寒地水稻育秧环境智能监控系统的研究*

2021-08-19孙起航孙殿棋徐汉林

科技创新与生产力 2021年7期

孙起航，孙殿棋，徐汉林，赵斌

（黑龙江八一农垦大学，黑龙江大庆 163319）

黑龙江省是我国重要的粮食生产基地，水稻种植面积逾333.33万hm2。为实现标准化、机械化作业，采用工厂化、标准化育秧模式，由政府建设集中育秧棚，将分散农户的秧苗集中送入育秧棚，实施标准化育秧管理，以保证出苗率、苗齐等。但是，目前育秧棚环境调控多数仍采用人工观测、手动调节的方式，在人力资源紧缺的情况下增加了生产成本，管理方法粗放。

荷兰、日本等国家在温室生产自动化方面的技术研究较为成熟，但是引进成本高、适用性差。目前，国内在温室环境和北方育秧环境监控方面的研究取得了较大进展。安邦[1]以可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）为核心研究了温室的环境控制系统，利用物联网、云计算等技术，实现了温室环境的远程调控。侯加林等[2]采用超宽带（Ultra Wide Band，UWB）和物联网技术研究了移动式温室环境监测系统，利用误差消除算法，解决了温室环境移动监测中的数据通信问题。赵斌等[3]采用ZigBee（紫蜂协议）通信技术研究了育秧棚环境监控系统，实现了育秧环境的本地计算机监测与控制。王鹏等[4]以MSP单片机为核心，构建了低功耗的育秧环境本地监控系统。席桂清等[5]采用GSM网络通信技术，结合自制传感器，开发了育秧环境远程监控系统。

在上述研究中发现，育秧棚内传感器与控制器的通信仍采用有线通信方式。随着采集参数的增加，线材成本急剧增加，设备易损坏；采用PLC控制，成本较高，农户难以接受；各农户难以独立远程监控自己的育秧棚。本文以云平台为通信中枢，采用GPRS、LoRa和ZigBee通信技术，开发低成本的寒地水稻育秧环境远程监控系统，提升育秧生产过程的信息化程度，降低劳动强度、节约成本，实现秧苗生长环境最优化。

1 系统总体设计

系统结构见第88页图1。该系统由棚内采集节点、执行设备、棚内监控器、棚区汇聚节点、云服务器和手机设备等构成。每个棚区设置一个汇聚节点，每栋棚设置一个棚内监控器，每个棚内设置若干个棚内采集节点，棚内执行设备包括卷帘电机和喷淋电磁阀。棚内采集节点负责采集棚内的空气温度和湿度、光照度、CO2浓度、土壤温度和湿度信息，采集节点数量根据棚内面积和成本需求设置，通常3～5个不等。棚内监控器负责收集采集节点信息，转发信息至汇聚节点，控制执行设备。监控器与采集节点采用ZigBee无线模块自动组网通信，收集棚内环境信息通过LoRa无线模块发送至汇聚节点，监控器实时接收汇聚节点指令信息，控制执行设备进行通风、喷淋操作。采用集中育秧、集中管理模式。由于棚区内棚数多、占地广且每栋棚分属不同农户，如果每个棚设置一个GPRS通信节点，势必增加网络通信费用和初装成本。因此，在棚区内设置1个GPRS汇聚节点，1个云平台可以同时控制多个棚区，降低系统运营成本。汇聚节点起传令兵的作用，完成转发监控器的采集信息给云平台、准确地将手机端的指令信息发送到目标监控器等功能，汇聚节点通过LoRa无线模块与棚内控制器组成无线远程网络，通信距离可达2 km，无线信号覆盖了棚区范围，通过GPRS模块与云服务器通信，将采集信息发至云平台进行存储。云服务器完成接收手机端信息、汇聚节点信息、数据处理和存储等功能。手机端APP完成信息接收、信息显示和控制指令发送等功能。

