寒地水稻育秧環(huán)境智能監(jiān)控系統(tǒng)的研究*

孫起航，孫殿棋，徐漢林，趙 斌

（黑龍江八一農(nóng)墾大學，黑龍江 大慶 163319）

黑龍江省是我國重要的糧食生產(chǎn)基地，水稻種植面積逾333.33萬hm2。為實現(xiàn)標準化、機械化作業(yè)，采用工廠化、標準化育秧模式，由政府建設(shè)集中育秧棚，將分散農(nóng)戶的秧苗集中送入育秧棚，實施標準化育秧管理，以保證出苗率、苗齊等。但是，目前育秧棚環(huán)境調(diào)控多數(shù)仍采用人工觀測、手動調(diào)節(jié)的方式，在人力資源緊缺的情況下增加了生產(chǎn)成本，管理方法粗放。

荷蘭、日本等國家在溫室生產(chǎn)自動化方面的技術(shù)研究較為成熟，但是引進成本高、適用性差。目前，國內(nèi)在溫室環(huán)境和北方育秧環(huán)境監(jiān)控方面的研究取得了較大進展。安邦[1]以可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）為核心研究了溫室的環(huán)境控制系統(tǒng)，利用物聯(lián)網(wǎng)、云計算等技術(shù)，實現(xiàn)了溫室環(huán)境的遠程調(diào)控。侯加林等[2]采用超寬帶（Ultra Wide Band，UWB）和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)研究了移動式溫室環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，利用誤差消除算法，解決了溫室環(huán)境移動監(jiān)測中的數(shù)據(jù)通信問題。趙斌等[3]采用ZigBee（紫蜂協(xié)議）通信技術(shù)研究了育秧棚環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)了育秧環(huán)境的本地計算機監(jiān)測與控制。王鵬等[4]以MSP單片機為核心，構(gòu)建了低功耗的育秧環(huán)境本地監(jiān)控系統(tǒng)。席桂清等[5]采用GSM網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，結(jié)合自制傳感器，開發(fā)了育秧環(huán)境遠程監(jiān)控系統(tǒng)。

在上述研究中發(fā)現(xiàn)，育秧棚內(nèi)傳感器與控制器的通信仍采用有線通信方式。隨著采集參數(shù)的增加，線材成本急劇增加，設(shè)備易損壞；采用PLC控制，成本較高，農(nóng)戶難以接受；各農(nóng)戶難以獨立遠程監(jiān)控自己的育秧棚。本文以云平臺為通信中樞，采用GPRS、LoRa和ZigBee通信技術(shù)，開發(fā)低成本的寒地水稻育秧環(huán)境遠程監(jiān)控系統(tǒng)，提升育秧生產(chǎn)過程的信息化程度，降低勞動強度、節(jié)約成本，實現(xiàn)秧苗生長環(huán)境最優(yōu)化。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見第88頁圖1。該系統(tǒng)由棚內(nèi)采集節(jié)點、執(zhí)行設(shè)備、棚內(nèi)監(jiān)控器、棚區(qū)匯聚節(jié)點、云服務(wù)器和手機設(shè)備等構(gòu)成。每個棚區(qū)設(shè)置一個匯聚節(jié)點，每棟棚設(shè)置一個棚內(nèi)監(jiān)控器，每個棚內(nèi)設(shè)置若干個棚內(nèi)采集節(jié)點，棚內(nèi)執(zhí)行設(shè)備包括卷簾電機和噴淋電磁閥。棚內(nèi)采集節(jié)點負責采集棚內(nèi)的空氣溫度和濕度、光照度、CO2濃度、土壤溫度和濕度信息，采集節(jié)點數(shù)量根據(jù)棚內(nèi)面積和成本需求設(shè)置，通常3～5個不等。棚內(nèi)監(jiān)控器負責收集采集節(jié)點信息，轉(zhuǎn)發(fā)信息至匯聚節(jié)點，控制執(zhí)行設(shè)備。監(jiān)控器與采集節(jié)點采用ZigBee無線模塊自動組網(wǎng)通信，收集棚內(nèi)環(huán)境信息通過LoRa無線模塊發(fā)送至匯聚節(jié)點，監(jiān)控器實時接收匯聚節(jié)點指令信息，控制執(zhí)行設(shè)備進行通風、噴淋操作。采用集中育秧、集中管理模式。由于棚區(qū)內(nèi)棚數(shù)多、占地廣且每棟棚分屬不同農(nóng)戶，如果每個棚設(shè)置一個GPRS通信節(jié)點，勢必增加網(wǎng)絡(luò)通信費用和初裝成本。因此，在棚區(qū)內(nèi)設(shè)置1個GPRS匯聚節(jié)點，1個云平臺可以同時控制多個棚區(qū)，降低系統(tǒng)運營成本。匯聚節(jié)點起傳令兵的作用，完成轉(zhuǎn)發(fā)監(jiān)控器的采集信息給云平臺、準確地將手機端的指令信息發(fā)送到目標監(jiān)控器等功能，匯聚節(jié)點通過LoRa無線模塊與棚內(nèi)控制器組成無線遠程網(wǎng)絡(luò)，通信距離可達2 km，無線信號覆蓋了棚區(qū)范圍，通過GPRS模塊與云服務(wù)器通信，將采集信息發(fā)至云平臺進行存儲。云服務(wù)器完成接收手機端信息、匯聚節(jié)點信息、數(shù)據(jù)處理和存儲等功能。手機端APP完成信息接收、信息顯示和控制指令發(fā)送等功能。

