吳剛山 高蘇林 馬敬天 謝承輝 韋志帥

（1 江蘇農(nóng)林職業(yè)技術(shù)學(xué)院 江蘇鎮(zhèn)江 212400； 2 南寧山河名榜科技有限公司 廣西南寧 530000）

集中育秧優(yōu)勢明顯，是各地農(nóng)技推廣站大力推廣的農(nóng)業(yè)技術(shù)。傳統(tǒng)水稻育秧秧田與大田比為1 ∶7，集中育秧機插育秧秧田與大田比可達1 ∶100，甚至1 ∶200。水稻集中育秧有利于土地規(guī)?；?jīng)營，向現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展，還有利于機械化插秧的推廣普及，促進雙季稻的恢復(fù)與發(fā)展，提高糧食產(chǎn)量，保障糧食安全。集中育秧多采用營養(yǎng)土作為育苗基質(zhì)，秧苗的水分管理是集中育秧的關(guān)鍵技術(shù)，基本覆蓋了集中育秧的全過程。機插水稻集中育秧秧苗多采用旱地育秧，其水分管理原則與普通旱育秧苗基本相同。秧盤不能從土壤中得到水分補充，所以秧盤更易缺水，澆水次數(shù)要比普通育苗多，但水分過多不利于秧苗盤根，難以培育適合機插的秧苗。因此采用物聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)機插水稻秧苗集中育秧的管理，成為越來越多企業(yè)或農(nóng)戶的選擇[1]。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)能大幅度降低農(nóng)戶勞動量，但其設(shè)備比傳統(tǒng)電控設(shè)備復(fù)雜[2-4]。

1 RS 485 MODBUS RTU 通信協(xié)議與總線驅(qū)動模塊

RS 485 由RS 232 與RS 422 發(fā)展而來，彌補了RS 232 與RS 422 抗干擾能力差、通信距離短、速率低等缺點，增加了多點、雙向通信能力，即允許多個發(fā)送器連接在同一條主線上，同時增加了發(fā)送器的驅(qū)動能力與沖突保護特性，擴展了總線共模范圍。RS 485 MODBUS RTU 協(xié)議已經(jīng)成為一種通用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，通過協(xié)議，控制器與控制器、控制器通過網(wǎng)絡(luò)（以太網(wǎng)）與其他設(shè)備間可以實現(xiàn)串行通信。RTU 即遠程終端單元，消息中每8 位包含2個十六進制字符。在相同的波特率下，這種方法比ASCII 方式傳送的數(shù)據(jù)量大。大量農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)傳感器均提供了RS 485 MODBUS RTU 通信協(xié)議接口。采用帶有RS 485 MODBUS RTU 通信協(xié)議接口的中間繼電器設(shè)計成電機、閥門總線驅(qū)動模塊，可以簡化現(xiàn)場接線與安裝。

2 物聯(lián)網(wǎng)云端管理架構(gòu)

系統(tǒng)采用I-Preception 工業(yè)云平臺作為機插水稻集中育秧灌溉系統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)管理系統(tǒng)，見圖1。系統(tǒng)是基于WEB 端的工業(yè)級云平臺，可以將用戶級應(yīng)用發(fā)布成微信小程序。系統(tǒng)包含實時數(shù)據(jù)監(jiān)控、畫面監(jiān)控、趨勢曲線、報表管理、報警管理、全局腳本6 個功能模塊。

圖1 云平臺管理架構(gòu)

I-Preception 工業(yè)云平臺通過MODBUS RTU、OPC、DDC 等數(shù)據(jù)接口將現(xiàn)場設(shè)備層設(shè)備通過工業(yè)網(wǎng)關(guān)采集到云平臺，并進行相關(guān)設(shè)備管理。業(yè)務(wù)層主要包括設(shè)備監(jiān)控、報表管理、數(shù)據(jù)管理、報警管理、統(tǒng)計分析、設(shè)備監(jiān)測、遠程組態(tài)等，用戶可以根據(jù)OPC 與API 等接口進行二次開發(fā)。遠程組態(tài)可以對灌溉系統(tǒng)進行定時灌溉、定量灌溉以及信息推送灌溉等，也可以進行更復(fù)雜的灌溉模式編輯。

3 物聯(lián)網(wǎng)現(xiàn)場總線設(shè)計

機插水稻集中育秧灌溉系統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)現(xiàn)場總線由4G 工業(yè)網(wǎng)關(guān)、總線變頻器、總線電磁閥驅(qū)動器1-6、總線大氣壓光照度傳感器、總線空氣溫濕度傳感器1-2、總線風(fēng)速風(fēng)向傳感器、總線空氣溫濕度傳感器1-4、總線苗盤溫濕度傳感器1-2。

