设施瓜类辅助繁种配套综合装置的设计与试验

高 帅，钟 兴*，冯英娜，王艳莉，陈 炳，蒋锦浩

（1.江苏农林职业技术学院,江苏 句容 212400；2.江苏省现代农业装备工程中心,江苏 句容 212400）

0 引言

我国是设施瓜类的生产大国，设施瓜类在全国农业经济结构中占有举足轻重的地位，设施瓜类是瓜类产业现代化的标志［1-3］。但是我国目前自主选育的设施瓜类品种在持续坐果能力、果实外观以及商品品质等方面仍与国外优良品种存在较大的差距，原因是国内设施瓜类授粉繁种主要采用激素蘸花、喷花白等方式，严重影响了设施瓜类在国外的销售［4］。为落实习近平总书记关于“要下决心把我国种业搞上去，抓紧培育具有自主知识产权的优良品种，从源头上保障国家粮食安全”的重要指示，我国分子育种等关键技术取得了快速的发展，极大地缩短了设施瓜类获得优质种质的周期［5］。然而，从优异种质到获得新品种的中间制种环节的效率和准确性仍有待提高，亟需更加高效、精准的小规模制种和繁种技术的辅助配合。应用设施及配套综合装置进行辅助繁种的关键技术，依然是设施瓜类种业发展的难点和堵点。目前，浙江［6-7］、北京［8-9］、山东［10-11］及四川［12-13］等地均开展了相关研究，配套综合装置已在茄果类和瓜果类的制种上得到了一定应用。国外设施瓜类辅助繁种对配套装备和配套栽培技术要求较高，欧盟国家自2010年起已经全面禁止激素类产品在设施瓜类生产中应用，并在其食品安全标准中禁止使用人工合成激素类化学成分，这也间接推动了辅助繁种技术的发展［14］。发达国家已经建立了一套完整的体系将最新的科学技术应用于辅助繁种及配套装备技术中，并广泛应用到水果、蔬菜等各种设施作物［15-18］。国外先进的辅助繁种技术和温室大棚智能化调控系统对我国辅助繁种配套综合装置的发展具有很大的启示。

本文针对设施瓜类品种的需求，将传统繁种技术与智能农业装备相结合，通过设计智能辅助授粉装置、优化制种大棚结构和研发大棚环境智能化调控系统，减少了人为干扰昆虫授粉，形成了功能完备、省工节本且具有自主知识产权的智能化综合设施，有效提高了制种的效率和准确度，实现了制种技术的新升级。

1 智能辅助授粉装置的设计

设施瓜类辅助授粉技术对于实现设施瓜类高产高效与改良设施瓜类品种都具有重大意义。人工辅助授粉虽然能够完成授粉任务，但其劳动强度大、劳动力成本高，限制了设施瓜类面积的扩展，不能满足农业经济效益最大化的需要［19］；此外，人工辅助授粉效率不及虫媒授粉，且利用化学药剂授粉，商品的安全性下降，对人体健康不利［20］。

现有的设施瓜类辅助授粉装置主要存在智能化程度低、设施简陋等问题，不利于提高设施瓜类产品的品质和产量，因此需要对传统装置进一步完善，提高授粉的效率。

1.1 智能辅助授粉装置的结构与工作原理

设施瓜类智能辅助授粉装置的结构示意图如图1所示，该授粉装置包括了机械结构装置、智能控制机构和远程监控装置。机械结构装置包括蜂桶、筑巢装置、注水控制装置等；智能控制机构包括用于感应土蜂的智能环境感受模块、温湿度调节器等；远程监控装置包括用户客户端、软件系统、天线等。

图1 智能辅助授粉装置结构示意图

智能辅助授粉装置放入温室大棚后，其智能环境感受模块能够实时采集装置内的位置、温湿度、昆虫声音、土蜂进出量、供电电量等信息。使用客户端可实时显示采集的数据信息，并进行数据参数的设定。当设定的参数与采集到的数据信息不一致时，可通过手动或自动进行调节，经过数据处理分析之后，将调节控制信息通过天线反馈给控制器，使控制器进行相关动作，从而实现智能保护授粉昆虫的作用，促进设施瓜类辅助繁种。

