設(shè)施瓜類輔助繁種配套綜合裝置的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

高 帥，鐘 興*，馮英娜，王艷莉，陳 炳，蔣錦浩

（1.江蘇農(nóng)林職業(yè)技術(shù)學(xué)院,江蘇 句容 212400；2.江蘇省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備工程中心,江蘇 句容 212400）

0 引言

我國是設(shè)施瓜類的生產(chǎn)大國，設(shè)施瓜類在全國農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)中占有舉足輕重的地位，設(shè)施瓜類是瓜類產(chǎn)業(yè)現(xiàn)代化的標(biāo)志［1-3］。但是我國目前自主選育的設(shè)施瓜類品種在持續(xù)坐果能力、果實(shí)外觀以及商品品質(zhì)等方面仍與國外優(yōu)良品種存在較大的差距，原因是國內(nèi)設(shè)施瓜類授粉繁種主要采用激素蘸花、噴花白等方式，嚴(yán)重影響了設(shè)施瓜類在國外的銷售［4］。為落實(shí)習(xí)近平總書記關(guān)于“要下決心把我國種業(yè)搞上去，抓緊培育具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的優(yōu)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(guān)鍵技術(shù)取得了快速的發(fā)展，極大地縮短了設(shè)施瓜類獲得優(yōu)質(zhì)種質(zhì)的周期［5］。然而，從優(yōu)異種質(zhì)到獲得新品種的中間制種環(huán)節(jié)的效率和準(zhǔn)確性仍有待提高，亟需更加高效、精準(zhǔn)的小規(guī)模制種和繁種技術(shù)的輔助配合。應(yīng)用設(shè)施及配套綜合裝置進(jìn)行輔助繁種的關(guān)鍵技術(shù)，依然是設(shè)施瓜類種業(yè)發(fā)展的難點(diǎn)和堵點(diǎn)。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(guān)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(yīng)用。國外設(shè)施瓜類輔助繁種對(duì)配套裝備和配套栽培技術(shù)要求較高，歐盟國家自2010年起已經(jīng)全面禁止激素類產(chǎn)品在設(shè)施瓜類生產(chǎn)中應(yīng)用，并在其食品安全標(biāo)準(zhǔn)中禁止使用人工合成激素類化學(xué)成分，這也間接推動(dòng)了輔助繁種技術(shù)的發(fā)展［14］。發(fā)達(dá)國家已經(jīng)建立了一套完整的體系將最新的科學(xué)技術(shù)應(yīng)用于輔助繁種及配套裝備技術(shù)中，并廣泛應(yīng)用到水果、蔬菜等各種設(shè)施作物［15-18］。國外先進(jìn)的輔助繁種技術(shù)和溫室大棚智能化調(diào)控系統(tǒng)對(duì)我國輔助繁種配套綜合裝置的發(fā)展具有很大的啟示。

本文針對(duì)設(shè)施瓜類品種的需求，將傳統(tǒng)繁種技術(shù)與智能農(nóng)業(yè)裝備相結(jié)合，通過設(shè)計(jì)智能輔助授粉裝置、優(yōu)化制種大棚結(jié)構(gòu)和研發(fā)大棚環(huán)境智能化調(diào)控系統(tǒng)，減少了人為干擾昆蟲授粉，形成了功能完備、省工節(jié)本且具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的智能化綜合設(shè)施，有效提高了制種的效率和準(zhǔn)確度，實(shí)現(xiàn)了制種技術(shù)的新升級(jí)。

1 智能輔助授粉裝置的設(shè)計(jì)

設(shè)施瓜類輔助授粉技術(shù)對(duì)于實(shí)現(xiàn)設(shè)施瓜類高產(chǎn)高效與改良設(shè)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(wù)，但其勞動(dòng)強(qiáng)度大、勞動(dòng)力成本高，限制了設(shè)施瓜類面積的擴(kuò)展，不能滿足農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)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(xué)藥劑授粉，商品的安全性下降，對(duì)人體健康不利［20］。

現(xiàn)有的設(shè)施瓜類輔助授粉裝置主要存在智能化程度低、設(shè)施簡陋等問題，不利于提高設(shè)施瓜類產(chǎn)品的品質(zhì)和產(chǎn)量，因此需要對(duì)傳統(tǒng)裝置進(jìn)一步完善，提高授粉的效率。

1.1 智能輔助授粉裝置的結(jié)構(gòu)與工作原理

設(shè)施瓜類智能輔助授粉裝置的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，該授粉裝置包括了機(jī)械結(jié)構(gòu)裝置、智能控制機(jī)構(gòu)和遠(yuǎn)程監(jiān)控裝置。機(jī)械結(jié)構(gòu)裝置包括蜂桶、筑巢裝置、注水控制裝置等；智能控制機(jī)構(gòu)包括用于感應(yīng)土蜂的智能環(huán)境感受模塊、溫濕度調(diào)節(jié)器等；遠(yuǎn)程監(jiān)控裝置包括用戶客戶端、軟件系統(tǒng)、天線等。

