一種馬鈴薯晚疫病小型監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)的研究

朱 黎，蘇 鵬

(湖北民族學(xué)院信息工學(xué)院，湖北恩施445000)

我國(guó)是一個(gè)馬鈴薯晚疫病發(fā)生頻率較高的國(guó)家［1］.作為馬鈴薯主產(chǎn)區(qū)的恩施州部分地區(qū)幾乎年年受到馬鈴薯晚疫病的困擾.人們一直試圖尋找一種用打藥次數(shù)最少、防治效果最佳的方案.由于晚疫病的發(fā)生與作物抗性、環(huán)境的溫度和濕度(降雨)密切相關(guān)，因此利用各種環(huán)境參數(shù)可以對(duì)晚疫病的發(fā)生做出預(yù)測(cè)和預(yù)報(bào)，在該病害大面積發(fā)生前進(jìn)行藥劑防治［2］.

本文根據(jù)世界上常用的馬鈴薯晚疫病監(jiān)測(cè)預(yù)警模型(Wallin模型)，設(shè)計(jì)了一種馬鈴薯晚疫病小型監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng).在Wallin模型中，通過(guò)傳感器監(jiān)測(cè)相對(duì)濕度大于或等于某個(gè)值(如90%)期間內(nèi)的最高和最低溫度以及相對(duì)濕度大于或等于某個(gè)值(如90%)的小時(shí)數(shù)，然后根據(jù)生長(zhǎng)季節(jié)累計(jì)風(fēng)險(xiǎn)值預(yù)測(cè)馬鈴薯晚疫病首次爆發(fā)的時(shí)間.風(fēng)險(xiǎn)值是根據(jù)相對(duì)濕度大于或等于90%的小時(shí)數(shù)和期間的平均溫度來(lái)確定的，風(fēng)險(xiǎn)值是從出苗后開(kāi)始計(jì)算，計(jì)算方法見(jiàn)表1.當(dāng)累計(jì)風(fēng)險(xiǎn)值達(dá)到18～20后，則預(yù)報(bào)在7～14 d內(nèi)將發(fā)生晚疫病危害進(jìn)行第一次施藥防治［3］.該模型已在世界范圍內(nèi)得到了廣泛評(píng)價(jià)，在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中上具有一定的可靠性.

表1 Wallin模型中風(fēng)險(xiǎn)值分配表Tab.1 Distribution of value－at－risk in Wallin model

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)由太陽(yáng)能供電部分、傳感器參數(shù)采集部分、單片機(jī)控制部分、液晶顯示部分組成，系統(tǒng)框圖如圖1所示.其中傳感部分采用DHT11數(shù)字溫濕度傳感器采集馬鈴薯生長(zhǎng)環(huán)境的溫度、濕度;控制部分采用AVR ATmega128單片機(jī)將溫濕度數(shù)據(jù)按照Wallin模型的原理計(jì)算風(fēng)險(xiǎn)值，結(jié)果通過(guò)LCD12864進(jìn)行顯示，當(dāng)風(fēng)險(xiǎn)值達(dá)到設(shè)定的閾值時(shí)，通過(guò)系統(tǒng)的GSM傳輸模塊TC35將預(yù)警信息發(fā)送給馬鈴薯種植戶(hù)，便于種植戶(hù)及時(shí)采取各種防治措施.

本系統(tǒng)的電源部分采用太陽(yáng)能板與12 V蓄電池連接，組成持續(xù)的供電系統(tǒng)從而保障系統(tǒng)的持續(xù)供電.太陽(yáng)能電池板接入預(yù)設(shè)的電源接口，經(jīng)過(guò)DC－DC穩(wěn)壓模塊穩(wěn)壓之后提供給鋰電池用以充電，鋰電池接口之后安裝了L7805穩(wěn)壓電路，進(jìn)行降壓處理，以5 V電壓接入系統(tǒng)的采集、控制、顯示和發(fā)送模塊，系統(tǒng)實(shí)物圖如圖2所示.

