摘要：
通过控制卷覆膜机、电热膜以及电磁阀，构建基于移动苗床的温室“小环境”，以叶用薯尖为例研究全程自动化控制算法；并将育苗过程分为三个阶段，以温度为控制核心，采用基于区分白天和黑夜及时间驱动模式，设计一种基于嵌入式和传感技术的智能移动苗床控制系统。该系统实现越冬薯尖扦插后育苗环境的全程自动化控制；集控中心实现多类种苗不同培育期在同一温室内的统一管理，降低了育苗的人工成本；精准控制育苗小环境也提高育苗效率，缩短育苗周期，增加经济效益；可以推广到其他品类蔬菜育苗系统中。
关键词：
叶用薯尖；自动化；智能苗床；越冬育苗
0引言
作物的越冬育苗是市场需求的必然要求，在冬季、早春等低温时节的育苗作业中，需要利用温室加热系统［1］对整个温室内环境进行加温，能耗大、运行成本高；同时还要在苗床上搭盖塑料薄膜来增加苗床的蓄热、保湿能力［2］，工作量大、效率低下。为解决上述问题，王锐等人针对这类系统进行了改造性的研究，并定型了基于移动苗床的温室“小环境”控制装置，即通过移动苗床拱棚装置、加热隔热系统，建立苗床及作物的独立加热保温小环境，实现节能降耗，并利用苗床覆膜机自动完成塑料薄膜的覆盖、卷收功能，解放劳动力、提高作业效率［3］。经过两年来的不断改进升级，鉴于该苗床优秀的节能效果，在市场上已经经受住了考验，武汉地区的育苗企业已经开始应用该种苗床［4］，提升育苗成苗率41．4％，降低单株苗加热成本69％以上［5］。随着劳动力成本［6］的增加，苗床群大规模、集群自动化控制需求将越来越高。为了进一步解放劳动力，将育苗扦插完成后的环境控制参数自动设定在分控器中，精准区分每个苗床育苗不同时期和状态，将育苗过程的环境需求工艺抽象出来，开发出了基于薯尖育苗的全程自动控制算法，并将其植入到控制系统中，实现薯尖育苗扦插完成后的全自动控制，让工人专注于扦插工作。用精准、数字化来武装传统设施栽培领域［79］，为工厂化育苗在同一温室内集群管理和柔性化生产提供了便利。
1系统架构
系统分为移动苗床集控中心主控制器和每个苗床上安装的分控制器，通过线缆或无线设备连接。苗床控制器预留了RS485通信接口，保证多个苗床控制器可以组成总线通信系统，挂接到中央控制器进行集中管理与监控，集控中心只需要支持RS485通信协议，可以与苗床企业原有管理设备兼容通用。一般现有苗床都规整方正，现场覆膜加热系统也有现成的有线路，因此一般采用有线模式；而遵守RS485通信协议的无线设备则使控制器位置分布则更加灵活。此扁平架构具有结构简单、成本低、组网方便、功能强、抗干扰能力好、面向控制的优点。移动苗床集控中心为集中管控系统，可以为原有管理设备增加软件。苗床分控制器负责监控每个苗床小环境的具体控制实施。
2育苗工艺
本次选用叶用薯尖［1011］作为实验对象，它是一种深受消费者喜爱的新型绿色蔬菜。根据文献［12］叶用薯尖工厂化育苗技术，在霜冻前利用温室为其提供适宜的环境条件，用刀片将叶用薯的主枝或侧枝切下，插入专用基质中生根，本文主要关注扦插后苗床小环境的自动调节管理。扦插成活前管理：覆盖一层薄膜保湿，温度不宜超过30℃，中午遮强光。扦插成活后管理包括肥水和温光调控：（1）肥水管理：叶用薯尖喜肥水，应保持基质湿润，湿度应达到80％～90％。每7d浇1次500倍液氮磷钾（20—20—20）三元复合肥。（2）温光调控：叶用薯尖种苗对温度要求较高，一般在18～30℃范围内，随着温度升高，叶用薯尖种苗生长越快，温度高于30℃后生长缓慢，且易老化。叶用薯尖种苗对光照的要求不高，正常即可。参考《蔬菜标准化生产技术规范》等［1314］相关文献，其他类型蔬菜温度控制也有多个阶段，但至少包含三个阶段：出苗、生长（根部健壮、生长）、炼苗。经过苗床企业的大量实验［5］，将叶用薯尖工厂化抽象为以下几个时期：1）生根期（第1～5天，亦称为存活期）养护：需保证苗床内空气温度25～30℃，湿度90％左右，每日短时通风换气，白天打开温室内保温层以增加透光量。