智能化水稻育秧棚监控系统的设计与应用-基于多机通信

智能化水稻育秧棚监控系统的设计与应用 ——基于多机通

信

衣淑娟a，魏晓晖a，赵 斌a，秦 雯b，董淏鸣a

【摘 要】 针对垦区工厂化育苗生产规模化与自动化、流程标准化、管理智能化等特点，为了提高育秧生产和管理效率、准确掌握育秧环境，利用物联网中的微电子技术、通信技术、传感器技术，采用硬件分系统设计方式设计了一套智能化育秧环境监控系统，以实现远程监控与管理。应用RS485通信技术可以减少棚内布线，提高数据传输可靠性和采集设备的拆组性。 【期刊名称】农机化研究 【年(卷),期】2014(000)012 【总页数】4

【关键词】育秧棚；水稻；MCU；RS485；智能控制

0 引言

黑龙江垦区所处地域属中、寒温带大陆性季风气候区，经过60年开发建设，成为全国规模最大、机械化程度最高的国有农场经济区域，同时是国家重要的商品粮生产基地和战略储备基地，其水稻生产占据重要地位。目前，垦区工厂化育苗主要以规模化、流程标准化、生产自动化、管理智能化方式进行，其主要由智能催芽棚、智能化水稻育秧大棚、智能监控室组成。水稻育秧每年3月份在标准育秧棚内需要培育1个月多的时间 [1]，秧苗生长健壮与否和是否提供最佳育秧环境有着至关重要的关系，因此监控育苗生长环境在育秧过程中显得特别重要。但是，目前垦区育秧大棚环境监测与调控多采用传统的温度计、湿度计和人工调控棚内环境等，消耗人力资源多，智能化和自动化程度不高。

王巍[2]等以MSP430F149为核心，由DB420空气温湿度传感器与DS18B20土壤传感器、显示电路、键盘电路、无线传输等组成了温室大棚监控系统。田芳明[3]等采用MSP430F149为控制核心，采用SM51模块实现智能监控管理室与智能监控设备之间进行无线通信，同时应用GSM通信技术实现短信提醒，通过监控管理室和手机终端可以观测棚内采集信息；该系统同时具有自动电动卷帘与电磁开关微喷的功能。

在上述系统设计中，棚内参数采集均采用一个核心微控制器与传感器进行采集棚内环境参数，棚内传感器越多，就会导致需要铺设大量采集线路，势必会增加产品和施工成本。因此，本设计采用系统硬件分系统设计、传感器技术、RS485通信技术、无线通信技术、计算机技术及自动控制技术等，实现育秧群棚环境自动监控调节的同时使棚内主线减少到两条，提高了垦区工厂化育秧生产智能化和自动化程度，减少了人力资源消耗及成本，为秧苗健康茁壮生长提供最佳生长环境。

1 系统整体设计

系统总体结构如图1所示。在实际生产中，大多农场实现了育秧棚建设规模化、育秧流程标准化、管理统一化，为确保秧苗茁壮成长提供了良好设施条件。该系统主要由物联网中的感知层、传输层、应用层组成。感知层主要是由空气温湿度传感器、土壤水分传感器、土壤温度传感器、二氧化碳传感器、光照传感器、pH值传感器及微型CPU组成的感知网络。该系统应用硬件分系统设计，每个育秧棚由主监控设备、采集器1、采集器2、采集器3、执行机构组成，解决了DS18B20在5V供电电压下传输受距离限制导致信号衰减为0无法采集到远端土壤温度的问题。采用工业防水连接器处理连接处，支持不同育秧棚中

的采集器互换通用，支持快速拆组设备，便于维护。传输层为感知层和应用层的互通建立通信桥梁，通过无线模块等传输给上位机管理平台。该系统可以通过管理平台向使用用户终端发送相关棚内环境信息和预警信息等，用户可以通过移动终端查询棚内环境状况，同时通过移动终端发送控制指令对育秧棚进行控制。该系统执行机构设计采用手/自一体化控制，在计算机自动控制失效后，可以切换到手动控制，确保系统正常运行，同时方便管理人员或者用户使用手动模式对育秧棚环境进行监控。

2 感知层系统设计

感知系统主要包括1个主监控器和3个从机数据采集器。主监控系统负责收集从机数据采集系统采集的棚内环境因子，将参数上传至上位机，接收上位机发出的调控指令，并按照指令进行调控。 2.1 主机监控器

下位机主监控器主要包括控执行机构、数据收集模块、无线通信模块。主机核心处理器选择成熟型 STC12C5A60S作为核心处理器，该芯片具有内嵌入A/D模块、内存大、高速、高可靠、多串口、抗静电强、抗干扰强等特点。主监控器采用与从机数据采集器采用全双工主从式多机通信方式，主机发送采集命令，从机匹配命令后向主监控器发送采集的数据，并显示在主机监控器显示屏上，同时负责执行上位机发出的调控命令。

执行机构核心控制部分主要由卷帘电机和电磁灌溉开关构成，设有自动和手动控制模式，控制方式灵活，方便管理者根据农艺生产需求调控棚内环境。为了防止卷帘电机倾角过大，卷帘电机采用24V直流无角度保护型电机KOS4060，同时在卷帘模块电路中安装有上、中、下行程开关，实现卷帘限位，防止卷帘