1.2 主要尺寸参数

智能辅助授粉装置的主要尺寸参数如表1所示。

表1 智能辅助授粉装置的主要尺寸参数

1.3 智能环境感受模块

智能环境感模块如图2所示，该模块集成了微型GPS定位传感器（LK109模块）、温湿度传感器（DHT12模块）、声音传感器（MIC52模块）、土蜂进出量传感器（CAP20模块）、重量传感器（YZC133模块）以及Wi-Fi模块等多种电子元器件。智能环境感受模块采用STM32作为主控芯片，该芯片部署在土蜂出入口的正上方处，可实时采集装置内的位置、温湿度、昆虫声音、土蜂进出量、供电电量等信息。

图2 智能环境感受模块实物图

1.4 远程监控装置的设计

远程监控装置包括用户客户端、软件系统、天线等。天线布设在蜂桶圆形盖上方，使用Wi-Fi通信技术接收外界温湿度信息并进行远程监控。远程监控装置实现了蜂桶内温湿度监测、土蜂进出量监测、蓄电池电量监测、位置监测等功能；同时还提供温湿度、进出量、重量、频率等异常报警的设置和预警管理等功能。

2 制种大棚结构的设计

现有设施大棚装置对大风、高温、降雨等的防控以人工操作为主，但人工操作费时费工、操作繁琐、效率不高且多个品种在一个大棚内易造成种子混杂，工人多次进入大棚也会干扰土蜂授粉繁种，因此需要对传统大棚结构进行分隔。分隔的主要目的是为不同品种的瓜类提供独立授粉繁种的空间。在综合考虑避雨通风、减少人为操作的前提下，设计的制种大棚结构如图3所示，图3a为制种大棚的正面图，图3b为制种大棚的侧面图。

图3 制种大棚整体结构

设置大棚缓冲室，可大幅降低外来花粉、昆虫进入大棚的概率，提高制种质量。考虑到季节温度的变化，将大棚顶部分为3层，最下面一层是防虫网，第2层是棚膜，最顶部与大棚平行的是遮阳网。当棚内温度过高时可通过卷帘器将棚膜卷至大棚中间，对棚内进行遮光。一个传统的种植大棚只能种植一种瓜类，而缓冲室的设计能够在一个大棚内种植不同品种的瓜类，实现高效率、小规模制种。

3 基于PLC的大棚环境控制系统设计

3.1 控制系统结构框图

为了减少环境因素对昆虫活动和制种质量的影响，并为设施瓜类亲本提供稳定、适宜的生长环境，本文设计开发了基于PLC（可编程逻辑控制器）的大棚环境控制系统，控制系统的结构框图如图4所示。该系统主要由3部分组成：网关系统、传感器系统和控制器系统。网关系统将现场采集到的数据上传至云端或者将云端的命令回传到现场控制器；传感器系统对温室的温、湿度等信号进行现场采集，信号经A/D转换后，进行处理和通信；控制器系统是将云端的远程控制指令转换后通过RS232发送给PLC，PLC带动执行机构完成对升温设备、降温设备、除湿设备和增湿设备的控制。

图4 控制系统结构框图

3.2 PLC 控制方案

3.2.1 I/O分配表 PLC选择三菱公司的FX3U-16 MR可编程控制器，具体的I/O分配表如表2所示。

表2 PLC I/O分配表

3.2.2 外部接线图 根据I/O分配表，绘制PLC的外部接线图（图5）。

图5 PLC外部接线图

3.2.3 程序设计 采用降温设备、增温设备、除湿设备和增湿设备配合温度传感器、湿度传感器实现温湿度控制自动化。在自动运行模式下，PLC判断温湿度参数是否满足预设条件。若温湿度过高，则开启降温设备或者升温设备；若温湿度过低，则开启升温设备或增湿设备。PLC控制算法采用模糊神经网络，不断进行温湿度的检测和自动调节，直至满足规定条件后，系统停止运行。在手动运行模式下，可人为通过按钮控制升温设备、降温设备、除湿设备、增湿设备的运行，具体控制流程如图6所示。

