孫起航，孫殿棋，徐漢林，趙 斌

（黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)，黑龍江 大慶 163319）

黑龍江省是我國(guó)重要的糧食生產(chǎn)基地，水稻種植面積逾333.33萬(wàn)hm2。為實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化、機(jī)械化作業(yè)，采用工廠(chǎng)化、標(biāo)準(zhǔn)化育秧模式，由政府建設(shè)集中育秧棚，將分散農(nóng)戶(hù)的秧苗集中送入育秧棚，實(shí)施標(biāo)準(zhǔn)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(guān)測(cè)、手動(dòng)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(guó)家在溫室生產(chǎn)自動(dòng)化方面的技術(shù)研究較為成熟，但是引進(jìn)成本高、適用性差。目前，國(guó)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(jìn)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(jì)算等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了溫室環(huán)境的遠(yuǎn)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(dòng)式溫室環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，利用誤差消除算法，解決了溫室環(huán)境移動(dòng)監(jiān)測(cè)中的數(shù)據(jù)通信問(wèn)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(shí)現(xiàn)了育秧環(huán)境的本地計(jì)算機(jī)監(jiān)測(cè)與控制。王鵬等[4]以MSP單片機(jī)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(kāi)發(fā)了育秧環(huán)境遠(yuǎn)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(xiàn)通信方式。隨著采集參數(shù)的增加，線(xiàn)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(hù)難以接受；各農(nóng)戶(hù)難以獨(dú)立遠(yuǎn)程監(jiān)控自己的育秧棚。本文以云平臺(tái)為通信中樞，采用GPRS、LoRa和ZigBee通信技術(shù)，開(kāi)發(fā)低成本的寒地水稻育秧環(huán)境遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，提升育秧生產(chǎn)過(guò)程的信息化程度，降低勞動(dòng)強(qiáng)度、節(jié)約成本，實(shí)現(xiàn)秧苗生長(zhǎng)環(huán)境最優(yōu)化。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見(jiàn)第88頁(yè)圖1。該系統(tǒng)由棚內(nèi)采集節(jié)點(diǎn)、執(zhí)行設(shè)備、棚內(nèi)監(jiān)控器、棚區(qū)匯聚節(jié)點(diǎn)、云服務(wù)器和手機(jī)設(shè)備等構(gòu)成。每個(gè)棚區(qū)設(shè)置一個(gè)匯聚節(jié)點(diǎn)，每棟棚設(shè)置一個(gè)棚內(nèi)監(jiān)控器，每個(gè)棚內(nèi)設(shè)置若干個(gè)棚內(nèi)采集節(jié)點(diǎn)，棚內(nèi)執(zhí)行設(shè)備包括卷簾電機(jī)和噴淋電磁閥。棚內(nèi)采集節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)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(diǎn)數(shù)量根據(jù)棚內(nèi)面積和成本需求設(shè)置，通常3～5個(gè)不等。棚內(nèi)監(jiān)控器負(fù)責(zé)收集采集節(jié)點(diǎn)信息，轉(zhuǎn)發(fā)信息至匯聚節(jié)點(diǎn)，控制執(zhí)行設(shè)備。監(jiān)控器與采集節(jié)點(diǎn)采用ZigBee無(wú)線(xiàn)模塊自動(dòng)組網(wǎng)通信，收集棚內(nèi)環(huán)境信息通過(guò)LoRa無(wú)線(xiàn)模塊發(fā)送至匯聚節(jié)點(diǎn)，監(jiān)控器實(shí)時(shí)接收匯聚節(jié)點(diǎn)指令信息，控制執(zhí)行設(shè)備進(jìn)行通風(fēng)、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(hù)，如果每個(gè)棚設(shè)置一個(gè)GPRS通信節(jié)點(diǎn)，勢(shì)必增加網(wǎng)絡(luò)通信費(fèi)用和初裝成本。因此，在棚區(qū)內(nèi)設(shè)置1個(gè)GPRS匯聚節(jié)點(diǎn)，1個(gè)云平臺(tái)可以同時(shí)控制多個(gè)棚區(qū)，降低系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)成本。匯聚節(jié)點(diǎn)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(tái)、準(zhǔn)確地將手機(jī)端的指令信息發(fā)送到目標(biāo)監(jiān)控器等功能，匯聚節(jié)點(diǎn)通過(guò)LoRa無(wú)線(xiàn)模塊與棚內(nèi)控制器組成無(wú)線(xiàn)遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)，通信距離可達(dá)2 km，無(wú)線(xiàn)信號(hào)覆蓋了棚區(qū)范圍，通過(guò)GPRS模塊與云服務(wù)器通信，將采集信息發(fā)至云平臺(tái)進(jìn)行存儲(chǔ)。云服務(wù)器完成接收手機(jī)端信息、匯聚節(jié)點(diǎn)信息、數(shù)據(jù)處理和存儲(chǔ)等功能。手機(jī)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(diǎn)定時(shí)獲取棚內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)，采集周期可動(dòng)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(guò)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(diǎn)數(shù)據(jù)并整理成數(shù)據(jù)包，通過(guò)LoRa無(wú)線(xiàn)模塊發(fā)送至棚區(qū)匯聚節(jié)點(diǎn)。匯聚節(jié)點(diǎn)收到各個(gè)棚的數(shù)據(jù)包后，集中打包并發(fā)送到云平臺(tái)。在系統(tǒng)初次運(yùn)行時(shí)，監(jiān)控器會(huì)自動(dòng)與采集節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)，記錄采集節(jié)點(diǎn)數(shù)量，匯聚節(jié)點(diǎn)與各監(jiān)控器會(huì)通過(guò)程序自動(dòng)查找存在的監(jiān)控器組網(wǎng)，并存儲(chǔ)監(jiān)控器數(shù)量和點(diǎn)號(hào)。云平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和存儲(chǔ)，并把不同棚的信息發(fā)送至各農(nóng)戶(hù)手機(jī)端，手機(jī)端APP接收信息顯示對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)，如有參數(shù)超限，可提示農(nóng)戶(hù)注意查看信息。農(nóng)戶(hù)可通過(guò)APP上執(zhí)行設(shè)備設(shè)置按鈕，發(fā)出對(duì)應(yīng)的通風(fēng)、噴淋調(diào)節(jié)指令，指令信息經(jīng)過(guò)云平臺(tái)處理，發(fā)送至匯聚節(jié)點(diǎn)，匯聚節(jié)點(diǎn)根據(jù)指令目的地址，將信息發(fā)送至對(duì)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(jì)

