水稻工厂化育秧生长信息智能模拟采集系统的设计

王 伟，王 川，王丽伟

(安徽省农业科学院 农业工程研究所，合肥 230031)



水稻工厂化育秧生长信息智能模拟采集系统的设计

王 伟，王 川，王丽伟

(安徽省农业科学院 农业工程研究所，合肥 230031)

水稻工厂化育秧可有效提高生产效率，确保国家粮食安全。为了给水稻工厂化育秧生长管理提供更为迅速、可靠的信息判决依据和决策支持，设计了一种水稻工厂化育秧生长信息智能模拟采集系统，包括针对水稻秧苗生长情况的高光谱图像信息采集系统和监测水稻生长环境各项参数指标的环境信息采集系统(CO2采集单元、温度采集单元、土壤水分采集单元、光照强度采集单元)。同时，采用Keil C语言开发系统的工作软件，以AT89S52单片机为控制器、LCD1602为液晶显示器等设计了系统正常工作的软硬件系统。

水稻；高光谱图像系统；环境信息系统；AT89S52

0 引言

水稻是我国的主要粮食作物，兼具经济、社会效益，是实现种粮增效、稻农增收的重要保障[1]。由于全球气候的变化、水稻种植结构的调整及耕作栽培方式的改变，水稻病虫害逐年加重，严重影响其产量和质量，如何有效防止水稻病虫害成为水稻种植业的一个难点[2]。

水稻工厂化育秧是利用农业装备进行集约化育秧的生产方式，集机电一体化、标准化、自控化为一体，是一项现代农业工程技术[3]，其虽然集中培育、节本增效，但育秧技术不成熟、秧苗成活率低，严重制约了水稻育秧生长工厂化规模的快速发展。因此，实现水稻工厂化育秧生长信息的智能获取生长状况及快速诊断是保证其稳产高产的一个重要环节，可有效地提高工厂化育秧效率，为后续的水稻工厂化育秧生长管理提供更为迅速、可靠的信息判决依据和决策支持，以指导水稻病害管理措施的实施，对提高水稻的产量和质量具有重要意义。

1 总体设计

1.1 设计方案

本文设计的水稻工厂化育秧生长信息智能模拟采集系统包括高光谱图像信息采集系统和环境信息采集系统。工作时，高光谱图像信息采集系统针对水稻秧苗的生长情况工作；环境信息采集系统安装设置在水稻生长环境中，监测环境各项参数指标。总体设计如图1所示。

图1 总体设计框图

1.2 高光谱图像信息采集系统设计

传统的光谱检测技术可以实现病害的检测和识别，但该检测技术无法体现检测区域内的空间信息、差异，只能检测样本的部分，光谱信息不能代表整个农产品信息[4]。目前，新兴的高光谱图像技术把二维图像和光谱技术融为一体，同时获取研究对象的空间信息和光谱信息[5]，为植物病害的检测识别提供更为丰富的信息。

本单元利用北京汉光卓立公司开发的HyperSIS高光谱成像系统采集样品的高光谱图像数据，如图2所示。该系统主要由成像光谱仪、CCD相机、计算机、光源和暗箱等组成[6]。

1.光谱仪 2. CCD相机 3.计算机 4.光源 5.电源箱 6.电机 7.暗箱 8.载物台

1.3 环境信息采集系统设计

本文设计的环境信息采集系统包括CO2采集单元、温度采集单元、土壤水分采集单元及光照强度采集单元。其中，CO2采集单元使用MQ-7气敏传感器；温度采集单元采用DS18B20温度传感器；土壤水分采集单元采用CC2D25S-SIP水分传感器；光照强度采集单元使用BH1750FVI光照传感器。

2 主要结构设计

2.1 系统硬件电路设计

本系统工作时要依托一个硬件电路，采用双面PCB设计，以中央处理单元为核心，包括信息采集单元集、A/D转换单元、液晶显示单元、按键输入单元、程序下载单元和可充电锂电池电源单元，如图3所示。信息采集单元集包括高光谱图像信息采集单元、CO2采集单元、温度采集单元、土壤水分采集单元及光照强度采集单元。

图3 工作电路设计

2.1.1 中央处理单元电路

本单元电路采用AT89S52单片机为控制器。作为主控制单元，包括晶振电路、复位电路，实现控制各单元工作和数据的正常运算处理，如图4、图5所示。

图4 时钟电路

图5 复位电路

本设计AT89S52单片机价格低廉、成熟可靠[7]，各端口的使用情况如图6所示。

图6 AT89S52 I/O分配

2.1.2 A/D转换单元电路

在系统硬件电路设计中，需要将模拟量转换为数字量以供单片机使用。本系统采用美国 TI 公司生产的 12位开关电容逐次逼近式模数转换器TLC2543组成 A/D 转换电路，具有精度高、转换快、稳定性好等诸多特点[8]，电路如图7所示。