圖1 智能輔助授粉裝置結(jié)構(gòu)示意圖

智能輔助授粉裝置放入溫室大棚后，其智能環(huán)境感受模塊能夠?qū)崟r(shí)采集裝置內(nèi)的位置、溫濕度、昆蟲聲音、土蜂進(jìn)出量、供電電量等信息。使用客戶端可實(shí)時(shí)顯示采集的數(shù)據(jù)信息，并進(jìn)行數(shù)據(jù)參數(shù)的設(shè)定。當(dāng)設(shè)定的參數(shù)與采集到的數(shù)據(jù)信息不一致時(shí)，可通過手動(dòng)或自動(dòng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理分析之后，將調(diào)節(jié)控制信息通過天線反饋給控制器，使控制器進(jìn)行相關(guān)動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)智能保護(hù)授粉昆蟲的作用，促進(jìn)設(shè)施瓜類輔助繁種。

1.2 主要尺寸參數(shù)

智能輔助授粉裝置的主要尺寸參數(shù)如表1所示。

表1 智能輔助授粉裝置的主要尺寸參數(shù)

1.3 智能環(huán)境感受模塊

智能環(huán)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(jìn)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(huán)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(shí)時(shí)采集裝置內(nèi)的位置、溫濕度、昆蟲聲音、土蜂進(jìn)出量、供電電量等信息。

圖2 智能環(huán)境感受模塊實(shí)物圖

1.4 遠(yuǎn)程監(jiān)控裝置的設(shè)計(jì)

遠(yuǎn)程監(jiān)控裝置包括用戶客戶端、軟件系統(tǒng)、天線等。天線布設(shè)在蜂桶圓形蓋上方，使用Wi-Fi通信技術(shù)接收外界溫濕度信息并進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。遠(yuǎn)程監(jiān)控裝置實(shí)現(xiàn)了蜂桶內(nèi)溫濕度監(jiān)測(cè)、土蜂進(jìn)出量監(jiān)測(cè)、蓄電池電量監(jiān)測(cè)、位置監(jiān)測(cè)等功能；同時(shí)還提供溫濕度、進(jìn)出量、重量、頻率等異常報(bào)警的設(shè)置和預(yù)警管理等功能。

2 制種大棚結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

現(xiàn)有設(shè)施大棚裝置對(duì)大風(fēng)、高溫、降雨等的防控以人工操作為主，但人工操作費(fèi)時(shí)費(fèi)工、操作繁瑣、效率不高且多個(gè)品種在一個(gè)大棚內(nèi)易造成種子混雜，工人多次進(jìn)入大棚也會(huì)干擾土蜂授粉繁種，因此需要對(duì)傳統(tǒng)大棚結(jié)構(gòu)進(jìn)行分隔。分隔的主要目的是為不同品種的瓜類提供獨(dú)立授粉繁種的空間。在綜合考慮避雨通風(fēng)、減少人為操作的前提下，設(shè)計(jì)的制種大棚結(jié)構(gòu)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(cè)面圖。

圖3 制種大棚整體結(jié)構(gòu)

設(shè)置大棚緩沖室，可大幅降低外來花粉、昆蟲進(jìn)入大棚的概率，提高制種質(zhì)量。考慮到季節(jié)溫度的變化，將大棚頂部分為3層，最下面一層是防蟲網(wǎng)，第2層是棚膜，最頂部與大棚平行的是遮陽網(wǎng)。當(dāng)棚內(nèi)溫度過高時(shí)可通過卷簾器將棚膜卷至大棚中間，對(duì)棚內(nèi)進(jìn)行遮光。一個(gè)傳統(tǒng)的種植大棚只能種植一種瓜類，而緩沖室的設(shè)計(jì)能夠在一個(gè)大棚內(nèi)種植不同品種的瓜類，實(shí)現(xiàn)高效率、小規(guī)模制種。

3 基于PLC的大棚環(huán)境控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

為了減少環(huán)境因素對(duì)昆蟲活動(dòng)和制種質(zhì)量的影響，并為設(shè)施瓜類親本提供穩(wěn)定、適宜的生長環(huán)境，本文設(shè)計(jì)開發(fā)了基于PLC（可編程邏輯控制器）的大棚環(huán)境控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。該系統(tǒng)主要由3部分組成：網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)、傳感器系統(tǒng)和控制器系統(tǒng)。網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)將現(xiàn)場采集到的數(shù)據(jù)上傳至云端或者將云端的命令回傳到現(xiàn)場控制器；傳感器系統(tǒng)對(duì)溫室的溫、濕度等信號(hào)進(jìn)行現(xiàn)場采集，信號(hào)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后，進(jìn)行處理和通信；控制器系統(tǒng)是將云端的遠(yuǎn)程控制指令轉(zhuǎn)換后通過RS232發(fā)送給PLC，PLC帶動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成對(duì)升溫設(shè)備、降溫設(shè)備、除濕設(shè)備和增濕設(shè)備的控制。

