0、引言
    在傳統(tǒng)溫室中，作物通常是在花盆中進(jìn)行種植，然后放置在托架或地面上進(jìn)行生長，在作物的生長過程中，不存在作物的轉(zhuǎn)移、輸送等問題；作物的澆水、施肥以及相關(guān)檢測(cè)、數(shù)據(jù)記錄等采用人工操作進(jìn)行，這種檢測(cè)方式效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大，且人工檢測(cè)時(shí)容易造成作物損傷，影響育種栽培實(shí)驗(yàn)效果。
    為了在溫室中營造適合作物生長的環(huán)境，提高試驗(yàn)過程中的檢測(cè)效率，減少試驗(yàn)過程中研究人員對(duì)作物造成的損傷，本文結(jié)合水稻盆栽試驗(yàn)的需要，設(shè)計(jì)了溫室植物盆栽輸送自動(dòng)化管理系統(tǒng)，以滿足水稻栽培試驗(yàn)生產(chǎn)的需要，為提高水稻栽培試驗(yàn)效率奠定基礎(chǔ)。
1、溫室植物盆栽輸送自動(dòng)化管理系統(tǒng)概述
    溫室植物盆栽輸送自動(dòng)化管理系統(tǒng)由設(shè)備控制及盆栽信息管理兩部分，主要目的是完成植物盆栽的運(yùn)輸調(diào)度、生長過程檢測(cè)和數(shù)據(jù)記錄。在盆栽水稻的栽培試驗(yàn)中，該系統(tǒng)主要完成以下工作：
    1)將花盆填土，并將花盆送入托架中，每個(gè)托架放置24盆盆栽后托架移送到溫室的生長區(qū)；
    2)在水稻的生長過程中，根據(jù)試驗(yàn)方案，定時(shí)調(diào)動(dòng)托架、并將托架上的盆栽送入檢測(cè)儀器中對(duì)水稻的生長情況及相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)完畢，將盆栽送回托架，并將托架移送回溫室的生長區(qū)原位；
    3)在水稻的生長過程中，定時(shí)對(duì)托架上的盆栽進(jìn)行頭尾置換處理，每次置換8盆盆栽；
    4)對(duì)水稻盆栽進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，可選擇任意數(shù)行需要檢測(cè)的托架，點(diǎn)擊檢測(cè)鍵即可自動(dòng)執(zhí)行檢測(cè)作業(yè)；
    5)系統(tǒng)準(zhǔn)確記錄實(shí)驗(yàn)開始時(shí)的原始數(shù)據(jù)，如托架行號(hào)、盆栽號(hào)、試驗(yàn)內(nèi)容、各托架上的盆栽數(shù)量等；
    6)盆栽在移送過程中自動(dòng)進(jìn)行積放，即檢測(cè)前密集的盆栽均勻疏散以便進(jìn)入檢測(cè)設(shè)備進(jìn)行檢測(cè)操作；檢測(cè)完畢，疏散排列的盆栽消除盆栽間的距離而密集排列到托架上并送回生長區(qū)；
    7)系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)行1日盆出、新盆進(jìn)的換盆作業(yè)，即將試驗(yàn)完畢的舊盆輸出，傾倒盆中土壤并回收記載盆栽相關(guān)信息的RFID;再將新安置RFID的新盆填裝土壤后輸送到托架，然后輸送到溫室指定生長區(qū)。
2、設(shè)備控制部分設(shè)計(jì)
    設(shè)備控制部分( Device Control System，DCS)是組合各臺(tái)設(shè)備協(xié)同工作的智能處理中心，對(duì)各臺(tái)設(shè)備的工作狀況、工作節(jié)拍、工作合理性以及穩(wěn)定性進(jìn)行協(xié)調(diào)管理。溫室植物盆栽輸送自動(dòng)化管理系統(tǒng)的主要工作部件為AGV (Automated Guided Vehicle)和輸送機(jī)，兩種設(shè)備在溫室內(nèi)與其他多種設(shè)備配合，通過DSC協(xié)同執(zhí)行一系列預(yù)先設(shè)置的動(dòng)作，完成盆栽作物的自動(dòng)栽培生長及檢測(cè)、監(jiān)測(cè)工作。
