水稻工廠化育秧生長信息智能模擬采集系統(tǒng)的設計

王 偉，王 川，王麗偉

(安徽省農業(yè)科學院 農業(yè)工程研究所，合肥 230031)

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水稻工廠化育秧生長信息智能模擬采集系統(tǒng)的設計

王 偉，王 川，王麗偉

(安徽省農業(yè)科學院 農業(yè)工程研究所，合肥 230031)

水稻工廠化育秧可有效提高生產效率，確保國家糧食安全。為了給水稻工廠化育秧生長管理提供更為迅速、可靠的信息判決依據(jù)和決策支持，設計了一種水稻工廠化育秧生長信息智能模擬采集系統(tǒng)，包括針對水稻秧苗生長情況的高光譜圖像信息采集系統(tǒng)和監(jiān)測水稻生長環(huán)境各項參數(shù)指標的環(huán)境信息采集系統(tǒng)(CO2采集單元、溫度采集單元、土壤水分采集單元、光照強度采集單元)。同時，采用Keil C語言開發(fā)系統(tǒng)的工作軟件，以AT89S52單片機為控制器、LCD1602為液晶顯示器等設計了系統(tǒng)正常工作的軟硬件系統(tǒng)。

水稻；高光譜圖像系統(tǒng)；環(huán)境信息系統(tǒng)；AT89S52

0 引言

水稻是我國的主要糧食作物，兼具經濟、社會效益，是實現(xiàn)種糧增效、稻農增收的重要保障[1]。由于全球氣候的變化、水稻種植結構的調整及耕作栽培方式的改變，水稻病蟲害逐年加重，嚴重影響其產量和質量，如何有效防止水稻病蟲害成為水稻種植業(yè)的一個難點[2]。

水稻工廠化育秧是利用農業(yè)裝備進行集約化育秧的生產方式，集機電一體化、標準化、自控化為一體，是一項現(xiàn)代農業(yè)工程技術[3]，其雖然集中培育、節(jié)本增效，但育秧技術不成熟、秧苗成活率低，嚴重制約了水稻育秧生長工廠化規(guī)模的快速發(fā)展。因此，實現(xiàn)水稻工廠化育秧生長信息的智能獲取生長狀況及快速診斷是保證其穩(wěn)產高產的一個重要環(huán)節(jié)，可有效地提高工廠化育秧效率，為后續(xù)的水稻工廠化育秧生長管理提供更為迅速、可靠的信息判決依據(jù)和決策支持，以指導水稻病害管理措施的實施，對提高水稻的產量和質量具有重要意義。

1 總體設計

1.1 設計方案

本文設計的水稻工廠化育秧生長信息智能模擬采集系統(tǒng)包括高光譜圖像信息采集系統(tǒng)和環(huán)境信息采集系統(tǒng)。工作時，高光譜圖像信息采集系統(tǒng)針對水稻秧苗的生長情況工作；環(huán)境信息采集系統(tǒng)安裝設置在水稻生長環(huán)境中，監(jiān)測環(huán)境各項參數(shù)指標。總體設計如圖1所示。

圖1 總體設計框圖

1.2 高光譜圖像信息采集系統(tǒng)設計

傳統(tǒng)的光譜檢測技術可以實現(xiàn)病害的檢測和識別，但該檢測技術無法體現(xiàn)檢測區(qū)域內的空間信息、差異，只能檢測樣本的部分，光譜信息不能代表整個農產品信息[4]。目前，新興的高光譜圖像技術把二維圖像和光譜技術融為一體，同時獲取研究對象的空間信息和光譜信息[5]，為植物病害的檢測識別提供更為豐富的信息。

本單元利用北京漢光卓立公司開發(fā)的HyperSIS高光譜成像系統(tǒng)采集樣品的高光譜圖像數(shù)據(jù)，如圖2所示。該系統(tǒng)主要由成像光譜儀、CCD相機、計算機、光源和暗箱等組成[6]。

1.光譜儀 2. CCD相機 3.計算機 4.光源 5.電源箱 6.電機 7.暗箱 8.載物臺

1.3 環(huán)境信息采集系統(tǒng)設計

本文設計的環(huán)境信息采集系統(tǒng)包括CO2采集單元、溫度采集單元、土壤水分采集單元及光照強度采集單元。其中，CO2采集單元使用MQ-7氣敏傳感器；溫度采集單元采用DS18B20溫度傳感器；土壤水分采集單元采用CC2D25S-SIP水分傳感器；光照強度采集單元使用BH1750FVI光照傳感器。

2 主要結構設計

2.1 系統(tǒng)硬件電路設計

本系統(tǒng)工作時要依托一個硬件電路，采用雙面PCB設計，以中央處理單元為核心，包括信息采集單元集、A/D轉換單元、液晶顯示單元、按鍵輸入單元、程序下載單元和可充電鋰電池電源單元，如圖3所示。信息采集單元集包括高光譜圖像信息采集單元、CO2采集單元、溫度采集單元、土壤水分采集單元及光照強度采集單元。

圖3 工作電路設計

2.1.1 中央處理單元電路

本單元電路采用AT89S52單片機為控制器。作為主控制單元，包括晶振電路、復位電路，實現(xiàn)控制各單元工作和數(shù)據(jù)的正常運算處理，如圖4、圖5所示。

圖4 時鐘電路

圖5 復位電路

本設計AT89S52單片機價格低廉、成熟可靠[7]，各端口的使用情況如圖6所示。

圖6 AT89S52 I/O分配

2.1.2 A/D轉換單元電路

在系統(tǒng)硬件電路設計中，需要將模擬量轉換為數(shù)字量以供單片機使用。本系統(tǒng)采用美國 TI 公司生產的 12位開關電容逐次逼近式模數(shù)轉換器TLC2543組成 A/D 轉換電路，具有精度高、轉換快、穩(wěn)定性好等諸多特點[8]，電路如圖7所示。

