趙 斌，趙 雪，衣淑娟，趙明慧，王大可，戈天劍，王曉偉，陳 金

(黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué) 信息技術(shù)學(xué)院，黑龍江 大慶 163319)

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低成本水稻群體育秧棚環(huán)境遠程監(jiān)控系統(tǒng)的研究

趙 斌，趙 雪，衣淑娟，趙明慧，王大可，戈天劍，王曉偉，陳 金

(黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué) 信息技術(shù)學(xué)院，黑龍江 大慶 163319)

針對水稻群體育秧棚規(guī)模的不斷擴大，為了減少人力投入、優(yōu)化育秧環(huán)境、降低系統(tǒng)成本和維護成本，采用MCU技術(shù)、傳感器技術(shù)與無線自組網(wǎng)技術(shù)相結(jié)合，研究了低成本、無線自組網(wǎng)的群體育秧棚環(huán)境遠程監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)了育秧環(huán)境自動控制、低成本及無線傳感節(jié)點自組網(wǎng)等功能。經(jīng)過在859農(nóng)場的長期運行，系統(tǒng)無故障，操作簡單，拆裝方便。

水稻；育秧棚；微控制器；自組網(wǎng)；監(jiān)控

0 引言

黑龍江省作為我國重要的商品糧基地，近幾年水稻種植面積不斷擴大，已超過333.3萬hm2。農(nóng)墾和地方為了實現(xiàn)工廠化生產(chǎn)，建設(shè)了大量的浸種催芽車間和大規(guī)模群體育秧棚，方便農(nóng)戶進行集中育秧，以強化管理、降低成本。但是，目前育秧棚的環(huán)境調(diào)控多數(shù)還是以人工控制為主，造成勞動強度大、育秧環(huán)境差，無法實現(xiàn)信息化、自動化生產(chǎn)。項目組多年從事育秧棚環(huán)境控制系統(tǒng)研究，先后在多個農(nóng)場建立了示范點，但整體成本較高，農(nóng)戶個體較難接受。由于系統(tǒng)多是采用各種有線通信方式，線路易受到自然環(huán)境和人力破壞，每年的維護工作量極大，因此研究了一套低成本無線自組網(wǎng)的群體育秧棚環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，以解決高成本和維護問題。

育秧棚環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的研究文獻較多：席桂清等采用自制的土壤濕敏電阻傳感器、DB150和DS18B20組成空氣溫濕度傳感器[1]，采用GSM網(wǎng)絡(luò)做遠程監(jiān)測，采用DS1302定時采集土壤和環(huán)境參數(shù)，可通過手機觀測棚內(nèi)數(shù)據(jù)。田芳明、張斌等采用低功耗單片機MSP430F149和SM51[2-5]，或采用太陽能供電或者蓄電池供電，采用DBT-1土壤水分傳感器、DB111-10空氣溫濕度傳感器等，采集棚內(nèi)空氣環(huán)境參數(shù)和土壤環(huán)境參數(shù)，具有通風(fēng)、微噴控制等功能。王鵬等采用單片機MSP430F149為核心[6]，采用SHT11數(shù)字溫濕度傳感器組成空氣溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)。黃金俠等以采集的棚內(nèi)環(huán)境參數(shù)為依據(jù)[7]，采用模糊PID算法控制棚內(nèi)溫濕度。石建飛等采用PLC采集棚內(nèi)空氣溫濕度和土壤參數(shù)[8]，控制卷膜器和微噴等設(shè)備調(diào)節(jié)環(huán)境參數(shù)。衣淑娟、趙斌、秦雯、董淏鳴、范學(xué)佳、劉洋、薛冬雪等采用STC單片機為核心[9-15]，采用電流型傳感器做數(shù)據(jù)遠傳，或采用485總線、MODBUS協(xié)議等方式傳輸數(shù)據(jù)，需要長的數(shù)據(jù)線和電源線。

