水稻育秧基地“环境控制系统”的设计

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摘要:文章通过对水稻育秧大棚的环境自动监控系统的设计,详细说明了水稻育秧温室环境控制原理和系统结构,并提出了具体设计原理与技术实现方法。

关键词:水稻育秧;环境控制;系统设计

中图分类号:S477+1 文献标识码:C 文章编号:1674-0432(2010)-06-0137-2

随着农业产业结构的调整,各地区农业生产都具有区域性和种类的特殊性。如一些粮食主产区都以水稻为主要作物,成为全国有名的水稻种植基地;尤其以农垦总局系统更为明显。为了提高水稻的种植品质和产量,对水稻育秧技术的要求也越来高。在这种趋势下,很多水稻种植地区都在逐步的改变原有的以农户为单位的育秧模式;取而代之的是大规模集中育秧模式,这种方式的优点是可以控制秧苗的品质,从而更好的提高水稻品质和产量。这种集中育秧模式,都是采用标准化温室大棚模式,有些育秧基地一次建设育秧大棚几百栋;这就给育秧的生产和管理带来一个问题,原有的个人或小规模育秧,一个或几个人就可以完成管理工作,而这种大规模集中模式,如果还采用原有的人工管理,即使增加人员,也很难保证秧苗的生产安全。根据这种情况,我们设计了一套计算机网络型环境控制系统,可以实现对整个水稻育秧生产基地大棚进行全面自动化管理,即能节约人工管理成本,也可以保证水稻秧苗生产安全,对提高水稻品质和产量都起到极大的促进作用。

1 水稻秧苗生长环境数据分析

水稻秧苗生长与发育受许多环境因素的影响,这些因素有些是起主要作用,有些是起次要作用的;对那些起主要作用的,可以测量的,并且是可以人工调控的因素进行重点分析和研究,主要包括以下几个参数。

1.1 温度

温度对各种作物来讲也许是最重要的一个参数,包括土壤温度和环境温度,但土壤温度可以通过大棚内的环境温度来调整,所以在实际应用中我们一般只对环境进行监测和控制;目前各种温度测量技术已经很成熟,控制手段也最多。调控温度的方法包括开关侧窗、排风扇、内外遮阳、管道加热等。

1.2 土壤水分

农作物没有足够的水分就不能生长,而水分过大也不利于秧苗生长;所以水稻秧苗的土壤水分必须控制在一个适当值内。对土壤水分的测量技术,国内外都有比较成熟的测量技术;控制上可以通过打开喷灌或滴灌设备,为水稻秧苗补充水分。

1.3 光照

光照度是水稻秧苗生长的重要环境参数之一;测量技术简易,控制方便。白天光照过于强烈时,可以展开内外遮阳幕来降低光照度,夜晚或阴天光线不足时可以人工补光。

1.4 CO2

CO2是水稻秧苗光合作用的重要条件之一。测量传感器采用红外光谱CO2传感器,可以通过打开CO2气瓶或发生器来增加育秧棚内CO2的浓度。

2 水稻育秧温室环境控制原理

2.1 温度控制原理

当室内温度高于控制系统设定温度上限时,系统进入降温过程,即开启天窗开启侧窗开排风机等降温过程。这个过程可以是依次自动执行,只有当一个动作完成后才可进入下一个动作,也可以设定为人工操作,在听到某个大棚报警信号后,由管理人员进行人工操作;同理,当室内温度低于系统设定温度下限时,系统进入升温过程,即停止人工降温关排风机关侧窗关天窗的顺序依次执行。当夜间室外温度过低时,启动加热装置。

2.2 土壤水分控制原理

土壤水分对水稻秧苗的生长起着重要的作用。当检测到土壤水分含量低于系统设定值下限时,可自动打开喷雾或滴灌系统进行灌溉。在水分含量达到合格值后,灌溉系统停止工作。

2.3 光照控制原理

光照度对水稻秧苗的生长极为重要;我们通过控制遮阳网来实现光照度的调整。当光照度大于系统设定的上限时,此时应展开外遮阳网,使光照度下降到3万Lx左右,这一光照度对蔬菜作物是合适的。光照不足时可收拢内外遮阳网或打开补光灯进行人工补光。

