赵立军,陈亚，王英雪，许春林，何堤

（东北农业大学工程学院，哈尔滨 150030）

闭锁式立体水稻育秧室环境控制系统研制

赵立军,陈亚，王英雪，许春林，何堤*

（东北农业大学工程学院，哈尔滨 150030）

针对水稻闭锁式立体育秧室内环境参数无法在线获取和难以调控等问题，研制闭锁式立体水稻育秧室环境控制与监测系统。该系统可视化监测与调控秧苗生长环境，确定秧苗生长最佳环境，实现监测调控自动化，使秧苗保持最佳生长状态；将STC12C5A60S2单片机作为下位机，结合DS18B20温度传感器、DHT11温湿度传感器及土壤水分传感器采集数据，运用STC12C5A60S2单片机自带AD数模转换土壤水分信息，实现秧苗生长环境可视化。后期育秧试验表明，秧苗综合质量优于大棚育秧秧苗。研究结果为后续完善秧苗生长技术提供有效数据保障。

水稻育秧；闭锁式；STC12C5A60S2型单片机；DS18B20温度传感器

赵立军,陈亚,王英雪,等.闭锁式立体水稻育秧室环境控制系统研制[J].东北农业大学学报,2016,47(10):67-73.

Zhao lijun,Chen Ya,Wang Yingxue,et al.Development of environmental control system in closed and stereo rice seedling room[J].Journal of Northeast Agricultural University,2016,47(10):67-73.(in Chinese with English abstract)

黑龙江省是东北优质大米主要生产基地，2015年水稻种植面积6 111.3 hm2，配套育秧大棚面积60 hm2。水稻生产技术不断进步，但仍有育苗技术尚待解决[1]。

传统温室大棚单层育秧空间与开放式育秧环境，影响秧苗生产效率与培育质量，制约稻米产能；单纯通过增加育秧棚室面积，难以解决低质、低效、高风险棚室育秧现状[2-3]。闭锁式立体水稻育秧是新育秧模式，水稻育秧受自然条件影响小，能抵御极端气候对秧苗伤害，为秧苗提供适宜、均衡生长环境；生产计划性强，生长速度快、占地面积小、周期短，自动化程度高，使用人造基质或营养液无污染。利用多层式立体栽培方式可监测与调控秧苗生长环境，现已成为近年来水稻育秧研究重点[4-5]。

环境因子对工厂化育秧幼苗质量有重要影响。Hwang等基于无线传感网络研究农业环境监测系统[6]。Dumitraşcu等以编程控制器为控制核心，利用传感器采集数据及上位机控制器控制温室环境，检测植物生长状况，应用远程监控系统，实现温室内植物合理灌溉[7]。Gaowa等设计一套设备监控管理系统，该系统结合物联网技术，实现环境检测设备智能化管理和监控，提高设备管理使用效率[8]。赵斌等采用MCU技术、ZigBee无线网络技术、GSM通信技术和传感器技术研究工厂化育秧环境控制系统[9]。席桂清等开发基于GSM网络智能监测系统，可测量、显示、存储环境温湿度和土壤水分信息，定时或大棚内温湿度超过设定阈值时，系统通过GSM网络自动发送数据到指定手机上，方便、快捷、准确指导稻农育苗管理[10]。王福禄等采用基于ZigBee技术的无线传感器网络监测温室环境指标[11]。

工厂化育苗存在关键设备和主要资材缺乏、环境调控粗放、人工补光技术落后、育苗生产效率和效益低等问题[12]。目前育秧监测模式均为人工监测调控，监测数据不准确，监测不及时及调控不方便，影响育秧室内环境[14]。因此本文开发闭锁式立体水稻育秧室环境控制与监测系统，通过秧苗生长环境可视化监测与调控，使秧苗在最佳环境下生长，摆脱自然条件和地域性限制，控制秧苗生长周期，促进种苗快速发育，栽培环境采用完全封闭式，为种苗繁育创造良好生长环境；提高作业效率，降低劳动强度，减少人员操作对秧苗生长影响，为水稻育秧系统高效稳定生产提供技术支撑。

