基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的寒地水稻程控催芽系統(tǒng)設(shè)計與試驗

羅 斌，潘大宇，高 權(quán)，陳 泉，侯佩臣，宋 鵬，王 成

（1.北京農(nóng)業(yè)智能裝備技術(shù)研究中心，北京 100097；2.國家農(nóng)業(yè)智能裝備工程技術(shù)研究中心，北京 100097；3.農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)信息技術(shù)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(chǎn)量占中國糧食總產(chǎn)量的37.3%，是中國單產(chǎn)最高、總產(chǎn)量最大的糧食作物[1-3]，因此如何提高水稻產(chǎn)量與品質(zhì)成為關(guān)系國計民生的重大戰(zhàn)略性課題。

寒地水稻產(chǎn)區(qū)屬于寒溫帶季風(fēng)氣候，年平均氣溫比同緯度地區(qū)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(chǎn)量。在水稻浸種催芽方面，浸種溫度過高或過低都會使其發(fā)芽率降低[4-6]，因此傳統(tǒng)的“地缸泡、炕頭捂”等催芽方式[7-9]，常常導(dǎo)致出芽率低，芽種質(zhì)量差；早期大規(guī)模催芽技術(shù)環(huán)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(fā)生燒種、爛芽的現(xiàn)象。國外在水稻浸種催芽技術(shù)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(chǎn)的主要因素進(jìn)行了研究，并闡述了催芽環(huán)境溫度對于浸種催芽環(huán)節(jié)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(fā)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(fā)芽質(zhì)量評價，到2016年，Lurstwut等[18-19]將圖像技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展。2016年，沈陽農(nóng)大宋平等[20-21]應(yīng)用低場核磁分析水稻浸泡過程中水分變化及遷移規(guī)律等。在設(shè)備方面，日本研發(fā)了系列小型浸種催芽設(shè)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(xiàn)小規(guī)模水稻從浸種催芽到苗盤播種育苗的全套作業(yè)，但無法滿足大規(guī)模水稻芽種生產(chǎn)的需求[22]。中國水稻浸種催芽技術(shù)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(shù)，方法和技術(shù)手段都相對落后，導(dǎo)致催芽效率較低，芽種質(zhì)量差[23]。隨著信息技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了大規(guī)模水稻催芽設(shè)備，采用冷熱水調(diào)配的方式進(jìn)行溫度調(diào)控，溫度調(diào)控不均勻，控制精度不夠。

本文針對現(xiàn)代大規(guī)模水稻生產(chǎn)的需求，圍繞水稻浸種催芽環(huán)節(jié)溫度、濕度、氧氣的精確調(diào)控難題，研究水稻浸種催芽的生物學(xué)特性，研發(fā)了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的大型水稻智能程控浸種催芽系統(tǒng)，包括多傳感器數(shù)據(jù)采集單元、水和熱量動態(tài)循環(huán)分配體系、全覆蓋循環(huán)噴淋結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)反饋控制模型、虛擬現(xiàn)實聯(lián)動控制技術(shù)等的研究，實現(xiàn)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(diào)控，創(chuàng)建最適宜的水稻浸種催芽生產(chǎn)環(huán)境，有效解決傳統(tǒng)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(xué)特性

水稻浸種催芽過程包含浸種、破胸、催芽3個環(huán)節(jié)，浸種催芽技術(shù)是通過控制3個環(huán)節(jié)溫度、水分、氧氣等環(huán)境因素，使種子在最適宜的環(huán)境條件下提早發(fā)芽的一項技術(shù)。浸種是通過用清水或藥溶液浸泡，促進(jìn)水稻種子較早發(fā)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(xì)胞質(zhì)處于半凝膠狀態(tài)，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(nèi)新陳代謝活動逐漸活躍，加強在貯藏期間微弱的物質(zhì)轉(zhuǎn)化和呼吸作用，種子進(jìn)入萌動階段，此時由于種子內(nèi)酶活性提高，呼吸作用不斷加強，種子內(nèi)貯藏物質(zhì)不斷地轉(zhuǎn)化為糖類和氨基酸等一類可溶性物質(zhì)，并轉(zhuǎn)運到胚細(xì)胞中去，胚細(xì)胞利用這些物質(zhì)，使細(xì)胞迅速分裂和伸長。當(dāng)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(xù)生長，當(dāng)胚根長度與谷粒長度相等，胚芽長度達(dá)到谷粒長度一半時，就稱為發(fā)芽[28]。