2.1AGV控制單元設(shè)計(jì)
    AGV在溫室內(nèi)鋪設(shè)的水平軌道上進(jìn)行移動(dòng)，通過預(yù)先設(shè)定的條碼進(jìn)行尋址和定位，執(zhí)行盆栽托架的提升和調(diào)動(dòng)工作。
2.1.1 AGV控制單元的組成及特點(diǎn)
    AGV控制單元由控制器、任務(wù)規(guī)劃生成部件、通信部件、定位部件、運(yùn)動(dòng)控制執(zhí)行驅(qū)動(dòng)器、安全監(jiān)視報(bào)警部件、AGV機(jī)械平臺(tái)等組成，控制單元的信息傳遞結(jié)構(gòu)如圖1所示。
    在AGV控制單元中，控制器即PLC是AGV的核心部件，它發(fā)送命令協(xié)調(diào)AGV的各個(gè)部件正常工作，同時(shí)通過變頻器控制AGV的運(yùn)行與停車；任務(wù)規(guī)劃生成部件為AGV的一次作業(yè)規(guī)劃運(yùn)行速度和路徑；通信部件采用遠(yuǎn)紅外通信與監(jiān)控計(jì)算機(jī)進(jìn)行交互；定位系統(tǒng)采用條碼掃描器尋找托架地址和定位；AGV的監(jiān)控計(jì)算機(jī)采用觸摸屏進(jìn)行操作，此外，AGV采用光電開關(guān)控制機(jī)械手的升降范圍，確保AGV在存取盆栽托架時(shí)安全、可靠。
    AGV控制單元由機(jī)載控制柜和監(jiān)控計(jì)算機(jī)組成，機(jī)載控制柜隨AGV運(yùn)動(dòng)，監(jiān)控計(jì)算機(jī)放置于溫室控制室內(nèi)，兩部分相互聯(lián)系又各自獨(dú)立；AGV的機(jī)載控制系統(tǒng)與監(jiān)控計(jì)算計(jì)之間采用工業(yè)以太網(wǎng)進(jìn)行通信。
2.1.2 AGV的控制方式
    AGV的控制方式有三種：即手動(dòng)控制、單機(jī)自動(dòng)和聯(lián)機(jī)自動(dòng)。
    1)手動(dòng)控制方式：實(shí)驗(yàn)人員通過機(jī)載AGV控制柜面板上的相關(guān)按鈕進(jìn)行操作，使AGV完成水平運(yùn)行、機(jī)械手上下升降、存取托架三種動(dòng)作；
    2)單機(jī)自動(dòng)方式：實(shí)驗(yàn)人員在溫室的控制室內(nèi)通過AGV監(jiān)控計(jì)算機(jī)上的液晶觸摸屏輸入盆栽托架存取指令，AGV將自動(dòng)完成托架的存取作業(yè)，并返回AGV停靠端原位待令。
    3)聯(lián)機(jī)自動(dòng)方式：主控計(jì)算機(jī)自動(dòng)分配盆栽托架的調(diào)出調(diào)入地址，再通過監(jiān)控計(jì)算機(jī)發(fā)出作業(yè)命令，由遠(yuǎn)紅外通信系統(tǒng)將作業(yè)命令輸至AGV上的PLC，自動(dòng)控制AGV完成一次存取作業(yè)；完成后，PLC將運(yùn)行過程及工作狀態(tài)返回至監(jiān)控計(jì)算機(jī)，顯示在主控計(jì)算機(jī)的CRT顯示器上。
2.2輸送機(jī)控制單元設(shè)計(jì)
2.2.1輸送機(jī)的技術(shù)指標(biāo)及性能要求
    溫室盆栽輸送機(jī)控制系統(tǒng)采用PLC作為主控單元，利用串行技術(shù)與上位監(jiān)控系統(tǒng)和管理系統(tǒng)進(jìn)行連接，同時(shí)與布置在輸送機(jī)現(xiàn)場的下位條碼閱讀器、各種光電開關(guān)直接連接進(jìn)行現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集和輸送過程控制。
