感探頭信號的準(zhǔn)確性、一致性、穩(wěn)定性。溫度傳感檢測單元主要實現(xiàn)空氣溫度的在線測量，采集空氣溫度信息采用的數(shù)字式溫度傳感器DS18B20，具有接線方便、耐磨耐碰、體積小、適應(yīng)性強、適用于各種狹小空間測溫和控制領(lǐng)域。由于其直接輸出數(shù)字信號，可以直接與微控制器MCU的IO口連接，按特定協(xié)議讀取溫度數(shù)據(jù)。AD模數(shù)轉(zhuǎn)換器采用Microchip公司的18位A／D轉(zhuǎn)換芯片MCP3424，它具有低噪音，高精度，自動對失調(diào)和增益誤差進(jìn)行校正，分辨率可調(diào)，提供兩種轉(zhuǎn)換模式特點。

4．2控制驅(qū)動單元

控制驅(qū)動單元主要完成苗床卷膜管狀電機、紅外電熱膜、噴灌電磁閥的控制功能?？刂乞?qū)動單元主要由光耦隔離器TLP181、松樂SLA—12VDC—SL—C型繼電器、開關(guān)管NUD3160組成。從邏輯上又可分為低壓控制電路和高壓工作電路兩部分，低壓控制電路包括微控制器MCU的IO口、光電耦合器、MOS開關(guān)管、電磁繼電器線圈、保護電路；高壓工作電路包括AC電源、電磁繼電器常開觸點、受控電機或電熱膜。

4．2．1管狀電機

卷膜管狀電機的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、停止控制原理示意圖如圖5所示。本控制器設(shè)計了兩路控制驅(qū)動電路，通過微控制器的兩路IO口按一定邏輯控制其通斷，組合完成對管狀電機正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、停止三個狀態(tài)的控制。此設(shè)計有效地避免了微控制器IO口狀態(tài)異常所導(dǎo)致的管狀電機誤動作，從而造成設(shè)備的損壞。

4．2．2遠(yuǎn)紅外電熱膜

一組電熱膜控制只需設(shè)計一路控制驅(qū)動單元，通過微控制器MCU的一個IO口即可完成加熱的啟?？刂啤蝹€苗床有多組電熱膜，兩塊電熱膜共用一個IO口控制。4．2．3噴灌電磁閥每個苗床只需設(shè)計一路控制驅(qū)動單元，通過微控制器MCU的一個IO口即可完成，可以根據(jù)棚內(nèi)濕度，或日歷定時信息，實現(xiàn)自動噴灌。

4．3外部按鍵

外部按鍵接口主要實現(xiàn)人為手動設(shè)定苗床控制器相關(guān)參數(shù)、設(shè)備狀態(tài)，如目標(biāo)溫度參數(shù)設(shè)定、卷膜展開或收攏、電熱膜加熱控制、電磁閥開關(guān)。外部按鍵接口通過微動開關(guān)與微控制器MCU的IO連接，MCU查詢檢測相應(yīng)IO狀態(tài)來判斷按鍵開關(guān)是否按下。本控制器共設(shè)計了7個按鍵，分別是卷膜收攏、展開、停止，目標(biāo)溫度升溫、降溫，水閥開關(guān)，反饋。反饋苗情基于成本考慮，默認(rèn)長勢和預(yù)期相同不操作，如果該階段長勢不太好，巡視階段，可以點擊反饋按鈕，搜集反饋信息，系統(tǒng)記錄后調(diào)整溫度控制目標(biāo)和日歷時間。

4．4軟件設(shè)計

4．4．1時間驅(qū)動

STM32的實時時鐘（RTC）是一個獨立的定時器。STM32的RTC模塊擁有一組連續(xù)計數(shù)的計數(shù)器，在相應(yīng)軟件配置下，可提供時鐘日歷的功能。還可以采用DS3231的時鐘芯片。修改計數(shù)器的值可以重新設(shè)置系統(tǒng)當(dāng)前的時間和日期。定時驅(qū)動讀取控制目標(biāo)。

