引言
世界的水稻种植区域主要集中在亚洲，约占世界水稻种植面积的 90% ，产量接近粮食总产的 50% 。
水稻是我国粮食种植面积最大、单产最高、总产最多的作物之一。催芽在水稻生产过程中起着决定性的作用，温度、水分和空气是水稻催芽过程中非常重要的条件。水稻催芽是人为地创造适合种子发芽的条件、促使种子在适宜的条件下提早发芽的一种措施。传统催芽的方法(如煤灰催芽法、蒸汽催芽以及新兴的温室催芽、电热毯催芽等)因很难控制催芽所需的温度、水分等条件，很容易出现烂种、烂芽等异常现象，造成经济损失;同时，每次的催芽数量受到限制，生产步骤多，不仅浪费大量的人力资源，而且生产效率低。为了满足现代化、大规模、高效水稻种植生产的需求，本文设计了一种水稻智能化催芽监控系统。该系统可以满足催芽过程中所需的环境参数，几乎不需要工作人员监控，实现全自动化水稻催芽生产，促使水稻芽种产业进一步朝着规模化、自动化以及智能化方向发展。
1 系统整体设计
该水稻智能化催芽监控系统设备配备 1 台注水泵和 1 台回水泵;配备主控装置与温度、水位检测系统;配备分控装置和 1 台锅炉(电锅炉或燃油锅炉)、检测系统(温度及水位)、循环泵、弱喷淋系统。其结构示意图如图 1 所示。【图1】
本系统由支撑系统、浸种催芽箱、热水箱、排水系统、回水系统、注水系统、给水系统、循环系统及排烟系统等部分组成。支撑系统包含各箱体支撑、种子托架及管路支撑等;浸种催芽箱作为种箱，由玻璃钢箱板组装，数量为 5 ～ 10 箱(根据生产量配置);热水箱用于催芽时调整催芽温度，可同时对两个种箱进行催芽;排水系统用来排放作业中产生的废水;回水系统是在催芽过程中将种箱内的水送回热水箱;注水系统是在催芽过程中将调整好温度的热水注入种箱;给水系统是由外来水源给各个箱内加水;循环系统的作用是调整箱体内部水温不均(包含加热锅炉和喷淋系统);排烟系统是用来排放掉燃油锅炉加热过程中产生的废气。
水稻催芽监控系统的主要生产过程为:首先将所需种子装入浸种催芽箱里，然后注水泵将水注入;锅炉工作后，由传感器(水位，温度)将数据传送到主控计算机，使温度稳定在一定值，温度、水循环经计算机软件设置的要求来智能程控;浸种完成后，将箱体内的水排掉，热水箱将工作，计算机控制种子催芽工序开始;通过计算机远程监控，循环泵调节水温，满足种子所需破胸温度后，由注水泵将水注入到箱体。需要注意的是，该系统的浸种箱与催芽箱是同一个设备箱体，不需要改变种子的位置，只需重新调节温度和换水即可。最后，再由循环喷淋系统实现浸种箱温度均匀性的同步调节。此生产过程不仅可以由计算机远程监控，还可由分控器和主控器进行单独控制。
2 水稻催芽监控系统设备功能
2． 1 整体设备功能
该监控系统使用计算机技术完成浸种、催芽生产控制过程，全面实现远程监控，并且在同一生产线内的种箱可以完成浸种、催芽两种功能。系统采用主控、分控结合技术:主控系统使用 Windows 操作系统，主控软件为具有自主知识产权的专用软件;分控系统由工业嵌入式计算机及固化专业软件组成。
为了全面反映箱内温度，该监控系统实现了每箱多处温度测量计算控制，并使用多传感器巡回检测技术，可对浸种、催芽位置的温度进行监控。其减小了传感器误差及系统误差，使用温度值及最大误差双指标设置，实现控制误差在设置范围内。其生产过程无需人工干预，只需在计算机上设置所有的工作，在整个生产工艺参数的设定范围内，可以手动和自动控制。这套设备不仅使催芽过程智能化，而且避免催芽过程中所产生的一些意外现象。例如，当意外停电再来电时，使用该系统的运行记忆功能，工作系统会自动恢复并且数据不会丢失;当意外关闭运行的计算机系统后，使用控制系统功能离线工作，系统仍然会在预设的工作参数和程序下运行;催芽过程中常常出现静水浸种温度不均且严重缺氧等问题，使用弱流喷淋、增氧及温度均衡等技术来避免这类问题的出现。该设备还具有以下功能:①注水时水位自动控制;②回水时水位自动控制;③二次回水时间自动控制;④水在箱内停留时间自动控制;⑤注水间隔时间自动控制;⑥锅炉加热自动控制;⑦调水降温自动控制;⑧浸、催两种作业可以同时进行。
2． 2 热效率高，能耗低
第 1 次催芽加热后热水箱的热量可被下次催芽利用，催芽箱数越多能耗越低。其能耗成本较电加热方式低 20% 以上，达到了节约能源的目的。
2． 3 环保、使用寿命长
