基于物聯網技術的寒地水稻程控催芽系統設計與試驗

羅 斌，潘大宇，高 權，陳 泉，侯佩臣，宋 鵬，王 成

（1.北京農業智能裝備技術研究中心，北京 100097；2.國家農業智能裝備工程技術研究中心，北京 100097；3.農業部農業信息技術重點實驗室，北京 100097）

0 引 言

水稻是世界最重要的糧食作物之一，全球有50%以上人口以水稻為食，水稻也是中國最主要的糧食作物之一，產量占中國糧食總產量的37.3%，是中國單產最高、總產量最大的糧食作物[1-3]，因此如何提高水稻產量與品質成為關系國計民生的重大戰略性課題。

寒地水稻產區屬于寒溫帶季風氣候，年平均氣溫比同緯度地區低5～8℃，易受低溫冷害的影響，迫切需要催芽和育秧來補償積溫，以保證產量。在水稻浸種催芽方面，浸種溫度過高或過低都會使其發芽率降低[4-6]，因此傳統的“地缸泡、炕頭捂”等催芽方式[7-9]，常常導致出芽率低，芽種質量差；早期大規模催芽技術環境條件難以控制，存在芽種受溫不均且有氧呼吸差等問題，容易發生燒種、爛芽的現象。國外在水稻浸種催芽技術方面的研究開始較早，1962年， Roberts等[10-11]分別對影響水稻浸種催芽生產的主要因素進行了研究，并闡述了催芽環境溫度對于浸種催芽環節的重要性。1994年，Derek等[12]分析了溫度、濕度、光和浸泡時間等其他因素對水稻發芽的影響。Mishra等[13-14]研究了水稻芽種在不同水處理下的生理特性變化。2006年，Dell’Aquila[15-17]開始將圖像處理方法用于種子發芽質量評價，到2016年，Lurstwut等[18-19]將圖像技術進一步發展。2016年，沈陽農大宋平等[20-21]應用低場核磁分析水稻浸泡過程中水分變化及遷移規律等。在設備方面，日本研發了系列小型浸種催芽設備，包括浸種槽、破胸催芽器、苗盤播種機和蒸氣出苗室等，可實現小規模水稻從浸種催芽到苗盤播種育苗的全套作業，但無法滿足大規模水稻芽種生產的需求[22]。中國水稻浸種催芽技術研究主要針對水稻浸種催芽過程中對溫度和濕度的控制來展開。早期的手工催芽以及后來的溫水浸種催芽、溫室蒸汽快速催芽等技術，方法和技術手段都相對落后，導致催芽效率較低，芽種質量差[23]。隨著信息技術的發展，出現了大規模水稻催芽設備，采用冷熱水調配的方式進行溫度調控，溫度調控不均勻，控制精度不夠。

本文針對現代大規模水稻生產的需求，圍繞水稻浸種催芽環節溫度、濕度、氧氣的精確調控難題，研究水稻浸種催芽的生物學特性，研發了基于物聯網技術的大型水稻智能程控浸種催芽系統，包括多傳感器數據采集單元、水和熱量動態循環分配體系、全覆蓋循環噴淋結構、數據反饋控制模型、虛擬現實聯動控制技術等的研究，實現浸種、破胸、催芽3階段溫度、濕度、氧氣的分段式精確管理和調控，創建最適宜的水稻浸種催芽生產環境，有效解決傳統水稻催芽方式種子受熱不均勻、有氧呼吸不好、出芽不整齊的問題。

1 水稻浸種催芽過程的生物學特性

水稻浸種催芽過程包含浸種、破胸、催芽3個環節，浸種催芽技術是通過控制3個環節溫度、水分、氧氣等環境因素，使種子在最適宜的環境條件下提早發芽的一項技術。浸種是通過用清水或藥溶液浸泡，促進水稻種子較早發芽，殺死一些蟲卵和病毒，同時補償積溫的過程。低溫會降低種子的吸水速度，使細胞質處于半凝膠狀態，不利于活性物運動[24-26]。一定程度提高浸泡溫度，可增強種子酶活性，提高其催化能力[27]。種子浸泡過程中，隨著吸水量增加，種子內新陳代謝活動逐漸活躍，加強在貯藏期間微弱的物質轉化和呼吸作用，種子進入萌動階段，此時由于種子內酶活性提高，呼吸作用不斷加強，種子內貯藏物質不斷地轉化為糖類和氨基酸等一類可溶性物質，并轉運到胚細胞中去，胚細胞利用這些物質，使細胞迅速分裂和伸長。當胚的體積增大到一定程度時，就頂破種皮而出，稱為“破胸” 。在一般情況下，由于尖端對著種孔，吸水生長最早，所以胚根首先突破種皮，然后長出胚芽。胚繼續生長，當胚根長度與谷粒長度相等，胚芽長度達到谷粒長度一半時，就稱為發芽[28]。