4．4．2時鐘同步

采用主從模式，采用純軟件方式實現(xiàn)，開發(fā)簡單易于實現(xiàn)，由主控器定時校準(zhǔn)。

4．4．3軟件流程

分控制器的運行流程依靠時間驅(qū)動和事件驅(qū)動兩種方式。

5結(jié)論

以葉用蔓尖的越冬育苗為例，利用現(xiàn)有移動苗床及其集控系統(tǒng)，對薯尖的整個育苗周期進(jìn)行試驗研究，獲取薯尖育苗過程中的各項環(huán)境參數(shù)變化規(guī)律，利用嵌入式技術(shù)將該參數(shù)固化到苗床分體控制器中，由中心控制器集中管理、配置分體控制器，實現(xiàn)對苗床群的集中智能化管理，使薯尖育苗處于系統(tǒng)給予的最優(yōu)參數(shù)化環(huán)境中進(jìn)行，提高薯尖的育苗效率，并實現(xiàn)扦插后育苗過程的無人職守，反饋方法基于成本考慮，只有在巡視中按鍵反饋，后期將進(jìn)一步改進(jìn)。該集控系統(tǒng)符合精準(zhǔn)數(shù)字農(nóng)業(yè)特點，該方法還可以推廣到其他蔬菜育苗過程中，實現(xiàn)一對多集中控制及遠(yuǎn)程控制，提高系統(tǒng)整體自動化水平。

作者：張尉 王銳 高星星 肖進(jìn) 單位：武漢市農(nóng)業(yè)科學(xué)技術(shù)研究院農(nóng)業(yè)機械化科學(xué)研究所

參考文獻(xiàn)

［1］周長吉．現(xiàn)代溫室工程［M］．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2010．

［2］李霞，解迎革，薛緒掌，等．溫室內(nèi)密閉小環(huán)境降溫除濕效果及蒸騰水循環(huán)利用［J］．農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2010，26（8）：254～259．

［3］王銳，廖劍，萬勇，等．移動苗床用自動卷覆膜機的設(shè)計［J］．中國農(nóng)機化學(xué)報，2015，36（1）：136～138．

［4］王銳，廖劍．溫室育苗自動覆膜控溫移動苗床［J］．長江蔬菜，2014，（21）：9～10．

［5］廖劍，王銳．自動覆膜控溫移動苗床的設(shè)計與試驗［A］．全國設(shè)施園藝產(chǎn)業(yè)發(fā)展與安全高效栽培技術(shù)交流會論文匯編［C］．武漢：中國園藝學(xué)會，2015．

［6］金三林，朱賢強．我國勞動力成本上升的成因及趨勢［J］．經(jīng)濟縱橫，2013，（2）：37～42．

［7］辜松，楊艷麗，張躍峰，等．荷蘭蔬菜種苗生產(chǎn)裝備系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀及對中國的啟示［J］．農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2013，29（14）：185～194．

［8］尚慶茂，張志斌．構(gòu)建工廠化育苗網(wǎng)絡(luò)促進(jìn)現(xiàn)代蔬菜產(chǎn)業(yè)發(fā)展［J］．中國蔬菜，2008，28（6）：1～4．

［9］李中華，王國占，齊飛．我國設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展思路［J］．中國農(nóng)機化，2012，33（1）：7～10．

［10］沈光華．紅薯蔓尖越冬育苗技術(shù)［J］．農(nóng)村新技術(shù)，2012，（11）：6～7．

［11］古松．長江流域保護地葉用薯尖周年栽培技術(shù)［J］．中國蔬菜，2015，（10）：88～89．

［12］梁歡，李愛成，李其友，等．葉用薯尖工廠化育苗技術(shù)［J］．長江蔬菜，2015，24（8）：16．

［13］陳徳明，郁樊敏．蔬菜標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)技術(shù)規(guī)范［M］．上海：上海科學(xué)技術(shù)出版社，2013．

［14］辜松．蔬菜嫁接育苗生產(chǎn)技術(shù)及裝備［M］．北京：中國農(nóng)業(yè)出版社，2006．

［15］劉波文．ARMCortex—M3應(yīng)用開發(fā)實例詳解［M］．北京：電子工業(yè)出版社，2011．