物聯(lián)網現(xiàn)場總線的機插水稻集中育秧灌溉系統(tǒng)①

吳剛山 高蘇林 馬敬天 謝承輝 韋志帥

（1 江蘇農林職業(yè)技術學院 江蘇鎮(zhèn)江 212400； 2 南寧山河名榜科技有限公司 廣西南寧 530000）

集中育秧優(yōu)勢明顯，是各地農技推廣站大力推廣的農業(yè)技術。傳統(tǒng)水稻育秧秧田與大田比為1 ∶7，集中育秧機插育秧秧田與大田比可達1 ∶100，甚至1 ∶200。水稻集中育秧有利于土地規(guī)?；洜I，向現(xiàn)代農業(yè)發(fā)展，還有利于機械化插秧的推廣普及，促進雙季稻的恢復與發(fā)展，提高糧食產量，保障糧食安全。集中育秧多采用營養(yǎng)土作為育苗基質，秧苗的水分管理是集中育秧的關鍵技術，基本覆蓋了集中育秧的全過程。機插水稻集中育秧秧苗多采用旱地育秧，其水分管理原則與普通旱育秧苗基本相同。秧盤不能從土壤中得到水分補充，所以秧盤更易缺水，澆水次數要比普通育苗多，但水分過多不利于秧苗盤根，難以培育適合機插的秧苗。因此采用物聯(lián)網實現(xiàn)機插水稻秧苗集中育秧的管理，成為越來越多企業(yè)或農戶的選擇[1]。物聯(lián)網技術能大幅度降低農戶勞動量，但其設備比傳統(tǒng)電控設備復雜[2-4]。

1 RS 485 MODBUS RTU 通信協(xié)議與總線驅動模塊

RS 485 由RS 232 與RS 422 發(fā)展而來，彌補了RS 232 與RS 422 抗干擾能力差、通信距離短、速率低等缺點，增加了多點、雙向通信能力，即允許多個發(fā)送器連接在同一條主線上，同時增加了發(fā)送器的驅動能力與沖突保護特性，擴展了總線共模范圍。RS 485 MODBUS RTU 協(xié)議已經成為一種通用工業(yè)標準，通過協(xié)議，控制器與控制器、控制器通過網絡（以太網）與其他設備間可以實現(xiàn)串行通信。RTU 即遠程終端單元，消息中每8 位包含2個十六進制字符。在相同的波特率下，這種方法比ASCII 方式傳送的數據量大。大量農業(yè)物聯(lián)網傳感器均提供了RS 485 MODBUS RTU 通信協(xié)議接口。采用帶有RS 485 MODBUS RTU 通信協(xié)議接口的中間繼電器設計成電機、閥門總線驅動模塊，可以簡化現(xiàn)場接線與安裝。

2 物聯(lián)網云端管理架構

系統(tǒng)采用I-Preception 工業(yè)云平臺作為機插水稻集中育秧灌溉系統(tǒng)的物聯(lián)網管理系統(tǒng)，見圖1。系統(tǒng)是基于WEB 端的工業(yè)級云平臺，可以將用戶級應用發(fā)布成微信小程序。系統(tǒng)包含實時數據監(jiān)控、畫面監(jiān)控、趨勢曲線、報表管理、報警管理、全局腳本6 個功能模塊。

圖1 云平臺管理架構

I-Preception 工業(yè)云平臺通過MODBUS RTU、OPC、DDC 等數據接口將現(xiàn)場設備層設備通過工業(yè)網關采集到云平臺，并進行相關設備管理。業(yè)務層主要包括設備監(jiān)控、報表管理、數據管理、報警管理、統(tǒng)計分析、設備監(jiān)測、遠程組態(tài)等，用戶可以根據OPC 與API 等接口進行二次開發(fā)。遠程組態(tài)可以對灌溉系統(tǒng)進行定時灌溉、定量灌溉以及信息推送灌溉等，也可以進行更復雜的灌溉模式編輯。

3 物聯(lián)網現(xiàn)場總線設計

機插水稻集中育秧灌溉系統(tǒng)物聯(lián)網現(xiàn)場總線由4G 工業(yè)網關、總線變頻器、總線電磁閥驅動器1-6、總線大氣壓光照度傳感器、總線空氣溫濕度傳感器1-2、總線風速風向傳感器、總線空氣溫濕度傳感器1-4、總線苗盤溫濕度傳感器1-2。