在上述研究中，傳感器到控制器之間需要敷設(shè)大量明線，隨著采集傳感器增加，電纜數(shù)量急劇增加，線材成本高，傳感器價格高，而且影響棚內(nèi)農(nóng)事生產(chǎn)，易損壞和老化；或者采用高成本、高精度的傳感器，或者高價格的核心單元，這些都增加了系統(tǒng)的成本造價，對于單位集體購買尚可接受，作為農(nóng)戶個體無法接受這樣的成本造價和后期維護費用。因此，在前期研究基礎(chǔ)上，提出了以無線自組網(wǎng)技術(shù)、高性價比傳感器和低功耗技術(shù)為核心的群體育秧棚環(huán)境遠程監(jiān)控系統(tǒng)，以解決現(xiàn)存系統(tǒng)所存在的問題，使自動化系統(tǒng)經(jīng)濟、耐用，使農(nóng)戶能自愿接受使用自動化系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)設(shè)計方案

目前，隨著水稻種植面積不斷擴增，對育秧棚需求量激增，各地建有大規(guī)模育秧基地，少則幾十棟，多則上百棟，占地面積大，管理難度大、勞力需求大。如果采用分散管理，失去工廠化生產(chǎn)的意義。因此，本系統(tǒng)采用集散控制方法，由控制室計算機作為核心，進行全局管理、調(diào)控，在每個育秧棚外設(shè)有嵌入式控制器做無線網(wǎng)絡(luò)中繼器和控制器，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸及環(huán)境調(diào)節(jié)等功能。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。如果計算機與中繼器之間采用有線通信，勢必造成現(xiàn)場埋線工作量大、成本高，并且易引起信號衰減，因此本系統(tǒng)采用無線傳輸模塊，完成兩者之間的數(shù)據(jù)傳輸。在前期研究中，由于部分傳感器功耗大，無法采用電池供電，所以仍然采用獨立信號線或者485總線形式，這也是目前普遍采用的方法。由于線材成本高，且存在線材老化和人為損壞嚴重的問題，使第2年的維護工作量非常大。因此，在保持現(xiàn)有數(shù)據(jù)精度下，改用低功耗、低成本傳感器，將棚內(nèi)環(huán)境信息的采集節(jié)點設(shè)計為電池供電系統(tǒng)，作為無線網(wǎng)絡(luò)終端；由終端采集棚內(nèi)空氣溫濕度、CO2濃度、光照度和土壤溫濕度，并通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)街欣^器，避免了棚內(nèi)走線，減少了安裝、維護工作量，且對農(nóng)事生產(chǎn)不會產(chǎn)生任何影響，成本低，農(nóng)戶易接受。在無線自組網(wǎng)中，通常采用ZigBee模塊，但是ZigBee模塊的傳輸距離較近，距離遠的價格極高，而且中繼器的成本隨著點數(shù)的增加，價格急劇增加。因此，為了降低成本，棚內(nèi)和棚外的無線信息傳輸采用了同一種模塊，通過軟件程序設(shè)置，形成棚內(nèi)和棚外兩個無線網(wǎng)絡(luò)，解決了距離遠和成本高的問題。為保證育秧環(huán)境控制的安全、可靠，系統(tǒng)除了通過計算機進行控制外，設(shè)置了手動控制系統(tǒng)，在計算機系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，農(nóng)戶依然可以通過手動部分完成對育秧環(huán)境的控制，如圖1所示。

圖1 群體育秧棚環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 無線終端設(shè)計

無線終端與中繼器構(gòu)成棚內(nèi)數(shù)據(jù)采集無線系統(tǒng)，無線終端負責(zé)采集棚內(nèi)空氣環(huán)境參數(shù)和土壤參數(shù)，將參數(shù)定時主動傳送給中繼器，并接收中繼器的地址和采集周期修改等指令。

