漢麻育種室自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

張治國，王曉楠，朱 浩，張曉燕

(黑龍江省科學(xué)院大慶分院，黑龍江 大慶 163319)

受地域及氣候環(huán)境條件的影響，自然條件下開展?jié)h麻育種通常每年僅能種植選育1代，而在育種室內(nèi)育種可每年完成2～3代，大大縮減了育種工作時(shí)間。漢麻室內(nèi)育種對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有重要意義，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)信息化已成為提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的必然趨勢。育種室內(nèi)環(huán)境因子對(duì)植物生長有很大的影響，自動(dòng)控制組件應(yīng)用于育種室、溫室、大棚等控制系統(tǒng)中，可精準(zhǔn)控制溫室內(nèi)的各環(huán)境因子，保持植物生長在一個(gè)適宜的環(huán)境，提高其品質(zhì)和產(chǎn)量。

1 整體方案設(shè)計(jì)

系統(tǒng)控制分為手動(dòng)控制和自動(dòng)控制，控制主要的技術(shù)參數(shù)有溫度、濕度、光照時(shí)間、光照強(qiáng)度、土壤水分；控制設(shè)備有電加熱器、霧化加濕器、燈光位置調(diào)節(jié)電機(jī)、風(fēng)扇、土壤滴灌及室內(nèi)通風(fēng)風(fēng)機(jī)等。

核心處理單元采用PLC進(jìn)行系統(tǒng)參數(shù)計(jì)算及控制。PLC作為一種通用工業(yè)控制器具有可靠性高、使用靈活方便、控制精度高、控制功能完善等特點(diǎn)，符合育種室多參數(shù)控制要求。PLC內(nèi)部485通信端口與溫濕度儀表及采集模塊進(jìn)行通信讀取數(shù)據(jù)，采集模塊將光照強(qiáng)度、CO2濃度、O2濃度、土壤水分等幾個(gè)育種關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集及轉(zhuǎn)換，PLC讀取數(shù)據(jù)進(jìn)行處理運(yùn)算，驅(qū)動(dòng)相應(yīng)控制設(shè)備，自動(dòng)控制育種室內(nèi)環(huán)境參數(shù)，物聯(lián)網(wǎng)云盒將數(shù)據(jù)通過互聯(lián)網(wǎng)上傳到手機(jī)及上位機(jī)，組態(tài)軟件進(jìn)行參數(shù)顯示、查看和記錄。

系統(tǒng)的功能包括上位機(jī)組態(tài)畫面、參數(shù)顯示、報(bào)警提示、數(shù)據(jù)記錄與查詢、報(bào)表查詢打印及用戶操作權(quán)限等。

圖1 上位機(jī)組態(tài)軟件示意圖Fig.1 Schematic diagram of upper computer configuration software

1.1 處理單元

核心處理單元采用三菱FX3U-32M系列PLC，該P(yáng)LC是三菱第三代微型可編程控制器，內(nèi)置高達(dá)64K大容量的RAM存儲(chǔ)器，內(nèi)置業(yè)界高水平的高速處理0.065 μS/基本指令，該控制器左側(cè)擴(kuò)展槽可以連接功能強(qiáng)大、簡便易用的適配器，具有較高的可靠性和穩(wěn)定性。多個(gè)育種室數(shù)據(jù)集中采集處理，可采用該三菱PLC的特有N:N網(wǎng)絡(luò)通信模式，此通信方式操作簡單，不用復(fù)雜的程序制作，可實(shí)現(xiàn)多個(gè)PLC之間的數(shù)據(jù)通信，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)揭粋€(gè)主站內(nèi)，通過主站可對(duì)多個(gè)育種室進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

圖2 PLC通信示意圖Fig.2 PLC communication diagram

如圖2所示，設(shè)計(jì)PLC左側(cè)擴(kuò)展槽安裝485ADP模塊，采集單個(gè)育種數(shù)據(jù)，其中包括溫濕度儀表、CO2濃度、O2濃度、光照強(qiáng)度、土壤水分含量等數(shù)據(jù)。圖中黃色標(biāo)線部分，三菱PLC內(nèi)部485通信端口作為多個(gè)PLC之間的數(shù)據(jù)通信，主站通過N:N網(wǎng)絡(luò)通信模式，讀取其他多個(gè)育種間內(nèi)的所有參數(shù)及數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)多個(gè)育種室數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理。

1.2 溫濕度控制

溫度是植物生長的關(guān)鍵環(huán)境因素，也是育種室內(nèi)控制的重要參數(shù)，穩(wěn)定適宜的溫度參數(shù)對(duì)漢麻生長非常有利，也會(huì)減少病蟲害等。另外，漢麻在大田里生長時(shí)，白天和夜晚溫差較大。漢麻育種間內(nèi)，夜間不主動(dòng)降溫，晝夜溫差會(huì)非常小，漢麻在溫差較小的環(huán)境內(nèi)生產(chǎn)易生病且生長不粗壯。