圖4 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(jù)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(shè)計(jì) 采用降溫設(shè)備、增溫設(shè)備、除濕設(shè)備和增濕設(shè)備配合溫度傳感器、濕度傳感器實(shí)現(xiàn)溫濕度控制自動(dòng)化。在自動(dòng)運(yùn)行模式下，PLC判斷溫濕度參數(shù)是否滿足預(yù)設(shè)條件。若溫濕度過高，則開啟降溫設(shè)備或者升溫設(shè)備；若溫濕度過低，則開啟升溫設(shè)備或增濕設(shè)備。PLC控制算法采用模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，不斷進(jìn)行溫濕度的檢測(cè)和自動(dòng)調(diào)節(jié)，直至滿足規(guī)定條件后，系統(tǒng)停止運(yùn)行。在手動(dòng)運(yùn)行模式下，可人為通過按鈕控制升溫設(shè)備、降溫設(shè)備、除濕設(shè)備、增濕設(shè)備的運(yùn)行，具體控制流程如圖6所示。

圖6 大棚環(huán)境控制流程圖

4 田間試驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 試驗(yàn)?zāi)康?/h3>

為了驗(yàn)證所用設(shè)施瓜類輔助繁種配套綜合裝置的可靠性與合理性，對(duì)配套綜合裝置進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)。收集配套綜合裝置的有效授粉時(shí)間、制種純度、制種產(chǎn)量、制種成本和制種室的溫濕度等數(shù)據(jù)，比較實(shí)際數(shù)值與理論參數(shù)間的誤差值。

4.2 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)在江蘇農(nóng)林職業(yè)技術(shù)學(xué)院的江蘇農(nóng)博園內(nèi)進(jìn)行，試驗(yàn)現(xiàn)場如圖7所示，共設(shè)置2個(gè)大棚。處理組（T）在大棚內(nèi)放置智能輔助授粉裝置，監(jiān)測(cè)土蜂的各種特征，同時(shí)將基于PLC的智能環(huán)境控制系統(tǒng)控制柜安裝在大棚內(nèi)，溫室中種植了3種不同品種的黃瓜，共包含3個(gè)制種室；對(duì)照組（CK）將普通輔助授粉裝置放置于大棚內(nèi)，溫室中種植了與處理組相同品種的3種黃瓜，不單獨(dú)設(shè)置緩沖室和環(huán)境控制系統(tǒng)。

圖7 試驗(yàn)現(xiàn)場照片

4.3 試驗(yàn)結(jié)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(jù)秋冬季節(jié)黃瓜結(jié)果期內(nèi)生長1 d的最優(yōu)溫濕度設(shè)定，實(shí)際值由棚內(nèi)各傳感器測(cè)量的平均值獲得，將溫濕度的理論值與實(shí)際值進(jìn)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(shí)現(xiàn)了目標(biāo)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(shí)現(xiàn)了目標(biāo)濕度的控制。制種室的溫度、濕度等實(shí)際數(shù)值與理論參數(shù)之間的誤差低于10%，滿足制種室溫、濕度對(duì)土蜂的影響和控制要求，可以有效延長土蜂的授粉時(shí)間。

圖8 制種室溫、濕度的變化曲線

4.3.2 有效授粉時(shí)間、制種純度、產(chǎn)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(shí)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(chǎn)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(huán)境系統(tǒng)的配套使用，避免了陰雨天氣對(duì)設(shè)施瓜類繁種的影響，延長了土蜂的授粉時(shí)間；應(yīng)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(shù)，并有效降低了人工成本。

表3 試驗(yàn)各指標(biāo)對(duì)比結(jié)果

5 結(jié)論

本文針對(duì)設(shè)施瓜類育種發(fā)展的新趨勢(shì)，以優(yōu)化繁種技術(shù)、提升智能化、自動(dòng)化水平為核心目標(biāo)，研發(fā)了配套智能輔助授粉裝置，通過完善制種大棚結(jié)構(gòu)功能并接入了大棚環(huán)境控制系統(tǒng)，更好地服務(wù)于新興育種技術(shù)。本文得出如下結(jié)論：

（1）針對(duì)傳統(tǒng)設(shè)施瓜類輔助授粉裝置存在智能化程度低、設(shè)施簡陋等問題，設(shè)計(jì)開發(fā)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(fā)了基于PLC的智能化大棚環(huán)境控制系統(tǒng)，減少了環(huán)境因素對(duì)昆蟲活動(dòng)和制種質(zhì)量的影響，為實(shí)施瓜類親本提供了更穩(wěn)定、適宜的生長環(huán)境。

（3）在江蘇農(nóng)博園對(duì)配套綜合裝置進(jìn)行了黃瓜田間試驗(yàn)，結(jié)果表明：制種室的溫度、濕度等實(shí)際數(shù)值與理論參數(shù)之間的誤差低于10%；制種產(chǎn)量較傳統(tǒng)土蜂授粉提高10%以上，土蜂有效授粉時(shí)間提高30%以上，制種純度提高8%以上，降低制種成本41.5%。應(yīng)用配套綜合裝置，有效提高了設(shè)施瓜類的制種效率和準(zhǔn)確性，對(duì)其他設(shè)施作物制種提供了一定的參考依據(jù)。