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摘要：

通過控制卷覆膜機、電熱膜以及電磁閥，構建基于移動苗床的溫室“小環境”，以葉用薯尖為例研究全程自動化控制算法；并將育苗過程分為三個階段，以溫度為控制核心，采用基于區分白天和黑夜及時間驅動模式，設計一種基于嵌入式和傳感技術的智能移動苗床控制系統。該系統實現越冬薯尖扦插后育苗環境的全程自動化控制；集控中心實現多類種苗不同培育期在同一溫室內的統一管理，降低了育苗的人工成本；精準控制育苗小環境也提高育苗效率，縮短育苗周期，增加經濟效益；可以推廣到其他品類蔬菜育苗系統中。

關鍵詞：

葉用薯尖；自動化；智能苗床；越冬育苗

0引言

作物的越冬育苗是市場需求的必然要求，在冬季、早春等低溫時節的育苗作業中，需要利用溫室加熱系統［1］對整個溫室內環境進行加溫，能耗大、運行成本高；同時還要在苗床上搭蓋塑料薄膜來增加苗床的蓄熱、保濕能力［2］，工作量大、效率低下。為解決上述問題，王銳等人針對這類系統進行了改造性的研究，并定型了基于移動苗床的溫室“小環境”控制裝置，即通過移動苗床拱棚裝置、加熱隔熱系統，建立苗床及作物的獨立加熱保溫小環境，實現節能降耗，并利用苗床覆膜機自動完成塑料薄膜的覆蓋、卷收功能，解放勞動力、提高作業效率［3］。經過兩年來的不斷改進升級，鑒于該苗床優秀的節能效果，在市場上已經經受住了考驗，武漢地區的育苗企業已經開始應用該種苗床［4］，提升育苗成苗率41．4％，降低單株苗加熱成本69％以上［5］。隨著勞動力成本［6］的增加，苗床群大規模、集群自動化控制需求將越來越高。為了進一步解放勞動力，將育苗扦插完成后的環境控制參數自動設定在分控器中，精準區分每個苗床育苗不同時期和狀態，將育苗過程的環境需求工藝抽象出來，開發出了基于薯尖育苗的全程自動控制算法，并將其植入到控制系統中，實現薯尖育苗扦插完成后的全自動控制，讓工人專注于扦插工作。用精準、數字化來武裝傳統設施栽培領域［79］，為工廠化育苗在同一溫室內集群管理和柔性化生產提供了便利。

1系統架構

系統分為移動苗床集控中心主控制器和每個苗床上安裝的分控制器，通過線纜或無線設備連接。苗床控制器預留了RS485通信接口，保證多個苗床控制器可以組成總線通信系統，掛接到中央控制器進行集中管理與監控，集控中心只需要支持RS485通信協議，可以與苗床企業原有管理設備兼容通用。一般現有苗床都規整方正，現場覆膜加熱系統也有現成的有線路，因此一般采用有線模式；而遵守RS485通信協議的無線設備則使控制器位置分布則更加靈活。此扁平架構具有結構簡單、成本低、組網方便、功能強、抗干擾能力好、面向控制的優點。移動苗床集控中心為集中管控系統，可以為原有管理設備增加軟件。苗床分控制器負責監控每個苗床小環境的具體控制實施。

2育苗工藝

本次選用葉用薯尖［1011］作為實驗對象，它是一種深受消費者喜愛的新型綠色蔬菜。根據文獻［12］葉用薯尖工廠化育苗技術，在霜凍前利用溫室為其提供適宜的環境條件，用刀片將葉用薯的主枝或側枝切下，插入專用基質中生根，本文主要關注扦插后苗床小環境的自動調節管理。扦插成活前管理：覆蓋一層薄膜保濕，溫度不宜超過30℃，中午遮強光。扦插成活后管理包括肥水和溫光調控：（1）肥水管理：葉用薯尖喜肥水，應保持基質濕潤，濕度應達到80％～90％。每7d澆1次500倍液氮磷鉀（20—20—20）三元復合肥。（2）溫光調控：葉用薯尖種苗對溫度要求較高，一般在18～30℃范圍內，隨著溫度升高，葉用薯尖種苗生長越快，溫度高于30℃后生長緩慢，且易老化。葉用薯尖種苗對光照的要求不高，正常即可。參考《蔬菜標準化生產技術規范》等［1314］相關文獻，其他類型蔬菜溫度控制也有多個階段，但至少包含三個階段：出苗、生長（根部健壯、生長）、煉苗。經過苗床企業的大量實驗［5］，將葉用薯尖工廠化抽象為以下幾個時期：1）生根期（第1～5天，亦稱為存活期）養護：需保證苗床內空氣溫度25～30℃，濕度90％左右，每日短時通風換氣，白天打開溫室內保溫層以增加透光量。第3～4天可生根。2）發根期（第5～10天）養護：需保證苗床內空氣溫度20～25℃，濕度70％～80％，若溫度允許可長時間通風換氣（常規作業方式下此階段已撤走薄膜），白天打開溫室內保溫層以增加透光量。此階段末期種苗根部可生長至3～5cm。3）生長期（第10～20天，其中第15～20天稱為煉苗期）養護：需保證苗床內空氣溫度15℃～20℃，濕度70％～80％，若溫度允許可長時間通風換氣，白天打開溫室內保溫層以增加透光量，夜晚則采取低于白天5℃左右溫差進行調控。此階段末期種苗根部盤旋。