溫濕度的控制采用485通信功能儀表，溫濕度值本地顯示，儀表寬泛直流供電DC10 V～30 V，溫度采集精度±0.3℃，濕度采集精度±2%RH，溫度量程范圍-40℃～120℃，濕度量程范圍0%RH～100%RH，溫度分辨率為0.1℃，濕度分辨率為0.1%RH，該儀表功能參數(shù)符合漢麻育種室參數(shù)的自動(dòng)控制指標(biāo)要求。

通過上位機(jī)軟件設(shè)定，晝夜設(shè)定不同的溫度值，模擬自然環(huán)境，保持漢麻生長的溫差值。采集的實(shí)時(shí)溫度數(shù)據(jù)與設(shè)定值比較，控制電加熱器和通風(fēng)風(fēng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，調(diào)節(jié)育種室內(nèi)溫度。通過試驗(yàn)，加熱方式采用比例運(yùn)算控制即可達(dá)到溫度控制要求，驅(qū)動(dòng)電加熱器的開關(guān)狀態(tài)及開關(guān)時(shí)間長短，提升育種室內(nèi)溫度。育種室內(nèi)溫度需要降低時(shí)，關(guān)閉加熱設(shè)備，打開降溫通風(fēng)風(fēng)機(jī)，進(jìn)行室內(nèi)外空氣交換，來實(shí)現(xiàn)降溫控制，使育種間內(nèi)達(dá)到一個(gè)比較穩(wěn)定的溫度參數(shù)。

在溫度的提升比例運(yùn)算控制中，需要調(diào)配合適的比例值，根據(jù)育種室面積大小及電加熱器功率大小等實(shí)際情況來調(diào)配比例值。比例值過大或過小都會(huì)導(dǎo)致控制曲線的上下浮動(dòng)。

溫度、天氣、土壤水分含量等條件的變化都會(huì)導(dǎo)致育種間內(nèi)的空氣濕度發(fā)生較大變化，育種室內(nèi)濕度過大或過小都會(huì)影響漢麻的生長，可能導(dǎo)致漢麻生蟲染病、干枯、黃葉等。對(duì)濕度精準(zhǔn)的范圍控制，可提高漢麻生長質(zhì)量。根據(jù)漢麻生長不同時(shí)期設(shè)定不同的濕度范圍值，采集傳感器數(shù)據(jù)與設(shè)定范圍值做比較，濕度較小時(shí)驅(qū)動(dòng)加濕裝置，對(duì)育種室內(nèi)加濕處理；濕度較大時(shí)，開啟排風(fēng)風(fēng)機(jī)，啟動(dòng)室內(nèi)風(fēng)扇，進(jìn)行排濕來降低室內(nèi)濕度，使育種室內(nèi)有良好的濕度環(huán)境。

1.3 補(bǔ)光時(shí)間控制

由于育種室內(nèi)光照強(qiáng)度較弱，光照時(shí)間較短，所以育種室內(nèi)需要補(bǔ)光處理。光照時(shí)間控制由上位機(jī)進(jìn)行設(shè)置，可設(shè)定起始光照時(shí)間及光照時(shí)長，如設(shè)定每天早6點(diǎn)開啟照明，照明時(shí)長12 h，那么上位機(jī)軟件將設(shè)定值下傳到PLC內(nèi)，PLC程序進(jìn)行指令比較運(yùn)算，比較系統(tǒng)時(shí)間，時(shí)間到達(dá)6點(diǎn)，根據(jù)標(biāo)志位的比較情況，開啟照明，時(shí)間到達(dá)18點(diǎn)，進(jìn)行關(guān)閉照明動(dòng)作，如此循環(huán)比較，實(shí)現(xiàn)光照時(shí)間的精準(zhǔn)控制。

1.4 光照強(qiáng)度控制

補(bǔ)光燈距離植物的遠(yuǎn)近會(huì)使光照強(qiáng)度變化很大。通過讀取光照強(qiáng)度傳感器數(shù)值，控制補(bǔ)光燈吊裝電機(jī)的正反轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)拖繩轉(zhuǎn)動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)補(bǔ)光燈高低位置變化，實(shí)時(shí)反饋光照強(qiáng)度數(shù)據(jù)，直到反饋的數(shù)據(jù)達(dá)到預(yù)設(shè)值范圍內(nèi)，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)鎖定位置，實(shí)現(xiàn)光照強(qiáng)度的控制。

由于漢麻植株較高，生長較快，隨著時(shí)間的推移，育種室內(nèi)漢麻生長一段時(shí)間后，高度會(huì)有較大變化，對(duì)補(bǔ)光的光照強(qiáng)度控制，需要對(duì)光照強(qiáng)度傳感器位置進(jìn)行校正。

