可控溫度與時(shí)間的植物病毒熱鈍化系統(tǒng)

劉艷　許建民　王永平　等

摘要：高溫脫毒法的原理是病毒粒子不耐高溫。本研究設(shè)計(jì)了一種綜合考慮脫毒溫度、脫毒時(shí)間、光環(huán)境等因素的植物病毒鈍化結(jié)構(gòu)及系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括主控制器和多個(gè)控制分站，各控制器之間采用ZigBee方式無線通信；工作時(shí)將需要鈍化病毒的植物莖段放入鈍化終端，由主控制器設(shè)置病毒鈍化的參數(shù)，鈍化終端執(zhí)行溫度、光質(zhì)、時(shí)長的控制。經(jīng)過野外試驗(yàn)表明，該系統(tǒng)具有響應(yīng)速度快、控制精度高、適用范圍廣和工作穩(wěn)定可靠等特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：植物病毒；熱處理；鈍化系統(tǒng)

中圖分類號： S24；S126文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A文章編號：1002-1302（2015）01-0376-05

收稿日期：2014-04-03

基金項(xiàng)目：江蘇省科技支撐計(jì)劃（編號：BE2011349）；江蘇省鎮(zhèn)江市科技計(jì)劃（編號：NY2010023）。

作者簡介：劉艷（1983—），女，內(nèi)蒙通遼人，碩士，助理研究員，主要從事環(huán)境微生物研究。E-mail：cauee@163.com。

通信作者：王永平，教授，主要從事園藝植物組織培養(yǎng)研究。E-mail：wyp1961@126.com。熱處理脫毒是根據(jù)病毒與寄生細(xì)胞對高溫的忍耐程度不同，選擇適當(dāng)?shù)臏囟群吞幚頃r(shí)間處理植物，由于植物的生長速度超過病毒的擴(kuò)散速度，可得到小部分不含病毒的植物分生組織，再進(jìn)行無病毒個(gè)體培育，從而達(dá)到脫毒的目的[1]。

植物病毒熱脫毒一般通過熱水或熱空氣進(jìn)行[2]。最早利用熱處理治療植物病害是采用溫湯浸漬。在植物病害的處理中最成功的的例子是在1923年采用溫湯處理甘蔗的一種病毒病[3]。目前已經(jīng)在馬鈴薯、百合、草莓、甘薯、葡萄、梨、油桃和蘋果等多種植物的脫毒培養(yǎng)中得到應(yīng)用[4-12]。目前，熱脫毒技術(shù)都需將植株全部放入加熱介質(zhì)中，長期熱處理容易造成植物熱致死。

針對以上存在問題，本研究設(shè)計(jì)了一種綜合考慮植物生長特性、可變溫?zé)崽幚怼⑼瑫r(shí)可調(diào)節(jié)鈍化期間光質(zhì)等因素的植物病毒鈍化裝置及系統(tǒng)。該裝置采用熱空氣處理的方法，只需將植物部分莖段進(jìn)行高溫處理，而不需將植物全部放入加熱介質(zhì)中，可精確控制植物熱鈍化的時(shí)間和溫度。該系統(tǒng)能在大田中直接使用，而不需將植物移植到室內(nèi)或苗缽。

1系統(tǒng)設(shè)計(jì)

考慮到獲取外植體的外界植物生長地方不同和實(shí)用方便情況，采用無線ZigBee通信技術(shù)，主站控制多個(gè)從站的方式，并做防水、防泥沙處理。為了使用和查找更換方便，使用模塊化設(shè)計(jì)，包括電源模塊、主處理器模塊、輔助處理器模塊、ZigBee 通信模塊、鈍化終端模塊等。主站和多個(gè)從站之間采用ZigBee方式進(jìn)行無線通信。主站實(shí)現(xiàn)控制參數(shù)的設(shè)置、發(fā)送、界面顯示，同時(shí)采集從站溫度等相關(guān)的數(shù)據(jù)。從站接收、執(zhí)行主站發(fā)來的設(shè)置參數(shù)，進(jìn)行判斷、參數(shù)存儲、執(zhí)行溫度數(shù)據(jù)采集，實(shí)現(xiàn)恒溫驅(qū)動控制、LED光照等動作（圖1）。

2硬件設(shè)計(jì)