3主控器設計

3．1管理功能

集中管理和控制所有苗床，可以選擇單個苗床控制，也可以分組控制，多臺聯動。集中顯示每個苗床工作狀態和育苗時間日歷。還可以根據當批次的育苗效果二次配置各種苗的育苗工藝參數，并下發到分控制器。控制模式分為自動控制和手動控制模式。手動模式可以直接控制卷覆膜正反轉、加熱膜通斷電等。自動模式則是根據育苗日歷和育苗工藝來自動比對計算然后再自動操作相關執行機構。

3．2育苗日歷

根據輸入育苗品種類型主動計算出最優時間周期和控制參數，還可以根據出苗時間倒推控制區間。生根期非常關鍵，也就是扦插成活前管理，常規情況膜是一直覆著的。如果是訂單生產時間需要的話，也是通過適當拉長發根期和生長期的周期，并降低溫度實現，生根期（存活期）保持不變。起始日模式則是按照最短最優時間標準設置。

3．3工藝配置

依據育苗工藝抽象的階段，分為白天和黑夜模式，以溫度控制目標為核心進行程控。1）白天模式：（1）水肥管理：配合卷覆膜（光照，通風），每7天澆1次500倍液氮磷鉀（20—20—20）三元復合肥。（2）扦插成活前管理：卷膜主狀態關閉，對應傳統覆膜期，濕度超限換氣。（3）扦插成活后管理：（此階段傳統已經無膜，主要為了節能，且溫度能控制精準些）棚外溫度大于或者等于棚內溫度時開膜通風；棚外溫度長期低于棚內溫度、棚內濕度高于設定值時開膜透氣。可以預設幾種動作模式，如早上10點和下午4點開膜透氣一段時間（預設為10min）換氣；中午11～13點關膜遮光；如果卷膜打開了長時間通風，加熱系統就暫時不工作（盡量減少能耗）。2）黑夜模式：與白天溫差在5℃左右，夜晚因為無光線，除濕度超限下，卷膜常閉，這樣便于節能。

3．4通信協議

分為配置下發和指令下發，指令又分為自動模式和手動模式。配置下發：包括下發育苗工藝和育苗日歷，是離線調整工藝和在線下發日歷。育苗工藝下發后，分體控制器下一次育苗時采用最新下發的育苗工藝。育苗日歷則是將當前育苗時間同步到分體控制器，強制定義現階段條件。指令下發：自動模式下以當前階段的溫度目標進行調控設備，還可以內置固化多條條件控制方法。如約定方法一：通風10min，完成開膜，停止加溫，10min后關閉膜等一系列動作。手動模式：可以直接操作卷覆膜的開關、加熱系統開關、噴灌系統開關、設置溫度目標。

4分控制器設計

現場控制器也就是分體控制器［15］，是該系統的核心，包括電源模塊、濕度傳感檢測單元、溫度傳感檢測單元、控制驅動單元、RS—485通信接口、外部按鍵接口、液晶顯示單元、數據存儲模塊、時鐘模塊、微控制器MCU微控制單元。