    對(duì)輸送機(jī)控制單元進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，首先構(gòu)建與實(shí)際物理輸送機(jī)有相同功能的輸送機(jī)控制模型，對(duì)水稻盆栽的到位檢測(cè)、空位檢測(cè)、換位檢測(cè)、等待檢測(cè)等信號(hào)進(jìn)行模擬。再將物理輸送機(jī)的輸入信號(hào)與控制輸出信號(hào)同輸送機(jī)邏輯模型相應(yīng)功能進(jìn)行連接，構(gòu)成輸送機(jī)控制實(shí)體。輸送機(jī)的工作原理如圖2所示。
    在確定輸送機(jī)控制模型后，再將路由功能模塊、路徑解析模塊、工藝生成模塊、設(shè)備監(jiān)控模塊、設(shè)備調(diào)度模塊、過程控制模塊等組成數(shù)據(jù)處理引擎協(xié)調(diào)輸送機(jī)各部分進(jìn)行工作，完成盆栽的輸送作業(yè)。數(shù)據(jù)處理引擎各模塊的邏輯結(jié)構(gòu)如圖3所示．
2.2.2輸送機(jī)的控制方式
    輸送機(jī)的控制方式有手動(dòng)控制和聯(lián)機(jī)自動(dòng)兩種。
    1)手動(dòng)控制：在輸送機(jī)出入檢測(cè)室的位置設(shè)有觸摸屏控制臺(tái)，試驗(yàn)人員通過控制臺(tái)表面的開關(guān)按鈕控制輸送機(jī)的運(yùn)行。
    2)聯(lián)機(jī)自動(dòng)：輸送機(jī)控制單元通過局域網(wǎng)協(xié)調(diào)輸送設(shè)備運(yùn)行，自動(dòng)執(zhí)行水稻盆栽運(yùn)輸作業(yè)；同時(shí)觸摸屏控制臺(tái)動(dòng)畫顯示設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，并實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前運(yùn)輸機(jī)的狀態(tài)和正在進(jìn)行的操作指令。
3、盆栽信息管理部分設(shè)計(jì)
    水稻盆栽調(diào)入調(diào)出生長區(qū)的過程、水稻生長數(shù)據(jù)檢測(cè)結(jié)果、檢測(cè)過程中設(shè)備的工作狀態(tài)、試驗(yàn)人員信息等采用盆栽信息管理單元(PIMS)進(jìn)行記錄處理。
3.1水稻盆栽的入場信息管理
    水稻盆栽入場是指水稻由種入花盆到輸送至指定種植區(qū)域的過程，其信息管理分為以下幾個(gè)部分：
    1)當(dāng)開始進(jìn)行水稻栽培種植試驗(yàn)時(shí)，將裝有水稻的盆栽送入溫室，此時(shí)需要對(duì)水稻盆栽進(jìn)行入場登記。水稻盆栽的入場登記主要是通過安放在花盆底部的RFID標(biāo)簽完成，實(shí)驗(yàn)人員可以通過水稻盆栽入場信息管理模塊對(duì)RFID進(jìn)行操作，完成水稻盆栽信息的新建、刪除、保存、修改、查詢等工作，并可對(duì)水稻盆栽信息進(jìn)行導(dǎo)入導(dǎo)出操作。
    2)當(dāng)水稻盆栽經(jīng)輸送機(jī)進(jìn)入托架后，盆栽信息管理單元按照預(yù)先設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)方案自動(dòng)分配托架的停留位置，并控制AGV自動(dòng)執(zhí)行，將托架移送至分配的目標(biāo)停留位置，同時(shí)入場監(jiān)測(cè)功能模塊對(duì)盆栽入場數(shù)量與實(shí)驗(yàn)方案中數(shù)量一致性與否進(jìn)行核實(shí)。
    3)水稻盆栽托架進(jìn)入種植區(qū)域后，水稻盆栽入場信息管理單元要檢測(cè)托架的運(yùn)行情況、記錄托架的位置、托架中現(xiàn)有盆栽的數(shù)量、盆栽進(jìn)場時(shí)間、托架運(yùn)行優(yōu)先級(jí)、手動(dòng)或自動(dòng)執(zhí)行等，并將該信息存入數(shù)據(jù)庫。
