引言
世界的水稻種植區域主要集中在亞洲，約占世界水稻種植面積的 90% ，產量接近糧食總產的 50% 。
水稻是我國糧食種植面積最大、單產最高、總產最多的作物之一。催芽在水稻生產過程中起著決定性的作用，溫度、水分和空氣是水稻催芽過程中非常重要的條件。水稻催芽是人為地創造適合種子發芽的條件、促使種子在適宜的條件下提早發芽的一種措施。傳統催芽的方法\\(如煤灰催芽法、蒸汽催芽以及新興的溫室催芽、電熱毯催芽等\\)因很難控制催芽所需的溫度、水分等條件，很容易出現爛種、爛芽等異?，F象，造成經濟損失;同時，每次的催芽數量受到限制，生產步驟多，不僅浪費大量的人力資源，而且生產效率低。為了滿足現代化、大規模、高效水稻種植生產的需求，本文設計了一種水稻智能化催芽監控系統。該系統可以滿足催芽過程中所需的環境參數，幾乎不需要工作人員監控，實現全自動化水稻催芽生產，促使水稻芽種產業進一步朝著規?；?、自動化以及智能化方向發展。
1 系統整體設計
該水稻智能化催芽監控系統設備配備 1 臺注水泵和 1 臺回水泵;配備主控裝置與溫度、水位檢測系統;配備分控裝置和 1 臺鍋爐\\(電鍋爐或燃油鍋爐\\)、檢測系統\\(溫度及水位\\)、循環泵、弱噴淋系統。其結構示意圖如圖 1 所示?！緢D1】
本系統由支撐系統、浸種催芽箱、熱水箱、排水系統、回水系統、注水系統、給水系統、循環系統及排煙系統等部分組成。支撐系統包含各箱體支撐、種子托架及管路支撐等;浸種催芽箱作為種箱，由玻璃鋼箱板組裝，數量為 5 ～ 10 箱\\(根據生產量配置\\);熱水箱用于催芽時調整催芽溫度，可同時對兩個種箱進行催芽;排水系統用來排放作業中產生的廢水;回水系統是在催芽過程中將種箱內的水送回熱水箱;注水系統是在催芽過程中將調整好溫度的熱水注入種箱;給水系統是由外來水源給各個箱內加水;循環系統的作用是調整箱體內部水溫不均\\(包含加熱鍋爐和噴淋系統\\);排煙系統是用來排放掉燃油鍋爐加熱過程中產生的廢氣。
水稻催芽監控系統的主要生產過程為:首先將所需種子裝入浸種催芽箱里，然后注水泵將水注入;鍋爐工作后，由傳感器\\(水位，溫度\\)將數據傳送到主控計算機，使溫度穩定在一定值，溫度、水循環經計算機軟件設置的要求來智能程控;浸種完成后，將箱體內的水排掉，熱水箱將工作，計算機控制種子催芽工序開始;通過計算機遠程監控，循環泵調節水溫，滿足種子所需破胸溫度后，由注水泵將水注入到箱體。需要注意的是，該系統的浸種箱與催芽箱是同一個設備箱體，不需要改變種子的位置，只需重新調節溫度和換水即可。最后，再由循環噴淋系統實現浸種箱溫度均勻性的同步調節。此生產過程不僅可以由計算機遠程監控，還可由分控器和主控器進行單獨控制。
2 水稻催芽監控系統設備功能
2． 1 整體設備功能
該監控系統使用計算機技術完成浸種、催芽生產控制過程，全面實現遠程監控，并且在同一生產線內的種箱可以完成浸種、催芽兩種功能。系統采用主控、分控結合技術:主控系統使用 Windows 操作系統，主控軟件為具有自主知識產權的專用軟件;分控系統由工業嵌入式計算機及固化專業軟件組成。