4．1采集單元

由于控制器要完成苗床拱棚小環境的溫濕度控制，因此控制器的溫濕度傳感檢測單元分別設計了兩路檢測接口，一路測量苗床拱棚內小環境的溫濕度信息，另一路測量苗床拱棚外的空氣溫濕度信息。濕度傳感檢測單元主要實現空氣濕度的在線測量，同時轉換為數字量供微控制器MCU讀取。濕度傳感檢測單元包括濕度傳感器、電阻分壓網絡、濾波保護電路、AD模數轉換器。采集空氣濕度信息采用HM1500LF濕度傳感器。它是一種電容式線性電壓輸出濕度模塊，具有高可靠性和長時間穩定性，在5V直流供電時，0～100％RH對應輸出1～3．6VDC線性電壓，溫度依賴性非常低。保證采集傳感探頭信號的準確性、一致性、穩定性。溫度傳感檢測單元主要實現空氣溫度的在線測量，采集空氣溫度信息采用的數字式溫度傳感器DS18B20，具有接線方便、耐磨耐碰、體積小、適應性強、適用于各種狹小空間測溫和控制領域。由于其直接輸出數字信號，可以直接與微控制器MCU的IO口連接，按特定協議讀取溫度數據。AD模數轉換器采用Microchip公司的18位A／D轉換芯片MCP3424，它具有低噪音，高精度，自動對失調和增益誤差進行校正，分辨率可調，提供兩種轉換模式特點。

4．2控制驅動單元

控制驅動單元主要完成苗床卷膜管狀電機、紅外電熱膜、噴灌電磁閥的控制功能。控制驅動單元主要由光耦隔離器TLP181、松樂SLA—12VDC—SL—C型繼電器、開關管NUD3160組成。從邏輯上又可分為低壓控制電路和高壓工作電路兩部分，低壓控制電路包括微控制器MCU的IO口、光電耦合器、MOS開關管、電磁繼電器線圈、保護電路；高壓工作電路包括AC電源、電磁繼電器常開觸點、受控電機或電熱膜。

4．2．1管狀電機

卷膜管狀電機的正轉、反轉、停止控制原理示意圖如圖5所示。本控制器設計了兩路控制驅動電路，通過微控制器的兩路IO口按一定邏輯控制其通斷，組合完成對管狀電機正轉、反轉、停止三個狀態的控制。此設計有效地避免了微控制器IO口狀態異常所導致的管狀電機誤動作，從而造成設備的損壞。

4．2．2遠紅外電熱膜

一組電熱膜控制只需設計一路控制驅動單元，通過微控制器MCU的一個IO口即可完成加熱的啟停控制。單個苗床有多組電熱膜，兩塊電熱膜共用一個IO口控制。4．2．3噴灌電磁閥每個苗床只需設計一路控制驅動單元，通過微控制器MCU的一個IO口即可完成，可以根據棚內濕度，或日歷定時信息，實現自動噴灌。

4．3外部按鍵

外部按鍵接口主要實現人為手動設定苗床控制器相關參數、設備狀態，如目標溫度參數設定、卷膜展開或收攏、電熱膜加熱控制、電磁閥開關。外部按鍵接口通過微動開關與微控制器MCU的IO連接，MCU查詢檢測相應IO狀態來判斷按鍵開關是否按下。本控制器共設計了7個按鍵，分別是卷膜收攏、展開、停止，目標溫度升溫、降溫，水閥開關，反饋。反饋苗情基于成本考慮，默認長勢和預期相同不操作，如果該階段長勢不太好，巡視階段，可以點擊反饋按鈕，搜集反饋信息，系統記錄后調整溫度控制目標和日歷時間。

4．4軟件設計

4．4．1時間驅動

STM32的實時時鐘（RTC）是一個獨立的定時器。STM32的RTC模塊擁有一組連續計數的計數器，在相應軟件配置下，可提供時鐘日歷的功能。還可以采用DS3231的時鐘芯片。修改計數器的值可以重新設置系統當前的時間和日期。定時驅動讀取控制目標。

4．4．2時鐘同步

采用主從模式，采用純軟件方式實現，開發簡單易于實現，由主控器定時校準。

4．4．3軟件流程

分控制器的運行流程依靠時間驅動和事件驅動兩種方式。

5結論

以葉用蔓尖的越冬育苗為例，利用現有移動苗床及其集控系統，對薯尖的整個育苗周期進行試驗研究，獲取薯尖育苗過程中的各項環境參數變化規律，利用嵌入式技術將該參數固化到苗床分體控制器中，由中心控制器集中管理、配置分體控制器，實現對苗床群的集中智能化管理，使薯尖育苗處于系統給予的最優參數化環境中進行，提高薯尖的育苗效率，并實現扦插后育苗過程的無人職守，反饋方法基于成本考慮，只有在巡視中按鍵反饋，后期將進一步改進。該集控系統符合精準數字農業特點，該方法還可以推廣到其他蔬菜育苗過程中，實現一對多集中控制及遠程控制，提高系統整體自動化水平。

作者：張尉 王銳 高星星 肖進 單位：武漢市農業科學技術研究院農業機械化科學研究所

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