图6 大棚环境控制流程图

4 田间试验结果与分析

4.1 试验目的

为了验证所用设施瓜类辅助繁种配套综合装置的可靠性与合理性，对配套综合装置进行现场试验。收集配套综合装置的有效授粉时间、制种纯度、制种产量、制种成本和制种室的温湿度等数据，比较实际数值与理论参数间的误差值。

4.2 试验条件

试验在江苏农林职业技术学院的江苏农博园内进行，试验现场如图7所示，共设置2个大棚。处理组（T）在大棚内放置智能辅助授粉装置，监测土蜂的各种特征，同时将基于PLC的智能环境控制系统控制柜安装在大棚内，温室中种植了3种不同品种的黄瓜，共包含3个制种室；对照组（CK）将普通辅助授粉装置放置于大棚内，温室中种植了与处理组相同品种的3种黄瓜，不单独设置缓冲室和环境控制系统。

图7 试验现场照片

4.3 试验结果与分析

4.3.1 制种室温湿度分析 温湿度的理论参考值依据秋冬季节黄瓜结果期内生长1 d的最优温湿度设定，实际值由棚内各传感器测量的平均值获得，将温湿度的理论值与实际值进行比较。从图8中可以得出，制种室的温度从最初的18 ℃上升至22.8 ℃后基本实现了目标温度的控制，制种室的湿度从最初的14 g/m3变化至17.2 g/m3后也基本实现了目标湿度的控制。制种室的温度、湿度等实际数值与理论参数之间的误差低于10%，满足制种室温、湿度对土蜂的影响和控制要求，可以有效延长土蜂的授粉时间。

图8 制种室温、湿度的变化曲线

4.3.2 有效授粉时间、制种纯度、产量和成本分析 从表3可以看出，使用智能辅助授粉装置的黄瓜品种1、品种2、品种3的有效授粉时间分别提高了37.7%、39.0%、34.9%，制种纯度分别提高了10.2%、8.8%、10.2%，制种产量分别提高了17.8%、16.9%、23.6%，制种成本均下降了41.5%。智能化大棚环境系统的配套使用，避免了阴雨天气对设施瓜类繁种的影响，延长了土蜂的授粉时间；应用智能辅助授粉装置和缓冲室，大幅度降低了外界花粉落入制种室的概率，提高了制种纯度和单瓜种子粒数，并有效降低了人工成本。

表3 试验各指标对比结果

5 结论

本文针对设施瓜类育种发展的新趋势，以优化繁种技术、提升智能化、自动化水平为核心目标，研发了配套智能辅助授粉装置，通过完善制种大棚结构功能并接入了大棚环境控制系统，更好地服务于新兴育种技术。本文得出如下结论：

（1）针对传统设施瓜类辅助授粉装置存在智能化程度低、设施简陋等问题，设计开发了智能辅助授粉装置，引入缓冲室，降低了大棚制种室的混杂度。

（2）研发了基于PLC的智能化大棚环境控制系统，减少了环境因素对昆虫活动和制种质量的影响，为实施瓜类亲本提供了更稳定、适宜的生长环境。

（3）在江苏农博园对配套综合装置进行了黄瓜田间试验，结果表明：制种室的温度、湿度等实际数值与理论参数之间的误差低于10%；制种产量较传统土蜂授粉提高10%以上，土蜂有效授粉时间提高30%以上，制种纯度提高8%以上，降低制种成本41.5%。应用配套综合装置，有效提高了设施瓜类的制种效率和准确性，对其他设施作物制种提供了一定的参考依据。