設施瓜類輔助繁種配套綜合裝置的設計與試驗

高 帥，鐘 興*，馮英娜，王艷莉，陳 炳，蔣錦浩

（1.江蘇農林職業技術學院,江蘇 句容 212400；2.江蘇省現代農業裝備工程中心,江蘇 句容 212400）

0 引言

我國是設施瓜類的生產大國，設施瓜類在全國農業經濟結構中占有舉足輕重的地位，設施瓜類是瓜類產業現代化的標志［1-3］。但是我國目前自主選育的設施瓜類品種在持續坐果能力、果實外觀以及商品品質等方面仍與國外優良品種存在較大的差距，原因是國內設施瓜類授粉繁種主要采用激素蘸花、噴花白等方式，嚴重影響了設施瓜類在國外的銷售［4］。為落實習近平總書記關于“要下決心把我國種業搞上去，抓緊培育具有自主知識產權的優良品種，從源頭上保障國家糧食安全”的重要指示，我國分子育種等關鍵技術取得了快速的發展，極大地縮短了設施瓜類獲得優質種質的周期［5］。然而，從優異種質到獲得新品種的中間制種環節的效率和準確性仍有待提高，亟需更加高效、精準的小規模制種和繁種技術的輔助配合。應用設施及配套綜合裝置進行輔助繁種的關鍵技術，依然是設施瓜類種業發展的難點和堵點。目前，浙江［6-7］、北京［8-9］、山東［10-11］及四川［12-13］等地均開展了相關研究，配套綜合裝置已在茄果類和瓜果類的制種上得到了一定應用。國外設施瓜類輔助繁種對配套裝備和配套栽培技術要求較高，歐盟國家自2010年起已經全面禁止激素類產品在設施瓜類生產中應用，并在其食品安全標準中禁止使用人工合成激素類化學成分，這也間接推動了輔助繁種技術的發展［14］。發達國家已經建立了一套完整的體系將最新的科學技術應用于輔助繁種及配套裝備技術中，并廣泛應用到水果、蔬菜等各種設施作物［15-18］。國外先進的輔助繁種技術和溫室大棚智能化調控系統對我國輔助繁種配套綜合裝置的發展具有很大的啟示。

本文針對設施瓜類品種的需求，將傳統繁種技術與智能農業裝備相結合，通過設計智能輔助授粉裝置、優化制種大棚結構和研發大棚環境智能化調控系統，減少了人為干擾昆蟲授粉，形成了功能完備、省工節本且具有自主知識產權的智能化綜合設施，有效提高了制種的效率和準確度，實現了制種技術的新升級。

1 智能輔助授粉裝置的設計

設施瓜類輔助授粉技術對于實現設施瓜類高產高效與改良設施瓜類品種都具有重大意義。人工輔助授粉雖然能夠完成授粉任務，但其勞動強度大、勞動力成本高，限制了設施瓜類面積的擴展，不能滿足農業經濟效益最大化的需要［19］；此外，人工輔助授粉效率不及蟲媒授粉，且利用化學藥劑授粉，商品的安全性下降，對人體健康不利［20］。

現有的設施瓜類輔助授粉裝置主要存在智能化程度低、設施簡陋等問題，不利于提高設施瓜類產品的品質和產量，因此需要對傳統裝置進一步完善，提高授粉的效率。

1.1 智能輔助授粉裝置的結構與工作原理

設施瓜類智能輔助授粉裝置的結構示意圖如圖1所示，該授粉裝置包括了機械結構裝置、智能控制機構和遠程監控裝置。機械結構裝置包括蜂桶、筑巢裝置、注水控制裝置等；智能控制機構包括用于感應土蜂的智能環境感受模塊、溫濕度調節器等；遠程監控裝置包括用戶客戶端、軟件系統、天線等。

圖1 智能輔助授粉裝置結構示意圖

智能輔助授粉裝置放入溫室大棚后，其智能環境感受模塊能夠實時采集裝置內的位置、溫濕度、昆蟲聲音、土蜂進出量、供電電量等信息。使用客戶端可實時顯示采集的數據信息，并進行數據參數的設定。當設定的參數與采集到的數據信息不一致時，可通過手動或自動進行調節，經過數據處理分析之后，將調節控制信息通過天線反饋給控制器，使控制器進行相關動作，從而實現智能保護授粉昆蟲的作用，促進設施瓜類輔助繁種。