图7 A/D转换电路

2.1.3 液晶显示单元电路

液晶显示电路用于实时显示各监测指标值。本系统使用LCD1602，可以显示2行 ASCII码字符，每行具有16个字符显示位[9]，具有成本低、功耗低、超薄轻巧等优点。LCD1602与单片机引脚的连接如图8所示。

图8 液晶显示单元电路

2.1.4 程序下载单元电路

本系统使用USB转串行下载工具的ISP下载装置，通过与PC机USB端口相连接，采用JTAG-10端口，烧录程序[10]，接口电路如图9所示。

2.2 系统软件设计

本系统软件选用模块化的编程方法，使用单片机C51语言编写程序[11]，开发软件为Keil uVision 2。

主程序完成系统的初始化和对各个子程序的调用。首先，调用LCD初始化子程序。然后，按键识别，若有按键按下，转向键盘识别子程序，执行其他功能；若无，则继续执行，调用CO2采集子程序、土壤水分采集子程序、光照强度采集子程序、温度采集子程序，测量环境参数模拟值。最后，通过A/D转换子程序转换成可计算处理的数字值，调用数据处理计算子程序、液晶显示子程序，将最终的数值显示在液晶显示器屏幕上。本系统软件主程序流程如图10所示。

图9 JTAG-10端口

图10 主程序流程图

3 实验结果

在一个小型模拟水稻工厂化育秧室内进行实验模拟，打开开关，对1个水稻秧苗样品进行高光谱实验验证，结果如图11所示。

上述MQ-7等传感器分别采集所在环境下各参数指标。每隔5min测出一组数据，实验结果如图12、图13所示。

图11 1个水稻秧苗样品的原始高光谱图

图12 温度与土壤水分数据曲线图

图13 CO2浓度与光照强度数据曲线图

4 结论

模拟实验表明：本文设计的水稻工厂化育秧生长信息智能模拟采集系统，能够针对水稻秧苗的生长情况，通过采集相关高光谱图像信息而实现无损检测，同时监测水稻生长环境各项参数指标，便于水稻田间管理；设计了控制本系统工作的软件，实现与PC上位机连接，为快速、准确地研究水稻工厂化育秧生长技术提供了模拟采集系统。

后期将针对不同的水稻品种研究其高光谱图像技术的规律特点，拓宽本系统的使用范围；同时，完善本系统软、硬件系统设计，降低电路损耗、提高软件数据处理精度，提高系统的计算能力。

[1] 冯雷，柴荣耀，孙光明，等. 基于多光谱成像技术的水稻叶瘟检测分级方法研究[J].光谱学与光谱分析，2009,29(10)：2730-2733.

[2] 季慧华.基于光谱分析技术的水稻病虫害早期检测研究[D].杭州：中国计量学院，2013.

[3] 王雪忠，徐华林，张卫华.水稻工厂化育秧的关键技术[J].上海农业科技，2011(3)：44.

[4] 田有文，程怡，吴琼，等.农产品病虫害高光谱成像无损检测的研究进展[J].激光与红外，2013，43(12)：1329-1335.

[5] 张筱蕾.基于高光谱成像技术的油菜养分及产量信息快速获取技术和方法研究[D].杭州：浙江大学，2013.

[6] 迟茜，王转卫，杨婷婷，等.基于近红外高光谱成像的猕猴桃早期隐性损伤识别[J].农业机械学报，2015，46(3)：235-241.

[7] 杨军. 基于交流阻抗法的麦秸秆含水率检测仪的设计[D].杨凌：西北农林科技大学，2013.

[8] 刘驰. 基于单片机的秸秆含水率测量仪的设计[D].杨凌：西北农林科技大学，2012.

[9] 王立文，邵晓根，席建中，等.LCD1602在温室CO2增施控制器中的应用[J].安徽农业科学，2008，36(33)：14822-14824.

[10] 王伟.便携式燕麦含水率测量仪的研制[D].杨凌：西北农林科技大学，2014.

[11] 林垂涛，郭文川，刘娜，等.基于单片机的昆虫热特性测量控制系统的设计[J].安徽农业科学，2009，37(1)：429-431.Abstract ID:1003-188X(2017)08-0137-EA

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

安徽省农业科学院院长青年创新基金项目(16B1328)；公益性行业(农业)科研专项(201503130)；安徽省农科院水稻产业现代农业发展资金项目(2015-2017)

王 伟(1989-)，男，安徽蚌埠人，研究实习员，硕士，(E-mail)wangwei1412@126.com。

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

S126；S24

A

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