4G 工 業(yè) 網(wǎng) 關(guān) 通 過MODBUS RTU、OPC、DDC 等數(shù)據(jù)接口將現(xiàn)場設(shè)備層設(shè)備通過工業(yè)網(wǎng)關(guān)采集進云平臺，并進行相關(guān)設(shè)備管理?？偩€變頻器采用標(biāo)準(zhǔn)MODBUS RTU 協(xié)議，主要用于調(diào)整在不同風(fēng)速下的噴管壓力，以期各個苗盤均獲得良好的噴施。噴嘴采用高壓多噴頭自動旋轉(zhuǎn)噴嘴?？偩€空氣溫濕度傳感器1-4 主要布置在苗盤的200 mm 處與1 500 mm 處，其中1 500 mm 處安裝1 個，200 mm處安裝3 個。1 500 mm 處用于檢測環(huán)境的溫濕度，可以用于計算秧苗與秧苗盤的騰發(fā)作用。200 mm處的溫濕度用于測量與估算秧苗與秧苗盤的騰發(fā)作用。環(huán)境的溫濕度傳感器精度可達0.1 級，可以在秧苗與秧苗盤騰發(fā)作用顯著的情況下監(jiān)測秧苗盤的騰發(fā)作用。環(huán)境溫濕度同樣可以作為噴濕時機的判斷標(biāo)準(zhǔn)?？偩€大氣壓光照度傳感器主要提供環(huán)境光照度與大氣壓數(shù)據(jù)，對預(yù)估秧苗的騰發(fā)作用具有重要參考價值。大氣壓、光照數(shù)據(jù)、風(fēng)速與濕度數(shù)據(jù)對秧苗的騰發(fā)作用有敏感影響因子[5]。通過這些數(shù)據(jù)的分析可以對秧苗盤的灌溉與噴施進行智能調(diào)整?？偩€苗盤溫濕度傳感器1-2 用于監(jiān)測秧苗盤的含水量，此類傳感器目前的測量精度為±5%，在嚴(yán)格的使用環(huán)境下，部分廠家的測量精度為±3%。這一測量精度不足以實現(xiàn)持水量為35%左右的秧苗盤精確灌溉，但該測量值可以作為秧苗灌溉的重要依據(jù)。要實現(xiàn)精確灌溉，需要采用多傳感器融合技術(shù)?，F(xiàn)場總線設(shè)備由電源L/N、四線制總線電纜以及220 V/24 V 開關(guān)電源組成，220 V/24 V開關(guān)電源負責(zé)現(xiàn)場總線設(shè)備的24 V 電源，見圖2。

圖2 現(xiàn)場總線設(shè)計與并聯(lián)安裝圖

4 灌溉系統(tǒng)云端管理設(shè)計

機插水稻集中育秧云端管理包括傳感器管理、設(shè)備管理、報警管理、信息推送、云端監(jiān)控管理、手機微信小程序等。傳感器管理主要包括傳感器設(shè)備的投退、數(shù)據(jù)響應(yīng)、報警與信息入庫等。報警管理主要針對土壤濕度傳感器的缺水報警、風(fēng)速傳感器的風(fēng)速過大報警以及環(huán)境溫度傳感器的環(huán)境溫度報警等，見圖3。云端監(jiān)控主要針對數(shù)據(jù)融合等。灌溉系統(tǒng)設(shè)計了定時、定量與信息推送模式。定時模式是指在上午9 ∶00 左右與下午4 ∶00 左右，風(fēng)速＜10 m/s，基礎(chǔ)灌溉量為Q，Q=S×0.3×0.8×0.05/n；其中n 為灌溉支路閥數(shù)量，S 為整個秧苗盤面積。若每個支路閥所控制面積不相等，則對每個支路灌溉閥設(shè)置灌溉面積S。定量模式為生長期1～16 d，灌溉修正系數(shù)為0.20、0.30、0.40、0.50、0.60、0.70、0.80、0.90、1.00、1.15、1.25、1.40、1.50、1.65、1.70、1.75。信息推送模式是指如果P-P0 ＞20，且空氣濕度＞90%，則灌溉觸發(fā)信息推送確認，定時灌溉15 min 信息確認等待，且信息確認為疑似有雨。水分補充管理原則：①環(huán)境溫度＞30 ℃，∑（總線溫濕度苗盤傳感器2、3、4 測量值Max-總線溫濕度苗盤傳感器1）△T×S×0.1 ＞Q，則灌溉量增加Q-∑（總線溫濕度苗盤傳感器2、3、4 測量值Max-總線溫濕度苗盤傳感器1）△T×S×0.1；②土壤濕度傳感器的濕度＜12 的統(tǒng)計時間超過4 h，即∑△T（土壤濕度傳感器＜12）＞4 h，環(huán)境溫度＜32 ℃采用高壓霧化噴灌，母管噴灌壓力為500 KPa，噴施量0.3 Q。

圖3 云端監(jiān)控圖

5 灌溉系統(tǒng)的造價預(yù)算

基于物聯(lián)網(wǎng)現(xiàn)場總線的機插水稻集中育秧灌溉系統(tǒng)采用并聯(lián)即插即用式安裝，用戶只需將各個模塊按設(shè)計電源容量進行即插即用的安裝即可，系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計，現(xiàn)場安裝維護極為簡便，無需用戶具有專業(yè)知識。表1 列出了3 000 m2的設(shè)備安裝與實施費用約21 500 元。相對傳統(tǒng)灌溉方式成苗率增加7%，即增加約42 畝秧苗，增加效益25 200 元，僅效益收益即可1 年收回投入成本。

表1 灌溉系統(tǒng)的造價預(yù)算

6 結(jié)語

基于物聯(lián)網(wǎng)現(xiàn)場總線的機插水稻集中育秧灌溉系統(tǒng)采用現(xiàn)場總線作為數(shù)據(jù)采集與設(shè)備驅(qū)動，工業(yè)網(wǎng)關(guān)作為信息傳輸模塊，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)云端管理系統(tǒng)作為設(shè)備管理載體，手機微信小程序作為人機交互，模塊化設(shè)計與工業(yè)化設(shè)計，實現(xiàn)成本低，設(shè)備易于安裝與維護，軟件免安裝，用戶1 年就可以收回投資成本。系統(tǒng)設(shè)計采用了定時、定量與信息推送模式，用戶無需具有專業(yè)知識就可以完成系統(tǒng)的安裝與維護，設(shè)備采用工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計，安全穩(wěn)定性好，可靠性高，值得推廣與研究。