圖1 寒地水稻育秧環(huán)境智能監(jiān)控系統(tǒng)框圖

該系統(tǒng)工作原理如下：采集節(jié)點定時獲取棚內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)，采集周期可動態(tài)調(diào)整。采集間歇系統(tǒng)處于低功耗狀態(tài)以降低電池電量消耗，獲取數(shù)據(jù)通過ZigBee模塊發(fā)送給棚內(nèi)監(jiān)控器。監(jiān)控器收取各采集節(jié)點數(shù)據(jù)并整理成數(shù)據(jù)包，通過LoRa無線模塊發(fā)送至棚區(qū)匯聚節(jié)點。匯聚節(jié)點收到各個棚的數(shù)據(jù)包后，集中打包并發(fā)送到云平臺。在系統(tǒng)初次運行時，監(jiān)控器會自動與采集節(jié)點組網(wǎng)，記錄采集節(jié)點數(shù)量，匯聚節(jié)點與各監(jiān)控器會通過程序自動查找存在的監(jiān)控器組網(wǎng)，并存儲監(jiān)控器數(shù)量和點號。云平臺進行數(shù)據(jù)處理和存儲，并把不同棚的信息發(fā)送至各農(nóng)戶手機端，手機端APP接收信息顯示對應(yīng)數(shù)據(jù)，如有參數(shù)超限，可提示農(nóng)戶注意查看信息。農(nóng)戶可通過APP上執(zhí)行設(shè)備設(shè)置按鈕，發(fā)出對應(yīng)的通風、噴淋調(diào)節(jié)指令，指令信息經(jīng)過云平臺處理，發(fā)送至匯聚節(jié)點，匯聚節(jié)點根據(jù)指令目的地址，將信息發(fā)送至對應(yīng)棚的監(jiān)控器，完成環(huán)境調(diào)節(jié)指令。