1.2 主要尺寸參數

智能輔助授粉裝置的主要尺寸參數如表1所示。

表1 智能輔助授粉裝置的主要尺寸參數

1.3 智能環境感受模塊

智能環境感模塊如圖2所示，該模塊集成了微型GPS定位傳感器（LK109模塊）、溫濕度傳感器（DHT12模塊）、聲音傳感器（MIC52模塊）、土蜂進出量傳感器（CAP20模塊）、重量傳感器（YZC133模塊）以及Wi-Fi模塊等多種電子元器件。智能環境感受模塊采用STM32作為主控芯片，該芯片部署在土蜂出入口的正上方處，可實時采集裝置內的位置、溫濕度、昆蟲聲音、土蜂進出量、供電電量等信息。

圖2 智能環境感受模塊實物圖

1.4 遠程監控裝置的設計

遠程監控裝置包括用戶客戶端、軟件系統、天線等。天線布設在蜂桶圓形蓋上方，使用Wi-Fi通信技術接收外界溫濕度信息并進行遠程監控。遠程監控裝置實現了蜂桶內溫濕度監測、土蜂進出量監測、蓄電池電量監測、位置監測等功能；同時還提供溫濕度、進出量、重量、頻率等異常報警的設置和預警管理等功能。

2 制種大棚結構的設計

現有設施大棚裝置對大風、高溫、降雨等的防控以人工操作為主，但人工操作費時費工、操作繁瑣、效率不高且多個品種在一個大棚內易造成種子混雜，工人多次進入大棚也會干擾土蜂授粉繁種，因此需要對傳統大棚結構進行分隔。分隔的主要目的是為不同品種的瓜類提供獨立授粉繁種的空間。在綜合考慮避雨通風、減少人為操作的前提下，設計的制種大棚結構如圖3所示，圖3a為制種大棚的正面圖，圖3b為制種大棚的側面圖。

圖3 制種大棚整體結構

設置大棚緩沖室，可大幅降低外來花粉、昆蟲進入大棚的概率，提高制種質量。考慮到季節溫度的變化，將大棚頂部分為3層，最下面一層是防蟲網，第2層是棚膜，最頂部與大棚平行的是遮陽網。當棚內溫度過高時可通過卷簾器將棚膜卷至大棚中間，對棚內進行遮光。一個傳統的種植大棚只能種植一種瓜類，而緩沖室的設計能夠在一個大棚內種植不同品種的瓜類，實現高效率、小規模制種。

3 基于PLC的大棚環境控制系統設計

3.1 控制系統結構框圖

為了減少環境因素對昆蟲活動和制種質量的影響，并為設施瓜類親本提供穩定、適宜的生長環境，本文設計開發了基于PLC（可編程邏輯控制器）的大棚環境控制系統，控制系統的結構框圖如圖4所示。該系統主要由3部分組成：網關系統、傳感器系統和控制器系統。網關系統將現場采集到的數據上傳至云端或者將云端的命令回傳到現場控制器；傳感器系統對溫室的溫、濕度等信號進行現場采集，信號經A/D轉換后，進行處理和通信；控制器系統是將云端的遠程控制指令轉換后通過RS232發送給PLC，PLC帶動執行機構完成對升溫設備、降溫設備、除濕設備和增濕設備的控制。

圖4 控制系統結構框圖

3.2 PLC 控制方案

3.2.1 I/O分配表 PLC選擇三菱公司的FX3U-16 MR可編程控制器，具體的I/O分配表如表2所示。

表2 PLC I/O分配表

3.2.2 外部接線圖 根據I/O分配表，繪制PLC的外部接線圖（圖5）。

圖5 PLC外部接線圖

3.2.3 程序設計 采用降溫設備、增溫設備、除濕設備和增濕設備配合溫度傳感器、濕度傳感器實現溫濕度控制自動化。在自動運行模式下，PLC判斷溫濕度參數是否滿足預設條件。若溫濕度過高，則開啟降溫設備或者升溫設備；若溫濕度過低，則開啟升溫設備或增濕設備。PLC控制算法采用模糊神經網絡，不斷進行溫濕度的檢測和自動調節，直至滿足規定條件后，系統停止運行。在手動運行模式下，可人為通過按鈕控制升溫設備、降溫設備、除濕設備、增濕設備的運行，具體控制流程如圖6所示。

