低成本水稻群体育秧棚环境远程监控系统的研究

赵 斌，赵 雪，衣淑娟，赵明慧，王大可，戈天剑，王晓伟，陈 金

(黑龙江八一农垦大学 信息技术学院，黑龙江 大庆 163319)



低成本水稻群体育秧棚环境远程监控系统的研究

赵 斌，赵 雪，衣淑娟，赵明慧，王大可，戈天剑，王晓伟，陈 金

(黑龙江八一农垦大学 信息技术学院，黑龙江 大庆 163319)

针对水稻群体育秧棚规模的不断扩大，为了减少人力投入、优化育秧环境、降低系统成本和维护成本，采用MCU技术、传感器技术与无线自组网技术相结合，研究了低成本、无线自组网的群体育秧棚环境远程监控系统，实现了育秧环境自动控制、低成本及无线传感节点自组网等功能。经过在859农场的长期运行，系统无故障，操作简单，拆装方便。

水稻；育秧棚；微控制器；自组网；监控

0 引言

黑龙江省作为我国重要的商品粮基地，近几年水稻种植面积不断扩大，已超过333.3万hm2。农垦和地方为了实现工厂化生产，建设了大量的浸种催芽车间和大规模群体育秧棚，方便农户进行集中育秧，以强化管理、降低成本。但是，目前育秧棚的环境调控多数还是以人工控制为主，造成劳动强度大、育秧环境差，无法实现信息化、自动化生产。项目组多年从事育秧棚环境控制系统研究，先后在多个农场建立了示范点，但整体成本较高，农户个体较难接受。由于系统多是采用各种有线通信方式，线路易受到自然环境和人力破坏，每年的维护工作量极大，因此研究了一套低成本无线自组网的群体育秧棚环境监控系统，以解决高成本和维护问题。

育秧棚环境监控系统的研究文献较多：席桂清等采用自制的土壤湿敏电阻传感器、DB150和DS18B20组成空气温湿度传感器[1]，采用GSM网络做远程监测，采用DS1302定时采集土壤和环境参数，可通过手机观测棚内数据。田芳明、张斌等采用低功耗单片机MSP430F149和SM51[2-5]，或采用太阳能供电或者蓄电池供电，采用DBT-1土壤水分传感器、DB111-10空气温湿度传感器等，采集棚内空气环境参数和土壤环境参数，具有通风、微喷控制等功能。王鹏等采用单片机MSP430F149为核心[6]，采用SHT11数字温湿度传感器组成空气温湿度监测系统。黄金侠等以采集的棚内环境参数为依据[7]，采用模糊PID算法控制棚内温湿度。石建飞等采用PLC采集棚内空气温湿度和土壤参数[8]，控制卷膜器和微喷等设备调节环境参数。衣淑娟、赵斌、秦雯、董淏鸣、范学佳、刘洋、薛冬雪等采用STC单片机为核心[9-15]，采用电流型传感器做数据远传，或采用485总线、MODBUS协议等方式传输数据，需要长的数据线和电源线。

在上述研究中，传感器到控制器之间需要敷设大量明线，随着采集传感器增加，电缆数量急剧增加，线材成本高，传感器价格高，而且影响棚内农事生产，易损坏和老化；或者采用高成本、高精度的传感器，或者高价格的核心单元，这些都增加了系统的成本造价，对于单位集体购买尚可接受，作为农户个体无法接受这样的成本造价和后期维护费用。因此，在前期研究基础上，提出了以无线自组网技术、高性价比传感器和低功耗技术为核心的群体育秧棚环境远程监控系统，以解决现存系统所存在的问题，使自动化系统经济、耐用，使农户能自愿接受使用自动化系统。

1 系统设计方案

目前，随着水稻种植面积不断扩增，对育秧棚需求量激增，各地建有大规模育秧基地，少则几十栋，多则上百栋，占地面积大，管理难度大、劳力需求大。如果采用分散管理，失去工厂化生产的意义。因此，本系统采用集散控制方法，由控制室计算机作为核心，进行全局管理、调控，在每个育秧棚外设有嵌入式控制器做无线网络中继器和控制器，实现数据采集、数据传输及环境调节等功能。系统结构图如图1所示。如果计算机与中继器之间采用有线通信，势必造成现场埋线工作量大、成本高，并且易引起信号衰减，因此本系统采用无线传输模块，完成两者之间的数据传输。在前期研究中，由于部分传感器功耗大，无法采用电池供电，所以仍然采用独立信号线或者485总线形式，这也是目前普遍采用的方法。由于线材成本高，且存在线材老化和人为损坏严重的问题，使第2年的维护工作量非常大。因此，在保持现有数据精度下，改用低功耗、低成本传感器，将棚内环境信息的采集节点设计为电池供电系统，作为无线网络终端；由终端采集棚内空气温湿度、CO2浓度、光照度和土壤温湿度，并通过无线网络传输到中继器，避免了棚内走线，减少了安装、维护工作量，且对农事生产不会产生任何影响，成本低，农户易接受。在无线自组网中，通常采用ZigBee模块，但是ZigBee模块的传输距离较近，距离远的价格极高，而且中继器的成本随着点数的增加，价格急剧增加。因此，为了降低成本，棚内和棚外的无线信息传输采用了同一种模块，通过软件程序设置，形成棚内和棚外两个无线网络，解决了距离远和成本高的问题。为保证育秧环境控制的安全、可靠，系统除了通过计算机进行控制外，设置了手动控制系统，在计算机系统出现故障时，农户依然可以通过手动部分完成对育秧环境的控制，如图1所示。