圖1 系統(tǒng)框圖Fig.1 The architecture of the system

2 軟件設(shè)計(jì)

在Wallin模型中，需要采集馬鈴薯生長(zhǎng)環(huán)境中的濕度和溫度參數(shù)，當(dāng)濕度參數(shù)達(dá)到90%以上時(shí)，開(kāi)始記錄在該濕度條件下的小時(shí)數(shù)，并計(jì)算期間的平均溫度Ta，再分析平均溫度的分布定級(jí)，此文中設(shè)為A、B、C三個(gè)等級(jí)，其中A 等級(jí)為 7.2～11.6℃，B 等級(jí)為 11.7～15.0℃，C等級(jí)為15.1～26.6℃.最后通過(guò)濕度大于或等于90%以上的小時(shí)數(shù)和平均溫度Ta的分布等級(jí)確定相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)值M，當(dāng)M達(dá)到18時(shí)，則可認(rèn)為馬鈴薯晚疫病將極有可能在7至14天內(nèi)發(fā)生，需要向GSM發(fā)送指令，向指定用戶(hù)發(fā)送預(yù)警信息，總體流程圖［4－6］如圖3所示.

如果沒(méi)有接收到主機(jī)發(fā)送開(kāi)始信號(hào)，傳感器模塊DHT11不會(huì)主動(dòng)進(jìn)行溫濕度采集，收到開(kāi)始信號(hào)后，DHT11從低功耗模式切換到高速模式，主機(jī)開(kāi)始信號(hào)結(jié)束后，DHT11發(fā)送響應(yīng)信號(hào)，送出40bit的數(shù)據(jù)，并觸發(fā)一次信號(hào)采集，用戶(hù)可選擇讀取部分?jǐn)?shù)據(jù)［7］.溫濕度采集流程圖如圖4所示.

紅外遙控的程序主要用于讀取紅外遙控器的每一個(gè)按鍵所對(duì)應(yīng)的編碼［5］，配合LCD12864顯示即可設(shè)計(jì)出簡(jiǎn)易的菜單，其中包括功能鍵和數(shù)字鍵.紅外遙控的流程圖如圖5所示.

圖2 實(shí)物圖Fig.2 the photograph of the system

圖3 系統(tǒng)總體流程圖 Fig.3 The flow － process of the system

圖4 溫濕度采集流程圖Fig.4 The flow chart of temperature and humidity acquisition

圖5 紅外遙控流程圖Fig.5 The flow chart of infraved remote control

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

1)系統(tǒng)預(yù)警測(cè)試.該系統(tǒng)實(shí)物完成后進(jìn)行了模擬測(cè)試，由于系統(tǒng)理論模型中的溫度和濕度采集時(shí)間較長(zhǎng)，最低持續(xù)時(shí)間達(dá)到9 h，最高持續(xù)時(shí)間超過(guò)了25 h，為了測(cè)試方便，本次測(cè)試時(shí)，將系統(tǒng)理論模型進(jìn)行了修改，將參數(shù)采集時(shí)間單位縮小到分鐘，將理論模型中的平均溫度范圍進(jìn)行了自定義，此次定義在30℃至33℃的區(qū)間，如表2所示.

表2 參數(shù)修改后的風(fēng)險(xiǎn)值對(duì)應(yīng)表Tab.2 Distribution of ralue－ at－risk after modifying parameters

保存設(shè)置后，對(duì)溫濕度傳感器進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，當(dāng)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到的溫度和濕度超過(guò)閾值時(shí)，向預(yù)先設(shè)置的電話(huà)發(fā)送預(yù)警信息，如圖6所示.

從圖6可以得知，對(duì)溫濕度傳感器模擬的環(huán)境參數(shù)為:環(huán)境相對(duì)濕度在60%以上的分鐘數(shù)不超過(guò)15min，溫度為32℃，相對(duì)濕度為66%，得到的風(fēng)險(xiǎn)值為0.系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到的溫度和濕度參數(shù)按照Wallin模型給出的計(jì)算方法也能夠得到風(fēng)險(xiǎn)值為0.