第3～4天可生根。2）发根期（第5～10天）养护：需保证苗床内空气温度20～25℃，湿度70％～80％，若温度允许可长时间通风换气（常规作业方式下此阶段已撤走薄膜），白天打开温室内保温层以增加透光量。此阶段末期种苗根部可生长至3～5cm。3）生长期（第10～20天，其中第15～20天称为炼苗期）养护：需保证苗床内空气温度15℃～20℃，湿度70％～80％，若温度允许可长时间通风换气，白天打开温室内保温层以增加透光量，夜晚则采取低于白天5℃左右温差进行调控。此阶段末期种苗根部盘旋。
3主控器设计
3．1管理功能
集中管理和控制所有苗床，可以选择单个苗床控制，也可以分组控制，多台联动。集中显示每个苗床工作状态和育苗时间日历。还可以根据当批次的育苗效果二次配置各种苗的育苗工艺参数，并下发到分控制器。控制模式分为自动控制和手动控制模式。手动模式可以直接控制卷覆膜正反转、加热膜通断电等。自动模式则是根据育苗日历和育苗工艺来自动比对计算然后再自动操作相关执行机构。
3．2育苗日历
根据输入育苗品种类型主动计算出最优时间周期和控制参数，还可以根据出苗时间倒推控制区间。生根期非常关键，也就是扦插成活前管理，常规情况膜是一直覆着的。如果是订单生产时间需要的话，也是通过适当拉长发根期和生长期的周期，并降低温度实现，生根期（存活期）保持不变。起始日模式则是按照最短最优时间标准设置。
3．3工艺配置
依据育苗工艺抽象的阶段，分为白天和黑夜模式，以温度控制目标为核心进行程控。1）白天模式：（1）水肥管理：配合卷覆膜（光照，通风），每7天浇1次500倍液氮磷钾（20—20—20）三元复合肥。（2）扦插成活前管理：卷膜主状态关闭，对应传统覆膜期，湿度超限换气。（3）扦插成活后管理：（此阶段传统已经无膜，主要为了节能，且温度能控制精准些）棚外温度大于或者等于棚内温度时开膜通风；棚外温度长期低于棚内温度、棚内湿度高于设定值时开膜透气。可以预设几种动作模式，如早上10点和下午4点开膜透气一段时间（预设为10min）换气；中午11～13点关膜遮光；如果卷膜打开了长时间通风，加热系统就暂时不工作（尽量减少能耗）。2）黑夜模式：与白天温差在5℃左右，夜晚因为无光线，除湿度超限下，卷膜常闭，这样便于节能。
3．4通信协议
分为配置下发和指令下发，指令又分为自动模式和手动模式。配置下发：包括下发育苗工艺和育苗日历，是离线调整工艺和在线下发日历。育苗工艺下发后，分体控制器下一次育苗时采用最新下发的育苗工艺。育苗日历则是将当前育苗时间同步到分体控制器，强制定义现阶段条件。指令下发：自动模式下以当前阶段的温度目标进行调控设备，还可以内置固化多条条件控制方法。如约定方法一：通风10min，完成开膜，停止加温，10min后关闭膜等一系列动作。手动模式：可以直接操作卷覆膜的开关、加热系统开关、喷灌系统开关、设置温度目标。
4分控制器设计
现场控制器也就是分体控制器［15］，是该系统的核心，包括电源模块、湿度传感检测单元、温度传感检测单元、控制驱动单元、RS—485通信接口、外部按键接口、液晶显示单元、数据存储模块、时钟模块、微控制器MCU微控制单元。
4．1采集单元
