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(zhǎng)，在作物的生長(zhǎng)過(guò)程中，不存在作物的轉(zhuǎn)移、輸送等問(wèn)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(yíng)造適合作物生長(zhǎng)的環(huán)境，提高試驗(yàn)過(guò)程中的檢測(cè)效率，減少試驗(yàn)過(guò)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(zhǎng)過(guò)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(zhǎng)區(qū)；
    2)在水稻的生長(zhǎng)過(guò)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(zhǎng)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(zhǎng)區(qū)原位；
    3)在水稻的生長(zhǎng)過(guò)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(kāi)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(guò)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(zhǎng)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(zhǎng)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(guò)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(zhǎng)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(guò)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(guò)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(kāi)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(chǎng)的下位條碼閱讀器、各種光電開(kāi)關(guān)直接連接進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集和輸送過(guò)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(guò)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(guò)控制臺(tái)表面的開(kāi)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(guò)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(huà)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(zhǎng)區(qū)的過(guò)程、水稻生長(zhǎng)數(shù)據(jù)檢測(cè)結(jié)果、檢測(cè)過(guò)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(chǎng)信息管理
    水稻盆栽入場(chǎng)是指水稻由種入花盆到輸送至指定種植區(qū)域的過(guò)程，其信息管理分為以下幾個(gè)部分：
    1)當(dāng)開(kāi)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(chǎng)登記。水稻盆栽的入場(chǎng)登記主要是通過(guò)安放在花盆底部的RFID標(biāo)簽完成，實(shí)驗(yàn)人員可以通過(guò)水稻盆栽入場(chǎng)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(chǎng)監(jiān)測(cè)功能模塊對(duì)盆栽入場(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)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(kù)。
3.2水稻盆栽的出場(chǎng)信息管理
    水稻盆栽出場(chǎng)是指水稻托架從種植區(qū)域移送至輸送機(jī)的過(guò)程，根據(jù)試驗(yàn)?zāi)康牟煌�可分為托架直接出�?chǎng)、脫機(jī)出場(chǎng)、抽檢出場(chǎng)、不合格出場(chǎng)。
    1)盆栽直接出場(chǎng)：水稻盆栽出場(chǎng)信息管理單元根據(jù)出場(chǎng)申請(qǐng)，生成出場(chǎng)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(chǎng)命令，驅(qū)動(dòng)相關(guān)設(shè)備完成盆栽托架的出場(chǎng)任務(wù)。托架直接出場(chǎng)是用得最多的一種出場(chǎng)形式，也可以手動(dòng)操作完成出場(chǎng)作業(yè)。
    2)盆栽脫機(jī)出場(chǎng)：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(chǎng)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(chǎng)由人工完成。
    3)抽檢出場(chǎng)：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(chǎng)信息管理單元根據(jù)試驗(yàn)?zāi)康纳�成一定的出�?chǎng)規(guī)則，使水稻盆栽依次出場(chǎng)，完成相關(guān)操作后，再使盆栽回到原來(lái)的種植生長(zhǎng)區(qū)域。
    4)不合格出場(chǎng)：在試驗(yàn)過(guò)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(chǎng)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(chǎng)內(nèi)信息管理
    盆栽場(chǎng)內(nèi)信息管理包括場(chǎng)內(nèi)盆栽位置信息查詢、出場(chǎng)信息查詢、入場(chǎng)信息查詢以及盆栽信息變更。
    1)場(chǎng)內(nèi)盆栽位置信息查詢：在試驗(yàn)過(guò)程中，通過(guò)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(wú)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(chǎng)信息查詢：通過(guò)盆栽信息管理單元可以實(shí)現(xiàn)水稻盆栽入場(chǎng)詳細(xì)信息查詢，包括盆栽號(hào)碼、進(jìn)場(chǎng)盆栽類型、托架編碼、水稻盆栽入場(chǎng)時(shí)間、入場(chǎng)操作員信息等。
    3)盆栽出場(chǎng)信息查詢：通過(guò)盆栽信息管理單元可以實(shí)現(xiàn)水稻盆栽的出場(chǎng)類型（直接出場(chǎng)，脫機(jī)出場(chǎng)，試驗(yàn)出場(chǎng)等）、出場(chǎng)盆栽類型、托架條碼、出場(chǎng)時(shí)間、出場(chǎng)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(guò)程中，當(dāng)實(shí)際信息與數(shù)據(jù)庫(kù)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(kù)內(nèi)的盆栽場(chǎng)信息、盆栽試驗(yàn)信息、盆栽及托架入場(chǎng)信息、出場(chǎng)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(guò)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。