基于工控機的智能化蠶種催青系統(tǒng)研究

劉 健 范 濤 代君君 孟慶杰 舒 蕊 章玉萍

(1安徽省農(nóng)業(yè)科學(xué)院蠶桑研究所，安徽合肥 230061; 2阜陽市農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心，安徽阜陽 236000)

基于工控機的智能化蠶種催青系統(tǒng)研究

劉 健1范 濤1代君君1孟慶杰2舒 蕊1章玉萍1

(1安徽省農(nóng)業(yè)科學(xué)院蠶桑研究所，安徽合肥 230061;2阜陽市農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心，安徽阜陽 236000)

蠶種催青技術(shù)對蠶種孵化整齊度和家蠶體質(zhì)至關(guān)重要，直接影響蠶桑生產(chǎn)。但催青技術(shù)仍主要停留在人工或人工加自動化保護家蠶胚胎發(fā)育階段的環(huán)境調(diào)節(jié)，無法從實際意義上實現(xiàn)蠶種催青的智能化、現(xiàn)代化控制。基于蠶種發(fā)育特點和對蠶種催青技術(shù)參數(shù)的充分分析，研究了基于工業(yè)控制計算機(以下簡稱工控機)的智能化蠶種催青技術(shù)，優(yōu)化了催青室控制設(shè)備，將智能化監(jiān)測軟件與工控機結(jié)合，實現(xiàn)系統(tǒng)對催青胚胎的發(fā)育值的測定，并根據(jù)測定值在線調(diào)節(jié)催青室中的濕度、溫度、光照等因子，提高了控制系統(tǒng)的自動控制程度與自適應(yīng)能力。

蠶種;催青;胚胎發(fā)育;工控機;在線測量軟件

蠶桑產(chǎn)業(yè)是我國傳承已久的農(nóng)業(yè)優(yōu)勢產(chǎn)業(yè)，而且隨著我國人民生活水平的提高，絲綢制品越來越受到人們的青睞。但傳統(tǒng)的養(yǎng)蠶技術(shù)已越來越不適應(yīng)現(xiàn)代蠶桑產(chǎn)業(yè)發(fā)展的需要，研發(fā)智能養(yǎng)蠶控制系統(tǒng)對于蠶桑產(chǎn)業(yè)的提質(zhì)升級具有重要的意義。養(yǎng)蠶過程主要包括蠶種催青和農(nóng)戶飼養(yǎng)2個重要環(huán)節(jié)，其中蠶種催青對蠶桑產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有重要作用［1］。蠶種催青技術(shù)自產(chǎn)生以來逐步得到發(fā)展，并實現(xiàn)了工業(yè)生產(chǎn)模式，為提高蠶種催青控制系統(tǒng)的自動控制程度、適應(yīng)能力及降低人工成本，我們針對蠶種催青時的技術(shù)要求及如何測定胚胎的發(fā)育情況，提出了基于工業(yè)控制計算機(以下簡稱工控機)的智能蠶種催青控制系統(tǒng)，提高了控制系統(tǒng)的自動控制程度與自適應(yīng)能力?，F(xiàn)將有關(guān)情況報告如下，供同仁參考。

1 系統(tǒng)技術(shù)方案

1.1 蠶種催青技術(shù)簡介

蠶種催青技術(shù)是指將解除滯育的蠶種放在滿足一定溫濕度要求的環(huán)境中催動家蠶胚胎發(fā)育孵化的技術(shù)，因為家蠶胚胎在孵化前1 d蠶種將變成藍(lán)色，故該過程被稱為蠶種催青［2－3］。催青是養(yǎng)蠶的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其質(zhì)量的好壞將直接影響到家蠶的生長發(fā)育和蠶繭的產(chǎn)、質(zhì)量。然而決定蠶種催青質(zhì)量的關(guān)鍵因素在于催青室能否滿足蠶種催青所需要的溫濕度等環(huán)境條件。隨著自動化技術(shù)在催青技術(shù)中的應(yīng)用，我國不少地方已經(jīng)實現(xiàn)了高密度蠶種催青，主要表現(xiàn)在輕質(zhì)金屬組合催青板架的應(yīng)用，催青室空氣循環(huán)系統(tǒng)的推廣，恒溫、恒濕設(shè)備的引進(jìn)，分布式工控機控制網(wǎng)絡(luò)的實現(xiàn)等方面［4］(圖1)。