2.4 CO2控制原理

可用CO2传感器探测室内CO2浓度。如果浓度过低,则打开CO2发生器或直接使用气瓶增加室内CO2浓度,当室内CO2浓度达到800-1200μl/L时,其光合作用会有很大的提高。另外,加强通风,用室外大气中CO2补充室内的CO2浓度也是提高CO2浓度的一个有效方法。

3 水稻育秧温室环境控制系统结构

水稻育秧温室环境控制系统由大棚单元控制器、传感器、无线数传模块、控制中心上位机等四大部分组成。如图1所示。

图1 环境控制系统结构图

4 系统设计

4.1 单元控制器

该控制器是为本系统专门设计的一种控制设备,是本系统中最核心的设备;实现数据采集、数据计算、显示、设备控制等功能;数据采集接口有4个,分别为土壤湿度、叶面(室内)温度、光照度、二氧化碳浓度传感器接口;均为485总线方式,每个接口上可连接1-255个传感器。对应每路接口,都有两个2位数码显示管,一个动态流动显示每一个传感器数据,另一个显示所有传感器的平均值。控制器内置一个与无线数传模块的接口,将采集的数据传送给无线数传模块,发送到上位机。本控制器的有4路开关量输出接口,可对应不同的传感器同时控制4种设备,来控制大棚的环境参数。

4.2 传感器

本系统中采用的传感器是通过对国内外多个厂家的数百种产品进行比较、测试并最终挑选出来的,具有可靠性高、稳定性好、性能价格比高等特点。温度传感器具有测温范围宽、精度高、全密封、长期稳定并已完全数字化,不需要校准。湿度测量采用新型高分子湿敏电容,具有较高的灵敏度、线性度及响应速度,可以在高湿环境中长期稳定地工作,特别适合在温室内以及室外等高湿环境中工作。CO2传感器采用红外双光束光谱测量原理,测量精度和稳定性好,几年之内不用校准。在本系统中所采用的变送器均为485总线型,组网方便

4.3 无线数传模块

在本系统中采用的是KYL-1020L低功率无线数传模块,是一种远距离无线数据传输产品,它体积小,功耗低,稳定性及可靠性极高,能方便的提供双向的数据信号传输、检测和控制。载频频率433,基于FSK/GFSK的调制方式,采用高效通信协议,提供透明的数据接口,能适应任何标准或非标准的用户协议。自动过滤掉空中产生的噪音信号及假数据,传输距离达3km,可完全正确覆盖整个大棚生产区域。

4.4 主控室上位机系统

上位机主控系统作为系统的管理控制核心,几乎可以完成本系统的所有功能,通过连在串口上的RS232/RS485通讯适配器与大棚单元控制器以及室外气象站组成微机网络系统。微机采用P4以上微机即可,Windows XP或Windows 2003操作系统,监控软件采用昆仑MCGS组态软件,能够形象、准确地反映控制状态,管理工能强大。配合SQL数据库,可以存储任意时间段的数据;在屏幕上可以以多种形式显示实时数据或曲线;同时也可以以多种方式查询和打印任何历史数据,做为生产管理依据。在数据采集的同时,如果发现任何一栋大棚的数据超出所设定的数值范围,会立刻发出声音和灯光报警信号,并在屏幕上显示出报警大棚号码,提醒管理人员及时处理故障。

上位机在管理的同时,还具有强大的控制功能。大棚单元控制器所连接的设备,在上位机中都可以任意控制,如喷灌系统、光照系统、加温系统、排风系统等;控制方式有两种:手动和自动;在软件的主界面上,左侧始终显示室外气象站的实时数据,为管理人员提供管理依据。

5 结束语

本系统不只用于育秧大棚的管理和控制,也可应用于蔬菜、花卉温室、瓜果、植物组培等农业设施的环境监控,适当的传感器和控制设备可组装成畜禽舍、猪舍、牛棚的工厂化生产,具有广阔的应用前景。将对实现工厂化高效农业,提高农业的现代化技术及管理水平起到推动作用。同时由于系统是参数动态监控系统与专家系统的有机结合,为生态学的研究提供了先进的手段,将在现代农业科研方面发挥很好的作用,其推广应用必将进一步提高中国农业现代化水平。

作者简介:肖(1965-),男,就职于黑龙江农业职业技术学院,工程师,研究方向:自动控制;李华(1965-),女,佳木斯大学教授,研究方向:自动控制。