基于云平臺(tái)的智能化寒地水稻浸種催芽系統(tǒng)的研究

席桂清　譚峰　黃操軍　石建飛　曹洪軍　尚廷義

摘 要：基于云平臺(tái)的智能化寒地水稻浸種催芽系統(tǒng)主要完成寒地水稻浸種催芽的過(guò)程自動(dòng)化、智能化，用戶可在有網(wǎng)絡(luò)的地方隨時(shí)監(jiān)控浸種催芽過(guò)程，下位機(jī)使用PLC進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)的、實(shí)時(shí)的傳輸種箱、水箱的溫度、水位等信息，并根據(jù)上位機(jī)設(shè)置，或觸摸屏發(fā)送指令由PLC分別控制箱內(nèi)的溫度和水位，實(shí)現(xiàn)了浸種催芽的自動(dòng)化化管理，經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，證明該系統(tǒng)具有高可靠性、高性價(jià)比、節(jié)約企業(yè)成本等優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：云平臺(tái)；浸種催芽；觸摸屏；智能化；PLC

目前，國(guó)內(nèi)大中型水稻浸種催芽裝置基本上是仍然是依靠人工靜態(tài)浸種和靜態(tài)催芽過(guò)程，存在受熱、受氧不均和人工翻種隨意性等問(wèn)題，會(huì)導(dǎo)致不同程度的不均衡萌芽現(xiàn)象，難以達(dá)到理想的“快、齊、勻、壯”的工藝技術(shù)要求。根據(jù)墾區(qū)近年來(lái)集中浸種催芽的優(yōu)越性，針對(duì)現(xiàn)有大型化、智能化和自動(dòng)化浸種催芽的要求，運(yùn)用計(jì)算機(jī)云平臺(tái)搭建服務(wù)器，研究大型浸種催芽車間高效管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)集散式和分布式的智能控制，解決現(xiàn)有浸種作業(yè)中維護(hù)困難，低產(chǎn)、劣質(zhì)、低利潤(rùn)、低效率、高成本、高消耗等缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)浸種、破胸和催芽的全程自動(dòng)化的動(dòng)態(tài)管理，浸種催芽作業(yè)達(dá)到工廠化生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

基于云平臺(tái)的智能化寒地水稻浸種催芽系統(tǒng)主要由現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集控制和數(shù)據(jù)中心兩部分組成，系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)圖如圖1所示，數(shù)據(jù)采集部分主要完成浸種催芽車間種子溫度、水位的采集，根據(jù)設(shè)定值，控制加熱器、循環(huán)泵水閥的控制，可根據(jù)需要實(shí)現(xiàn)內(nèi)循環(huán)和外循環(huán)，數(shù)據(jù)可在觸摸屏中設(shè)置、顯示；數(shù)據(jù)中心主要完成將采集的數(shù)據(jù)通過(guò)GPRS送入到云服務(wù)器，辦公樓和上級(jí)農(nóng)業(yè)主管部門可由客戶端軟件讀取服務(wù)器數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、分析、顯示，也可進(jìn)行數(shù)據(jù)的設(shè)置及遠(yuǎn)程控制，實(shí)現(xiàn)整個(gè)水稻浸種催芽過(guò)程智能化、自動(dòng)化、遠(yuǎn)程化。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件主要是現(xiàn)場(chǎng)浸種催芽過(guò)程的數(shù)據(jù)采集和控制，系統(tǒng)硬件總體設(shè)計(jì)如圖2所示，主要包括主控PLC、觸摸屏、加熱器、電動(dòng)閥門、溫度水位采集部分、數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸部分和控制部分。

2.1 數(shù)據(jù)采集部分設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)在種箱和水箱中各設(shè)置了4個(gè)STT-T鉑電阻溫度傳感器。溫度范圍：0℃～+100℃，精度：±0.1℃。溫度傳感器放在浸種箱的上中下不同位置，可準(zhǔn)確的檢測(cè)出浸種箱中的溫度，用來(lái)測(cè)量種溫和水溫，溫度傳感器經(jīng)信號(hào)變送器，把信號(hào)轉(zhuǎn)換為4～20mA標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，接入模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字量傳輸?shù)絇LC，經(jīng)過(guò)PLC判斷分析，并在觸摸屏中顯示。

