0、引言
黑龍江省屬于溫帶大陸性季風氣候,是我國重要的糧食基地。黑龍江省的農業生產以農墾總局的大規模集約化生產為主,到2012年黑龍江省的水稻種植面積逾333.3萬hm2。目前,黑龍江省農墾總局的水稻種植生產以工廠化、集約化模式進行,對水稻的浸種、育秧、種植、收獲全程實行集中管理。農墾總局下各個農場建有大規模的工廠化育秧棚,方便農戶集中進行育秧,且可強化管理、降低成本。但是,目前育秧棚的環境調控多數還是采用人工控制或簡單的自動控制,造成勞動強度大、育秧環境差,無法實現信息化、自動化生產。
王鵬等采用低功耗設計方法,以MSP430F149單片機為核心,由基于SHT11數字溫濕度傳感器、液晶顯示、鍵盤、電源和無線傳輸等模塊組成監測系統。
席桂清等提出并開發了基于GSM網絡的智能監測系統,可以測量、顯示、存儲環境溫濕度和土壤水分信息,每隔設定時間或大棚內溫濕度超過設定的閾值,系統通過GSM網絡自動發送數據到指定手機上,方便、快捷、準確地指導稻農進行育苗管理。田芳明等采用MSP430F149以及低功耗網絡傳輸芯片SM51,盡可能降低系統能耗,PC機與大棚控制器間利用無線收發設備傳輸數據和控制指令,通過監控中心可進行育秧棚內信息的采集;系統具有微噴、通風卷簾的自動控制等功能。
上述研究中,棚內傳感器到控制器之間仍需要敷設明線。棚內采集參數越多,線纜敷設量和成本越大,而且影響棚內農事生產,易損壞。本研究采用嵌入式技術、傳感器技術、無線通信技術、計算機技術和自動控制技術,實現了群體育秧棚環境的自動調節,提升了農場育秧生產過程的自動化程度,降低了勞動強度及成本,實現了秧苗最優生長環境。
1、系統總體設計
系統結構如圖1所示。由于多數農場集中了幾十棟育秧棚,進行集中育秧、集中管理,為保苗壯秧提供便利設施及條件。如果采用計算機集中控制,勢必無法照顧全面。因此,本系統采用集散控制方法,由中央控制室計算機作主控機,負責全局的調控;在每個棚室設置嵌入式控制器做下位機,完成數據采集、數據傳輸、控制指令執行、環境調控等功能。由于工廠化育秧棚規模大、占地廣,如果計算機與下位機之間的數據通信采用有線數據傳輸的形式,現場布線工作量大、成本高,并且電纜過長會造成信號衰減。因此,本系統采用無線傳輸模塊,完成計算機與下位機之間的數據傳輸。為減少棚內布線、提高系統可靠性,棚內控制器與執行器、傳感器之間采用ZigBee模塊,棚內各節點自動組網;為降低系統成本,自制控制器網關節點,用于組織棚內無線節點間的通信和完成與上位機之間的信息傳輸。為了使農戶隨時隨地了解秧苗生長環境狀況,本系統通過GSM模塊,定時將育秧棚環境狀況發送至農戶手機,農戶也可以通過手機查詢當前狀況,管理層人員還可以通過手機對育秧棚進行控制。為保證育秧環境控制的安全、可靠,系統除了通過計算機進行控制外,設置了手動控制系統,在計算機系統出現故障時,農戶可以通過手動部分完成對育秧環境的控制。
2、下位機系統設計
下位機負責采集棚內參數,將參數傳送給上位機,并接收上位機指令,控制相應的執行機構,對棚內環境進行調控。下位機系統包括控制器及棚內網關兩部分。
2.1控制器設計
控制器根據網關所發指令,控制執行器完成棚內環境調節。棚內環境調節執行機構主要由左右兩側卷膜器和灌溉電磁閥構成。圖2為左卷膜器控制電路圖。圖2中,L1_M_U和L1_M_D分別為單片機輸出I/O口,L1_U_O和L1_D_O分別為光耦輸出控制卷膜器上升和下降的繼電器。為防止出現撕毀棚膜現象和確定卷膜器所在位置,左右卷膜器的行程上都安裝了上、中、下位置開關。圖2中的L1_T、L1_M和L1_B分別是左卷膜器的上、中和下位置開關,在卷膜器到達上、下極限位置時,及時切斷卷膜器電源,同時可以檢測卷膜器所在位置。卷膜器采用24V直流電機KOS4060,最大扭矩32N·m,最大卷高3m,轉速5r/min;電磁閥采用24V直流電磁閥DF1-25。為了避免繼電器動作對單片機系統產生電磁干擾,在單片機控制輸出引腳加接光電耦合器,隔離5V系統和24V系統;光耦輸出通過接線端子連接外部繼電器,由繼電器的常開觸點接通卷膜器和電磁閥,利用繼電器的常閉觸點構成電機互鎖保護電路。
工作時,上位機發送自動控制或上位機手動控制指令給棚內網關,網關根據上位機的指令,通過SPI接口發送給控制器。如果是上位機手動控制指令,上位機只是發送開或閉信號,網關直接將該信息傳送給控制器即可;如果是自動控制指令,上位機會把自動控制的上下限閾值發送給網關,網關根據實時采集的測量數據與閾值做比較,對應將執行機構的開或閉信號傳輸給控制器?？刂破鞲鶕W關給出的指令驅動光耦,使外接繼電器動作,接通執行機構電源。
2.2棚內ZigBee網關設計