圖6 大棚環境控制流程圖

4 田間試驗結果與分析

4.1 試驗目的

為了驗證所用設施瓜類輔助繁種配套綜合裝置的可靠性與合理性，對配套綜合裝置進行現場試驗。收集配套綜合裝置的有效授粉時間、制種純度、制種產量、制種成本和制種室的溫濕度等數據，比較實際數值與理論參數間的誤差值。

4.2 試驗條件

試驗在江蘇農林職業技術學院的江蘇農博園內進行，試驗現場如圖7所示，共設置2個大棚。處理組（T）在大棚內放置智能輔助授粉裝置，監測土蜂的各種特征，同時將基于PLC的智能環境控制系統控制柜安裝在大棚內，溫室中種植了3種不同品種的黃瓜，共包含3個制種室；對照組（CK）將普通輔助授粉裝置放置于大棚內，溫室中種植了與處理組相同品種的3種黃瓜，不單獨設置緩沖室和環境控制系統。

圖7 試驗現場照片

4.3 試驗結果與分析

4.3.1 制種室溫濕度分析 溫濕度的理論參考值依據秋冬季節黃瓜結果期內生長1 d的最優溫濕度設定，實際值由棚內各傳感器測量的平均值獲得，將溫濕度的理論值與實際值進行比較。從圖8中可以得出，制種室的溫度從最初的18 ℃上升至22.8 ℃后基本實現了目標溫度的控制，制種室的濕度從最初的14 g/m3變化至17.2 g/m3后也基本實現了目標濕度的控制。制種室的溫度、濕度等實際數值與理論參數之間的誤差低于10%，滿足制種室溫、濕度對土蜂的影響和控制要求，可以有效延長土蜂的授粉時間。

圖8 制種室溫、濕度的變化曲線

4.3.2 有效授粉時間、制種純度、產量和成本分析 從表3可以看出，使用智能輔助授粉裝置的黃瓜品種1、品種2、品種3的有效授粉時間分別提高了37.7%、39.0%、34.9%，制種純度分別提高了10.2%、8.8%、10.2%，制種產量分別提高了17.8%、16.9%、23.6%，制種成本均下降了41.5%。智能化大棚環境系統的配套使用，避免了陰雨天氣對設施瓜類繁種的影響，延長了土蜂的授粉時間；應用智能輔助授粉裝置和緩沖室，大幅度降低了外界花粉落入制種室的概率，提高了制種純度和單瓜種子粒數，并有效降低了人工成本。

表3 試驗各指標對比結果

5 結論

本文針對設施瓜類育種發展的新趨勢，以優化繁種技術、提升智能化、自動化水平為核心目標，研發了配套智能輔助授粉裝置，通過完善制種大棚結構功能并接入了大棚環境控制系統，更好地服務于新興育種技術。本文得出如下結論：

（1）針對傳統設施瓜類輔助授粉裝置存在智能化程度低、設施簡陋等問題，設計開發了智能輔助授粉裝置，引入緩沖室，降低了大棚制種室的混雜度。

（2）研發了基于PLC的智能化大棚環境控制系統，減少了環境因素對昆蟲活動和制種質量的影響，為實施瓜類親本提供了更穩定、適宜的生長環境。

（3）在江蘇農博園對配套綜合裝置進行了黃瓜田間試驗，結果表明：制種室的溫度、濕度等實際數值與理論參數之間的誤差低于10%；制種產量較傳統土蜂授粉提高10%以上，土蜂有效授粉時間提高30%以上，制種純度提高8%以上，降低制種成本41.5%。應用配套綜合裝置，有效提高了設施瓜類的制種效率和準確性，對其他設施作物制種提供了一定的參考依據。