漢麻育種室自動控制系統的設計

張治國，王曉楠，朱 浩，張曉燕

(黑龍江省科學院大慶分院，黑龍江 大慶 163319)

受地域及氣候環境條件的影響，自然條件下開展漢麻育種通常每年僅能種植選育1代，而在育種室內育種可每年完成2～3代，大大縮減了育種工作時間。漢麻室內育種對農業生產具有重要意義，隨著科學技術的不斷發展，農業生產信息化已成為提高農業生產的必然趨勢。育種室內環境因子對植物生長有很大的影響，自動控制組件應用于育種室、溫室、大棚等控制系統中，可精準控制溫室內的各環境因子，保持植物生長在一個適宜的環境，提高其品質和產量。

1 整體方案設計

系統控制分為手動控制和自動控制，控制主要的技術參數有溫度、濕度、光照時間、光照強度、土壤水分；控制設備有電加熱器、霧化加濕器、燈光位置調節電機、風扇、土壤滴灌及室內通風風機等。

核心處理單元采用PLC進行系統參數計算及控制。PLC作為一種通用工業控制器具有可靠性高、使用靈活方便、控制精度高、控制功能完善等特點，符合育種室多參數控制要求。PLC內部485通信端口與溫濕度儀表及采集模塊進行通信讀取數據，采集模塊將光照強度、CO2濃度、O2濃度、土壤水分等幾個育種關鍵技術參數進行數據采集及轉換，PLC讀取數據進行處理運算，驅動相應控制設備，自動控制育種室內環境參數，物聯網云盒將數據通過互聯網上傳到手機及上位機，組態軟件進行參數顯示、查看和記錄。

系統的功能包括上位機組態畫面、參數顯示、報警提示、數據記錄與查詢、報表查詢打印及用戶操作權限等。

圖1 上位機組態軟件示意圖Fig.1 Schematic diagram of upper computer configuration software

1.1 處理單元

核心處理單元采用三菱FX3U-32M系列PLC，該PLC是三菱第三代微型可編程控制器，內置高達64K大容量的RAM存儲器，內置業界高水平的高速處理0.065 μS/基本指令，該控制器左側擴展槽可以連接功能強大、簡便易用的適配器，具有較高的可靠性和穩定性。多個育種室數據集中采集處理，可采用該三菱PLC的特有N:N網絡通信模式，此通信方式操作簡單，不用復雜的程序制作，可實現多個PLC之間的數據通信，將數據傳輸到一個主站內，通過主站可對多個育種室進行數據處理。

圖2 PLC通信示意圖Fig.2 PLC communication diagram

如圖2所示，設計PLC左側擴展槽安裝485ADP模塊，采集單個育種數據，其中包括溫濕度儀表、CO2濃度、O2濃度、光照強度、土壤水分含量等數據。圖中黃色標線部分，三菱PLC內部485通信端口作為多個PLC之間的數據通信，主站通過N:N網絡通信模式，讀取其他多個育種間內的所有參數及數據，實現多個育種室數據的統一管理。

1.2 溫濕度控制

溫度是植物生長的關鍵環境因素，也是育種室內控制的重要參數，穩定適宜的溫度參數對漢麻生長非常有利，也會減少病蟲害等。另外，漢麻在大田里生長時，白天和夜晚溫差較大。漢麻育種間內，夜間不主動降溫，晝夜溫差會非常小，漢麻在溫差較小的環境內生產易生病且生長不粗壯。

溫濕度的控制采用485通信功能儀表，溫濕度值本地顯示，儀表寬泛直流供電DC10 V～30 V，溫度采集精度±0.3℃，濕度采集精度±2%RH，溫度量程范圍-40℃～120℃，濕度量程范圍0%RH～100%RH，溫度分辨率為0.1℃，濕度分辨率為0.1%RH，該儀表功能參數符合漢麻育種室參數的自動控制指標要求。

通過上位機軟件設定，晝夜設定不同的溫度值，模擬自然環境，保持漢麻生長的溫差值。采集的實時溫度數據與設定值比較，控制電加熱器和通風風機的運行狀態，調節育種室內溫度。通過試驗，加熱方式采用比例運算控制即可達到溫度控制要求，驅動電加熱器的開關狀態及開關時間長短，提升育種室內溫度。育種室內溫度需要降低時，關閉加熱設備，打開降溫通風風機，進行室內外空氣交換，來實現降溫控制，使育種間內達到一個比較穩定的溫度參數。