無線終端部分主要由傳感器、微處理器、無線模塊、升壓電路、定時模塊和電池構(gòu)成，系統(tǒng)框圖如圖2所示。在前期的系統(tǒng)施工、維護中，遇到布線施工、美化、防護工作量極大的問題，而且在使用中農(nóng)戶的不愛護，線材老化加速，使后期維護工作量很大。因此，在無線終端中采用電池供電，徹底去掉長線傳輸帶來的問題。這樣就需要電池續(xù)航能力強，能夠維持一個育秧周期，以減少農(nóng)戶的工作量，所以整個系統(tǒng)必須進行低功耗設(shè)計；而低功耗設(shè)計的難度就在于降低傳感器的功耗和加快采集速度，且要大幅降低傳感器價格，以降低整個系統(tǒng)成本。

圖2 無線終端設(shè)計框圖

經(jīng)過對大量傳感器進行性價比分析和試驗，空氣溫濕度傳感器選擇了AM23XX系列，電源電壓2.6～5.5VDC，平均功耗200μA，休眠電流10μA，測量精度分別為<±3%RH和<±0.3℃，體積小巧，便于做防水封裝，價格只有十幾元，非常適合本系統(tǒng)應(yīng)用。光照度傳感器選擇的是SS1060I，最大功耗400mW，價格是前期采用傳感器的1/32左右，土壤溫濕度傳感器選擇的是SMTS_II型，峰值功耗<30mA，價格是原采用傳感器的1/2。CO2濃度傳感器采用的是MH_Z18，平均電流17mA，預(yù)熱時間<3min，價格是以前的1/5。這些傳感器中，CO2的功耗最大，但在育秧棚中通常只需要測量一個點，因此可以為該點配備一個大容量的鋰電池。

為了降低系統(tǒng)功耗，MCU采用3V低功耗單片機STC15L2K60S2，電源采用5.5AH和19AH的鋰電池供電。由于鋰電池輸出3.6V，而有的傳感器采用5V供電，所以采用了一片升壓芯片QX2303，將3V升至5V。無線模塊采用的是SI4432，通訊距離在1km左右，其工作可以通過引腳SDN控制，在不需要無線通信時關(guān)閉無線模塊，以節(jié)省電池能量。所有傳感器及其接口器件電源均通過電源控制芯片由MCU控制，當(dāng)不進行數(shù)據(jù)采集時，電源控制芯片切斷所有傳感器及其接口芯片的電源，無線模塊和MCU進入掉電模式，由PCF8563定時輸出信號喚醒MCU，整機掉電時功耗只有3mA，最大功耗200mA(短時)。根據(jù)實踐經(jīng)驗，育秧前期育秧棚密閉，后期放風(fēng)期育秧棚處于開放狀態(tài)，將采集周期通常設(shè)置為30min。澆灌時，采集周期設(shè)置為10min，夜間可以再加大采集周期。采集周期修改可以通過無線模塊發(fā)送指令修改，從而大大節(jié)省電池電量。

通過程序設(shè)計，棚內(nèi)終端和中繼器組成棚內(nèi)網(wǎng)絡(luò)，棚內(nèi)無線終端數(shù)量1～255個。每增加1個終端，中繼器會保存該終端號；每減少1個終端，中繼器自動刪除該終端號，實現(xiàn)棚內(nèi)自組網(wǎng)。雖然棚內(nèi)外無線模塊都是一樣的，但可通過網(wǎng)絡(luò)ID的設(shè)置使內(nèi)外網(wǎng)絡(luò)之間不會產(chǎn)生干擾。

3 中繼器設(shè)計

中繼器負責(zé)完成接收計算機指令、向計算機發(fā)送采集信息、接收終端信息、向終端發(fā)送指令和控制執(zhí)行機構(gòu)調(diào)節(jié)環(huán)境等功能。中繼器負責(zé)與計算機、其他棚中繼器組成無線外網(wǎng)，同時要與棚內(nèi)終端組成無線內(nèi)網(wǎng)。中繼器在整個系統(tǒng)中起到至關(guān)重要作用，要保證信息暢通及指令正確執(zhí)行。中繼器系統(tǒng)包括微處理器、執(zhí)行機構(gòu)調(diào)理電路、無線通信、執(zhí)行機構(gòu)狀態(tài)檢測和電源電路，如圖3所示。