1 系统工作原理及模块设计

闭锁式立体水稻育秧室环境监控系统包括数据采集及分析系统、控制系统、数据显示及可视化三大部分。系统总体设计如图1所示，数据采集及分析系统包含空气温湿度多点测量、土壤温度、水分多点测量及数据采集与分析；控制系统处理包含无线数据传输模块，数据及可视化包含界面显示、数据储存及历史数据查询。

图1 系统总体设计Fig.1Design of control system

1.1 系统工作原理

①育秧室内环境数据实时采集：通过STC12C 5A50S2单片机电路板，结合DS18B20、DHT11及土壤水分等传感器，在线采集育秧室内空气温湿度，土壤温度、土壤水分等环境参数，通过无线数据传输装置同步传给上位机显示和保存，实现

闭锁式育秧环境监测及育秧环境可视化。

②光照智能控制：通过继电器及控制电路板，实现秧苗生长光照定时调控。调节秧苗明光期和暗光期时间，模拟适合秧苗生长光照条件。

③软件监测平台：通过MATLAB软件GUI界面设计，如图2所示，实现育秧环境温度和湿度等关键数据在线显示、数据存储、历史数据查询等功能。可查询到一段时间内秧苗生长环境数据，根据秧苗生长不同阶段对环境参数要求，调节秧苗生长环境。

图2 GUI界面设计Fig.2GUIInterface

1.2 系统控制模块设计

单片机是监测系统核心部分，系统供电电压对其功耗有直接影响。根据整个系统工作特点，控制模块采用8051系列单片机为核心处理芯片，有编程灵活、易于控制、稳定性好、扩展方便等优点。

考虑单片机最小系统功耗、时钟周期、串口通讯方式及A/D转换器等因素，选用STC12C5A60S2型单片机，该单片机主要特性：

①与传统8051单片机相比，具有更快处理速度，更高处理精度；

②具有更大工作频率范围，在0～35 Hz；

③有40个I/O口，可实现多种不同规定模式设置；

④内部自带8通道，10位高速A/D转换器，速度可达（25 k·s-1），上电复位后P1弱上拉I/O口，用户可通过软件设置将8路中任何一路设置为A/D转换；

⑤具有双串口，共有4个十六位定时器。

1.3 系统传感器及检测模块设计

1.3.1 土壤温度传感器选用及程序设计

选用DS18B20温度传感器，该传感器使用美国达拉斯（Dallas）公司单总线数字温度传感器芯片，可直接将监测温度数据转换为数字信号。通过一个单总线接口发送或接受信息，中央处理器和DS18B20间仅需一条连接线（加上地线），其测温范围为（-55～+125）℃，在（-10～+85）℃精度为±0.1℃。

在读取测温数据前，应先读出ROM中温度传感器序列号，本系统有6个DS18B20传感器，在使用前需编程识别每一个DS18B20序列号，读取每一个传感器数据依次编号。数据通讯应遵循1-Wire总线协议，外部微处理访问DS18B20数字温度传感器协议如下：

初始化命令：通过1-Wire总线上所有操作过程均以初始化开始。初始化包括不偏激发出复

位脉冲和DS18B20发出存在脉冲即总线上接有DS18B20并将已就绪信息传递给单片机。

ROM操作指令：当单片机检测到DS18B20发出应答脉冲后，单片机即发送ROM命令。因为总线上连有6个DS18B20，而单片机在对从机操作时，需指定某个从机设备。对系统而言，首先需通过搜索指令（search ROM）及读指令（read ROM）将每一个DS128B20温度传感器64位序列号读出并保存，通过发送匹配指令（match ROM）及64位ROM编码序列，让单片机在多点总线上定位一个特定DS18B20操作。多个DS18B20序列号搜索程序流程见图3。