水稻浸種催芽生產各階段最適宜條件如下[22]：浸種：11～13℃，7～9 d；破胸：31～33℃，12～18 h；催芽：溫度26～28℃，12～18 h。浸種催芽環節可補償積溫100℃左右，有效提高寒地水稻水稻產量與品質。

2 系統物聯網網絡結構設計

構建3層結構物聯網系統，主要包括單浸種箱監控層、單排多浸種箱傳輸管理層、中央綜合管理層，控制軟件流程圖如圖1所示。

圖1 控制軟件流程圖Fig.1 Flow chart of control software

通過TCP/IP網絡協議實現所有浸種箱在不同生產階段各項數據、冷熱水調配數據傳輸和設備綜合調控管理，系統用戶可在本地或遠程進行所有浸種箱、供水系統狀態的監測和控制及浸種、破胸、催芽各環節溫度、濕度、氧氣的分段式綜合調控，實現本地生產管理和遠程監控的結合，通過控制軟件實現溫濕度傳感器信息監測以及給排水設備、加熱循環設備和噴淋設備的開閉控制等。

2.1 基礎設施

催芽系統基礎設施主要包括浸種催芽箱、噴淋管路、水循環設備、電加熱設備、閥門、保溫罩等[29-30]。浸種催芽箱采用SMC（sheet molding compound）玻璃鋼模壓單板、密封材料、金屬結構件及配管系統構建，單箱尺寸6 m′4 m′1.5 m，單箱單次可生產12 t芽種，生產規格可根據需求靈活調整。以200 t水稻智能化浸種催芽系統為例，系統總體設計為2排水箱布局，每排1個熱水箱配置8個浸種箱，總計2個熱水箱16個浸種箱，單次可生產200 t水稻芽種。

2.2 智能監控系統

智能監控系統基于前端環境信息傳感、后端數據處理分析及反饋控制單元構建，實現不同生產環節對催芽設備及催芽環境的智能化監測和控制，具體如下：

1）該系統設計每個浸種池中不同位置、高度安裝9個數字式DS18B20溫度傳感器，構建浸種箱溫度監測模型，如圖2所示，測溫范圍-55～125℃，固有測溫分辨率0.2℃，用于測量不同位置、不同深度的水溫變化，當各點溫度差異較大時，開啟循環噴淋系統，保證箱內不同位置水溫均勻一致。

圖2 浸種箱溫度監測模型Fig.2 Temperature monitoring model of seed tank

2）應用 MCGS（monitor and control generated system）控制軟件，基于如圖3所示。

圖3 反饋控制模型Fig.3 Feedback control model

反饋式控制邏輯模型，構建自保溫監控系統，根據浸種、破胸、催芽3個不同階段的溫度需求，在控制軟件中輸入溫度閾值區間，當箱內溫度低于設定閾值下限時，自動啟動加熱循環設備進行熱量補償，溫度到達設定溫度閾值范圍時，停止加熱循環設備；當箱內溫度高于設定閾值上限時，自動啟動循環設備，并開始溫室通風設備，進行降溫，溫度到達設定閾值范圍時，自動停止循環設備。采用此反饋式控制模型，可自動執行浸種箱溫度調節，實現無人值守式生產管理，大幅降低人力投入。

3）研制高精度、高穩定性、耐腐蝕的液位傳感器，保證浸種、破胸、催芽階段，不同高度水位的監控，為催芽生產提供需求的環境。

4）開發具有標準通訊接口的信號采集和控制輸出模塊，實現在低溫、高濕、高噪聲、強電、有水環境下，傳感器信息采集和控制輸出指令的準確可靠。

5）基于網絡接口、800′480分辨率、15.4′8.7cm工業觸摸平板，研發可觸摸式監控系統，實時監測箱內水溫、水位等信息。

研究浸種、破胸、催芽各階段對溫度的不同需求，建立反饋溫度、需求溫度與設備之間的反饋式控制邏輯模型，結合多點溫度傳感器檢測的信息，對電熱和循環設備進行反饋式控制調節，實現設備自動啟、停及無人值守式管理，對單箱小循環系統的水溫進行精確化微調，保證全程分段式變溫自動化管理，如圖4所示，為水稻浸種、破胸、催芽階段提供最佳的溫、濕、氧環境。

