王 偉，王 川，王麗偉

(安徽省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 農(nóng)業(yè)工程研究所，合肥 230031)

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水稻工廠化育秧生長(zhǎng)信息智能模擬采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

王 偉，王 川，王麗偉

(安徽省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 農(nóng)業(yè)工程研究所，合肥 230031)

水稻工廠化育秧可有效提高生產(chǎn)效率，確保國(guó)家糧食安全。為了給水稻工廠化育秧生長(zhǎng)管理提供更為迅速、可靠的信息判決依據(jù)和決策支持，設(shè)計(jì)了一種水稻工廠化育秧生長(zhǎng)信息智能模擬采集系統(tǒng)，包括針對(duì)水稻秧苗生長(zhǎng)情況的高光譜圖像信息采集系統(tǒng)和監(jiān)測(cè)水稻生長(zhǎng)環(huán)境各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)的環(huán)境信息采集系統(tǒng)(CO2采集單元、溫度采集單元、土壤水分采集單元、光照強(qiáng)度采集單元)。同時(shí)，采用Keil C語(yǔ)言開(kāi)發(fā)系統(tǒng)的工作軟件，以AT89S52單片機(jī)為控制器、LCD1602為液晶顯示器等設(shè)計(jì)了系統(tǒng)正常工作的軟硬件系統(tǒng)。

水稻；高光譜圖像系統(tǒng)；環(huán)境信息系統(tǒng)；AT89S52

0 引言

水稻是我國(guó)的主要糧食作物，兼具經(jīng)濟(jì)、社會(huì)效益，是實(shí)現(xiàn)種糧增效、稻農(nóng)增收的重要保障[1]。由于全球氣候的變化、水稻種植結(jié)構(gòu)的調(diào)整及耕作栽培方式的改變，水稻病蟲害逐年加重，嚴(yán)重影響其產(chǎn)量和質(zhì)量，如何有效防止水稻病蟲害成為水稻種植業(yè)的一個(gè)難點(diǎn)[2]。

水稻工廠化育秧是利用農(nóng)業(yè)裝備進(jìn)行集約化育秧的生產(chǎn)方式，集機(jī)電一體化、標(biāo)準(zhǔn)化、自控化為一體，是一項(xiàng)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程技術(shù)[3]，其雖然集中培育、節(jié)本增效，但育秧技術(shù)不成熟、秧苗成活率低，嚴(yán)重制約了水稻育秧生長(zhǎng)工廠化規(guī)模的快速發(fā)展。因此，實(shí)現(xiàn)水稻工廠化育秧生長(zhǎng)信息的智能獲取生長(zhǎng)狀況及快速診斷是保證其穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，可有效地提高工廠化育秧效率，為后續(xù)的水稻工廠化育秧生長(zhǎng)管理提供更為迅速、可靠的信息判決依據(jù)和決策支持，以指導(dǎo)水稻病害管理措施的實(shí)施，對(duì)提高水稻的產(chǎn)量和質(zhì)量具有重要意義。

1 總體設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)方案

本文設(shè)計(jì)的水稻工廠化育秧生長(zhǎng)信息智能模擬采集系統(tǒng)包括高光譜圖像信息采集系統(tǒng)和環(huán)境信息采集系統(tǒng)。工作時(shí)，高光譜圖像信息采集系統(tǒng)針對(duì)水稻秧苗的生長(zhǎng)情況工作；環(huán)境信息采集系統(tǒng)安裝設(shè)置在水稻生長(zhǎng)環(huán)境中，監(jiān)測(cè)環(huán)境各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)?？傮w設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 總體設(shè)計(jì)框圖

1.2 高光譜圖像信息采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的光譜檢測(cè)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)病害的檢測(cè)和識(shí)別，但該檢測(cè)技術(shù)無(wú)法體現(xiàn)檢測(cè)區(qū)域內(nèi)的空間信息、差異，只能檢測(cè)樣本的部分，光譜信息不能代表整個(gè)農(nóng)產(chǎn)品信息[4]。目前，新興的高光譜圖像技術(shù)把二維圖像和光譜技術(shù)融為一體，同時(shí)獲取研究對(duì)象的空間信息和光譜信息[5]，為植物病害的檢測(cè)識(shí)別提供更為豐富的信息。