圖7 A/D轉換電路

2.1.3 液晶顯示單元電路

液晶顯示電路用于實時顯示各監(jiān)測指標值。本系統(tǒng)使用LCD1602，可以顯示2行 ASCII碼字符，每行具有16個字符顯示位[9]，具有成本低、功耗低、超薄輕巧等優(yōu)點。LCD1602與單片機引腳的連接如圖8所示。

圖8 液晶顯示單元電路

2.1.4 程序下載單元電路

本系統(tǒng)使用USB轉串行下載工具的ISP下載裝置，通過與PC機USB端口相連接，采用JTAG-10端口，燒錄程序[10]，接口電路如圖9所示。

2.2 系統(tǒng)軟件設計

本系統(tǒng)軟件選用模塊化的編程方法，使用單片機C51語言編寫程序[11]，開發(fā)軟件為Keil uVision 2。

主程序完成系統(tǒng)的初始化和對各個子程序的調用。首先，調用LCD初始化子程序。然后，按鍵識別，若有按鍵按下，轉向鍵盤識別子程序，執(zhí)行其他功能；若無，則繼續(xù)執(zhí)行，調用CO2采集子程序、土壤水分采集子程序、光照強度采集子程序、溫度采集子程序，測量環(huán)境參數(shù)模擬值。最后，通過A/D轉換子程序轉換成可計算處理的數(shù)字值，調用數(shù)據(jù)處理計算子程序、液晶顯示子程序，將最終的數(shù)值顯示在液晶顯示器屏幕上。本系統(tǒng)軟件主程序流程如圖10所示。

圖9 JTAG-10端口

圖10 主程序流程圖

3 實驗結果

在一個小型模擬水稻工廠化育秧室內進行實驗模擬，打開開關，對1個水稻秧苗樣品進行高光譜實驗驗證，結果如圖11所示。

上述MQ-7等傳感器分別采集所在環(huán)境下各參數(shù)指標。每隔5min測出一組數(shù)據(jù)，實驗結果如圖12、圖13所示。

圖11 1個水稻秧苗樣品的原始高光譜圖

圖12 溫度與土壤水分數(shù)據(jù)曲線圖

圖13 CO2濃度與光照強度數(shù)據(jù)曲線圖

4 結論

模擬實驗表明：本文設計的水稻工廠化育秧生長信息智能模擬采集系統(tǒng)，能夠針對水稻秧苗的生長情況，通過采集相關高光譜圖像信息而實現(xiàn)無損檢測，同時監(jiān)測水稻生長環(huán)境各項參數(shù)指標，便于水稻田間管理；設計了控制本系統(tǒng)工作的軟件，實現(xiàn)與PC上位機連接，為快速、準確地研究水稻工廠化育秧生長技術提供了模擬采集系統(tǒng)。

后期將針對不同的水稻品種研究其高光譜圖像技術的規(guī)律特點，拓寬本系統(tǒng)的使用范圍；同時，完善本系統(tǒng)軟、硬件系統(tǒng)設計，降低電路損耗、提高軟件數(shù)據(jù)處理精度，提高系統(tǒng)的計算能力。

[1] 馮雷，柴榮耀，孫光明，等. 基于多光譜成像技術的水稻葉瘟檢測分級方法研究[J].光譜學與光譜分析，2009,29(10)：2730-2733.

[2] 季慧華.基于光譜分析技術的水稻病蟲害早期檢測研究[D].杭州：中國計量學院，2013.

[3] 王雪忠，徐華林，張衛(wèi)華.水稻工廠化育秧的關鍵技術[J].上海農業(yè)科技，2011(3)：44.

[4] 田有文，程怡，吳瓊，等.農產品病蟲害高光譜成像無損檢測的研究進展[J].激光與紅外，2013，43(12)：1329-1335.

[5] 張筱蕾.基于高光譜成像技術的油菜養(yǎng)分及產量信息快速獲取技術和方法研究[D].杭州：浙江大學，2013.

[6] 遲茜，王轉衛(wèi)，楊婷婷，等.基于近紅外高光譜成像的獼猴桃早期隱性損傷識別[J].農業(yè)機械學報，2015，46(3)：235-241.

[7] 楊軍. 基于交流阻抗法的麥秸稈含水率檢測儀的設計[D].楊凌：西北農林科技大學，2013.

[8] 劉馳. 基于單片機的秸稈含水率測量儀的設計[D].楊凌：西北農林科技大學，2012.

[9] 王立文，邵曉根，席建中，等.LCD1602在溫室CO2增施控制器中的應用[J].安徽農業(yè)科學，2008，36(33)：14822-14824.

[10] 王偉.便攜式燕麥含水率測量儀的研制[D].楊凌：西北農林科技大學，2014.

[11] 林垂?jié)拇ǎ瑒⒛龋?基于單片機的昆蟲熱特性測量控制系統(tǒng)的設計[J].安徽農業(yè)科學，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

安徽省農業(yè)科學院院長青年創(chuàng)新基金項目(16B1328)；公益性行業(yè)(農業(yè))科研專項(201503130)；安徽省農科院水稻產業(yè)現(xiàn)代農業(yè)發(fā)展資金項目(2015-2017)

王 偉(1989-)，男，安徽蚌埠人，研究實習員，碩士，(E-mail)wangwei1412@126.com。

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

S126；S24

A

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