2.1電源模塊

控制分站的電源采用交流220 V供電，經(jīng)過開關(guān)電源變?yōu)橹绷麟?2 V，再經(jīng)過電源模塊電路，變?yōu)榭刂品终舅璧?5 V電源。直流電12 V經(jīng)過二極管D27單向保護(hù)，瞬態(tài)二極管D4保護(hù)，C1、C2濾波，輸入到穩(wěn)壓芯片U1。極性電容C4、電感L1組成輸出濾波電路，R1、R2組成分壓電路，R3、D6組成電源指示電路。該電源具有反向保護(hù)，輸出具有短路保護(hù)、過流保護(hù)等功能。采用開關(guān)穩(wěn)壓集成電路LM2576，效率高、輸出電流大，最大可獲得3A電流輸出。過流保護(hù)采用了瞬態(tài)電壓抑制器P6KE33A，有效保護(hù)電子線路中的精密元器件，免受浪涌脈沖的損壞?？刂品终镜母鞑糠帜K電路均為+5 V供電（圖2）。

2.2通信模塊

主站和從站之間采用ZigBee通信，通信所用ZigBee網(wǎng)絡(luò)基于IEEE 802.15.4國際標(biāo)準(zhǔn)、上層協(xié)議為ZigBee協(xié)議棧，具有低功耗、低速率、高可靠性、網(wǎng)絡(luò)路由功能強(qiáng)大、自恢復(fù)及冗余性能優(yōu)異等特點(diǎn)，本研究使用的是ZICM2410，通過串行口和主處理器輔助處理器相連（圖3）。

2.3ZigBee電源模塊

由于ZICM2410模塊使用的是3.3 V電源，使用CAT6219芯片將5 V電源轉(zhuǎn)化得到3.3 V電源，電源電路如圖4所示。

2.4輔助處理器模塊

輔助處理器作為從站的處理核心，從ZigBee接受數(shù)據(jù)并處理數(shù)據(jù)，并把從主站接受的鈍化相關(guān)參數(shù)交給鈍化模塊執(zhí)行。采用了工業(yè)級ATMEGA32AU單片機(jī)，是高性能、低功耗的8位AVR微處理器，內(nèi)部有32KB Flash、2K SRAM、8路10位A/D轉(zhuǎn)換、4通道PWM、32個(gè)可編程I/O口，有正常、空閑、掉電3種模式。其中JTAG1為程序下載口，完成程序的燒寫；裝有外部看門狗復(fù)位電路，PD0和PD1為串行通信接

口，負(fù)責(zé)與ZigBee通信模塊進(jìn)行通信；PD4-PD7連接撥碼開關(guān)S2，是4位一體編碼開關(guān)，用于設(shè)置控制分站的地址；PA口用于控制8路繼電器；PB口接8路溫度傳感器；PC0、PC1和PC6用于控制鈍化器中的LED燈光模塊（圖5）。

2.5鈍化終端模塊

鈍化終端模塊是從站的眼和手，負(fù)責(zé)采集外界溫度，執(zhí)行LED燈光控制和恒溫控制操作。

2.5.1鈍化終端LED燈光控制模塊植物生長誘導(dǎo)需要不同的光，燈光控制電路如圖6所示，連接輔助處理器的DS、ST_CP 和SH_CP，通過74HC595把串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為并行數(shù)據(jù)，控制8路鈍化終端的LED燈光，可實(shí)現(xiàn)RGB顏色任意組合，并可控制亮度。其中R1至R8為8路鈍化終端的紅色LED控制端，G1至G8為8路鈍化終端的綠色LED控制端，B1至B8為8路鈍化終端的藍(lán)色LED控制端。

2.5.2鈍化終端恒溫控制模塊鈍化終端的恒溫控制模塊的加熱器驅(qū)動電路的作用是控制鈍化器終端內(nèi)部加熱器，輸入為輔助處理器的JR1至JR8。由于加熱器采用220 V市電供電，安全方面考慮使用了繼電器進(jìn)行控制。由于單片機(jī)IO口的驅(qū)動能力有限，使用了一款電流放大芯片ULN2803，能有效增加驅(qū)動能力，從而控制繼電器的吸合，能有效控制加熱芯的供電開關(guān)（圖7） 。endprint