水位傳感器選擇的是電極式水位開關(guān)，其通過(guò)三個(gè)探頭的不同邏輯組合，可判斷出浸種箱中的水位為高、低、空哪個(gè)狀態(tài)，然后反饋給PLC進(jìn)行邏輯判斷。

2.2 控制部分設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用一臺(tái)三菱公司的FX2N-16MR型PLC作為控制設(shè)備。它具有8點(diǎn)數(shù)字量輸入和8點(diǎn)數(shù)字量輸出，輸出采用繼電器輸出方式，可以驅(qū)動(dòng)交流負(fù)載或者直流負(fù)載，每點(diǎn)電流容量為2A，每個(gè)公共端最大電流為8A，電壓在AC220V、DC30V以下。閥門是控制系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)的執(zhí)行設(shè)備，為了能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程控制和操作，系統(tǒng)采用電動(dòng)閥門，即在普通閥門的基礎(chǔ)上安裝電動(dòng)執(zhí)行器，在現(xiàn)場(chǎng)可以實(shí)現(xiàn)手動(dòng)控制和半自動(dòng)控制。上位機(jī)不但可以通過(guò)PLC對(duì)閥門進(jìn)行操作，對(duì)農(nóng)田的給水和排水進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，而且上位機(jī)也可以通過(guò)與PLC的通信，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)閥門的開、關(guān)狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控。閥門執(zhí)行器主要由一個(gè)單相交流電機(jī)和限位開關(guān)構(gòu)成，其功能是通過(guò)輸入交220V的電壓信號(hào)可實(shí)現(xiàn)對(duì)閥門的開啟和關(guān)閉，同時(shí)能夠輸出一對(duì)無(wú)源信號(hào)作為到達(dá)位置信號(hào)供PLC使用。

2.3 顯示和通信部分設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用顯控觸摸屏SA-4.3A，其主要優(yōu)點(diǎn)是產(chǎn)品內(nèi)置的COM口集成了RS232/422/485通訊方式，實(shí)現(xiàn)了最快速的通訊速度；觸摸屏主要完成種箱水箱溫度水位的顯示，閾值的設(shè)置，數(shù)據(jù)的判斷，控制信號(hào)的輸出。

由于系統(tǒng)設(shè)計(jì)方便用戶在任意有網(wǎng)絡(luò)的地方可以監(jiān)控浸種催芽的過(guò)程，所以設(shè)計(jì)中加入的GPRS數(shù)據(jù)傳輸，選擇了T260S工業(yè)級(jí)無(wú)線路由器傳輸?shù)皆品?wù)器中，它是3G/4G/4G網(wǎng)絡(luò)的性能優(yōu)異的無(wú)線通信產(chǎn)品，主要應(yīng)用于行業(yè)用戶的數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)，支持?jǐn)?shù)據(jù)透明傳輸，圖像傳輸，設(shè)備監(jiān)控以及無(wú)線路由上網(wǎng)等功能。其主要使用RS485串口和觸摸屏連接進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，將數(shù)據(jù)透?jìng)鞯皆品?wù)器進(jìn)行存儲(chǔ)、分析。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 云平臺(tái)服務(wù)器設(shè)計(jì)

云服務(wù)器是一種簡(jiǎn)單高效、安全可靠、處理能力可彈性伸縮的計(jì)算服務(wù)，其管理方式比物理服務(wù)器更簡(jiǎn)單高效。用戶無(wú)需提前購(gòu)買硬件，即可迅速創(chuàng)建或釋放任意多臺(tái)云服務(wù)器，云服務(wù)器幫助項(xiàng)目快速構(gòu)建更穩(wěn)定、安全的應(yīng)用，降低開發(fā)運(yùn)維的難度和整體IT成本，本系統(tǒng)云服務(wù)器構(gòu)建的內(nèi)容主要包括：

（1）數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器：專門存儲(chǔ)下位機(jī)采集的海量數(shù)據(jù)，便于將來(lái)進(jìn)行匯總，統(tǒng)計(jì)與分析用的；（2）程序的服務(wù)端：包括物聯(lián)網(wǎng)接收模塊，用于解析數(shù)據(jù)并存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)中；包括客戶端提供服務(wù)的服務(wù)程序部分，主要為客戶端的各種行為提供數(shù)據(jù)結(jié)果并反饋到客戶端，包括為其他客戶端提出的服務(wù)申請(qǐng)做出對(duì)應(yīng)的應(yīng)答。