圖1 高密度蠶種催青室

以上4種因素共同推動了高密度催青技術(shù)的實現(xiàn):金屬組合催青架板，容量大、體積小，便于拆卸，透氣性好，增大了催青密度;空氣循環(huán)系統(tǒng)為催青室建立動態(tài)氣流有利于建立衛(wèi)生、有效的催青環(huán)境;恒溫、恒濕設(shè)備改善了催青室的環(huán)境因素，更有利于家蠶胚胎的發(fā)育;分布式工控機控制系統(tǒng)實現(xiàn)了對催青室各個因素的監(jiān)測、控制，大大減小了人力投入，提高了蠶種孵化率。但當(dāng)前的催青技術(shù)仍有很多不足之處:系統(tǒng)實時控制效果不佳、測量誤差較大;仍需要人工大量巡視，無法實現(xiàn)高度自動控制;需通過解剖蠶種確定當(dāng)前胚胎的發(fā)育狀態(tài)［5］。因此，實現(xiàn)智能化的催青控制技術(shù)對蠶業(yè)發(fā)展具有重要意義。

1.2 系統(tǒng)需求分析

基于工控機的智能化蠶種催青控制系統(tǒng)應(yīng)克服當(dāng)前催青控制系統(tǒng)的缺點，滿足催青技術(shù)要求，具有遠(yuǎn)程操作及較高程度的自動化控制水平，圖2為本文研究的智能催青控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計圖，其所需的主要功能如下:一是具有實時監(jiān)測催青室溫度、濕度等功能;二是自動分析報警功能，即可智能分析出催青室參數(shù)超標(biāo)情況，并有報警功能;三是具有智能計算模塊，可根據(jù)系統(tǒng)載入的模型自動計算、控制各個催青室的設(shè)備;四是符合工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)要求，具有遠(yuǎn)程監(jiān)測與控制功能。

圖2 系統(tǒng)控制設(shè)計圖

2 智能化蠶種催青控制相關(guān)因素

2.1 催青控制因素探究

濕度、溫度、光照程度、空氣流通程度等因素是影響蠶種催青和胚胎發(fā)育的主要因素，其中濕度和溫度是影響蠶種胚胎發(fā)育的主要因素，也是催青技術(shù)中公認(rèn)的難把握因素［3］。在外界自然環(huán)境中，溫度高低的分布一般是上高下低，濕度則呈上小下大分布;在室內(nèi)若進(jìn)行人工恒溫恒濕控制，則室內(nèi)不同位置的溫度和濕度值經(jīng)常會跟隨設(shè)備的分布位置與熱輻射大小而呈現(xiàn)出不同的變化。為了使室內(nèi)不同位置的蠶種胚胎發(fā)育程度相近，勢必要讓不同位置的蠶種享受相近的環(huán)境因素，很多催青室均采用調(diào)種、搖卵等方式改善種胚的周圍環(huán)境。如表1所示，為了探究影響催青室不同位置溫度、濕度的因素，我們選擇了18個測試點對催青室內(nèi)不同狀態(tài)下的溫度、濕度進(jìn)行測試。

表1 催青室不同位置不同狀態(tài)下的溫度、濕度值

由表1可以看出，在自然狀態(tài)下，同一層不同位置的溫度與相對濕度值相差較小，最大的差值為0.4℃和4.0%，但相對濕度較低;而在升溫加濕無循環(huán)狀態(tài)下，同一層不同位置的溫度與相對濕度差值較大，最大差值可達(dá)1.1℃和21%;若在升溫加濕的條件下加入空氣循環(huán)，則同一層不同位置的溫度與相對濕度差值則大大減小(分別為0.4℃和4.0%)。因此，催青室中通過升溫加濕保持室內(nèi)恒溫恒濕的重要因素是加入空氣循環(huán)，其主要作用是加速室內(nèi)冷熱空氣對流，縮小溫差、均衡室內(nèi)濕度、提高空氣含氧量。

2.2 催青室循環(huán)結(jié)構(gòu)

室內(nèi)循環(huán)對于蠶種催青具有重要作用，設(shè)計催青室循環(huán)系統(tǒng)時要充分考慮內(nèi)外循環(huán)的方向設(shè)置因素、循環(huán)功率及循環(huán)參數(shù)。圖3為本系統(tǒng)設(shè)計的智能催青室循環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。智能催青室循環(huán)系統(tǒng)由主氣孔、氣腔、風(fēng)道等組成，可以控制室內(nèi)氣流流向，增加室內(nèi)主動換氣動力，改善室內(nèi)微循環(huán)。

2.3 胚胎發(fā)育進(jìn)程鑒定

由于家蠶胚胎在發(fā)育的不同階段有鮮明的特征區(qū)別，長期以來人們都是根據(jù)這些特征來確定胚胎的發(fā)育進(jìn)程。根據(jù)以往的研究經(jīng)驗，家蠶滯育卵的發(fā)育一般經(jīng)歷以下幾個階段:前滯育階段、滯育階段、越冬階段、臨界階段、器官形成階段、發(fā)育完成階段［6］。在蠶種胚胎的不同發(fā)育階段對催青室的溫度、濕度條件有不同的要求，以往的催青技術(shù)人員均是通過解剖胚胎確定其發(fā)育階段進(jìn)而調(diào)整催青室的溫度、濕度指數(shù)，隨著自動化技術(shù)在蠶桑產(chǎn)業(yè)的應(yīng)用，利用計算機技術(shù)確定家蠶胚胎發(fā)育進(jìn)程的技術(shù)已經(jīng)被提出，本文引進(jìn)數(shù)字化胚胎認(rèn)定思想，通過識別胚胎的積溫指數(shù)，確定胚胎的發(fā)育進(jìn)程，進(jìn)而獲得催青室所需的溫、濕度要求。

