寒地水稻育秧環境智能監控系統的研究*

孫起航，孫殿棋，徐漢林，趙 斌

（黑龍江八一農墾大學，黑龍江 大慶 163319）

黑龍江省是我國重要的糧食生產基地，水稻種植面積逾333.33萬hm2。為實現標準化、機械化作業，采用工廠化、標準化育秧模式，由政府建設集中育秧棚，將分散農戶的秧苗集中送入育秧棚，實施標準化育秧管理，以保證出苗率、苗齊等。但是，目前育秧棚環境調控多數仍采用人工觀測、手動調節的方式，在人力資源緊缺的情況下增加了生產成本，管理方法粗放。

荷蘭、日本等國家在溫室生產自動化方面的技術研究較為成熟，但是引進成本高、適用性差。目前，國內在溫室環境和北方育秧環境監控方面的研究取得了較大進展。安邦[1]以可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）為核心研究了溫室的環境控制系統，利用物聯網、云計算等技術，實現了溫室環境的遠程調控。侯加林等[2]采用超寬帶（Ultra Wide Band，UWB）和物聯網技術研究了移動式溫室環境監測系統，利用誤差消除算法，解決了溫室環境移動監測中的數據通信問題。趙斌等[3]采用ZigBee（紫蜂協議）通信技術研究了育秧棚環境監控系統，實現了育秧環境的本地計算機監測與控制。王鵬等[4]以MSP單片機為核心，構建了低功耗的育秧環境本地監控系統。席桂清等[5]采用GSM網絡通信技術，結合自制傳感器，開發了育秧環境遠程監控系統。

在上述研究中發現，育秧棚內傳感器與控制器的通信仍采用有線通信方式。隨著采集參數的增加，線材成本急劇增加，設備易損壞；采用PLC控制，成本較高，農戶難以接受；各農戶難以獨立遠程監控自己的育秧棚。本文以云平臺為通信中樞，采用GPRS、LoRa和ZigBee通信技術，開發低成本的寒地水稻育秧環境遠程監控系統，提升育秧生產過程的信息化程度，降低勞動強度、節約成本，實現秧苗生長環境最優化。

1 系統總體設計

系統結構見第88頁圖1。該系統由棚內采集節點、執行設備、棚內監控器、棚區匯聚節點、云服務器和手機設備等構成。每個棚區設置一個匯聚節點，每棟棚設置一個棚內監控器，每個棚內設置若干個棚內采集節點，棚內執行設備包括卷簾電機和噴淋電磁閥。棚內采集節點負責采集棚內的空氣溫度和濕度、光照度、CO2濃度、土壤溫度和濕度信息，采集節點數量根據棚內面積和成本需求設置，通常3～5個不等。棚內監控器負責收集采集節點信息，轉發信息至匯聚節點，控制執行設備。監控器與采集節點采用ZigBee無線模塊自動組網通信，收集棚內環境信息通過LoRa無線模塊發送至匯聚節點，監控器實時接收匯聚節點指令信息，控制執行設備進行通風、噴淋操作。采用集中育秧、集中管理模式。由于棚區內棚數多、占地廣且每棟棚分屬不同農戶，如果每個棚設置一個GPRS通信節點，勢必增加網絡通信費用和初裝成本。因此，在棚區內設置1個GPRS匯聚節點，1個云平臺可以同時控制多個棚區，降低系統運營成本。匯聚節點起傳令兵的作用，完成轉發監控器的采集信息給云平臺、準確地將手機端的指令信息發送到目標監控器等功能，匯聚節點通過LoRa無線模塊與棚內控制器組成無線遠程網絡，通信距離可達2 km，無線信號覆蓋了棚區范圍，通過GPRS模塊與云服務器通信，將采集信息發至云平臺進行存儲。云服務器完成接收手機端信息、匯聚節點信息、數據處理和存儲等功能。手機端APP完成信息接收、信息顯示和控制指令發送等功能。

圖1 寒地水稻育秧環境智能監控系統框圖

該系統工作原理如下：采集節點定時獲取棚內環境數據，采集周期可動態調整。采集間歇系統處于低功耗狀態以降低電池電量消耗，獲取數據通過ZigBee模塊發送給棚內監控器。監控器收取各采集節點數據并整理成數據包，通過LoRa無線模塊發送至棚區匯聚節點。匯聚節點收到各個棚的數據包后，集中打包并發送到云平臺。在系統初次運行時，監控器會自動與采集節點組網，記錄采集節點數量，匯聚節點與各監控器會通過程序自動查找存在的監控器組網，并存儲監控器數量和點號。云平臺進行數據處理和存儲，并把不同棚的信息發送至各農戶手機端，手機端APP接收信息顯示對應數據，如有參數超限，可提示農戶注意查看信息。農戶可通過APP上執行設備設置按鈕，發出對應的通風、噴淋調節指令，指令信息經過云平臺處理，發送至匯聚節點，匯聚節點根據指令目的地址，將信息發送至對應棚的監控器，完成環境調節指令。