圖4 自動保溫軟件界面Fig.4 Software interface of automatic heat preservation

針對單排多個浸種箱的集中管理，應用組態軟件開發集中監控系統，將所有浸種箱在不同生產階段的水溫、水位、冷熱水調配等信息通過TCP/IP網絡協議傳輸至現場集中監測控制系統中，實現對單排多個單箱監控系統的集中管理，同時監控多個設備運行狀況，實現大循環系統的熱量動態調配。

2.3 遠程監控及數據服務系統

根據車間設備布局，利用圖形向量技術，建立水稻浸種催芽系統三維虛擬模型，如圖5所示，使用戶可通過虛擬模型全方位立體查看催芽系統；采用最新的WPF（windows presentation foundation，基于Windows的圖形界面處理）技術，提高系統的可視化水平，方便用戶詳細查看設備運行狀況、報警繪圖、數據報表及3D曲線趨勢圖，從而實現對現場生產的虛擬現實聯動控制。

圖5 催芽車間三維虛擬模型Fig.5 3D virtual model of pregermination workshop

3 試驗與分析

3.1 催芽試驗

應用本系統在黑龍江省佳木斯市樺南縣大八浪鄉九里六村水稻催芽基地開展生產試驗，選取常規寒地水稻品種龍粳31開展試驗，試驗場景如圖6所示。

圖6 試驗場景Fig.6 Experiment scene

試驗用時14 d，試驗流程如表1所示。

表1 水稻催芽試驗過程Table 1 Experiment process of rice pregermination

3.2 數據及效果分析

浸種催芽生產試驗證明，在芽種浸種階段，水溫可穩定保持在11～12℃，箱內上下層水溫均勻一致；在高溫破胸階段，經過高溫熱水噴淋，種箱內部水溫范圍在32～33℃之間，為芽種的破胸提供了良好的生長條件，且有利于芽種的呼吸；在催芽階段，噴淋時水溫可保持在22～23℃之間。采用Matlab軟件模擬浸種箱內溫度場分布，如圖7所示，顯示浸種箱內溫度場分布一致性較好，證明系統控溫精確。

圖7 浸種箱內溫度場分布模擬Fig.7 Temperature field simulation of seed tank

隨機在浸種箱上層、中層、下層各取3袋做種子出芽率抽樣統計，統計結果如下表2所示。

通過出芽率統計分析，經過標準選種的情況下，平均出芽率為97.79%，并且上、中、下3個不同區域芽種出芽率相差1%以內，表明浸種箱上下層溫、濕、氧調控較均勻、精確。芽種生產管理過程中，冷水、熱水供給以及所需熱水調配等都可以自動完成，全部生產過程僅需1～2人即可完成10個種箱100～400 t規模的生產過程管理，水溫控制精度±0.2℃，水位控制精度±0.3%，可為寒地水稻增加積溫100℃，芽種整齊度、健壯程度大幅提高。

表2 水稻出芽率統計數據Table 2 Statics data of rice germination rate

與國外同類浸種催芽技術設備相比，本系統單次產量為100～400 t，遠大于進口設備200～600 kg的產量，同時所生產芽種質量不低于進口產品，生產效率大幅度提高；與國內同類催芽技術設備相比，本系統溫度調控一致性更好，采用反饋控制邏輯，溫度調控精度更高，出芽率可提高5%左右，同時電加熱方式也比傳統燃油加熱方式安全、環保。

4 結論

本文針對寒地水稻浸種催芽生產需求，研發了基于物聯網技術的智能程控水稻催芽系統，可滿足水稻浸種、破胸、催芽3個不同階段的溫度、濕度、氧氣的控制需求，水溫控制精度±0.2℃，水位控制精度±0.3%，種子發芽率達97.79%，箱內不同區域芽種出芽率相差1%以內。系統生產規模可根據用戶要求進行靈活安裝和管理，一次可完成100～400 t大批量水稻浸種催芽生產，大幅提高了生產效率，提高了水稻種植戶的生產積極性，同時在水稻浸種催芽裝備控制技術方面也取得了一定創新，主機經過分析傳感器的信息，對設備進行相應的控制操作，實時監測箱內的水溫、水位等信息，通過系統內的大循環、單箱自循環有機結合，從而提供最佳的水稻催芽環境，進而得到高品質和高產量的水稻。整個系統實現了大規模、全自動化的水稻催芽生產，有效提高了水稻芽種質量，推動水稻生產向規?；?、智能化方向發展。

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