水稻浸種催芽生產(chǎn)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(huán)節(jié)可補償積溫100℃左右，有效提高寒地水稻水稻產(chǎn)量與品質(zhì)。

2 系統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計

構(gòu)建3層結(jié)構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，主要包括單浸種箱監(jiān)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(wǎng)絡(luò)協(xié)議實現(xiàn)所有浸種箱在不同生產(chǎn)階段各項數(shù)據(jù)、冷熱水調(diào)配數(shù)據(jù)傳輸和設(shè)備綜合調(diào)控管理，系統(tǒng)用戶可在本地或遠(yuǎn)程進(jìn)行所有浸種箱、供水系統(tǒng)狀態(tài)的監(jiān)測和控制及浸種、破胸、催芽各環(huán)節(jié)溫度、濕度、氧氣的分段式綜合調(diào)控，實現(xiàn)本地生產(chǎn)管理和遠(yuǎn)程監(jiān)控的結(jié)合，通過控制軟件實現(xiàn)溫濕度傳感器信息監(jiān)測以及給排水設(shè)備、加熱循環(huán)設(shè)備和噴淋設(shè)備的開閉控制等。

2.1 基礎(chǔ)設(shè)施

催芽系統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施主要包括浸種催芽箱、噴淋管路、水循環(huán)設(shè)備、電加熱設(shè)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(jié)構(gòu)件及配管系統(tǒng)構(gòu)建，單箱尺寸6 m′4 m′1.5 m，單箱單次可生產(chǎn)12 t芽種，生產(chǎn)規(guī)格可根據(jù)需求靈活調(diào)整。以200 t水稻智能化浸種催芽系統(tǒng)為例，系統(tǒng)總體設(shè)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(chǎn)200 t水稻芽種。

2.2 智能監(jiān)控系統(tǒng)

智能監(jiān)控系統(tǒng)基于前端環(huán)境信息傳感、后端數(shù)據(jù)處理分析及反饋控制單元構(gòu)建，實現(xiàn)不同生產(chǎn)環(huán)節(jié)對催芽設(shè)備及催芽環(huán)境的智能化監(jiān)測和控制，具體如下：

1）該系統(tǒng)設(shè)計每個浸種池中不同位置、高度安裝9個數(shù)字式DS18B20溫度傳感器，構(gòu)建浸種箱溫度監(jiān)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(dāng)各點溫度差異較大時，開啟循環(huán)噴淋系統(tǒng)，保證箱內(nèi)不同位置水溫均勻一致。

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

2）應(yīng)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(gòu)建自保溫監(jiān)控系統(tǒng)，根據(jù)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(qū)間，當(dāng)箱內(nèi)溫度低于設(shè)定閾值下限時，自動啟動加熱循環(huán)設(shè)備進(jìn)行熱量補償，溫度到達(dá)設(shè)定溫度閾值范圍時，停止加熱循環(huán)設(shè)備；當(dāng)箱內(nèi)溫度高于設(shè)定閾值上限時，自動啟動循環(huán)設(shè)備，并開始溫室通風(fēng)設(shè)備，進(jìn)行降溫，溫度到達(dá)設(shè)定閾值范圍時，自動停止循環(huán)設(shè)備。采用此反饋式控制模型，可自動執(zhí)行浸種箱溫度調(diào)節(jié)，實現(xiàn)無人值守式生產(chǎn)管理，大幅降低人力投入。

3）研制高精度、高穩(wěn)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(jiān)控，為催芽生產(chǎn)提供需求的環(huán)境。

4）開發(fā)具有標(biāo)準(zhǔn)通訊接口的信號采集和控制輸出模塊，實現(xiàn)在低溫、高濕、高噪聲、強電、有水環(huán)境下，傳感器信息采集和控制輸出指令的準(zhǔn)確可靠。

5）基于網(wǎng)絡(luò)接口、800′480分辨率、15.4′8.7cm工業(yè)觸摸平板，研發(fā)可觸摸式監(jiān)控系統(tǒng)，實時監(jiān)測箱內(nèi)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(shè)備之間的反饋式控制邏輯模型，結(jié)合多點溫度傳感器檢測的信息，對電熱和循環(huán)設(shè)備進(jìn)行反饋式控制調(diào)節(jié)，實現(xiàn)設(shè)備自動啟、停及無人值守式管理，對單箱小循環(huán)系統(tǒng)的水溫進(jìn)行精確化微調(diào)，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(huán)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(yīng)用組態(tài)軟件開發(fā)集中監(jiān)控系統(tǒng)，將所有浸種箱在不同生產(chǎn)階段的水溫、水位、冷熱水調(diào)配等信息通過TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議傳輸至現(xiàn)場集中監(jiān)測控制系統(tǒng)中，實現(xiàn)對單排多個單箱監(jiān)控系統(tǒng)的集中管理，同時監(jiān)控多個設(shè)備運行狀況，實現(xiàn)大循環(huán)系統(tǒng)的熱量動態(tài)調(diào)配。