圖3 中繼器系統(tǒng)框圖

考慮到中繼器部分含有卷膜器和灌溉電磁閥大功率執(zhí)行器件，電源電路部分設(shè)計了24V電源輸入和12V電源輸入。這樣，可以選擇采用交流市電和蓄電池供電，方便育秧基地綜合選擇。執(zhí)行機構(gòu)包括兩個電動卷膜器和一個灌溉電磁閥，卷膜器控制以往通常采用繼電接觸控制，造成箱體體積大、線路繁瑣、工作量大。因此，系統(tǒng)采用了兩片電機控制芯片MC33886，并加上控制邏輯電路，使其既能手動控制又能自動控制，摒棄了以往的繼電接觸控制，減小了體積，簡化了安裝，一旦微控制器系統(tǒng)出現(xiàn)問題，可以采用手動控制進行調(diào)節(jié)，提高了系統(tǒng)的實用性。

為了防止在開閉棚膜時出現(xiàn)過卷撕毀棚膜情況，需要有保護電路。以往采用在棚外安裝行程開關(guān)的方法，存在安裝結(jié)構(gòu)復(fù)雜、易銹蝕、可靠性差等問題。針對該問題，在卷膜開度的頂和底位置，分別安裝了光電開關(guān)，安裝位置在棚內(nèi)部，吊裝在棚膜支架上，簡化了安裝，防止雨水灌入引起銹蝕，靈敏度和可靠性得到提高；當(dāng)達到相應(yīng)位置時，光電開關(guān)輸出高電平，即使外部開關(guān)不關(guān)閉，卷膜器也停止轉(zhuǎn)動。

中繼器采用了一個無線模塊，既要與棚內(nèi)無線終端構(gòu)成內(nèi)網(wǎng)，又要與其他棚和計算機連接的無線模塊構(gòu)成外網(wǎng)，避免棚內(nèi)外通信互相受到影響。因為價格問題，沒有選用具有自組網(wǎng)功能的ZigBee模塊。 ZigBee協(xié)調(diào)器價格隨著點數(shù)增加而增加，成本較高，因此采用了SI4432模塊，從軟件上方面解決棚內(nèi)網(wǎng)絡(luò)和棚外網(wǎng)絡(luò)的問題。兩個網(wǎng)絡(luò)具有不同的網(wǎng)絡(luò)ID，每個棚的網(wǎng)絡(luò)ID唯一，利用軟件來降低硬件成本。

4 無線中繼器程序設(shè)計

無線中繼器的任務(wù)負責(zé)接收管理系統(tǒng)指令和無線終端的信息，是網(wǎng)絡(luò)的核心，其流程如圖4所示。首先系統(tǒng)上電初始化，對內(nèi)部存儲器、定時器、I/O口進行設(shè)置，然后設(shè)定無線網(wǎng)絡(luò)；接下來，系統(tǒng)進入循環(huán)處理過程，采集當(dāng)前執(zhí)行機構(gòu)狀態(tài)，包括卷膜器的位置和電磁閥的工作狀態(tài)，通過接口電路控制將執(zhí)行機構(gòu)控制權(quán)交于手動控制，判斷是否收到管理系統(tǒng)的指令信息。如果收到指令信息，分別根據(jù)是索取環(huán)境信息、修改采集周期、執(zhí)行機構(gòu)調(diào)節(jié)等進行分類處理；如果沒有收到指令信息，判斷是否收到無線終端的信息。如果收到終端信息，做數(shù)據(jù)計算、顯示、存儲，等待傳輸給管理系統(tǒng)；如果終端無信息傳輸，中繼器繼續(xù)上述循環(huán)。

