摘要：针对传统海水稻育秧方式中存在的土地利用效率低和人力财力资源浪费的问题。设计开发了一个以三菱PLC为核心，配合堆垛架、步进电机、电机驱动器、距离监测器、旋转增量解码器、光敏电阻、环境传感器、A/D采集模块、LED灯片矩阵、喷灌一体化装置等器件为一体的密集型海水稻大棚育秧种植系统。在该系统中，PLC通过A/D采集模块接收来自距离传感器的信号，并转换成脉冲信号输出给电机驱动器来驱动步进电机的转动，同时旋转增量解码器将接收步进电机的旋转量信号并转换成脉冲信号反馈给PLC从而达到闭环控制的效果，使定位更加精确。系统照明辅助装置以及智能培育装置中，分别采用光敏电阻和环境传感器为信号接收源并通过A/D采集模块将信号输入PLC中，然后通过PLC来控制LED灯片矩阵以及喷灌一体化装置。通过仿真、试验和分析计算，验证了设计方案的可行性，该系统大幅提高空间利用率，减少了资源的浪费，有效提高了秧苗的质量。

　　关键词：可编程逻辑控制器；智慧农业；大棚种植；密集型种植系统；堆垛机；海水稻育秧

　　0引言

　　海水稻又被称为耐盐碱水稻。袁隆平院士早在2014年提出“海水稻是一种非常宝贵的水稻种质资源，具有极高的科学研究和利用价值”[1]。随着世界人口的不断增加，以及可利用的耕地面积不断减少，粮食需求危机愈发严峻[2]。我国有约1亿公顷盐碱地，海水稻的培育和推广，为缓解我国耕地资源紧缺、保障国家粮食安全提供了新思路[3]。提升海水稻秧苗的素质以及保障海水稻秧苗的培育是海水稻种植的关键点。目前，我国海水稻大多为大面积旱育秧，这样的育秧方式会有以下弊端：第一，土地资源占用多，土地利用效率不高；第二，在育秧过程中会造成的水、肥料和劳动力的浪费；第三，秧苗的培育易受自然环境影响而减产[4]。因此迫切需要一种更高效的海水稻育秧系统来提升海水稻秧苗素质，提升土地利用率，减少资源浪费。

　　本文提出了一种密集型海水稻大棚育秧系统，设计包括堆垛种植系统、照明辅助系统以及智能培育系统3大部分。其中堆垛种植系统通过双塔堆垛架的设计进一步提升了大棚空间的利用率，极大提高了单位面积种植密度；照明辅助系统通过控制LED灯阵列驱动模块，可保障秧苗获得充足的光照，并且达到最佳光照时间后自动停止补光，减少电力资源的浪费；智能培育系统可设定喷灌施肥一体化装置的喷灌量、施肥量以及溶液混合浓度，满足海水稻秧苗的生长需求，保障秧苗的良好生长[5]。

　　1堆垛育秧装置

　　1.1装置模型

　　堆垛种植装置选用常见主流的立体仓库设计模型，由堆垛架、堆垛机、多种传感器、LED灯片以及种植槽组成,其中堆垛架采用双塔堆叠的设计，进一步提升了大棚空间的利用率。种植槽布置于堆垛架中，可对海水稻秧苗种植进行模块化的管理；所述堆垛机布置在水平导轨上，其通过接收PLC传输的脉冲信号，精准控制水平和竖直方向的运动，实现植物的运输功能。LED灯片布置在堆垛架的每个单元格中，并通过PLC对其进行多种照明模式的控制，保障秧苗获得充足的光照。装置模型结构如图1所示。

　　1.2系统结构

　　堆垛育秧种植系统由堆垛架、步进电机以及驱动器、三轴机械控制装置、PLC、A/D采集模块、和距离监测器组成。系统整体结构如图2所示。

　　育秧装置主要由堆垛机结合双塔堆垛架组成。其中堆垛架一方面采用轻量化可降解塑料组成，其材料方便运输和安装，同时更加的环保。另一方面堆垛架利用双塔堆叠的设计进一步提升大棚空间利用率，极大提高了单位面积的种植密度。堆垛机主要由3个步进电机控制三轴机械控制装置，调整堆垛机在3个轴方向的运动距离，使得堆垛机能精准定位至所选堆垛架前，并从中取出或放回秧苗，实现秧苗自动搬运功能[6]。

　　本设计选用110步进电机，通过型号为3ND2283的86/110/130步进电机驱动器进行驱动。此驱动器支持3 200细分并提供最高8 A的驱动电流。通过PLC向特定端口发送高低电平，可控制步进电机的旋转方向，便于堆垛机的水平和竖直运动。同时，PLC每发送一个脉冲，步进电机将旋转0.000 375°,采用脉冲计数控制方式实现堆垛机对所选位置的高精度定位[7]。