2 棚內(nèi)設(shè)備選型與設(shè)計

棚內(nèi)采集節(jié)點由STC15單片機、各種傳感器、ZigBee無線模塊、接口電路和鋰電池構(gòu)成，以STC15單片機為核心，通過接口電路定時啟動傳感器工作，監(jiān)測電池電量?？諝鉁貪穸葴y量采用AM2321傳感器，測量溫度范圍為-40～100℃（精度為±0.3℃），測量相對濕度范圍為0～100%（精度為±3%），電源為直流2.6～5.5 V，平均電流為200 μA，采用I2C總線接口，每個參數(shù)以16位數(shù)字量輸出，將輸出數(shù)字轉(zhuǎn)換為十進制數(shù)除以10即為溫度值和相對濕度值；土壤溫濕度測量采用一體化土壤溫濕度傳感器MS10，測量溫度范圍為-40～80℃（精度為±0.5℃），測量相對濕度范圍為0～50%（精度為±2%），電源為直流3.6～30 V，最大電流為6 mA，采用485總線接口，Modbus通信協(xié)議，每個參數(shù)以16位數(shù)字量輸出，輸出數(shù)字轉(zhuǎn)換為十進制數(shù)除以100即為溫濕度值；光照度傳感器采用了低成本的SS1060I，電源為直流5 V，最大功耗為400 mW，測量范圍為1～65 535 lx（精度為0.5 lx），采用I2C總線接口，輸出數(shù)字量直接轉(zhuǎn)為十進制數(shù)即為光照度值；CO2傳感器采用的是MH-Z18型NDIR紅外氣體傳感器，電源為直流4～5.5 V，平均電流小于17 mA，質(zhì)量分數(shù)量程為0～2 000×10-6（精度為±5%），通用異步收發(fā)傳輸器（Universal Asynchronous Receiver Transmitter，UART）串口輸出。育秧時間通常約30 d，采集節(jié)點的電池工作周期需滿足育秧時間要求以避免增加農(nóng)戶額外工作量。因此采用5 V，10 Ah的鋰電池，生產(chǎn)試驗表明采集周期在1 h以上，該電池滿足生產(chǎn)周期內(nèi)采集節(jié)點電量需求。

棚內(nèi)執(zhí)行設(shè)備包括棚兩側(cè)的卷膜器和噴淋電磁閥，由棚內(nèi)監(jiān)控器控制。卷膜器采用韓國BUSUNG電動卷膜器KOS4060，電源為直流24 V，電流為2.5 A，功率為70 W，最大扭矩為32 N·m，最大卷高3 m，轉(zhuǎn)速為5 r/min，電磁閥采用24 V直流電磁閥DF1-25。為防止執(zhí)行設(shè)備動作對隔離微控制單元（Microcontroller Unit，MCU）系統(tǒng)產(chǎn)生電磁干擾，在MCU輸出端設(shè)計光耦電路，隔離MCU系統(tǒng)和執(zhí)行設(shè)備，光耦輸出連接板載繼電器，由繼電器控制卷膜器和電磁閥。

3 通信設(shè)備選型與設(shè)計

該系統(tǒng)通信包含3個部分：ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的棚內(nèi)網(wǎng)、LoRa無線通信構(gòu)成的棚區(qū)內(nèi)網(wǎng)、GPRS無線通信構(gòu)成的棚區(qū)外網(wǎng)。ZigBee通信采用云天創(chuàng)公司的ATZGB模塊，工作頻率為2.4 GHz，電源為直流2.2～3.6 V，發(fā)射功率為-17～3 dBm，接收靈敏度為-101 dBm，無線速率為250～2 000 b/s，UART接口電平為LV-TTL，通信視距為800 m，滿足百米育秧棚的通信距離要求。LoRa無線通信采用了桑銳電子公司的SWRF506模塊，工作頻率為433 MHz，GFSK調(diào)制，電源為直流4.5～5.5 V，發(fā)射電流為300 mA，接收靈敏度為-120 dBm，接口速率為9 600 b/s，通信距離為2 km，滿足棚區(qū)范圍通信距離要求。GPRS無線通信采用了靈旗通信公司的LQ1000 GPRS DTU模塊，電源為直流12 V，平均消耗電流為75 mA，RS232接口，支持短信傳輸和GPRS實時數(shù)據(jù)傳輸，支持TCP客戶端和UDP客戶端。每個棚區(qū)只需要設(shè)置1個匯聚節(jié)點，使用1個GPRS模塊和1張通信卡，降低了系統(tǒng)通信運營成本。

4 結(jié)論

寒地水稻育秧環(huán)境智能監(jiān)控系統(tǒng)具有成本低、自動化程度高、信息化程度高的特點，多數(shù)傳感器采用了同性能的低成本傳感器進行二次開發(fā)或加工，MCU選用低成本51單片機，通信模塊選用未封裝的低成本模塊，成本遠低于有線通信的線材成本，滿足了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的低成本、高產(chǎn)出的要求。