图3 多个DS18B20序列号搜索程序流程Fig.3Multiple DS18B20 sequence number search program flow

DS18B20功能指令：当单片机完成ROM指令确定总线上只有一个DS18B20响应后，便发送一条DS18B20功能指令。指令包括温度转换、写暂存器（WRITE SCRACHPAD）、读暂存器、拷贝暂存器（COPY SCRACHPAD）、恢复E2 PROM（RE⁃CALL E2）、读取电源供电方式（READ POWER⁃SUPPLY），允许单片机读写DS18B20暂存器，启动温度转换和判断供电模式。

当单片机发送温度转换指令[44h]后，温度转换结果数据以2个字节形式被存储在高速暂存器中。如果DS18B20处于转换中，则返回0，若温度转换完成，则返回1。当发送写暂存器指令[4Eh]时，即开始向DS18B20暂存器中写入数据，首先从TH寄存器写入，其次为TL寄存器，最后写入配置寄存器中。当发送读暂存器指令[BEh]时，将读取暂存器9个字节数值中最后一个字节为循环冗余校验CRC。

1.3.2 空气温湿度传感器选用及程序设计

DHT11数字温湿度传感器是一款含已校准数字信号输出温湿度复合传感器，应用专用数字模块采集和温湿度传感技术，可靠性高且稳定性强。DHT11传感器测温范围为0～50℃，湿度为20%～90%RH，温度测量精度为±0.1℃，湿度测量精度为±1%RH，DHT11为4针单排引脚封装，连接方便。其引脚名称与功能如表1所示。

DHT11采用单线双向串行接口技术，DATA用于微处理器与DHT11间通讯和同步，采用单总线数据格式，1次通讯时间4 ms，数据分小数和整数部分，1次完整数据传输为40 bit，数据格式为：8 bit湿度整数数据+8bit湿度小数数据+8 bit温度整数数据+8 bit温度小数数据+8 bit校验和。数据传输正确时校验和数据等于“8 bit湿度整数数据+8 bit湿度小数数据+8 bit温度整数数据+8 bit温度小数数据”所得结果末8位。

DHT11总线空闲时为高电平，主机把总线拉低等待DHT11响应，拉低时间应＞18 ms，保证DHT11检测到起始信号。DHT11接收到主机开始信号后，等待主机开始信号结束，发送80 μs低电平响应信号，主机发送开始信号结束后，延时等待20～40 μs，读取DHT11响应信号，主机发送开始信号后，切换到输入模式，或输出高电平均可，总线由上拉电阻拉高。

表1 DHT11引脚名称与功能Table 1Pin name and function of DHT11

1.3.3 土壤水分传感器选用及程序设计

土壤水分测量方法有中子测量仪、电阻、电容测量仪及通过测量土壤介电特性间接获取土壤含水量方法（TRD和FD），而土壤含水量测量准确性取决传感器精度与数据处理算法[11]。经对比最终选用SMS-II-50土壤水分传感器开展本系统土壤水分检测设计。

由于土壤中体积含水量与土壤介电常数呈某种函数关系，而与土质和水中所含盐分无关，因此SMS-II-50土壤水分传感器通过频域测量方法，测量中间探针与两侧探针间电容量，该电容与介电常数成正比，经过AD转换、单片机运算处理、非线性矫正和DA转换输出，即获得与土壤体积含水量成正比线性电压（电流或485信号）输出。传感器内部采用进口优质工业级单片机和元器件，精度高、可靠性好、经久耐用、重复性好而性价比高。

1.4 系统无线通信模块设计

无线通讯模块设计分为上位机收发数据设计和单片机收发数据设计两部分。其中上位机首先向单片机发送命令，等待单片机接收指令并在地址匹配响应后发送数据，此时上位机进入数据接收模式，数据接收后等待下次操作。

通过市售无线数据传输模块性能分析，选用TTL接口POP2032无线数传输模块，可直接连接单片机TX RX收发数据。发射功率是20 dbm，接收电流约35 mA，功率最大时发射电流95 mA，串口传输速率为9 600 bps，休眠电流2 μA。