　　在步进电机上安装同轴增量式，在载物台进行升降的时候电机转速及竖直方向位移成比例的脉冲数，并将其导入PLC中的高速计数器中进行脉冲计数。堆垛机水平运动模块进行左右移动时，安装在步进电机上的旋转编码器输出电机转速及水平方向位移成比例的脉冲数，并将其导入PLC中的高速计数器中进行计数，设堆垛架的长度为L，按照式（1）转化成脉冲数[8]：

　　I=L/A（1）

　　堆垛机竖直方向运动模块进行上下移动时，旋转编码器输出竖直方向的脉冲数，并将其导入PLC中的高速计数器中进行计数，设堆垛架的高度为H，按照式（2）转化成脉冲数[8]：

　　I=H/A（2）式中：I为脉冲数；H为堆垛架高度，mm；L为堆垛架长度，mm；A为脉冲计数精度，mm/脉冲。

　　A可由式（3）计算[6]：

      

　　式中：d为曳引轮节圆直径，mm；r1为曳引减速箱减速比；r2为曳引比；p为电动机每转的脉冲数。

　　系统通过程序对每个堆垛架单元格位置进行定义。PLC根据程序运算的结果给电机驱动器发出运动指令，将电动机驱动器接通三相交流电启动步进电机，通过减速机构控制载物台和堆垛机水平运动模块动作，与此同时，步进电机运动的同时将旋转信号传输至旋转式增量编码器，旋转增量编码器又将旋转信号转换成脉冲信号反馈给PLC中[9]，可编程逻辑控制器通过不同高速计数器单元进行运算、分析和处理，分别得到转速信号及脉冲信号，来完成对整个堆垛机的闭环控制，实现装置精准稳定的定位。堆垛机脉冲计数控制系统的硬件连接方式如图3所示。

　　2照明辅助装置

　　照明辅助部分主要由LED灯片、继电器、LED阵列驱动模块、光强监测器、电源开关。系统整体结构如图4所示。

　　照明辅助装置配备光强监测照明模式和传统照明模式。装置根据不同时间段大棚内部照度的强弱，智能切换两种补光照明模式[10]。例如在环境照度极差的夜晚，装置开启传统照明模式，并通过定时控制全部补光灯在20：00—24：00开启，使秧苗达到最佳光照时间，加快秧苗生长速率。

　　在环境照度较强的白天，装置采用光强监测照明模式，并通过光强传感器监测当前环境照度信息。当检测到环境照度较强（如晴天）时，装置通过PLC进行统一控制，将堆垛架上的补光灯全部关闭，达到省电节能的效果。

　　当检测到环境照度较弱（如雨天或是阴天）时，照明辅助装置通过PLC对LED阵列模块进行驱动，使模块对照明系统中的秧苗补光灯阵列开启，保证了秧苗生长的照明需求，又可达到最大程度节能省电的目的。阵列照明运行示意图如图5所示。

　　本光强监测器采用光敏电阻实现照度监测。光敏电阻在不同强度下具有不同的阻值，并在恒压电路中与定值电阻进行串联，从而产生变化的电压。通过A/D模块将光敏电阻产生的电信号转为数字信号传输至PLC计算处理，实现实时监测环境照度信息。其中，本系统采用的光敏电阻光谱峰值为540 nm，亮电阻为2~5 kΩ,暗电阻为0.2 MΩ,上升响应时间为20 ms，下降时间为30 ms。串联的定值电阻阻值为1 000Ω。

　　3智能培育装置

　　智能培育部分主要由多种环境传感器、喷灌装置、施肥装置、营养液调配装置、营养液供给泵组成，整体结构如图6所示。

　　智能培育装置由喷灌施肥一体化装置通过土壤湿度传感器、微量元素传感器以及液体浓度等多种传感器监测环境数据，并将数据传入PLC进行运算、分析和处理[11]。依托PLC对流量的精准控制，智能培育装置自动切换喷灌、施肥和水肥一体化3种模式。当为喷灌和施肥模式时，PLC通过环境传感器监测土壤湿度值或氮、磷、钾等土壤微量元素含量等参数，并根据装置所设定的上下限进行喷灌和施肥。在水肥一体化模式下，装置将喷灌和施肥合二为一[12]，并在液体调配装置中将水和肥料按比例混合成不同浓度的营养液，通过营养供给泵输送到土壤中，达到同时供给秧苗所需水分和养料的效果。

　　以上3种模式都依托PLC对流量的精准控制，并配合滴灌技术对秧苗进行施肥、水分和营养液的输送，能够实时精准地控制土壤湿度和肥力，达到节水、省肥的效果，同时满足了秧苗的生长需求[13]。