3.2 客戶端軟件設(shè)計(jì)

客戶端軟件界面如圖3所示，界面主要包括三個(gè)操作界面：浸種催芽實(shí)時(shí)監(jiān)控界面、參數(shù)設(shè)置情況界面、數(shù)據(jù)導(dǎo)出界面。實(shí)時(shí)監(jiān)控界面主要是對(duì)各條流水線中的水箱、種箱中的溫度、水位進(jìn)行監(jiān)控，可在這里進(jìn)行各參數(shù)的設(shè)置，比如浸種前期、中期、后期溫度水位等；參數(shù)設(shè)置情況界面主要是在實(shí)時(shí)監(jiān)控界面中對(duì)不同流水線設(shè)置完參數(shù)后，以便管理人員掌握設(shè)置的情況；數(shù)據(jù)導(dǎo)出界面主要完成將各時(shí)期每間隔一段時(shí)間的采集數(shù)據(jù)導(dǎo)出到EXCEL表格中，便于管理和后續(xù)的資料整理。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

在黑龍江省農(nóng)墾系統(tǒng)多個(gè)農(nóng)場(chǎng)浸種催芽基地進(jìn)行了實(shí)地試驗(yàn)，共建立了14條流水線，每條流水線可以實(shí)現(xiàn)400噸或200噸浸種催芽車間的智能控制，集中浸種催芽8000多噸，系統(tǒng)可以設(shè)置9種工作狀態(tài)，全程實(shí)現(xiàn)智能化控制，使芽種出芽率比常規(guī)浸種催芽提高5%～7%，整體催芽率達(dá)到99%以上，數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸及時(shí)準(zhǔn)確，受到用戶的一致好評(píng)。

5 結(jié)束語(yǔ)

該系統(tǒng)采用計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)等最新成果，建立云服務(wù)器，使用PLC進(jìn)行控制，以無(wú)線為傳遞信息的方式，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)的、實(shí)時(shí)的傳輸種箱、水箱的溫度、水位等信息，并根據(jù)上位機(jī)設(shè)置，上位機(jī)或觸摸屏發(fā)送指令由PLC分別控制箱內(nèi)的溫度和水位，實(shí)現(xiàn)了浸種催芽的自動(dòng)化化管理，代替了原先人工控制模式，提高了工作效率，減小了工作失誤，節(jié)約了企業(yè)成本，為墾區(qū)的生產(chǎn)管理提供了可靠性。本項(xiàng)目以較高的性價(jià)比完成了水箱種箱的整個(gè)監(jiān)控的功能，另外該系統(tǒng)均為模塊化設(shè)計(jì)，為開發(fā)其他相似類型的監(jiān)控系統(tǒng)提供了借鑒和參考，系統(tǒng)以高技術(shù)、高可靠性、高性價(jià)比的智能化系統(tǒng)為產(chǎn)業(yè)發(fā)展方向，最終在農(nóng)墾領(lǐng)域及其相關(guān)行業(yè)會(huì)有較大發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

[1]王寶芹，郭艷玲，范長(zhǎng)勝.水稻浸種催芽溫室保溫與加熱系統(tǒng)的研究[J].農(nóng)機(jī)化研究，2009（9）：66-68.628.

[2]陶桂香，衣淑娟，李佐同，等.水浸控溫式水稻種子浸種催芽設(shè)備溫度場(chǎng)分析[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2011，42（10）：90-94.

[3]候瑞鋒，王成，高權(quán)，等.智能程控水稻芽種生產(chǎn)線系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)[J].農(nóng)業(yè)工程，2011，1（5）：41-45.

[4]陳浩.案例解說(shuō)PLC、觸摸屏及變頻器的綜合應(yīng)用[M].北京：中國(guó)電力出版社，2008，2：223-224.

[5]石建飛，曹洪軍，譚峰.基于PLC的自動(dòng)浸種催芽監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].農(nóng)機(jī)化研究，2013（8）：192-195.