低成本水稻群體育秧棚環境遠程監控系統的研究

趙 斌，趙 雪，衣淑娟，趙明慧，王大可，戈天劍，王曉偉，陳 金

(黑龍江八一農墾大學 信息技術學院，黑龍江 大慶 163319)

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低成本水稻群體育秧棚環境遠程監控系統的研究

趙 斌，趙 雪，衣淑娟，趙明慧，王大可，戈天劍，王曉偉，陳 金

(黑龍江八一農墾大學 信息技術學院，黑龍江 大慶 163319)

針對水稻群體育秧棚規模的不斷擴大，為了減少人力投入、優化育秧環境、降低系統成本和維護成本，采用MCU技術、傳感器技術與無線自組網技術相結合，研究了低成本、無線自組網的群體育秧棚環境遠程監控系統，實現了育秧環境自動控制、低成本及無線傳感節點自組網等功能。經過在859農場的長期運行，系統無故障，操作簡單，拆裝方便。

水稻；育秧棚；微控制器；自組網；監控

0 引言

黑龍江省作為我國重要的商品糧基地，近幾年水稻種植面積不斷擴大，已超過333.3萬hm2。農墾和地方為了實現工廠化生產，建設了大量的浸種催芽車間和大規模群體育秧棚，方便農戶進行集中育秧，以強化管理、降低成本。但是，目前育秧棚的環境調控多數還是以人工控制為主，造成勞動強度大、育秧環境差，無法實現信息化、自動化生產。項目組多年從事育秧棚環境控制系統研究，先后在多個農場建立了示范點，但整體成本較高，農戶個體較難接受。由于系統多是采用各種有線通信方式，線路易受到自然環境和人力破壞，每年的維護工作量極大，因此研究了一套低成本無線自組網的群體育秧棚環境監控系統，以解決高成本和維護問題。

育秧棚環境監控系統的研究文獻較多：席桂清等采用自制的土壤濕敏電阻傳感器、DB150和DS18B20組成空氣溫濕度傳感器[1]，采用GSM網絡做遠程監測，采用DS1302定時采集土壤和環境參數，可通過手機觀測棚內數據。田芳明、張斌等采用低功耗單片機MSP430F149和SM51[2-5]，或采用太陽能供電或者蓄電池供電，采用DBT-1土壤水分傳感器、DB111-10空氣溫濕度傳感器等，采集棚內空氣環境參數和土壤環境參數，具有通風、微噴控制等功能。王鵬等采用單片機MSP430F149為核心[6]，采用SHT11數字溫濕度傳感器組成空氣溫濕度監測系統。黃金俠等以采集的棚內環境參數為依據[7]，采用模糊PID算法控制棚內溫濕度。石建飛等采用PLC采集棚內空氣溫濕度和土壤參數[8]，控制卷膜器和微噴等設備調節環境參數。衣淑娟、趙斌、秦雯、董淏鳴、范學佳、劉洋、薛冬雪等采用STC單片機為核心[9-15]，采用電流型傳感器做數據遠傳，或采用485總線、MODBUS協議等方式傳輸數據，需要長的數據線和電源線。

在上述研究中，傳感器到控制器之間需要敷設大量明線，隨著采集傳感器增加，電纜數量急劇增加，線材成本高，傳感器價格高，而且影響棚內農事生產，易損壞和老化；或者采用高成本、高精度的傳感器，或者高價格的核心單元，這些都增加了系統的成本造價，對于單位集體購買尚可接受，作為農戶個體無法接受這樣的成本造價和后期維護費用。因此，在前期研究基礎上，提出了以無線自組網技術、高性價比傳感器和低功耗技術為核心的群體育秧棚環境遠程監控系統，以解決現存系統所存在的問題，使自動化系統經濟、耐用，使農戶能自愿接受使用自動化系統。