圖4 無線中繼器流程圖

5 遠程管理系統(tǒng)軟件設(shè)計

遠程管理系統(tǒng)軟件完成數(shù)據(jù)處理、中繼器管理、控制指令發(fā)布及遠程信息處理等功能，采用C#語言設(shè)計，模塊化結(jié)構(gòu)，圖形界面簡單，易于操作，功能如圖5所示。管理系統(tǒng)通過無線網(wǎng)絡(luò)依次輪詢各個棚，獲取棚內(nèi)環(huán)境信息，并存儲數(shù)據(jù)以備后續(xù)分析處理。用戶可以隨時調(diào)用歷史數(shù)據(jù)，進行分析、報表、打印，數(shù)據(jù)以數(shù)字、圖標及曲線形式顯示，在軟件上可以直接發(fā)布環(huán)境調(diào)節(jié)指令，也可以設(shè)定環(huán)境參數(shù)限值，并設(shè)置為自動控制，無需人工干預(yù)。手機是人們常用的通信工具，在管理系統(tǒng)上設(shè)計了遠程信息管理，農(nóng)戶隨時可以通過手機觀察自家棚內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)，也可遠程發(fā)送環(huán)境調(diào)節(jié)指令，無需到達現(xiàn)場就可以解決棚的管理工作。

圖5 遠程管理系統(tǒng)功能圖

6 結(jié)論

水稻群體育秧棚環(huán)境遠程監(jiān)控系統(tǒng)在前期研究基礎(chǔ)上，大幅降低了系統(tǒng)成本，解決了有線數(shù)據(jù)傳輸帶來的易損、低可靠性、高成本等問題。采用低功耗設(shè)計技術(shù)，提高電池持續(xù)供電能力，實現(xiàn)了育秧環(huán)境的遠程監(jiān)控，方便了農(nóng)戶管理棚區(qū)。該系統(tǒng)在黑龍江省859農(nóng)場安裝了5套，經(jīng)過一個生產(chǎn)期的運行，工作可靠、穩(wěn)定。其在35天的育秧過程中，只需要充電一次，極大地方便了農(nóng)戶的生產(chǎn)活動，降低了維護成本。由于其低成本、高可靠性和方便的遠程管理，受到農(nóng)戶的歡迎。

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[15] 范學(xué)佳,趙斌,衣淑娟,等.基于Modbus 的寒地水稻育秧環(huán)境智能監(jiān)控系統(tǒng)[J].農(nóng)機化研究,2016,38(2):201-204.Abstract ID:1003-188X(2017)02-0200-EA

The Study of Low-cost Remote Monitor and Control System of Groups Rice Nursery Environment

Zhao Bin, Zhao Xue, Yi Shujuan, Zhao Minghui, Wang Dake, Ge Tianjian, Wang Xiaowei, Chen Jin

(College of Information Technology, Heilongjiang Bayi Agricultural University, Daqing 163319, China)

According to the expanding scale of groups rice nursery, in order to reduce human input，and optimize the environment of seeding raising, and reduce the cost of system and maintenance, the MCU technology, sensor technology and wireless self-organized network were applied to research the low-cost, wireless self-organized group rice nursery shed environment remote monitoring system. It achieved the intelligent control of raising seeding shed, low-cost, wireless sensor nodes self-organized network and other functions. After the long-term operation in 859 farm, the system has no failures, it handles and dismounting easily.

rice; nursery shed; MCU; Ad hoc network; monitoring and controlling

2015-12-24

黑龍江農(nóng)墾總局“十二五”重點科技項目(HNK125B-07-15)；黑龍江省科技廳指導(dǎo)項目(GZ13B013)

趙 斌(1970-)，男，黑龍江寶清人，教授，碩士生導(dǎo)師，博士，(E-mail)616283364@qq.com。

S233.71；S126

A

1003-188X(2017)02-0200-04