采用无污染、无腐蚀的玻璃钢箱体，设备使用寿命达 10 年以上。单箱可生产 2． 5 ～ 15t，自动控制可同时催 2 箱，手动控制可同时催 4 箱。使用计算机集中控制，实现了观察数据在控制室内，人员、品种、时间、温度、设备运行状态及生产过程测量参数自动记录、永久存储。本浸种、催芽设备首创大型间歇水浴工艺完全自动控制，可使弱芽势种子与强芽势种子同时出芽，合格种子的芽种生产质量可达芽率 95% 以上(长度 2mm 的等芽长芽率)，且芽型为双山型。
3 监控系统的软件设计及实现
3． 1 组态软件在上位机中的应用
主控窗口的组态设计是水稻催芽监控系统的主窗口或主框架，主要应用的 MCGS 软件。图 2 所示为热水箱动画显示控制图。工艺流程:通过水井泵的工作，向热水箱里注水，之后双击组态屏上的循环泵，点击加热器，对热水箱进行加热;水温满足破胸温度后，在催芽过程中通过注水泵将调整好温度的水注入浸种箱;回水泵工作时，将浸种箱里的水送回热水箱，如此达到催芽目的;双击排水阀，可排掉催芽过程中产生的废水;通过动画界面的观察，可以清晰地判断设备进行何种工作以及工作过程中水流的方向。其动画界面左侧显示水位、温度以及平均数据，通过这些数据可以更好地掌控催芽的状态。通过该界面的操作就可以对阀、泵、锅炉的开关状态进行控制，从而达到操作系统的目的。
3． 2 数据库组态设计
数据库组态是整个组态软件的核心部分。数据是分布式控制系统的信息来源，一个工程项目中所有需要监测和控制的点都在数据库组态中完成。
该设计的数据库包括以下类型:数值型、字符型、开关型。数值型包括催芽调温下限、存储数据时间、当前工作种箱状态、当前工作种箱平均温度、水位、平均温度、启动时间、加热器关闭温差、加热器开启温差、浸种上限、浸种下限等数据;字符型包括当前种箱汉字、当前种箱水位汉字、当前状态汉字、工作状态汉字、种箱编号等数据;开关型包括泵阀输出控制、泵阀输入状态、当前种箱低水位、当前种箱高水位、当前种箱中水位、低水位、高水位、回水阀、加热、排水阀、通信状态、循环泵、注水阀、种箱注水阀状态、种箱回水阀状态等数据。
3． 3 设备变量的定义
该设计中设备变量包括开关量和模拟量:开关量是地址 0 字开头的变量，模拟量是寄存器 4W 开头的变量。表 1 为一部分设备变量数据，通过对设备变量定义，达到设备运行的目的。
3． 4 Modbus 协议介绍
本组态软件设计主要以 Modbus 协议为核心，通过该协议可以实现设备之间的相互通信。此协议不仅能检测错误及对错误进行记录，并且描述了控制器请求访问其它设备的过程。当在 Modbus 网络上进行通信时，此协议决定了控制器要产生何种命令。在网络技术迅速发展的今天，Modbus 协议广泛应用在各种工厂自动化领域中，不同的控制设备通过 Modbus协议可以连成工业网络。Modbus 协议之所以被广泛采用，主要是因为 Modbus 具有以下特点:
1)Modbus 传送方式广泛，可以在各种介质上传送(光纤、无线等);2)Modbus 协议具有帧格式简单并且容易操作等优点;3)Modbus 是具有开放性、高性价比等特点的网络通信协议，其应用较为灵活，用户可以免费使用 Modb-us 协议;4) Modbus 可以支持多种电气接口。
4 系统设备测试
在水稻催芽过程中，温度起着决定性的作用。对系统设备运行进行一段时间的测试，观察所需温度数据是否满足催芽所需条件。在浸种过程中，根据要求温度需保持 10 ～12℃，测试结果如表 2 所示。在破胸过程中，种箱内温度需保持在 30 ～ － 32℃，测试结果如表 3 所示。根据表 2、表 3 可知:在浸种与破胸期间，锅炉的开关状态会随箱内温度的变化而发生改变，使箱内温度保持在浸种与破胸需要的范围内。上述测试结果表明，水稻在浸种与破胸期间系统的工作状态正常。
5 结论
针对目前水稻催芽传统、低效的手段，设计了一种水稻智能化催芽监控系统，以解决利用传统方式、靠人工手动监控各个环境因子所带来的不便，提高生产效率，实现规模化、智能化。该系统能够稳定保持催芽所需的温度以及水循环，准确读取数据，起到实时、全方位监测与控制的作用。其通过控制锅炉、循环泵、注水阀、回水阀等设备的工作情况，把各环境参数调整到最适合水稻催芽范围内，保证了芽种的产量及质量，为水稻催芽产业的发展提供了自动化技术支持。
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