本單元利用北京漢光卓立公司開(kāi)發(fā)的HyperSIS高光譜成像系統(tǒng)采集樣品的高光譜圖像數(shù)據(jù)，如圖2所示。該系統(tǒng)主要由成像光譜儀、CCD相機(jī)、計(jì)算機(jī)、光源和暗箱等組成[6]。

1.光譜儀 2. CCD相機(jī) 3.計(jì)算機(jī) 4.光源 5.電源箱 6.電機(jī) 7.暗箱 8.載物臺(tái)

1.3 環(huán)境信息采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的環(huán)境信息采集系統(tǒng)包括CO2采集單元、溫度采集單元、土壤水分采集單元及光照強(qiáng)度采集單元。其中，CO2采集單元使用MQ-7氣敏傳感器；溫度采集單元采用DS18B20溫度傳感器；土壤水分采集單元采用CC2D25S-SIP水分傳感器；光照強(qiáng)度采集單元使用BH1750FVI光照傳感器。

2 主要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)工作時(shí)要依托一個(gè)硬件電路，采用雙面PCB設(shè)計(jì)，以中央處理單元為核心，包括信息采集單元集、A/D轉(zhuǎn)換單元、液晶顯示單元、按鍵輸入單元、程序下載單元和可充電鋰電池電源單元，如圖3所示。信息采集單元集包括高光譜圖像信息采集單元、CO2采集單元、溫度采集單元、土壤水分采集單元及光照強(qiáng)度采集單元。

圖3 工作電路設(shè)計(jì)

2.1.1 中央處理單元電路

本單元電路采用AT89S52單片機(jī)為控制器。作為主控制單元，包括晶振電路、復(fù)位電路，實(shí)現(xiàn)控制各單元工作和數(shù)據(jù)的正常運(yùn)算處理，如圖4、圖5所示。

圖4 時(shí)鐘電路

圖5 復(fù)位電路

本設(shè)計(jì)AT89S52單片機(jī)價(jià)格低廉、成熟可靠[7]，各端口的使用情況如圖6所示。

圖6 AT89S52 I/O分配

2.1.2 A/D轉(zhuǎn)換單元電路

在系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)中，需要將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量以供單片機(jī)使用。本系統(tǒng)采用美國(guó) TI 公司生產(chǎn)的 12位開(kāi)關(guān)電容逐次逼近式模數(shù)轉(zhuǎn)換器TLC2543組成 A/D 轉(zhuǎn)換電路，具有精度高、轉(zhuǎn)換快、穩(wěn)定性好等諸多特點(diǎn)[8]，電路如圖7所示。

圖7 A/D轉(zhuǎn)換電路

2.1.3 液晶顯示單元電路

液晶顯示電路用于實(shí)時(shí)顯示各監(jiān)測(cè)指標(biāo)值。本系統(tǒng)使用LCD1602，可以顯示2行 ASCII碼字符，每行具有16個(gè)字符顯示位[9]，具有成本低、功耗低、超薄輕巧等優(yōu)點(diǎn)。LCD1602與單片機(jī)引腳的連接如圖8所示。

圖8 液晶顯示單元電路

2.1.4 程序下載單元電路

本系統(tǒng)使用USB轉(zhuǎn)串行下載工具的ISP下載裝置，通過(guò)與PC機(jī)USB端口相連接，采用JTAG-10端口，燒錄程序[10]，接口電路如圖9所示。

2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)軟件選用模塊化的編程方法，使用單片機(jī)C51語(yǔ)言編寫程序[11]，開(kāi)發(fā)軟件為Keil uVision 2。