2.3 遠(yuǎn)程監(jiān)控及數(shù)據(jù)服務(wù)系統(tǒng)

根據(jù)車間設(shè)備布局，利用圖形向量技術(shù)，建立水稻浸種催芽系統(tǒng)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(tǒng)；采用最新的WPF（windows presentation foundation，基于Windows的圖形界面處理）技術(shù)，提高系統(tǒng)的可視化水平，方便用戶詳細(xì)查看設(shè)備運行狀況、報警繪圖、數(shù)據(jù)報表及3D曲線趨勢圖，從而實現(xiàn)對現(xiàn)場生產(chǎn)的虛擬現(xiàn)實聯(lián)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(yīng)用本系統(tǒng)在黑龍江省佳木斯市樺南縣大八浪鄉(xiāng)九里六村水稻催芽基地開展生產(chǎn)試驗，選取常規(guī)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(shù)據(jù)及效果分析

浸種催芽生產(chǎn)試驗證明，在芽種浸種階段，水溫可穩(wěn)定保持在11～12℃，箱內(nèi)上下層水溫均勻一致；在高溫破胸階段，經(jīng)過高溫?zé)崴畤娏?，種箱內(nèi)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(nèi)溫度場分布，如圖7所示，顯示浸種箱內(nèi)溫度場分布一致性較好，證明系統(tǒng)控溫精確。

圖7 浸種箱內(nèi)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(tǒng)計，統(tǒng)計結(jié)果如下表2所示。

通過出芽率統(tǒng)計分析，經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)選種的情況下，平均出芽率為97.79%，并且上、中、下3個不同區(qū)域芽種出芽率相差1%以內(nèi)，表明浸種箱上下層溫、濕、氧調(diào)控較均勻、精確。芽種生產(chǎn)管理過程中，冷水、熱水供給以及所需熱水調(diào)配等都可以自動完成，全部生產(chǎn)過程僅需1～2人即可完成10個種箱100～400 t規(guī)模的生產(chǎn)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(tǒng)計數(shù)據(jù)Table 2 Statics data of rice germination rate

與國外同類浸種催芽技術(shù)設(shè)備相比，本系統(tǒng)單次產(chǎn)量為100～400 t，遠(yuǎn)大于進(jìn)口設(shè)備200～600 kg的產(chǎn)量，同時所生產(chǎn)芽種質(zhì)量不低于進(jìn)口產(chǎn)品，生產(chǎn)效率大幅度提高；與國內(nèi)同類催芽技術(shù)設(shè)備相比，本系統(tǒng)溫度調(diào)控一致性更好，采用反饋控制邏輯，溫度調(diào)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(tǒng)燃油加熱方式安全、環(huán)保。

4 結(jié)論

本文針對寒地水稻浸種催芽生產(chǎn)需求，研發(fā)了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能程控水稻催芽系統(tǒng)，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(fā)芽率達(dá)97.79%，箱內(nèi)不同區(qū)域芽種出芽率相差1%以內(nèi)。系統(tǒng)生產(chǎn)規(guī)?？筛鶕?jù)用戶要求進(jìn)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(chǎn)，大幅提高了生產(chǎn)效率，提高了水稻種植戶的生產(chǎn)積極性，同時在水稻浸種催芽裝備控制技術(shù)方面也取得了一定創(chuàng)新，主機經(jīng)過分析傳感器的信息，對設(shè)備進(jìn)行相應(yīng)的控制操作，實時監(jiān)測箱內(nèi)的水溫、水位等信息，通過系統(tǒng)內(nèi)的大循環(huán)、單箱自循環(huán)有機結(jié)合，從而提供最佳的水稻催芽環(huán)境，進(jìn)而得到高品質(zhì)和高產(chǎn)量的水稻。整個系統(tǒng)實現(xiàn)了大規(guī)模、全自動化的水稻催芽生產(chǎn)，有效提高了水稻芽種質(zhì)量，推動水稻生產(chǎn)向規(guī)?；⒅悄芑较虬l(fā)展。

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