4G 工 業(yè) 網 關 通 過MODBUS RTU、OPC、DDC 等數據接口將現(xiàn)場設備層設備通過工業(yè)網關采集進云平臺，并進行相關設備管理。總線變頻器采用標準MODBUS RTU 協(xié)議，主要用于調整在不同風速下的噴管壓力，以期各個苗盤均獲得良好的噴施。噴嘴采用高壓多噴頭自動旋轉噴嘴?？偩€空氣溫濕度傳感器1-4 主要布置在苗盤的200 mm 處與1 500 mm 處，其中1 500 mm 處安裝1 個，200 mm處安裝3 個。1 500 mm 處用于檢測環(huán)境的溫濕度，可以用于計算秧苗與秧苗盤的騰發(fā)作用。200 mm處的溫濕度用于測量與估算秧苗與秧苗盤的騰發(fā)作用。環(huán)境的溫濕度傳感器精度可達0.1 級，可以在秧苗與秧苗盤騰發(fā)作用顯著的情況下監(jiān)測秧苗盤的騰發(fā)作用。環(huán)境溫濕度同樣可以作為噴濕時機的判斷標準?？偩€大氣壓光照度傳感器主要提供環(huán)境光照度與大氣壓數據，對預估秧苗的騰發(fā)作用具有重要參考價值。大氣壓、光照數據、風速與濕度數據對秧苗的騰發(fā)作用有敏感影響因子[5]。通過這些數據的分析可以對秧苗盤的灌溉與噴施進行智能調整?？偩€苗盤溫濕度傳感器1-2 用于監(jiān)測秧苗盤的含水量，此類傳感器目前的測量精度為±5%，在嚴格的使用環(huán)境下，部分廠家的測量精度為±3%。這一測量精度不足以實現(xiàn)持水量為35%左右的秧苗盤精確灌溉，但該測量值可以作為秧苗灌溉的重要依據。要實現(xiàn)精確灌溉，需要采用多傳感器融合技術?，F(xiàn)場總線設備由電源L/N、四線制總線電纜以及220 V/24 V 開關電源組成，220 V/24 V開關電源負責現(xiàn)場總線設備的24 V 電源，見圖2。

圖2 現(xiàn)場總線設計與并聯(lián)安裝圖

4 灌溉系統(tǒng)云端管理設計

機插水稻集中育秧云端管理包括傳感器管理、設備管理、報警管理、信息推送、云端監(jiān)控管理、手機微信小程序等。傳感器管理主要包括傳感器設備的投退、數據響應、報警與信息入庫等。報警管理主要針對土壤濕度傳感器的缺水報警、風速傳感器的風速過大報警以及環(huán)境溫度傳感器的環(huán)境溫度報警等，見圖3。云端監(jiān)控主要針對數據融合等。灌溉系統(tǒng)設計了定時、定量與信息推送模式。定時模式是指在上午9 ∶00 左右與下午4 ∶00 左右，風速＜10 m/s，基礎灌溉量為Q，Q=S×0.3×0.8×0.05/n；其中n 為灌溉支路閥數量，S 為整個秧苗盤面積。若每個支路閥所控制面積不相等，則對每個支路灌溉閥設置灌溉面積S。定量模式為生長期1～16 d，灌溉修正系數為0.20、0.30、0.40、0.50、0.60、0.70、0.80、0.90、1.00、1.15、1.25、1.40、1.50、1.65、1.70、1.75。信息推送模式是指如果P-P0 ＞20，且空氣濕度＞90%，則灌溉觸發(fā)信息推送確認，定時灌溉15 min 信息確認等待，且信息確認為疑似有雨。水分補充管理原則：①環(huán)境溫度＞30 ℃，∑（總線溫濕度苗盤傳感器2、3、4 測量值Max-總線溫濕度苗盤傳感器1）△T×S×0.1 ＞Q，則灌溉量增加Q-∑（總線溫濕度苗盤傳感器2、3、4 測量值Max-總線溫濕度苗盤傳感器1）△T×S×0.1；②土壤濕度傳感器的濕度＜12 的統(tǒng)計時間超過4 h，即∑△T（土壤濕度傳感器＜12）＞4 h，環(huán)境溫度＜32 ℃采用高壓霧化噴灌，母管噴灌壓力為500 KPa，噴施量0.3 Q。

圖3 云端監(jiān)控圖

5 灌溉系統(tǒng)的造價預算

基于物聯(lián)網現(xiàn)場總線的機插水稻集中育秧灌溉系統(tǒng)采用并聯(lián)即插即用式安裝，用戶只需將各個模塊按設計電源容量進行即插即用的安裝即可，系統(tǒng)采用模塊化設計，現(xiàn)場安裝維護極為簡便，無需用戶具有專業(yè)知識。表1 列出了3 000 m2的設備安裝與實施費用約21 500 元。相對傳統(tǒng)灌溉方式成苗率增加7%，即增加約42 畝秧苗，增加效益25 200 元，僅效益收益即可1 年收回投入成本。

表1 灌溉系統(tǒng)的造價預算

6 結語

基于物聯(lián)網現(xiàn)場總線的機插水稻集中育秧灌溉系統(tǒng)采用現(xiàn)場總線作為數據采集與設備驅動，工業(yè)網關作為信息傳輸模塊，工業(yè)物聯(lián)網云端管理系統(tǒng)作為設備管理載體，手機微信小程序作為人機交互，模塊化設計與工業(yè)化設計，實現(xiàn)成本低，設備易于安裝與維護，軟件免安裝，用戶1 年就可以收回投資成本。系統(tǒng)設計采用了定時、定量與信息推送模式，用戶無需具有專業(yè)知識就可以完成系統(tǒng)的安裝與維護，設備采用工業(yè)產品設計，安全穩(wěn)定性好，可靠性高，值得推廣與研究。