3.2水稻盆栽的出場信息管理
    水稻盆栽出場是指水稻托架從種植區(qū)域移送至輸送機(jī)的過程，根據(jù)試驗(yàn)?zāi)康牟煌�可分為托架直接出場、脫機(jī)出場、抽檢出場、不合格出場。
    1)盆栽直接出場：水稻盆栽出場信息管理單元根據(jù)出場申請(qǐng)，生成出場作業(yè)指令，調(diào)度AGV系統(tǒng)根據(jù)設(shè)備狀態(tài)生成出場命令，驅(qū)動(dòng)相關(guān)設(shè)備完成盆栽托架的出場任務(wù)。托架直接出場是用得最多的一種出場形式，也可以手動(dòng)操作完成出場作業(yè)。
    2)盆栽脫機(jī)出場：當(dāng)盆栽托架的位置及盆栽存放狀況存在異常時(shí)，水稻盆栽出場信息管理單元自動(dòng)中止AGV及輸送機(jī)的運(yùn)行，并通知試驗(yàn)人員進(jìn)行檢測(cè)等操作，此時(shí)盆栽的出場由人工完成。
    3)抽檢出場：實(shí)驗(yàn)操作人員對(duì)水稻盆栽進(jìn)行栽培種植試驗(yàn)時(shí)，水稻盆栽出場信息管理單元根據(jù)試驗(yàn)?zāi)康纳�成一定的出場�?guī)則，使水稻盆栽依次出場，完成相關(guān)操作后，再使盆栽回到原來的種植生長區(qū)域。
    4)不合格出場：在試驗(yàn)過程中，盆栽中的水稻發(fā)生異常，需要進(jìn)行剔除時(shí)，水稻盆栽出場信息管理系統(tǒng)生成作業(yè)命令，調(diào)度AGV系統(tǒng)將托架移出，同時(shí)將發(fā)生異常的托架和盆栽相關(guān)信息進(jìn)行記錄。
3.3盆栽場內(nèi)信息管理
    盆栽場內(nèi)信息管理包括場內(nèi)盆栽位置信息查詢、出場信息查詢、入場信息查詢以及盆栽信息變更。
    1)場內(nèi)盆栽位置信息查詢：在試驗(yàn)過程中，通過盆栽信息管理單元可以進(jìn)行溫室盆栽區(qū)域圖形查詢、盆栽位置查詢、盆栽所在托盤架查詢、試驗(yàn)組與數(shù)量查詢、栽培區(qū)試驗(yàn)組狀態(tài)查詢（包括記錄歷史情況，當(dāng)日有無試驗(yàn)，以及試驗(yàn)次數(shù)等），同時(shí)可以將查詢結(jié)果生成報(bào)表導(dǎo)出或打印。
    2)盆栽入場信息查詢：通過盆栽信息管理單元可以實(shí)現(xiàn)水稻盆栽入場詳細(xì)信息查詢，包括盆栽號(hào)碼、進(jìn)場盆栽類型、托架編碼、水稻盆栽入場時(shí)間、入場操作員信息等。
    3)盆栽出場信息查詢：通過盆栽信息管理單元可以實(shí)現(xiàn)水稻盆栽的出場類型（直接出場，脫機(jī)出場，試驗(yàn)出場等）、出場盆栽類型、托架條碼、出場時(shí)間、出場操作員等信息的查詢。
    4)盆栽信息變更：盆栽在栽培種植試驗(yàn)過程中，當(dāng)實(shí)際信息與數(shù)據(jù)庫內(nèi)存儲(chǔ)的信息不符時(shí)，試驗(yàn)人員可對(duì)數(shù)據(jù)庫內(nèi)的盆栽場信息、盆栽試驗(yàn)信息、盆栽及托架入場信息、出場信息等進(jìn)行刪除、修改、插入等操作。
4小結(jié)
    溫室盆栽輸送自動(dòng)化管理系統(tǒng)用于溫室中盆栽水稻的種植和輸送管理，在水稻育種栽培實(shí)驗(yàn)過程中能有效縮短實(shí)驗(yàn)周期、提高評(píng)價(jià)指標(biāo)的檢測(cè)效率，加快水稻的栽培育種實(shí)驗(yàn)。該項(xiàng)目作為工業(yè)系統(tǒng)在農(nóng)業(yè)中應(yīng)用的一種嘗試，必將改變傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及發(fā)展模式，對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的研究和發(fā)展產(chǎn)生較大的影響。