2 棚內設備選型與設計

棚內采集節點由STC15單片機、各種傳感器、ZigBee無線模塊、接口電路和鋰電池構成，以STC15單片機為核心，通過接口電路定時啟動傳感器工作，監測電池電量。空氣溫濕度測量采用AM2321傳感器，測量溫度范圍為-40～100℃（精度為±0.3℃），測量相對濕度范圍為0～100%（精度為±3%），電源為直流2.6～5.5 V，平均電流為200 μA，采用I2C總線接口，每個參數以16位數字量輸出，將輸出數字轉換為十進制數除以10即為溫度值和相對濕度值；土壤溫濕度測量采用一體化土壤溫濕度傳感器MS10，測量溫度范圍為-40～80℃（精度為±0.5℃），測量相對濕度范圍為0～50%（精度為±2%），電源為直流3.6～30 V，最大電流為6 mA，采用485總線接口，Modbus通信協議，每個參數以16位數字量輸出，輸出數字轉換為十進制數除以100即為溫濕度值；光照度傳感器采用了低成本的SS1060I，電源為直流5 V，最大功耗為400 mW，測量范圍為1～65 535 lx（精度為0.5 lx），采用I2C總線接口，輸出數字量直接轉為十進制數即為光照度值；CO2傳感器采用的是MH-Z18型NDIR紅外氣體傳感器，電源為直流4～5.5 V，平均電流小于17 mA，質量分數量程為0～2 000×10-6（精度為±5%），通用異步收發傳輸器（Universal Asynchronous Receiver Transmitter，UART）串口輸出。育秧時間通常約30 d，采集節點的電池工作周期需滿足育秧時間要求以避免增加農戶額外工作量。因此采用5 V，10 Ah的鋰電池，生產試驗表明采集周期在1 h以上，該電池滿足生產周期內采集節點電量需求。

棚內執行設備包括棚兩側的卷膜器和噴淋電磁閥，由棚內監控器控制。卷膜器采用韓國BUSUNG電動卷膜器KOS4060，電源為直流24 V，電流為2.5 A，功率為70 W，最大扭矩為32 N·m，最大卷高3 m，轉速為5 r/min，電磁閥采用24 V直流電磁閥DF1-25。為防止執行設備動作對隔離微控制單元（Microcontroller Unit，MCU）系統產生電磁干擾，在MCU輸出端設計光耦電路，隔離MCU系統和執行設備，光耦輸出連接板載繼電器，由繼電器控制卷膜器和電磁閥。

3 通信設備選型與設計

該系統通信包含3個部分：ZigBee無線網絡構成的棚內網、LoRa無線通信構成的棚區內網、GPRS無線通信構成的棚區外網。ZigBee通信采用云天創公司的ATZGB模塊，工作頻率為2.4 GHz，電源為直流2.2～3.6 V，發射功率為-17～3 dBm，接收靈敏度為-101 dBm，無線速率為250～2 000 b/s，UART接口電平為LV-TTL，通信視距為800 m，滿足百米育秧棚的通信距離要求。LoRa無線通信采用了桑銳電子公司的SWRF506模塊，工作頻率為433 MHz，GFSK調制，電源為直流4.5～5.5 V，發射電流為300 mA，接收靈敏度為-120 dBm，接口速率為9 600 b/s，通信距離為2 km，滿足棚區范圍通信距離要求。GPRS無線通信采用了靈旗通信公司的LQ1000 GPRS DTU模塊，電源為直流12 V，平均消耗電流為75 mA，RS232接口，支持短信傳輸和GPRS實時數據傳輸，支持TCP客戶端和UDP客戶端。每個棚區只需要設置1個匯聚節點，使用1個GPRS模塊和1張通信卡，降低了系統通信運營成本。

4 結論

寒地水稻育秧環境智能監控系統具有成本低、自動化程度高、信息化程度高的特點，多數傳感器采用了同性能的低成本傳感器進行二次開發或加工，MCU選用低成本51單片機，通信模塊選用未封裝的低成本模塊，成本遠低于有線通信的線材成本，滿足了農業生產的低成本、高產出的要求。