1.5 土壤水分含量控制

將滴灌技術(shù)和自動(dòng)化技術(shù)結(jié)合，對(duì)提高節(jié)水灌溉效率、節(jié)約人力成本有重要意義，對(duì)盆內(nèi)的土壤水分含量控制是十分必要的，控制包括兩部分，即自動(dòng)蓄水部分和自動(dòng)滴灌部分。自動(dòng)上水包括自來水、電磁閥、水龍頭、浮球開關(guān)、蓄水槽等。浮球開關(guān)檢測蓄水槽內(nèi)水位情況，當(dāng)水位達(dá)到最低時(shí)，PLC檢測到水位低信號(hào)，驅(qū)動(dòng)電磁閥，水龍頭處于常開位置，自來水會(huì)不斷流入蓄水槽內(nèi)。當(dāng)水位達(dá)到最高水位，PLC關(guān)閉電磁閥，自來水停止流入水槽內(nèi)，這樣實(shí)現(xiàn)自動(dòng)蓄水功能。

自動(dòng)滴灌部分是通過監(jiān)測土壤水分含量，PLC讀取盆內(nèi)的水分含量值，與上位機(jī)水分含量設(shè)定值上下限作比較，判斷是否需要補(bǔ)水，需要補(bǔ)水時(shí)，啟動(dòng)滴管裝置進(jìn)行補(bǔ)水，保持盆內(nèi)水分含量在一個(gè)正常范圍內(nèi)。

圖3 自動(dòng)滴灌示意圖Fig.3 Automatic drip irrigation diagram

1.6 室內(nèi)通風(fēng)控制

根據(jù)室內(nèi)環(huán)境的變化，CO2濃度、O2濃度及溫濕度的限定條件，來啟動(dòng)室內(nèi)通風(fēng)風(fēng)扇，保持育種室內(nèi)有一個(gè)較好的生長環(huán)境。通常條件下，育種間空氣長期不流通，會(huì)導(dǎo)致育種室內(nèi)的環(huán)境發(fā)生變化，CO2濃度、O2濃度發(fā)生變化，不利于植物的生長，通過監(jiān)測濃度的變化，相應(yīng)啟動(dòng)通風(fēng)風(fēng)機(jī)運(yùn)行，空氣流動(dòng)及交換，保持育種室內(nèi)有較好的生產(chǎn)環(huán)境。通風(fēng)風(fēng)機(jī)不僅能調(diào)節(jié)空氣環(huán)境質(zhì)量，降低空氣濕度，對(duì)育種間內(nèi)的溫度降低也有著重要作用。

2 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

2.1 報(bào)警提示功能

系統(tǒng)設(shè)計(jì)報(bào)警功能，包括溫度上下限報(bào)警、濕度上下限報(bào)警、土壤水分含量上下限報(bào)警、485通信錯(cuò)誤報(bào)警等，根據(jù)設(shè)定參數(shù)的范圍，技術(shù)參數(shù)值過高或過低時(shí)，系統(tǒng)會(huì)在本地和遠(yuǎn)傳上位機(jī)上出現(xiàn)報(bào)警提示并記錄，提示工作人員進(jìn)行相應(yīng)的技術(shù)操作。

2.2 數(shù)據(jù)記錄與查看

系統(tǒng)具有技術(shù)參數(shù)數(shù)據(jù)的記錄、查詢及打印功能，可隨時(shí)對(duì)某一時(shí)間段數(shù)據(jù)進(jìn)行查看和記錄，需要的數(shù)據(jù)可進(jìn)行在線打印。

2.3 趨勢曲線功能

對(duì)重要的技術(shù)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)的曲線顯示并記錄保存，形成歷史趨勢曲線，可完整查看一個(gè)時(shí)間段內(nèi)參數(shù)的歷史曲線形。如早晚溫度變化、濕度變化等情況，可直觀反映育種室內(nèi)的技術(shù)參數(shù)走向，為漢麻育種技術(shù)提供更可靠的數(shù)據(jù)依據(jù)。

2.4 操作權(quán)限功能

用戶操作權(quán)限功能是針對(duì)個(gè)人使用情況，對(duì)全部或某些參數(shù)進(jìn)行權(quán)限管理操作，通過特定的參數(shù)實(shí)現(xiàn)加密保護(hù)，防止人員誤操作，防止重要試驗(yàn)參數(shù)泄露，起到保障性作用，操作權(quán)限功能便于育種室的管理和使用。

3 結(jié)語

近些年，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在溫室中的應(yīng)用越來越廣泛，從早期的手動(dòng)控制到現(xiàn)在的智能自動(dòng)控制，故國內(nèi)室內(nèi)環(huán)境控制技術(shù)取得了較快發(fā)展。自動(dòng)控制系統(tǒng)加入漢麻育種室內(nèi)，為漢麻生長提供了更適宜、更穩(wěn)定的生長環(huán)境，大大縮短了漢麻育種的工作時(shí)間。隨著農(nóng)業(yè)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、人工智能技術(shù)、5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等的進(jìn)一步發(fā)展，溫室控制必然向著信息化、智能化、高效化、無人化發(fā)展。