图1 寒地水稻育秧环境智能监控系统框图

该系统工作原理如下：采集节点定时获取棚内环境数据，采集周期可动态调整。采集间歇系统处于低功耗状态以降低电池电量消耗，获取数据通过ZigBee模块发送给棚内监控器。监控器收取各采集节点数据并整理成数据包，通过LoRa无线模块发送至棚区汇聚节点。汇聚节点收到各个棚的数据包后，集中打包并发送到云平台。在系统初次运行时，监控器会自动与采集节点组网，记录采集节点数量，汇聚节点与各监控器会通过程序自动查找存在的监控器组网，并存储监控器数量和点号。云平台进行数据处理和存储，并把不同棚的信息发送至各农户手机端，手机端APP接收信息显示对应数据，如有参数超限，可提示农户注意查看信息。农户可通过APP上执行设备设置按钮，发出对应的通风、喷淋调节指令，指令信息经过云平台处理，发送至汇聚节点，汇聚节点根据指令目的地址，将信息发送至对应棚的监控器，完成环境调节指令。

2 棚内设备选型与设计

棚内采集节点由STC15单片机、各种传感器、ZigBee无线模块、接口电路和锂电池构成，以STC15单片机为核心，通过接口电路定时启动传感器工作，监测电池电量。空气温湿度测量采用AM2321传感器，测量温度范围为-40～100℃（精度为±0.3℃），测量相对湿度范围为0～100%（精度为±3%），电源为直流2.6～5.5 V，平均电流为200 μA，采用I2C总线接口，每个参数以16位数字量输出，将输出数字转换为十进制数除以10即为温度值和相对湿度值；土壤温湿度测量采用一体化土壤温湿度传感器MS10，测量温度范围为-40～80℃（精度为±0.5℃），测量相对湿度范围为0～50%（精度为±2%），电源为直流3.6～30 V，最大电流为6 mA，采用485总线接口，Modbus通信协议，每个参数以16位数字量输出，输出数字转换为十进制数除以100即为温湿度值；光照度传感器采用了低成本的SS1060I，电源为直流5 V，最大功耗为400 mW，测量范围为1～65 535 lx（精度为0.5 lx），采用I2C总线接口，输出数字量直接转为十进制数即为光照度值；CO2传感器采用的是MH-Z18型NDIR红外气体传感器，电源为直流4～5.5 V，平均电流小于17 mA，质量分数量程为0～2 000×10-6（精度为±5%），通用异步收发传输器（Universal Asynchronous Receiver Transmitter，UART）串口输出。育秧时间通常约30 d，采集节点的电池工作周期需满足育秧时间要求以避免增加农户额外工作量。因此采用5 V，10 Ah的锂电池，生产试验表明采集周期在1 h以上，该电池满足生产周期内采集节点电量需求。

棚内执行设备包括棚两侧的卷膜器和喷淋电磁阀，由棚内监控器控制。卷膜器采用韩国BUSUNG电动卷膜器KOS4060，电源为直流24 V，电流为2.5 A，功率为70 W，最大扭矩为32 N·m，最大卷高3 m，转速为5 r/min，电磁阀采用24 V直流电磁阀DF1-25。为防止执行设备动作对隔离微控制单元（Microcontroller Unit，MCU）系统产生电磁干扰，在MCU输出端设计光耦电路，隔离MCU系统和执行设备，光耦输出连接板载继电器，由继电器控制卷膜器和电磁阀。

3 通信设备选型与设计

该系统通信包含3个部分：ZigBee无线网络构成的棚内网、LoRa无线通信构成的棚区内网、GPRS无线通信构成的棚区外网。ZigBee通信采用云天创公司的ATZGB模块，工作频率为2.4 GHz，电源为直流2.2～3.6 V，发射功率为-17～3 dBm，接收灵敏度为-101 dBm，无线速率为250～2 000 b/s，UART接口电平为LV-TTL，通信视距为800 m，满足百米育秧棚的通信距离要求。LoRa无线通信采用了桑锐电子公司的SWRF506模块，工作频率为433 MHz，GFSK调制，电源为直流4.5～5.5 V，发射电流为300 mA，接收灵敏度为-120 dBm，接口速率为9 600 b/s，通信距离为2 km，满足棚区范围通信距离要求。GPRS无线通信采用了灵旗通信公司的LQ1000 GPRS DTU模块，电源为直流12 V，平均消耗电流为75 mA，RS232接口，支持短信传输和GPRS实时数据传输，支持TCP客户端和UDP客户端。每个棚区只需要设置1个汇聚节点，使用1个GPRS模块和1张通信卡，降低了系统通信运营成本。