2 系统育秧试验验证

2.1 试验材料

试验水稻品种：东农428（由东北农业大学水稻研究所提供）。供试基质材料：水稻育苗专用基质（江苏省淮安柴米河农业科技发展有限公司）。

试验器材：日本硬质塑料水稻育秧盘（58 cm× 28 cm×3 cm）28个。试验药品：浸种剂、浓硫酸、壮秧剂、尿素。

2.2 试验设计

试验环境共3个处理，室外露天育秧、大棚育秧、闭锁式立体育秧，3次重复。试验于2015年4月26号播种，播种前做好选种、晒种工作，催芽露白，每盘播种量120 g芽种。播种后16 d采集秧苗，测定指标。

2.3 测定项目和分析方法

2.3.1 农艺指标测定

在每个育秧盘中间部分取一块方土（10 cm×10 cm），测量出苗率。秧龄指从播种到育秧结束所用天数。叶龄是指秧苗长出叶片数（不包含不完全叶）。用游标卡尺测量茎粗和根长。

2.3.2 生物量指标测定

鲜重：从每个秧盘随机选取4个点，取出长势良好30株秧苗，洗净后用滤纸擦干，电子天平称其重量。干重：每个秧盘随机取点，然后取出长势良好30株秧苗，洗净后用滤纸擦拭干，将水稻秧苗放入干燥箱内，105℃杀青20 min，75℃烘干至恒重（24 h）后，用电子分析天平测量。

2.4 结果与分析

由表2、3可知，不同育秧环境对水稻形态指标、根系指标、有机物积累影响显著。闭锁室内秧苗符合插秧标准，出苗率、叶龄、株高、茎粗显著高于其他处理，同时大棚育秧秧苗要优于露天育秧。闭锁室育秧秧苗根长、根数显著高于其他处理，大棚育秧秧苗要优于露天育秧。不同育秧环境在有机物积累方面显著差异，闭锁室育秧秧苗百株干重、地上百株干重显著高于其他各处理，同时大棚育秧秧苗优于露天育秧。秧苗生长缓慢，易出现冻害。大棚保温性能较好，但夜间或者阴雨天棚内温度低，光照不足，不利于秧苗生长。闭锁室内温度、湿度稳定，适合水稻秧苗生长。

针对黑龙江省水稻育苗系统存在问题，采用闭锁式立体水稻育秧室育苗模式，研制该环境控制系统。通过育苗室试验研究，水稻秧苗生长情况如图7所示。

表2 不同育秧环境参数Table 2Different seedling environment parameters

表3 不同育秧环境对秧苗指标影响Table 3Effect of different seedling environment on seedling index

图4 闭锁环境下水稻秧苗生长情况Fig.4Growth of rice seedlings under atresia

结合表3可知，苗率、叶龄、株高、茎粗、根数和干物质等主要评价秧苗质量指标差异较显著。

育苗室内温度、湿度自动控制设定水平，无显著性波动。表明该控制系统对提高水稻育苗效率和质量具有理论意义和应用前景。

闭锁式立体水稻育秧可少用杀虫、消毒农药，解决病虫害、药害问题。闭锁式立体水稻环境控制系统不仅适用于水稻闭锁式工厂化育苗，还适合于蔬菜、花卉等设施农业育苗生产。

3 结论

闭锁式水稻立体育秧可解决寒地水稻面临极端气候频发、占地面积大等问题。闭锁式立体水稻育秧室环境控制系统可对育秧室内秧苗生长所需光、温、水等环境因子自动监控。通过搭建闭锁式立体育秧平台，建立完善育秧室环境监测系统实现可视化，自动化智能调控、记录、分析秧苗生长最优环境。本系统将STC12C5A60S2单片机作为下位机，电脑终端作为上位机，运用POP2032无线传模块实现单片机与电脑之间数据传送。下位机通过连接DS18B20温度传感器、DHT11温湿度传感器和土壤水分传感器，对育秧室内各环境因子参数采集并保存，减少人为因素对秧苗生长环境影响。后期育秧效果表明，秧苗综合质量优于大棚育秧及露天育秧，秧苗各性状表现最优，其他两个对照差异显著。

[1] 刘华招.寒地稻区工育苗技术演变与未来发展思考[J].黑龙江农业科学,2013(10):128-129.