由于控制器要完成苗床拱棚小环境的温湿度控制，因此控制器的温湿度传感检测单元分别设计了两路检测接口，一路测量苗床拱棚内小环境的温湿度信息，另一路测量苗床拱棚外的空气温湿度信息。湿度传感检测单元主要实现空气湿度的在线测量，同时转换为数字量供微控制器MCU读取。湿度传感检测单元包括湿度传感器、电阻分压网络、滤波保护电路、AD模数转换器。采集空气湿度信息采用HM1500LF湿度传感器。它是一种电容式线性电压输出湿度模块，具有高可靠性和长时间稳定性，在5V直流供电时，0～100％RH对应输出1～3．6VDC线性电压，温度依赖性非常低。保证采集传感探头信号的准确性、一致性、稳定性。温度传感检测单元主要实现空气温度的在线测量，采集空气温度信息采用的数字式温度传感器DS18B20，具有接线方便、耐磨耐碰、体积小、适应性强、适用于各种狭小空间测温和控制领域。由于其直接输出数字信号，可以直接与微控制器MCU的IO口连接，按特定协议读取温度数据。AD模数转换器采用Microchip公司的18位A／D转换芯片MCP3424，它具有低噪音，高精度，自动对失调和增益误差进行校正，分辨率可调，提供两种转换模式特点。
4．2控制驱动单元
控制驱动单元主要完成苗床卷膜管状电机、红外电热膜、喷灌电磁阀的控制功能。控制驱动单元主要由光耦隔离器TLP181、松乐SLA—12VDC—SL—C型继电器、开关管NUD3160组成。从逻辑上又可分为低压控制电路和高压工作电路两部分，低压控制电路包括微控制器MCU的IO口、光电耦合器、MOS开关管、电磁继电器线圈、保护电路；高压工作电路包括AC电源、电磁继电器常开触点、受控电机或电热膜。
4．2．1管状电机
卷膜管状电机的正转、反转、停止控制原理示意图如图5所示。本控制器设计了两路控制驱动电路，通过微控制器的两路IO口按一定逻辑控制其通断，组合完成对管状电机正转、反转、停止三个状态的控制。此设计有效地避免了微控制器IO口状态异常所导致的管状电机误动作，从而造成设备的损坏。
4．2．2远红外电热膜
一组电热膜控制只需设计一路控制驱动单元，通过微控制器MCU的一个IO口即可完成加热的启停控制。单个苗床有多组电热膜，两块电热膜共用一个IO口控制。4．2．3喷灌电磁阀每个苗床只需设计一路控制驱动单元，通过微控制器MCU的一个IO口即可完成，可以根据棚内湿度，或日历定时信息，实现自动喷灌。
4．3外部按键
外部按键接口主要实现人为手动设定苗床控制器相关参数、设备状态，如目标温度参数设定、卷膜展开或收拢、电热膜加热控制、电磁阀开关。外部按键接口通过微动开关与微控制器MCU的IO连接，MCU查询检测相应IO状态来判断按键开关是否按下。本控制器共设计了7个按键，分别是卷膜收拢、展开、停止，目标温度升温、降温，水阀开关，反馈。反馈苗情基于成本考虑，默认长势和预期相同不操作，如果该阶段长势不太好，巡视阶段，可以点击反馈按钮，搜集反馈信息，系统记录后调整温度控制目标和日历时间。
4．4软件设计
4．4．1时间驱动
STM32的实时时钟（RTC）是一个独立的定时器。STM32的RTC模块拥有一组连续计数的计数器，在相应软件配置下，可提供时钟日历的功能。还可以采用DS3231的时钟芯片。修改计数器的值可以重新设置系统当前的时间和日期。定时驱动读取控制目标。
4．4．2时钟同步
采用主从模式，采用纯软件方式实现，开发简单易于实现，由主控器定时校准。
4．4．3软件流程
分控制器的运行流程依靠时间驱动和事件驱动两种方式。
5结论
以叶用蔓尖的越冬育苗为例，利用现有移动苗床及其集控系统，对薯尖的整个育苗周期进行试验研究，获取薯尖育苗过程中的各项环境参数变化规律，利用嵌入式技术将该参数固化到苗床分体控制器中，由中心控制器集中管理、配置分体控制器，实现对苗床群的集中智能化管理，使薯尖育苗处于系统给予的最优参数化环境中进行，提高薯尖的育苗效率，并实现扦插后育苗过程的无人职守，反馈方法基于成本考虑，只有在巡视中按键反馈，后期将进一步改进。该集控系统符合精准数字农业特点，该方法还可以推广到其他蔬菜育苗过程中，实现一对多集中控制及远程控制，提高系统整体自动化水平。
作者：张尉 王锐 高星星 肖进 单位：武汉市农业科学技术研究院农业机械化科学研究所
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