在溫度的提升比例運算控制中，需要調配合適的比例值，根據育種室面積大小及電加熱器功率大小等實際情況來調配比例值。比例值過大或過小都會導致控制曲線的上下浮動。

溫度、天氣、土壤水分含量等條件的變化都會導致育種間內的空氣濕度發生較大變化，育種室內濕度過大或過小都會影響漢麻的生長，可能導致漢麻生蟲染病、干枯、黃葉等。對濕度精準的范圍控制，可提高漢麻生長質量。根據漢麻生長不同時期設定不同的濕度范圍值，采集傳感器數據與設定范圍值做比較，濕度較小時驅動加濕裝置，對育種室內加濕處理；濕度較大時，開啟排風風機，啟動室內風扇，進行排濕來降低室內濕度，使育種室內有良好的濕度環境。

1.3 補光時間控制

由于育種室內光照強度較弱，光照時間較短，所以育種室內需要補光處理。光照時間控制由上位機進行設置，可設定起始光照時間及光照時長，如設定每天早6點開啟照明，照明時長12 h，那么上位機軟件將設定值下傳到PLC內，PLC程序進行指令比較運算，比較系統時間，時間到達6點，根據標志位的比較情況，開啟照明，時間到達18點，進行關閉照明動作，如此循環比較，實現光照時間的精準控制。

1.4 光照強度控制

補光燈距離植物的遠近會使光照強度變化很大。通過讀取光照強度傳感器數值，控制補光燈吊裝電機的正反轉動，帶動拖繩轉動，可實現補光燈高低位置變化，實時反饋光照強度數據，直到反饋的數據達到預設值范圍內，電機停止轉動鎖定位置，實現光照強度的控制。

由于漢麻植株較高，生長較快，隨著時間的推移，育種室內漢麻生長一段時間后，高度會有較大變化，對補光的光照強度控制，需要對光照強度傳感器位置進行校正。

1.5 土壤水分含量控制

將滴灌技術和自動化技術結合，對提高節水灌溉效率、節約人力成本有重要意義，對盆內的土壤水分含量控制是十分必要的，控制包括兩部分，即自動蓄水部分和自動滴灌部分。自動上水包括自來水、電磁閥、水龍頭、浮球開關、蓄水槽等。浮球開關檢測蓄水槽內水位情況，當水位達到最低時，PLC檢測到水位低信號，驅動電磁閥，水龍頭處于常開位置，自來水會不斷流入蓄水槽內。當水位達到最高水位，PLC關閉電磁閥，自來水停止流入水槽內，這樣實現自動蓄水功能。

自動滴灌部分是通過監測土壤水分含量，PLC讀取盆內的水分含量值，與上位機水分含量設定值上下限作比較，判斷是否需要補水，需要補水時，啟動滴管裝置進行補水，保持盆內水分含量在一個正常范圍內。

圖3 自動滴灌示意圖Fig.3 Automatic drip irrigation diagram

1.6 室內通風控制

根據室內環境的變化，CO2濃度、O2濃度及溫濕度的限定條件，來啟動室內通風風扇，保持育種室內有一個較好的生長環境。通常條件下，育種間空氣長期不流通，會導致育種室內的環境發生變化，CO2濃度、O2濃度發生變化，不利于植物的生長，通過監測濃度的變化，相應啟動通風風機運行，空氣流動及交換，保持育種室內有較好的生產環境。通風風機不僅能調節空氣環境質量，降低空氣濕度，對育種間內的溫度降低也有著重要作用。

2 系統功能設計

2.1 報警提示功能

系統設計報警功能，包括溫度上下限報警、濕度上下限報警、土壤水分含量上下限報警、485通信錯誤報警等，根據設定參數的范圍，技術參數值過高或過低時，系統會在本地和遠傳上位機上出現報警提示并記錄，提示工作人員進行相應的技術操作。

2.2 數據記錄與查看

系統具有技術參數數據的記錄、查詢及打印功能，可隨時對某一時間段數據進行查看和記錄，需要的數據可進行在線打印。

2.3 趨勢曲線功能

對重要的技術參數進行實時的曲線顯示并記錄保存，形成歷史趨勢曲線，可完整查看一個時間段內參數的歷史曲線形。如早晚溫度變化、濕度變化等情況，可直觀反映育種室內的技術參數走向，為漢麻育種技術提供更可靠的數據依據。

2.4 操作權限功能

用戶操作權限功能是針對個人使用情況，對全部或某些參數進行權限管理操作，通過特定的參數實現加密保護，防止人員誤操作，防止重要試驗參數泄露，起到保障性作用，操作權限功能便于育種室的管理和使用。

3 結語

近些年，物聯網技術在溫室中的應用越來越廣泛，從早期的手動控制到現在的智能自動控制，故國內室內環境控制技術取得了較快發展。自動控制系統加入漢麻育種室內，為漢麻生長提供了更適宜、更穩定的生長環境，大大縮短了漢麻育種的工作時間。隨著農業技術、自動控制技術、人工智能技術、5G網絡技術等的進一步發展，溫室控制必然向著信息化、智能化、高效化、無人化發展。