图1 群体育秧棚环境监控系统结构图

2 无线终端设计

无线终端与中继器构成棚内数据采集无线系统，无线终端负责采集棚内空气环境参数和土壤参数，将参数定时主动传送给中继器，并接收中继器的地址和采集周期修改等指令。

无线终端部分主要由传感器、微处理器、无线模块、升压电路、定时模块和电池构成，系统框图如图2所示。在前期的系统施工、维护中，遇到布线施工、美化、防护工作量极大的问题，而且在使用中农户的不爱护，线材老化加速，使后期维护工作量很大。因此，在无线终端中采用电池供电，彻底去掉长线传输带来的问题。这样就需要电池续航能力强，能够维持一个育秧周期，以减少农户的工作量，所以整个系统必须进行低功耗设计；而低功耗设计的难度就在于降低传感器的功耗和加快采集速度，且要大幅降低传感器价格，以降低整个系统成本。

图2 无线终端设计框图

经过对大量传感器进行性价比分析和试验，空气温湿度传感器选择了AM23XX系列，电源电压2.6～5.5VDC，平均功耗200μA，休眠电流10μA，测量精度分别为<±3%RH和<±0.3℃，体积小巧，便于做防水封装，价格只有十几元，非常适合本系统应用。光照度传感器选择的是SS1060I，最大功耗400mW，价格是前期采用传感器的1/32左右，土壤温湿度传感器选择的是SMTS_II型，峰值功耗<30mA，价格是原采用传感器的1/2。CO2浓度传感器采用的是MH_Z18，平均电流17mA，预热时间<3min，价格是以前的1/5。这些传感器中，CO2的功耗最大，但在育秧棚中通常只需要测量一个点，因此可以为该点配备一个大容量的锂电池。

为了降低系统功耗，MCU采用3V低功耗单片机STC15L2K60S2，电源采用5.5AH和19AH的锂电池供电。由于锂电池输出3.6V，而有的传感器采用5V供电，所以采用了一片升压芯片QX2303，将3V升至5V。无线模块采用的是SI4432，通讯距离在1km左右，其工作可以通过引脚SDN控制，在不需要无线通信时关闭无线模块，以节省电池能量。所有传感器及其接口器件电源均通过电源控制芯片由MCU控制，当不进行数据采集时，电源控制芯片切断所有传感器及其接口芯片的电源，无线模块和MCU进入掉电模式，由PCF8563定时输出信号唤醒MCU，整机掉电时功耗只有3mA，最大功耗200mA(短时)。根据实践经验，育秧前期育秧棚密闭，后期放风期育秧棚处于开放状态，将采集周期通常设置为30min。浇灌时，采集周期设置为10min，夜间可以再加大采集周期。采集周期修改可以通过无线模块发送指令修改，从而大大节省电池电量。

通过程序设计，棚内终端和中继器组成棚内网络，棚内无线终端数量1～255个。每增加1个终端，中继器会保存该终端号；每减少1个终端，中继器自动删除该终端号，实现棚内自组网。虽然棚内外无线模块都是一样的，但可通过网络ID的设置使内外网络之间不会产生干扰。

3 中继器设计

中继器负责完成接收计算机指令、向计算机发送采集信息、接收终端信息、向终端发送指令和控制执行机构调节环境等功能。中继器负责与计算机、其他棚中继器组成无线外网，同时要与棚内终端组成无线内网。中继器在整个系统中起到至关重要作用，要保证信息畅通及指令正确执行。中继器系统包括微处理器、执行机构调理电路、无线通信、执行机构状态检测和电源电路，如图3所示。