2)風(fēng)險(xiǎn)值測(cè)試.為了監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的兼容性，在測(cè)試時(shí)更換了SIM卡，并對(duì)修改后的各種環(huán)境進(jìn)行了模擬，延長(zhǎng)了系統(tǒng)在閾值下的工作時(shí)間，得到了幾組不同的數(shù)據(jù)，從而對(duì)風(fēng)險(xiǎn)值進(jìn)行測(cè)試，如圖7所示.

本次系統(tǒng)設(shè)計(jì)分別對(duì)環(huán)境溫濕度持續(xù)時(shí)長(zhǎng)做了調(diào)整，按照預(yù)先設(shè)定的計(jì)算規(guī)則分別模擬了系統(tǒng)預(yù)警風(fēng)險(xiǎn)值為0和2的環(huán)境條件.當(dāng)環(huán)境相對(duì)濕度達(dá)到閾值時(shí)，持續(xù)保持該條件15 min以?xún)?nèi)，當(dāng)停止模擬環(huán)境條件時(shí)，目標(biāo)手機(jī)收到含有風(fēng)險(xiǎn)值的信息，如圖7(a)所示.保持模擬環(huán)境條件20 min內(nèi)停止，則目標(biāo)手機(jī)收到還有風(fēng)險(xiǎn)值的短信，此時(shí)風(fēng)險(xiǎn)值為2，如圖7(b)所示.

圖6 預(yù)警短信內(nèi)容Fig.6 An early warning message

圖7 兩種不同工作時(shí)長(zhǎng)條件下的風(fēng)險(xiǎn)值Fig.7 The value－ at－ risk under two kinds of different working hours

4 結(jié)語(yǔ)

從測(cè)試結(jié)果來(lái)看，本系統(tǒng)在進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間監(jiān)測(cè)時(shí)，如果遇見(jiàn)極端天氣持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)的情況，系統(tǒng)的正常工作將面臨巨大的挑戰(zhàn).因此，平均溫度的計(jì)算上采用了達(dá)到閾值條件下的最高溫度和最低溫度得到的算數(shù)平均值作為該段時(shí)間內(nèi)的平均溫度，如此，便可有效降低數(shù)據(jù)量對(duì)系統(tǒng)存儲(chǔ)空間的要求.從單片機(jī)與監(jiān)測(cè)模型的結(jié)合來(lái)看，將單片機(jī)作為數(shù)據(jù)處理和控制的核心單元具有很強(qiáng)的開(kāi)放性，不同地區(qū)有著不同的地理和氣候條件，只需通過(guò)查閱小區(qū)域的氣候水文資料，并確定相近的監(jiān)測(cè)模型就能在本系統(tǒng)中予以實(shí)現(xiàn)，采用本文提出的設(shè)計(jì)思想具有較強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義.

［1］ 謝開(kāi)云.比利時(shí)馬鈴薯晚疫病預(yù)警系統(tǒng)及其在我國(guó)的應(yīng)用［J］.中國(guó)馬鈴薯，2001，15(2):67－71.

［2］ 謝開(kāi)云等.馬鈴薯晚疫病常用預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)模型簡(jiǎn)介［C］//2005年全國(guó)馬鈴薯產(chǎn)業(yè)學(xué)術(shù)年會(huì)論文集，2005.

［3］ Wallin J R..Forecasting tomato and potato late blight in the northcentral region(Abstr)［J］.Phytopathology，1951，41:37 －39.

［4］ 何立民.單片機(jī)高級(jí)教程應(yīng)用與設(shè)計(jì)［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2007:2－3.

［5］ 潘小琴.基于單片機(jī)的簡(jiǎn)易紅外遙控鍵盤(pán)研究［J］.寧波職業(yè)技術(shù)學(xué)院報(bào)，2007，11(2):52－54.

［6］ 嚴(yán)雨，廉潔.AVR單片機(jī)C語(yǔ)言100例［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2012:1－5.

［7］ 岳靜.ZigBee溫濕度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)研究［J］.煤炭技術(shù)，2011，30(1):176－179.