2.6主處理器模塊

主站作為大腦，由主控制器和對應(yīng)的ZigBee通信模塊組成。主控制器采用24 V開關(guān)電源供電，使用威綸通 MT6070iH 觸摸屏，內(nèi)置有存儲器、實(shí)時(shí)時(shí)鐘、串行通信接口、USB通信接口，通過RS232或RS485連接ZigBee，通過觸摸屏人機(jī)交互界面設(shè)置病毒鈍化的相關(guān)參數(shù)（如病毒鈍化溫度、鈍化時(shí)間、光照等），并存儲在非易失存儲器里，主處理器通過串行總線把數(shù)據(jù)發(fā)送給ZigBee，再通過ZigBee通信模塊無線發(fā)送給控制分站；由輔助處理器負(fù)責(zé)接受處理，同時(shí)輔助處理器也會把鈍化終端的各種參數(shù)（如溫度數(shù)據(jù)等）返回給主處理器，由主處理器顯示在觸摸屏界面上。

3系統(tǒng)軟件

系統(tǒng)軟件包括上位機(jī)軟件和下位機(jī)軟件2個(gè)部分。

下位機(jī)軟件主要包括ATMEG32管腳定義初始化、 傳感

器解析處理函數(shù)、加熱控制函數(shù)、ZigBee通信函數(shù)、初始化控制函數(shù)、74HC595輸出處理函數(shù)、外部看門狗，實(shí)現(xiàn)了溫度采集、光照、加熱的自動控制功能和ZigBee通信功能（圖8）。系統(tǒng)啟動時(shí)首先初始化，將得到的寄存器地址存儲。檢測ZigBee是否連接，未連接則重啟ZigBee模塊，喂狗。若是通信正常，則進(jìn)入大循環(huán)，等待由上位機(jī)的命令。上位機(jī)由用戶根據(jù)生物生長要求設(shè)置鈍化器的溫度、光照信息。下位機(jī)接到命令后，采集當(dāng)前溫度和設(shè)定值比較并開燈。若是溫度適合則不加熱，溫度高或低時(shí)控制繼電器的開合降低溫度或升高溫度，達(dá)到設(shè)定溫度。

上位機(jī)軟件使用威倫通公司的專用開發(fā)軟件開發(fā)。開機(jī)首先系統(tǒng)初始化，檢測ZigBee模塊的連接，未連接則重啟直至連接正常。將下位機(jī)發(fā)送的各個(gè)鈍化器狀態(tài)寫入對應(yīng)的寄存器，然后進(jìn)入操作界面，對需要操作的鈍化器進(jìn)行操作設(shè)置，發(fā)送給下位機(jī)。上位機(jī)和下位機(jī)是實(shí)時(shí)連接的。

4系統(tǒng)應(yīng)用

本裝置及系統(tǒng)已經(jīng)在江蘇農(nóng)林職業(yè)技術(shù)學(xué)院草莓基地得到應(yīng)用。使用過程中將“紅頰”草莓的匍匐莖放入鈍化器的套管中，然后設(shè)置鈍化溫度白天為38 ℃、夜間為20 ℃，經(jīng)過14 d的鈍化后，結(jié)合莖尖培養(yǎng)，剝離莖尖，同時(shí)剝離未經(jīng)熱處理的莖尖作對照，置于MS+0.5 mg/L BA的培養(yǎng)基上，進(jìn)行無菌培養(yǎng)，誘導(dǎo)出草莓組培苗后，采用酶聯(lián)免疫法檢測草莓斑駁病毒、草莓鑲脈病毒、草莓皺縮病毒，結(jié)果表明，脫除的比率高達(dá)95%。草莓苗在高溫鈍化期間沒有死亡，鈍化過程全部在大田進(jìn)行，降低了鈍化成本和勞動強(qiáng)度。

5結(jié)論

本研究結(jié)合植物熱脫毒中對溫度、時(shí)間、光照等的要求提出了一種植物病毒鈍化器的結(jié)構(gòu)及系統(tǒng)， 包括主控制器和多

個(gè)控制分站，各控制器之間采用ZigBee方式無線通信。主控制器包括相連接的第一、第二微處理器；控制分站包括第三微處理器和ZigBee通信模塊，第三微處理器與多個(gè)鈍化終端鏈接。工作時(shí)將需要鈍化病毒的植物放入鈍化終端，由主控制器設(shè)置病毒鈍化的參數(shù)，第三微處理器對鈍化終端執(zhí)行溫度、光質(zhì)、時(shí)長的控制，滿足不同植物的鈍化需求。該系統(tǒng)具有響應(yīng)速度快、控制精度高、適用范圍廣、工作穩(wěn)定可靠等特點(diǎn)。

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