图3 中继器系统框图

考虑到中继器部分含有卷膜器和灌溉电磁阀大功率执行器件，电源电路部分设计了24V电源输入和12V电源输入。这样，可以选择采用交流市电和蓄电池供电，方便育秧基地综合选择。执行机构包括两个电动卷膜器和一个灌溉电磁阀，卷膜器控制以往通常采用继电接触控制，造成箱体体积大、线路繁琐、工作量大。因此，系统采用了两片电机控制芯片MC33886，并加上控制逻辑电路，使其既能手动控制又能自动控制，摒弃了以往的继电接触控制，减小了体积，简化了安装，一旦微控制器系统出现问题，可以采用手动控制进行调节，提高了系统的实用性。

为了防止在开闭棚膜时出现过卷撕毁棚膜情况，需要有保护电路。以往采用在棚外安装行程开关的方法，存在安装结构复杂、易锈蚀、可靠性差等问题。针对该问题，在卷膜开度的顶和底位置，分别安装了光电开关，安装位置在棚内部，吊装在棚膜支架上，简化了安装，防止雨水灌入引起锈蚀，灵敏度和可靠性得到提高；当达到相应位置时，光电开关输出高电平，即使外部开关不关闭，卷膜器也停止转动。

中继器采用了一个无线模块，既要与棚内无线终端构成内网，又要与其他棚和计算机连接的无线模块构成外网，避免棚内外通信互相受到影响。因为价格问题，没有选用具有自组网功能的ZigBee模块。 ZigBee协调器价格随着点数增加而增加，成本较高，因此采用了SI4432模块，从软件上方面解决棚内网络和棚外网络的问题。两个网络具有不同的网络ID，每个棚的网络ID唯一，利用软件来降低硬件成本。

4 无线中继器程序设计

无线中继器的任务负责接收管理系统指令和无线终端的信息，是网络的核心，其流程如图4所示。首先系统上电初始化，对内部存储器、定时器、I/O口进行设置，然后设定无线网络；接下来，系统进入循环处理过程，采集当前执行机构状态，包括卷膜器的位置和电磁阀的工作状态，通过接口电路控制将执行机构控制权交于手动控制，判断是否收到管理系统的指令信息。如果收到指令信息，分别根据是索取环境信息、修改采集周期、执行机构调节等进行分类处理；如果没有收到指令信息，判断是否收到无线终端的信息。如果收到终端信息，做数据计算、显示、存储，等待传输给管理系统；如果终端无信息传输，中继器继续上述循环。

图4 无线中继器流程图

5 远程管理系统软件设计

远程管理系统软件完成数据处理、中继器管理、控制指令发布及远程信息处理等功能，采用C#语言设计，模块化结构，图形界面简单，易于操作，功能如图5所示。管理系统通过无线网络依次轮询各个棚，获取棚内环境信息，并存储数据以备后续分析处理。用户可以随时调用历史数据，进行分析、报表、打印，数据以数字、图标及曲线形式显示，在软件上可以直接发布环境调节指令，也可以设定环境参数限值，并设置为自动控制，无需人工干预。手机是人们常用的通信工具，在管理系统上设计了远程信息管理，农户随时可以通过手机观察自家棚内环境数据，也可远程发送环境调节指令，无需到达现场就可以解决棚的管理工作。

图5 远程管理系统功能图

6 结论

水稻群体育秧棚环境远程监控系统在前期研究基础上，大幅降低了系统成本，解决了有线数据传输带来的易损、低可靠性、高成本等问题。采用低功耗设计技术，提高电池持续供电能力，实现了育秧环境的远程监控，方便了农户管理棚区。该系统在黑龙江省859农场安装了5套，经过一个生产期的运行，工作可靠、稳定。其在35天的育秧过程中，只需要充电一次，极大地方便了农户的生产活动，降低了维护成本。由于其低成本、高可靠性和方便的远程管理，受到农户的欢迎。

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[2] 田芳明,衣淑娟,谭峰,等.智能育秧群棚监控系统的设计与应用[J].广东农业科学,2012(2):126-129.

[3] 田芳明,谭峰,衣淑娟.基于单片机的低功耗水稻育秧棚监控系统设计[J].农机化研究,2011,33(11):15-19.

[4] 田芳明,衣淑娟,谭峰，等.通用型太阳能供电式寒地水稻育秧棚采控器设计[J].广东农业科学,2013,40(5):191-194.

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[13] 薛冬雪,赵斌,衣淑娟,等.基于RS485 总线的群体育秧棚环境智能监控系统的研究[J].黑龙江八一农垦大学学报, 2014,26(3):23-25,48.

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[15] 范学佳,赵斌,衣淑娟,等.基于Modbus 的寒地水稻育秧环境智能监控系统[J].农机化研究,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

黑龙江农垦总局“十二五”重点科技项目(HNK125B-07-15)；黑龙江省科技厅指导项目(GZ13B013)

赵 斌(1970-)，男，黑龙江宝清人，教授，硕士生导师，博士，(E-mail)616283364@qq.com。

S233.71；S126

A

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