　　PLC流量控制：设计以PLC为核心控制器，控制变频器来调节水泵的运转速率，进而达到控制液体流量的效果[14]。具体的，设计首先通过流量传感器采集管道液体的当前流速并将其转化为电信号，A/D模块将电信号转化为数字信号导入PLC中[15]，经过PLC的处理将流速信号在人机交互界面中显示，同时通过PLC程序对当前的流速信号与设定的流速预定值进行PID运算产生模拟信号[16]，变频器根据所接收到的模拟量对水泵运转速率进行控制，从而改变管内液体的流速，达到PLC对装置流量可控的效果[17]。工作原理如图7所示。

　　系统选用三菱FR-A700变频器控制水泵的运转速率[18]。三菱FR-A700变频器有着较高水准的驱动性能，可以驱动不带编码器的普通电机实现高精度控制和响应速度。通过三菱FR-A700变频器对水泵进行控制，实现液体流量的精准控制[19]。

　　4控制系统的设计

　　4.1硬件设计

　　根据堆垛机结构及各种辅助种植装置的工作流程，大棚密集型种植系统采用PLC控制技术，包括数字量输入点、模拟量输入点以及输出点。大棚密集型育秧系统输入和输出地址分配表如表1和表2所示[20]。

　　根据大棚密集型种植系统需求，选用三菱FX3U-32MR可编程逻辑控制器作为堆垛装置、照明辅助装置和智能培育装置的控制器，配备有16个输入控制点和16个输出控制点，满足补光灯阵列控制，FX-3U系列可编程逻辑控制器内部配有C251和C253两个高速计数器用于控制步进电机实现在水平和竖直方向的高精度定位，同时其支持拓展4个A/D数模转换模块，满足多种环境传感器将采集到的数据进行转化。

　　4.2程序和软件设计

　　系统使用三菱系列PLC为主要的控制,所以程序由GX Works2软件进行梯形图编程，梯形图程序中分别对水平和竖直方向运动、载物台的伸缩以及各运动的复位进行展示和注解，如图8所示。照明辅助、智能培育以及其他多种辅助功能在程序流程图中按照逻辑顺序详细显示，如图9所示。

　　5实验数据

　　搭建模型模拟大棚环境，开展照明辅助实验以及水肥一体化实验。挑选42株海水稻秧苗放在42个堆垛架单元格中进行培养，并记录植物生长过程中的补光功耗、喷灌用水量以及施肥消耗量。

　　5.1照明辅助实验

　　实验在堆垛架安装42个功耗为60W补光灯，并设置两组照明组模拟系统进行传统照明模式和光强监测模式控制补光灯进行3 h照明，第一组为传统电源开关控制，开启全部补光灯。第二组为LED阵列模块驱动控制，阵列开启部分补光灯。经过一段时间的照明，记录两组实验组的相关数据，并分析，数据分析如表3所示。

　　从表3中，可以看到，第2组在确保在光线较差环境对植物进行正常补光的情况下，耗电量相比于传统电源开关控制的第1组降低3.24 kwh，效果较为明显，验证了照明辅助系统的节能性和可行性。

　　5.2水肥一体化实验

　　实验设置常规喷灌区和水肥一体化喷灌区，对海水稻秧苗进行全生育期的12次喷灌，经过一段时间的种植，对两组实验数据进行记录，试验效果记录数据如表4所示。

　　从表4可以得出，使用水肥一体喷灌相比于常规喷灌海水稻秧苗平均增加0.4 kg，同时水肥一体化喷灌比常规喷灌可节省肥料0.18 kg，节水0.28 m³,粗略验证水肥一体化装置节水、节肥和增量增产的可行性和科学性。

　　6结束语

　　本设计在传统大棚种植基础上进行改进，系统通过堆垛架双塔堆叠的方式，进一步提高了空间的利用率，实现大棚种植的增量增产。系统通过光强测的方法可智能切换补光照明模式，满足秧苗光照需求的同时减少电力资源的浪费。同时，系统利用多种环境数据检测和PLC流量控制相结合的方法，精准控制了喷灌、施肥以及水肥一体化等操作，实现节水、节肥的同时，降低了生产中人力和物力上的成本。

　　综上所述，大棚密集型育秧系统的应用，极大地提高了海水稻育秧的智能化和一体化水平，加快“化滩涂为良田，盐碱地里稻花香”的目标实现，助力共筑中国粮食安全堡垒。通过搭建模型、数据计算以及实验分析，验证了大棚密集型育秧系统的合理性和可行性，为促进现代农业迈向智慧农业的发展提供了科学的理论基础。

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