為了全面反映箱內溫度，該監控系統實現了每箱多處溫度測量計算控制，并使用多傳感器巡回檢測技術，可對浸種、催芽位置的溫度進行監控。其減小了傳感器誤差及系統誤差，使用溫度值及最大誤差雙指標設置，實現控制誤差在設置范圍內。其生產過程無需人工干預，只需在計算機上設置所有的工作，在整個生產工藝參數的設定范圍內，可以手動和自動控制。這套設備不僅使催芽過程智能化，而且避免催芽過程中所產生的一些意外現象。例如，當意外停電再來電時，使用該系統的運行記憶功能，工作系統會自動恢復并且數據不會丟失;當意外關閉運行的計算機系統后，使用控制系統功能離線工作，系統仍然會在預設的工作參數和程序下運行;催芽過程中常常出現靜水浸種溫度不均且嚴重缺氧等問題，使用弱流噴淋、增氧及溫度均衡等技術來避免這類問題的出現。該設備還具有以下功能:①注水時水位自動控制;②回水時水位自動控制;③二次回水時間自動控制;④水在箱內停留時間自動控制;⑤注水間隔時間自動控制;⑥鍋爐加熱自動控制;⑦調水降溫自動控制;⑧浸、催兩種作業可以同時進行。
2． 2 熱效率高，能耗低
第 1 次催芽加熱后熱水箱的熱量可被下次催芽利用，催芽箱數越多能耗越低。其能耗成本較電加熱方式低 20% 以上，達到了節約能源的目的。
2． 3 環保、使用壽命長
采用無污染、無腐蝕的玻璃鋼箱體，設備使用壽命達 10 年以上。單箱可生產 2． 5 ～ 15t，自動控制可同時催 2 箱，手動控制可同時催 4 箱。使用計算機集中控制，實現了觀察數據在控制室內，人員、品種、時間、溫度、設備運行狀態及生產過程測量參數自動記錄、永久存儲。本浸種、催芽設備首創大型間歇水浴工藝完全自動控制，可使弱芽勢種子與強芽勢種子同時出芽，合格種子的芽種生產質量可達芽率 95% 以上\\(長度 2mm 的等芽長芽率\\)，且芽型為雙山型。
3 監控系統的軟件設計及實現
3． 1 組態軟件在上位機中的應用
主控窗口的組態設計是水稻催芽監控系統的主窗口或主框架，主要應用的 MCGS 軟件。圖 2 所示為熱水箱動畫顯示控制圖。工藝流程:通過水井泵的工作，向熱水箱里注水，之后雙擊組態屏上的循環泵，點擊加熱器，對熱水箱進行加熱;水溫滿足破胸溫度后，在催芽過程中通過注水泵將調整好溫度的水注入浸種箱;回水泵工作時，將浸種箱里的水送回熱水箱，如此達到催芽目的;雙擊排水閥，可排掉催芽過程中產生的廢水;通過動畫界面的觀察，可以清晰地判斷設備進行何種工作以及工作過程中水流的方向。其動畫界面左側顯示水位、溫度以及平均數據，通過這些數據可以更好地掌控催芽的狀態。通過該界面的操作就可以對閥、泵、鍋爐的開關狀態進行控制，從而達到操作系統的目的。
3． 2 數據庫組態設計
數據庫組態是整個組態軟件的核心部分。數據是分布式控制系統的信息來源，一個工程項目中所有需要監測和控制的點都在數據庫組態中完成。
該設計的數據庫包括以下類型:數值型、字符型、開關型。數值型包括催芽調溫下限、存儲數據時間、當前工作種箱狀態、當前工作種箱平均溫度、水位、平均溫度、啟動時間、加熱器關閉溫差、加熱器開啟溫差、浸種上限、浸種下限等數據;字符型包括當前種箱漢字、當前種箱水位漢字、當前狀態漢字、工作狀態漢字、種箱編號等數據;開關型包括泵閥輸出控制、泵閥輸入狀態、當前種箱低水位、當前種箱高水位、當前種箱中水位、低水位、高水位、回水閥、加熱、排水閥、通信狀態、循環泵、注水閥、種箱注水閥狀態、種箱回水閥狀態等數據。
3． 3 設備變量的定義