主程序完成系統(tǒng)的初始化和對(duì)各個(gè)子程序的調(diào)用。首先，調(diào)用LCD初始化子程序。然后，按鍵識(shí)別，若有按鍵按下，轉(zhuǎn)向鍵盤識(shí)別子程序，執(zhí)行其他功能；若無(wú)，則繼續(xù)執(zhí)行，調(diào)用CO2采集子程序、土壤水分采集子程序、光照強(qiáng)度采集子程序、溫度采集子程序，測(cè)量環(huán)境參數(shù)模擬值。最后，通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換子程序轉(zhuǎn)換成可計(jì)算處理的數(shù)字值，調(diào)用數(shù)據(jù)處理計(jì)算子程序、液晶顯示子程序，將最終的數(shù)值顯示在液晶顯示器屏幕上。本系統(tǒng)軟件主程序流程如圖10所示。

圖9 JTAG-10端口

圖10 主程序流程圖

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在一個(gè)小型模擬水稻工廠化育秧室內(nèi)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)?zāi)M，打開(kāi)開(kāi)關(guān)，對(duì)1個(gè)水稻秧苗樣品進(jìn)行高光譜實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果如圖11所示。

上述MQ-7等傳感器分別采集所在環(huán)境下各參數(shù)指標(biāo)。每隔5min測(cè)出一組數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖12、圖13所示。

圖11 1個(gè)水稻秧苗樣品的原始高光譜圖

圖12 溫度與土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)曲線圖

圖13 CO2濃度與光照強(qiáng)度數(shù)據(jù)曲線圖

4 結(jié)論

模擬實(shí)驗(yàn)表明：本文設(shè)計(jì)的水稻工廠化育秧生長(zhǎng)信息智能模擬采集系統(tǒng)，能夠針對(duì)水稻秧苗的生長(zhǎng)情況，通過(guò)采集相關(guān)高光譜圖像信息而實(shí)現(xiàn)無(wú)損檢測(cè)，同時(shí)監(jiān)測(cè)水稻生長(zhǎng)環(huán)境各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)，便于水稻田間管理；設(shè)計(jì)了控制本系統(tǒng)工作的軟件，實(shí)現(xiàn)與PC上位機(jī)連接，為快速、準(zhǔn)確地研究水稻工廠化育秧生長(zhǎng)技術(shù)提供了模擬采集系統(tǒng)。

后期將針對(duì)不同的水稻品種研究其高光譜圖像技術(shù)的規(guī)律特點(diǎn)，拓寬本系統(tǒng)的使用范圍；同時(shí)，完善本系統(tǒng)軟、硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)，降低電路損耗、提高軟件數(shù)據(jù)處理精度，提高系統(tǒng)的計(jì)算能力。

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Design of Intelligent Simulation and Information Collection System for the Growth of Rice about Industrialized Seeding Technique

Wang Wei, Wang Chuan, Wang Liwei

(Institute of Agricultural Engineering Anhui Academy of Agricultural Sciences, Hefei 230031, China)

The industrialized seeding technique for rice is of great significance to ensure the national food security, which could be more effective in increasing production efficiency and reducing cost of production. In order to provide more information, fast and reliable decision for the growth management of factory rice seeding, the intelligent simulation and information collection system was designed with two subsystems, named hyperspectral image information acquisition system that was established to monitor rice seeding growth and environment information acquisition system including CO2acquisition unit, the temperature acquisition unit, soil moisture acquisition unit, light intensity acquisition unit. Besides, several vital constituent parts, such as a software of the collection system developed by Keil C language，AT89S52 single-chip microcomputer as the controller, LCD1602 as the liquid crystal display, were all associated with the software and hardware system.

rice; hyperspectral image system; environment information system; AT89S52

2016-06-22

安徽省農(nóng)業(yè)科學(xué)院院長(zhǎng)青年創(chuàng)新基金項(xiàng)目(16B1328)；公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項(xiàng)(201503130)；安徽省農(nóng)科院水稻產(chǎn)業(yè)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展資金項(xiàng)目(2015-2017)

王 偉(1989-)，男，安徽蚌埠人，研究實(shí)習(xí)員，碩士，(E-mail)wangwei1412@126.com。

王 川(1978-)，男，安徽桐城人，副研究員，碩士，(E-mail)06wangchuan@163.com。

S126；S24

A

1003-188X(2017)08-0137-04