作者：田芳明 衣淑娟 譚峰 王曉亮 閆麗 劉英楠 單位：黑龍江八一農墾大學信息技術學院

1系統主要功能與構成

1.1主要功能本系統實現了水稻育秧大棚的環境條件監測與控制，根據育秧整個過程的農藝要求，系統具有以下功能：（1）育秧棚內環境參數實時采集：針對水稻育秧的整個生長周期進行環境檢測，主要檢測參數包括土壤溫度、土壤水分、空氣溫濕度、光照強度、CO2濃度和pH值等，棚內的參數將實時顯示在下位機液晶屏上，可隨時觀察數據，通過調控確保其生長在最佳的環境中[4]。（2）育秧棚灌溉及通風自動控制：系統通過對采集的土壤溫度、土壤水分、空氣溫濕度等參數進行分析，依據農藝參數進行智能決策，實現對微噴與卷簾開關的自動控制。在下位機亦可通過按鍵進行手動操作，具有現場操作靈活等特點。（3）上位機實時監控：以Delphi作為開發語言，在此平臺上開發了群體水稻秧棚監控系統，該系統能直觀地顯示各育秧棚內的環境變化。同時使用SQL2000數據庫功能，對采集到數據進行存儲，能夠顯示歷史數據，對比每天監測的數據，能夠導出Excel文件。該系統以一種統一的、直觀的圖形化界面，使操作人員能方便地運用鼠標和鍵盤進行操作，使得本系統在試驗與推廣時顯得方便、靈活。

1.2系統構成該系統利用電子技術、計算機技術、無線通信技術實現了水稻育秧大棚生長環境的智能控制，系統中采用“監控中心-秧棚采集控制器”架構進行構建（圖1）。監控中心位于監控室中，通過無線方式實時采集各秧棚中繼器處理的各環境參數及卷簾、微噴的狀態信息，發送各種命令到中繼器，實現育秧期調節、時間調節、卷簾及微噴開關操作等。秧棚采集控制器位于育秧棚中，采用msp430f149作為控制器核心部件，與傳感節點采用有線方式連接，與監控中心采用無線方式通信，無線模塊采用微功耗模塊SM51實現通信。

2系統硬件設計

系統硬件主要由以msp430f149為核心的控制器、傳感器采集模塊、卷簾通風及微噴灌溉控制電路、無線通信接口電路4部分組成（圖2）[5]。

2.1微控制器選型及可靠復位電路設計經過比較，選擇了TI公司生產的MSP430F149作為微控制器[6]，該產品具有低功耗、高可靠性、內嵌A/D接口等優點，在工業現場使用較多，該芯片為3.3V供電，系統配備電源為5V，故采用TPS76033實現5~3.3V的轉換。由于該芯片的復位門檻較高，為了提高系統的可靠性，在復位電路中采用專用復位芯片實現其復位功能，復位芯片采用MAX809S。

2.2傳感器與處理模塊設計針對育秧棚現場的農藝需求，對棚內的多點空氣溫濕度、多點土壤水分、多層土壤溫度、CO2濃度、土壤pH值、光照強度等參數進行實時采集，根據系統的工作環境及低功耗的需求，采用了集成傳感器實現采集功能。使用的傳感器分為兩類：一類為模擬類傳感器，輸出為4~20ma信號，如土壤水分傳感器DBT-1、PH值傳感器選擇了GS650、CO2傳感器NDIR等，該類傳感器在與微控制器接口時采用電阻-電壓轉換，系統采用100Ω精密電阻實現，轉換后的電壓信號輸入MSP430F149的具有A/D轉換功能的I/O中[7]，進一步處理后將采集數據顯示在液晶屏中。第二類為數字輸出傳感器，該類傳感器輸出為數字信號，如溫濕度傳感器為DB111-10、土壤溫度傳感器采用DS18B20、光照傳感器HS2303[8]，此類傳感器便于與控制器連接，但多數傳輸距離有限，易受干擾，故系統中采用磁隔離電路提高系統的抗干擾性能，磁隔離芯片為ADI公司的ADUM1250，該隔離芯片具有體積小、功耗低、使用靈活、集成度高等特點。

2.3系統控制模塊設計系統具有手動控制與自動控制兩種方式，手動控制在秧棚采集控制器處利用按鍵實現，自動控制需要上位機進行設定，需要操作時，通過上位機自動發送控制指令。無論哪種方式，都需要秧棚采集控制器輸出控制信號，用以啟動或關閉電磁閥、卷簾器。其核心部件是光耦隔離器和繼電器。該單元的硬件電路框圖如圖3所示。控制信號經過光耦隔離器后輸出一個大于100mA的電流，該電流可以驅動繼電器工作，控制電磁閥的開閉。在控制器和繼電器之間加一個光耦隔離器，大大減少了繼電器開關產生的沖擊對控制器造成的干擾，提高了控制器工作的可靠性。同時，繼電器的線圈兩端并接了一個二極管續流，進一步地減少繼電器開關產生的沖擊，提高了系統的可靠性[9-10]。

2.4通信模塊設計系統采用無線方式與智能監控中心通信，無線模塊采用SM51，該模塊為微功耗50mW，可靠傳輸離距離大于1200m，與微控制器的串口連接，采用232通信方式。微控制器將采集的環境參數數據和電磁閥、卷簾器的狀態信息發送給無線模塊，無線模塊接受到相應的信息，依據與智能監控中心的協議發送到監控中心連接的無線模塊，實現數據的上傳，同時，監控中心亦會向下位機發送控制指令，秧棚采集控制器收到指令后進行解析，執行相應的操作[11-12]。

3系統軟件設計

3.1上位機監控軟件設計智能監控中心的監控系統以Delphi作為開發語言，在此平臺上開發了群體水稻秧棚監控系統，該系統能直觀的顯示各育秧棚內的環境變化。并使用SQL2000數據庫功能，對采集到數據進行存儲，能夠顯示歷史數據，對比每天監測的數據，能夠導出Excel文件。該系統以一種統一的、直觀的圖形化界面使得操作人員能方便地運用鼠標和鍵盤進行操作，使得本系統在試驗與推廣時顯得更加方便、靈活，系統查詢功能如圖4所示。

3.2系統運行驗證在10棟育秧大棚中選擇1棟作為示范棚，布局13個傳感器，另外9棟為標準棚，布局4個傳感器，針對育秧棚中的空氣溫濕度、土壤水分、土壤溫度、CO2濃度、土壤pH值、光照強度等參數進行實時采集，黑龍江八五九農場科技園區系統運行期的監控界面見圖5。

4結語

針對目前育秧棚監控現狀的不足，提出智能育秧群棚監控系統的設計，該系統利用電子技術、C語言程序設計技術實現了水稻育秧棚內環境參數的實時采集，具有聲光報警、自動開關通風卷簾、微噴澆灌、數據上傳等功能；應用無線通信技術，實現了數據的遠程傳輸，解決了鋪設線路難等問題；利用計算機技術實現了數據的日常管理、權限管理、遠程監控等功能。該系統為實現水稻工廠化育秧提供了理論依據和技術支持，并且設計的系統經實驗室調試、育秧棚現場安裝投入實際應用，如在黑龍江省八五九農場科技園區的10棟育秧棚內運行整個育秧周期，結果表明系統性能優良、操作方便、可滿足農場目前實際需求，不僅實現了育秧棚環境的智能控制，系統存儲的大量數據還為農場決策提供了數據支持，具有廣闊的發展前景。