該設計中設備變量包括開關量和模擬量:開關量是地址 0 字開頭的變量，模擬量是寄存器 4W 開頭的變量。表 1 為一部分設備變量數據，通過對設備變量定義，達到設備運行的目的。
3． 4 Modbus 協議介紹
本組態軟件設計主要以 Modbus 協議為核心，通過該協議可以實現設備之間的相互通信。此協議不僅能檢測錯誤及對錯誤進行記錄，并且描述了控制器請求訪問其它設備的過程。當在 Modbus 網絡上進行通信時，此協議決定了控制器要產生何種命令。在網絡技術迅速發展的今天，Modbus 協議廣泛應用在各種工廠自動化領域中，不同的控制設備通過 Modbus協議可以連成工業網絡。Modbus 協議之所以被廣泛采用，主要是因為 Modbus 具有以下特點:
1\\)Modbus 傳送方式廣泛，可以在各種介質上傳送\\(光纖、無線等\\);2\\)Modbus 協議具有幀格式簡單并且容易操作等優點;3\\)Modbus 是具有開放性、高性價比等特點的網絡通信協議，其應用較為靈活，用戶可以免費使用 Modb-us 協議;4\\) Modbus 可以支持多種電氣接口。
4 系統設備測試
在水稻催芽過程中，溫度起著決定性的作用。對系統設備運行進行一段時間的測試，觀察所需溫度數據是否滿足催芽所需條件。在浸種過程中，根據要求溫度需保持 10 ～12℃，測試結果如表 2 所示。在破胸過程中，種箱內溫度需保持在 30 ～ － 32℃，測試結果如表 3 所示。根據表 2、表 3 可知:在浸種與破胸期間，鍋爐的開關狀態會隨箱內溫度的變化而發生改變，使箱內溫度保持在浸種與破胸需要的范圍內。上述測試結果表明，水稻在浸種與破胸期間系統的工作狀態正常。
5 結論
針對目前水稻催芽傳統、低效的手段，設計了一種水稻智能化催芽監控系統，以解決利用傳統方式、靠人工手動監控各個環境因子所帶來的不便，提高生產效率，實現規?；?、智能化。該系統能夠穩定保持催芽所需的溫度以及水循環，準確讀取數據，起到實時、全方位監測與控制的作用。其通過控制鍋爐、循環泵、注水閥、回水閥等設備的工作情況，把各環境參數調整到最適合水稻催芽范圍內，保證了芽種的產量及質量，為水稻催芽產業的發展提供了自動化技術支持。
參考文獻:
［1］ 韓霞，李佐同，于立河． 水稻浸種催芽技術的研究現狀及發展趨勢［J］． 農機化研究，2012，34\\(8\\):88 －91．
［2］ 吳建偉，辛穎，王成，等． 智能化水稻催芽監控系統的設計［J］． 農機化研究，2013，35\\(8\\):79 －81．
［3］ 譚景光，史春雨． 對 DJC 智能程控水稻芽種生產線的改進建議［J］． 現代化農業，2010\\(9\\):79 －82．
［4］ 朱萍． 基于 ZigBee 技術的水稻催芽智能監控系統的研究［D］． 哈爾濱:東北農業大學，2013．
［5］ 易衛平，金龍新，李宏告，等． 21 世紀初湖南水稻類型及品種\\(組合\\)探討與預測［J］． 湖南農業科學，1999\\(6\\):75 －77．
［6］ 吳順鵬． 組態軟件上位機監控系統設計與開發［J］． 科技信息，2008\\(21\\):408 －412．
［7］ 賈文婷． Modbus 串行鏈路協議符合性測試系統的研究和開發［D］． 北京:北京交通大學，2008．