棚內(nèi)采集節(jié)點(diǎn)由STC15單片機(jī)、各種傳感器、ZigBee無(wú)線(xiàn)模塊、接口電路和鋰電池構(gòu)成，以STC15單片機(jī)為核心，通過(guò)接口電路定時(shí)啟動(dòng)傳感器工作，監(jiān)測(cè)電池電量?？諝鉁貪穸葴y(cè)量采用AM2321傳感器，測(cè)量溫度范圍為-40～100℃（精度為±0.3℃），測(cè)量相對(duì)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(xiàn)接口，每個(gè)參數(shù)以16位數(shù)字量輸出，將輸出數(shù)字轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制數(shù)除以10即為溫度值和相對(duì)濕度值；土壤溫濕度測(cè)量采用一體化土壤溫濕度傳感器MS10，測(cè)量溫度范圍為-40～80℃（精度為±0.5℃），測(cè)量相對(duì)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(xiàn)接口，Modbus通信協(xié)議，每個(gè)參數(shù)以16位數(shù)字量輸出，輸出數(shù)字轉(zhuǎn)換為十進(jìn)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(cè)量范圍為1～65 535 lx（精度為0.5 lx），采用I2C總線(xiàn)接口，輸出數(shù)字量直接轉(zhuǎn)為十進(jìn)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?jǐn)?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(shí)間通常約30 d，采集節(jié)點(diǎn)的電池工作周期需滿(mǎn)足育秧時(shí)間要求以避免增加農(nóng)戶(hù)額外工作量。因此采用5 V，10 Ah的鋰電池，生產(chǎn)試驗(yàn)表明采集周期在1 h以上，該電池滿(mǎn)足生產(chǎn)周期內(nèi)采集節(jié)點(diǎn)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(guó)BUSUNG電動(dòng)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(dòng)作對(duì)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(jì)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(jì)

該系統(tǒng)通信包含3個(gè)部分：ZigBee無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的棚內(nèi)網(wǎng)、LoRa無(wú)線(xiàn)通信構(gòu)成的棚區(qū)內(nèi)網(wǎng)、GPRS無(wú)線(xiàn)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(wú)線(xiàn)速率為250～2 000 b/s，UART接口電平為L(zhǎng)V-TTL，通信視距為800 m，滿(mǎn)足百米育秧棚的通信距離要求。LoRa無(wú)線(xiàn)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(mǎn)足棚區(qū)范圍通信距離要求。GPRS無(wú)線(xiàn)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(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸，支持TCP客戶(hù)端和UDP客戶(hù)端。每個(gè)棚區(qū)只需要設(shè)置1個(gè)匯聚節(jié)點(diǎn)，使用1個(gè)GPRS模塊和1張通信卡，降低了系統(tǒng)通信運(yùn)營(yíng)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(dòng)化程度高、信息化程度高的特點(diǎn)，多數(shù)傳感器采用了同性能的低成本傳感器進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)或加工，MCU選用低成本51單片機(jī)，通信模塊選用未封裝的低成本模塊，成本遠(yuǎn)低于有線(xiàn)通信的線(xiàn)材成本，滿(mǎn)足了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的低成本、高產(chǎn)出的要求。