圖3 智能催青室循環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3 系統(tǒng)設(shè)計

3.1 催青室系統(tǒng)設(shè)計思路

圖4 催青室控制網(wǎng)絡(luò)

本系統(tǒng)催青室的網(wǎng)絡(luò)控制結(jié)構(gòu)如圖4所示，是以工控機為控制核心，以windows系統(tǒng)為控制平臺，集數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)輸出模塊于一體，接入胚胎發(fā)育程度鑒定模塊，可實現(xiàn)智能化信息采集、自適應(yīng)調(diào)節(jié)控制環(huán)境參數(shù)等功能。其中數(shù)據(jù)采集模塊采集的信息包括催青蠶種的品名、數(shù)量等基本信息，催青要求及達(dá)到各發(fā)育階段的積溫要求，催青室內(nèi)的各種環(huán)境因素等。催青室的數(shù)據(jù)采集與輸出模塊均采用PC總線型兼容模塊，進(jìn)而實現(xiàn)對催青室內(nèi)各個狀態(tài)的監(jiān)測與控制。

3.2 催青控制系統(tǒng)

本系統(tǒng)采用模塊化軟件設(shè)計方法，采用主程序逐級調(diào)用子程序的編程思路，其中主要控制模塊有數(shù)據(jù)采集程序模塊、系統(tǒng)信息傳輸程序模塊、信息處理程序模塊及信息控制模塊等。首先數(shù)據(jù)采集模塊對催青室的溫濕度等信息進(jìn)行采集，并將采集到的數(shù)據(jù)利用系統(tǒng)信息傳輸通道傳輸給信息處理模塊，信息處理模塊將信息進(jìn)行處理，同時會根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)處理結(jié)果做出相應(yīng)的響應(yīng)，如升高或降低催青室的溫度等。系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸結(jié)構(gòu)圖、整個系統(tǒng)的接線圖分別如圖5和圖6所示。

圖5 催青室數(shù)據(jù)采集與傳輸?shù)木植拷Y(jié)構(gòu)圖

圖6 系統(tǒng)接線圖

4 結(jié)束語

通過分析影響蠶種催青過程的主要因素，確定了空氣循環(huán)是決定催青質(zhì)量的重要因素，設(shè)計了基于工控機的智能蠶種催青控制系統(tǒng)。此系統(tǒng)采用數(shù)字化識別蠶種胚胎發(fā)育進(jìn)程的技術(shù)，集家蠶胚胎發(fā)育進(jìn)程鑒定，實時監(jiān)測蠶種催青室環(huán)境，在線調(diào)整催青室中的濕度、溫度、光照、氣流等多功能于一體，增強了催青控制系統(tǒng)的準(zhǔn)確性與自適應(yīng)性，為蠶種催青技術(shù)的發(fā)展提供了一個方向。

［1］徐青，劉小芬.提高蠶種催青一日孵化率的關(guān)鍵技術(shù)體會［J］.安徽農(nóng)學(xué)通報，2015，21(14):141－142.

［2］中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院蠶業(yè)研究所.中國養(yǎng)蠶學(xué)［M］.上海:上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，1991:430.

［3］肖順斌，朱水芬，楊文.簡易溫濕度自動控制系統(tǒng)的研制及在蠶種催青上的應(yīng)用［J］.中國蠶業(yè)，2011，32(1):68－71.

［4］黎泉，劉迪，何奇文，等.蠶種催青架控制系統(tǒng)設(shè)計［J］.中國農(nóng)機化學(xué)報，2015(1):58－61.

［5］陶凌，聶惠娟.基于RS－485總線的蠶種催青控制系統(tǒng)［J］.微計算機信息，2008(10):111－113.

［6］蘭自勉，潘慶流.蠶種催青室溫濕度自動控制系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用試驗［J］.中國蠶業(yè)，2013，34(1):69－72.

S882.3+4

B

1007－0982(2016)04－0077－05

10.16839/j.cnki.zgcy.2016.04.017

2016－06－17;接受日期:2016－10－11

安徽省農(nóng)業(yè)科學(xué)院學(xué)科建設(shè)項目(編號16A0617);現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系建設(shè)專項(編號CARS－22)。

第1作者信息:劉健(1973—)，男，安徽合肥，碩士，農(nóng)藝師。Tel:0551－65154995，E-mail:lsj0551@sina.com

信息:范濤(1962—)，男，安徽合肥，碩士，研究員。Tel:0551－62826686，E-mail:fantao116@sohu.com