網關是下位機系統的核心,負責與上位機無線通信,接收指令、發送采集數據;與控制器SPI通信,發送指令、接收執行機構狀態;與采集節點通信,接收棚內環境數據。網關有現成產品,但是價格昂貴,因此自行研究設計網關部分,使成本是現有產品的1/100,可以連接節點數255,在棚室內已經足夠,如有需求還可以增加到65535個。
網關電路如圖3所示。網關核心采用的是STC12C5A08S2,具有雙串口,滿足了本系統的雙串口通訊需求,UART0端口通過MAX232做電平轉換,連接無線模塊SRWF_1028,與上位機進行數據傳輸,SR-WF_1028工作頻率433MHz,通訊距離2500m,滿足目前工廠化育秧基地的距離要求;UART1端口用于與ZigBee模塊ATZGB_S3通信,ATZGB_S3工作頻率780MHz,工作電壓DC2.2~3.6V,接口電平為LV_TTL,不能與單片機電平兼容。因此,單片機通過電平轉換器做電平轉換,連接ATZGB_S3。2個模塊掛接在同一個單片機上,如果同時工作,SRWF_1028的信號會淹沒ATZGB_S3的信號;但是,在網關程序設計上,把兩者的通信分時段進行,避免了信號間的相互干擾。
2.3棚內ZigBee節點設計
棚內節點完成采集棚內環境參數、接收網關指令、發送采集數據等功能。每個節點采集的參數包括2個空氣溫濕度、1個土壤溫度、1個土壤水分、1個土壤pH值、1個照度、1個CO2濃度,棚內節點數量可以根據棚內參數采集的需要而增加或減少。根據節點功能需求,選擇STC12C5410AD作為節點的核心,具有8路8位/12位的ADC,單片機除掛接數字傳感器和模擬傳感器外,還接有ATZGB-S3Zigbee從節點無線模塊,連接方法同圖3網關方法。同時,考慮到用戶需求增加,系統擴容方便,留出4個備用A/D轉換接口,可以接入直流電壓/電流信號。
傳感器使用情況如下:空氣溫濕度傳感器采用DHT21,測量范圍分別為-40~100℃和0~100%RH,每個參數16位數字量輸出,單總線接口;土壤溫度采用工業級防水密封處理的DS18B20;土壤pH值測量采用了GPS-650金屬PH電極,具有耐腐蝕、壽命長的特點;輸出信號4~20mADC;照度傳感器采用了SS6101,測量范圍0~200000Lux,電源24VDC,輸出4~20mADC;CO2濃度傳感器采用了BM-1000,測量范圍0~10000×10-6;電源24VDC,輸出4~20mADC,4~20mADC信號由250Ω精密電阻轉為1~5VDC信號,送給單片機做A/D轉換;土壤濕度傳感器采用DBT-1,電源24VDC,輸出4~20mADC,輸出由100歐精密電阻轉為0.4~2VDC信號。
2.4下位機系統軟件設計
下位機系統軟件流程如圖4所示。
首先,下位機系統中網關、控制器、各節點初始化,各節點開始進行數據采集、轉換;網關在沒有收到上位機指令時,依次向各節點發送指令,接收采集數據,并存于RAM。當收到上位機索要數據指令時,網關順序發出采集數據;當收到上位機控制指令時,網關進行指令處理,然后向控制器發送控制指令,并等待控制器返回執行機構運動狀態。為防止程序跑飛、死循環,各個單片機都啟動了“看門狗”定時器。
3、上位機軟件管理功能
上位機完成數據處理、下位機管理、GSM短信收發等功能,系統采用C#語言設計,模塊化結構,圖形界面簡單,易于操作,功能如圖5所示。
下位機通過無線模塊按棚號順序向各個網關收集數據,并存儲于數據庫,通過運算處理顯示各個棚的環境參數。顯示形式以數字、圖形、曲線形式為主,用戶隨時可以調用歷史數據,進行分析、報表、打印等操作。上位機對育秧棚環境控制可以采用手動控制和自動控制兩種形式:手動控制是通過鼠標點擊界面中的圖標按鈕,直接向網關發送卷簾和電磁閥的控制指令;自動控制是由用戶設定控制閾值,由程序按照設定算法,自動向網關發送控制指令,無需人工再參與。
上位機還可以利用GSM短信模塊將棚室內狀況或控制報警信息發送到農戶手機,也可以接收農戶通過手機發來的控制指令。
4、結語
本系統在洪河農場安裝運行1個月,共安裝了6棟棚,每棟面積為870m2。從運行狀況來看,系統成本低、運行穩定、采集參數準確、控制方式靈活,減少了大量的人力資源投入,節約了水資源。
參考文獻:
[1]王鵬,譚峰.低功耗水稻育秧秧棚監測系統的設計[J].黑龍江八一農墾大學學報,2011,23\\(3\\):78-81.
[2]席桂清,田芳明,衣淑娟,等.寒地水稻育秧大棚智能監測系統設計與試驗[J].農機化研究,2011,33\\(11\\):40-43.
[3]田芳明,譚峰,衣淑娟.基于單片機的低功耗水稻育秧棚監控系統設計[J].農機化研究,2011,33\\(11\\):15-19.