[2] 顾春梅,王贺,赵黎明,等.寒地水稻旱育壮秧存在问题及对策[J].中国稻米,2012(4):7-9.

[3] 刘延,刘华招.寒地水稻旱育苗技术配套措施概述[J].现代化农业,2011(2):27-28.

[4] 张晓慧,周增产,王峻峰,等.植物工厂关键技术研究与应用[J].北方园艺,2010(4):204-207.农业,2002(11):44-46.

[6] Hwang J,Shin C,Yoe H.Study on an agricultural environment monitoring server system using wireless sensor networks[J].Sen⁃sors,2010,10(12):11189-11211.

[7] Dumitraşcu A,Stefanoiu D,Culita J.Remote monitoring and con⁃trol system for environment applications.advances in intelligent control systems and computer science advances[J].Intelligent Sys⁃tems and Computing,2013,187:223-234.

[8] Gaowa N,Liu Y,Li M D.Design and Implementation of a remote equipment monitoring and management system based on IOT[C]// The 19th international conference on industrial engineering and engineering management.Changsha:Chinese Mechanical Engi⁃neering Society Branch of Industrial Engineering,2013:395-404.

[9] 赵斌,衣淑娟,董淏鸣,等.工厂化育秧环境智能监控系统研究—基于物联网[J].农机化研究,2014(12):38-41.

[10] 席桂清,田芳明,衣淑娟,等.寒地水稻育秧大棚智能监测系统设计与试验[J].农机化研究,2011,33(11)::40-43.

[11] 王福禄,房俊龙,张喜海.基于无线传感器网络的温室环境监测系统[J].东北农业大学学报,2011,42(2):59-64.

[12] 黄莹.基于Android系统蔬菜大棚环境参数监控系统[J].江苏农业科学,2014,42(12):423-425.

[13] 李东星,许明,周增产,等.闭锁型工厂化育苗系统研制与试验[J].长江蔬菜,2013(14):37-41.

[14] 李明,王志强.智能生产时代人工光植物工厂技术展望[J].农业工程技术,2016(10):16-19.

Development of environmental control system in closed and stereo rice seedling room

ZHAO Lijun,CHEN Ya,WANG Yingxue,XU Chunlin,HE Di(School of

Engineering,NortheastAgricultural University,Harbin 150030,China)

In order to give the solution of problem of on-line acquirement and difficulty of process control for the environment parameters in a closed and stereo rice seedling room,an environmental control and monitoring system rice seedling room was developed.The system of seedling growth environment visualized monitoring and control,to optimize the seedling growth environment by using an automatic monitoring regulation to achieve the seedlings had an important role in maintaining optimal growth state. Based STC12C5A60S2 microcontroller of system was for the next bit machine with DS18B20 temperature, DHT11 temperature sensors and humidity sensors,and soil moisture sensor data collection and used STC12C5A60S2 MCU come with AD achieve soil moisture information digital to analog conversion,seedling growth environment visualization,and improvement of seedling growth.The result from validation experiments showed the whole quality indices of rice seeding from closed and stereo rice seedling roomare higher than that from green house.The research results provided the effective data protection for stereo sound closed-growing technology.

rice seedling;closed;STC12C5A60S2 microcontroller;DS18B20 temperature sensor

S223.1+3

A

1005-9369（2016）10-0067-07

时间2016-10-26 16:38:00[URL]http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1391.S.20161026.1638.014.html

2016-04-28

国家自然科学基金（51205056）；东农研究生科技创新基金（yjscx14021）

赵立军（1980-），男，工程师，博士研究生，研究方向为田间机械与设施农业工厂化。E-mail：zhlj555@163.com

*通讯作者：何堤，教授，博士生导师，研究方向为田间机械与设施农业工厂化。E-mail：hedi04511558@souhu.com