1 系統設計方案

目前，隨著水稻種植面積不斷擴增，對育秧棚需求量激增，各地建有大規模育秧基地，少則幾十棟，多則上百棟，占地面積大，管理難度大、勞力需求大。如果采用分散管理，失去工廠化生產的意義。因此，本系統采用集散控制方法，由控制室計算機作為核心，進行全局管理、調控，在每個育秧棚外設有嵌入式控制器做無線網絡中繼器和控制器，實現數據采集、數據傳輸及環境調節等功能。系統結構圖如圖1所示。如果計算機與中繼器之間采用有線通信，勢必造成現場埋線工作量大、成本高，并且易引起信號衰減，因此本系統采用無線傳輸模塊，完成兩者之間的數據傳輸。在前期研究中，由于部分傳感器功耗大，無法采用電池供電，所以仍然采用獨立信號線或者485總線形式，這也是目前普遍采用的方法。由于線材成本高，且存在線材老化和人為損壞嚴重的問題，使第2年的維護工作量非常大。因此，在保持現有數據精度下，改用低功耗、低成本傳感器，將棚內環境信息的采集節點設計為電池供電系統，作為無線網絡終端；由終端采集棚內空氣溫濕度、CO2濃度、光照度和土壤溫濕度，并通過無線網絡傳輸到中繼器，避免了棚內走線，減少了安裝、維護工作量，且對農事生產不會產生任何影響，成本低，農戶易接受。在無線自組網中，通常采用ZigBee模塊，但是ZigBee模塊的傳輸距離較近，距離遠的價格極高，而且中繼器的成本隨著點數的增加，價格急劇增加。因此，為了降低成本，棚內和棚外的無線信息傳輸采用了同一種模塊，通過軟件程序設置，形成棚內和棚外兩個無線網絡，解決了距離遠和成本高的問題。為保證育秧環境控制的安全、可靠，系統除了通過計算機進行控制外，設置了手動控制系統，在計算機系統出現故障時，農戶依然可以通過手動部分完成對育秧環境的控制，如圖1所示。

圖1 群體育秧棚環境監控系統結構圖

2 無線終端設計

無線終端與中繼器構成棚內數據采集無線系統，無線終端負責采集棚內空氣環境參數和土壤參數，將參數定時主動傳送給中繼器，并接收中繼器的地址和采集周期修改等指令。

無線終端部分主要由傳感器、微處理器、無線模塊、升壓電路、定時模塊和電池構成，系統框圖如圖2所示。在前期的系統施工、維護中，遇到布線施工、美化、防護工作量極大的問題，而且在使用中農戶的不愛護，線材老化加速，使后期維護工作量很大。因此，在無線終端中采用電池供電，徹底去掉長線傳輸帶來的問題。這樣就需要電池續航能力強，能夠維持一個育秧周期，以減少農戶的工作量，所以整個系統必須進行低功耗設計；而低功耗設計的難度就在于降低傳感器的功耗和加快采集速度，且要大幅降低傳感器價格，以降低整個系統成本。

圖2 無線終端設計框圖

經過對大量傳感器進行性價比分析和試驗，空氣溫濕度傳感器選擇了AM23XX系列，電源電壓2.6～5.5VDC，平均功耗200μA，休眠電流10μA，測量精度分別為<±3%RH和<±0.3℃，體積小巧，便于做防水封裝，價格只有十幾元，非常適合本系統應用。光照度傳感器選擇的是SS1060I，最大功耗400mW，價格是前期采用傳感器的1/32左右，土壤溫濕度傳感器選擇的是SMTS_II型，峰值功耗<30mA，價格是原采用傳感器的1/2。CO2濃度傳感器采用的是MH_Z18，平均電流17mA，預熱時間<3min，價格是以前的1/5。這些傳感器中，CO2的功耗最大，但在育秧棚中通常只需要測量一個點，因此可以為該點配備一個大容量的鋰電池。

為了降低系統功耗，MCU采用3V低功耗單片機STC15L2K60S2，電源采用5.5AH和19AH的鋰電池供電。由于鋰電池輸出3.6V，而有的傳感器采用5V供電，所以采用了一片升壓芯片QX2303，將3V升至5V。無線模塊采用的是SI4432，通訊距離在1km左右，其工作可以通過引腳SDN控制，在不需要無線通信時關閉無線模塊，以節省電池能量。所有傳感器及其接口器件電源均通過電源控制芯片由MCU控制，當不進行數據采集時，電源控制芯片切斷所有傳感器及其接口芯片的電源，無線模塊和MCU進入掉電模式，由PCF8563定時輸出信號喚醒MCU，整機掉電時功耗只有3mA，最大功耗200mA(短時)。根據實踐經驗，育秧前期育秧棚密閉，后期放風期育秧棚處于開放狀態，將采集周期通常設置為30min。澆灌時，采集周期設置為10min，夜間可以再加大采集周期。采集周期修改可以通過無線模塊發送指令修改，從而大大節省電池電量。

通過程序設計，棚內終端和中繼器組成棚內網絡，棚內無線終端數量1～255個。每增加1個終端，中繼器會保存該終端號；每減少1個終端，中繼器自動刪除該終端號，實現棚內自組網。雖然棚內外無線模塊都是一樣的，但可通過網絡ID的設置使內外網絡之間不會產生干擾。

3 中繼器設計

中繼器負責完成接收計算機指令、向計算機發送采集信息、接收終端信息、向終端發送指令和控制執行機構調節環境等功能。中繼器負責與計算機、其他棚中繼器組成無線外網，同時要與棚內終端組成無線內網。中繼器在整個系統中起到至關重要作用，要保證信息暢通及指令正確執行。中繼器系統包括微處理器、執行機構調理電路、無線通信、執行機構狀態檢測和電源電路，如圖3所示。

圖3 中繼器系統框圖

考慮到中繼器部分含有卷膜器和灌溉電磁閥大功率執行器件，電源電路部分設計了24V電源輸入和12V電源輸入。這樣，可以選擇采用交流市電和蓄電池供電，方便育秧基地綜合選擇。執行機構包括兩個電動卷膜器和一個灌溉電磁閥，卷膜器控制以往通常采用繼電接觸控制，造成箱體體積大、線路繁瑣、工作量大。因此，系統采用了兩片電機控制芯片MC33886，并加上控制邏輯電路，使其既能手動控制又能自動控制，摒棄了以往的繼電接觸控制，減小了體積，簡化了安裝，一旦微控制器系統出現問題，可以采用手動控制進行調節，提高了系統的實用性。

為了防止在開閉棚膜時出現過卷撕毀棚膜情況，需要有保護電路。以往采用在棚外安裝行程開關的方法，存在安裝結構復雜、易銹蝕、可靠性差等問題。針對該問題，在卷膜開度的頂和底位置，分別安裝了光電開關，安裝位置在棚內部，吊裝在棚膜支架上，簡化了安裝，防止雨水灌入引起銹蝕，靈敏度和可靠性得到提高；當達到相應位置時，光電開關輸出高電平，即使外部開關不關閉，卷膜器也停止轉動。

中繼器采用了一個無線模塊，既要與棚內無線終端構成內網，又要與其他棚和計算機連接的無線模塊構成外網，避免棚內外通信互相受到影響。因為價格問題，沒有選用具有自組網功能的ZigBee模塊。 ZigBee協調器價格隨著點數增加而增加，成本較高，因此采用了SI4432模塊，從軟件上方面解決棚內網絡和棚外網絡的問題。兩個網絡具有不同的網絡ID，每個棚的網絡ID唯一，利用軟件來降低硬件成本。

4 無線中繼器程序設計

無線中繼器的任務負責接收管理系統指令和無線終端的信息，是網絡的核心，其流程如圖4所示。首先系統上電初始化，對內部存儲器、定時器、I/O口進行設置，然后設定無線網絡；接下來，系統進入循環處理過程，采集當前執行機構狀態，包括卷膜器的位置和電磁閥的工作狀態，通過接口電路控制將執行機構控制權交于手動控制，判斷是否收到管理系統的指令信息。如果收到指令信息，分別根據是索取環境信息、修改采集周期、執行機構調節等進行分類處理；如果沒有收到指令信息，判斷是否收到無線終端的信息。如果收到終端信息，做數據計算、顯示、存儲，等待傳輸給管理系統；如果終端無信息傳輸，中繼器繼續上述循環。

圖4 無線中繼器流程圖

5 遠程管理系統軟件設計

遠程管理系統軟件完成數據處理、中繼器管理、控制指令發布及遠程信息處理等功能，采用C#語言設計，模塊化結構，圖形界面簡單，易于操作，功能如圖5所示。管理系統通過無線網絡依次輪詢各個棚，獲取棚內環境信息，并存儲數據以備后續分析處理。用戶可以隨時調用歷史數據，進行分析、報表、打印，數據以數字、圖標及曲線形式顯示，在軟件上可以直接發布環境調節指令，也可以設定環境參數限值，并設置為自動控制，無需人工干預。手機是人們常用的通信工具，在管理系統上設計了遠程信息管理，農戶隨時可以通過手機觀察自家棚內環境數據，也可遠程發送環境調節指令，無需到達現場就可以解決棚的管理工作。

圖5 遠程管理系統功能圖

6 結論

水稻群體育秧棚環境遠程監控系統在前期研究基礎上，大幅降低了系統成本，解決了有線數據傳輸帶來的易損、低可靠性、高成本等問題。采用低功耗設計技術，提高電池持續供電能力，實現了育秧環境的遠程監控，方便了農戶管理棚區。該系統在黑龍江省859農場安裝了5套，經過一個生產期的運行，工作可靠、穩定。其在35天的育秧過程中，只需要充電一次，極大地方便了農戶的生產活動，降低了維護成本。由于其低成本、高可靠性和方便的遠程管理，受到農戶的歡迎。

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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

黑龍江農墾總局“十二五”重點科技項目(HNK125B-07-15)；黑龍江省科技廳指導項目(GZ13B013)

趙 斌(1970-)，男，黑龍江寶清人，教授，碩士生導師，博士，(E-mail)616283364@qq.com。

S233.71；S126

A

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