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0、引言
    在傳統(tǒng)溫室中，作物通常是在花盆中進行種植，然后放置在托架或地面上進行生長，在作物的生長過程中，不存在作物的轉移、輸送等問題；作物的澆水、施肥以及相關檢測、數(shù)據(jù)記錄等采用人工操作進行，這種檢測方式效率低、勞動強度大，且人工檢測時容易造成作物損傷，影響育種栽培實驗效果。
    為了在溫室中營造適合作物生長的環(huán)境，提高試驗過程中的檢測效率，減少試驗過程中研究人員對作物造成的損傷，本文結合水稻盆栽試驗的需要，設計了溫室植物盆栽輸送自動化管理系統(tǒng)，以滿足水稻栽培試驗生產(chǎn)的需要，為提高水稻栽培試驗效率奠定基礎。
1、溫室植物盆栽輸送自動化管理系統(tǒng)概述
    溫室植物盆栽輸送自動化管理系統(tǒng)由設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輸調(diào)度、生長過程檢測和數(shù)據(jù)記錄。在盆栽水稻的栽培試驗中，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)試驗方案，定時調(diào)動托架、并將托架上的盆栽送入檢測儀器中對水稻的生長情況及相關指標進行檢測，檢測完畢，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，定時對托架上的盆栽進行頭尾置換處理，每次置換8盆盆栽；
    4)對水稻盆栽進行檢測時，可選擇任意數(shù)行需要檢測的托架，點擊檢測鍵即可自動執(zhí)行檢測作業(yè)；
    5)系統(tǒng)準確記錄實驗開始時的原始數(shù)據(jù)，如托架行號、盆栽號、試驗內(nèi)容、各托架上的盆栽數(shù)量等；
    6)盆栽在移送過程中自動進行積放，即檢測前密集的盆栽均勻疏散以便進入檢測設備進行檢測操作；檢測完畢，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)自動進行1日盆出、新盆進的換盆作業(yè)，即將試驗完畢的舊盆輸出，傾倒盆中土壤并回收記載盆栽相關信息的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、設備控制部分設計
    設備控制部分( Device Control System，DCS)是組合各臺設備協(xié)同工作的智能處理中心，對各臺設備的工作狀況、工作節(jié)拍、工作合理性以及穩(wěn)定性進行協(xié)調(diào)管理。溫室植物盆栽輸送自動化管理系統(tǒng)的主要工作部件為AGV (Automated Guided Vehicle)和輸送機，兩種設備在溫室內(nèi)與其他多種設備配合，通過DSC協(xié)同執(zhí)行一系列預先設置的動作，完成盆栽作物的自動栽培生長及檢測、監(jiān)測工作。
2.1AGV控制單元設計
    AGV在溫室內(nèi)鋪設的水平軌道上進行移動，通過預先設定的條碼進行尋址和定位，執(zhí)行盆栽托架的提升和調(diào)動工作。
2.1.1 AGV控制單元的組成及特點
    AGV控制單元由控制器、任務規(guī)劃生成部件、通信部件、定位部件、運動控制執(zhí)行驅動器、安全監(jiān)視報警部件、AGV機械平臺等組成，控制單元的信息傳遞結構如圖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的各個部件正常工作，同時通過變頻器控制AGV的運行與停車；任務規(guī)劃生成部件為AGV的一次作業(yè)規(guī)劃運行速度和路徑；通信部件采用遠紅外通信與監(jiān)控計算機進行交互；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)控計算機采用觸摸屏進行操作，此外，AGV采用光電開關控制機械手的升降范圍，確保AGV在存取盆栽托架時安全、可靠。
    AGV控制單元由機載控制柜和監(jiān)控計算機組成，機載控制柜隨AGV運動，監(jiān)控計算機放置于溫室控制室內(nèi)，兩部分相互聯(lián)系又各自獨立；AGV的機載控制系統(tǒng)與監(jiān)控計算計之間采用工業(yè)以太網(wǎng)進行通信。
2.1.2 AGV的控制方式
    AGV的控制方式有三種：即手動控制、單機自動和聯(lián)機自動。
    1)手動控制方式：實驗人員通過機載AGV控制柜面板上的相關按鈕進行操作，使AGV完成水平運行、機械手上下升降、存取托架三種動作；
    2)單機自動方式：實驗人員在溫室的控制室內(nèi)通過AGV監(jiān)控計算機上的液晶觸摸屏輸入盆栽托架存取指令，AGV將自動完成托架的存取作業(yè)，并返回AGV停靠端原位待令。
    3)聯(lián)機自動方式：主控計算機自動分配盆栽托架的調(diào)出調(diào)入地址，再通過監(jiān)控計算機發(fā)出作業(yè)命令，由遠紅外通信系統(tǒng)將作業(yè)命令輸至AGV上的PLC，自動控制AGV完成一次存取作業(yè)；完成后，PLC將運行過程及工作狀態(tài)返回至監(jiān)控計算機，顯示在主控計算機的CRT顯示器上。
2.2輸送機控制單元設計
2.2.1輸送機的技術指標及性能要求
    溫室盆栽輸送機控制系統(tǒng)采用PLC作為主控單元，利用串行技術與上位監(jiān)控系統(tǒng)和管理系統(tǒng)進行連接，同時與布置在輸送機現(xiàn)場的下位條碼閱讀器、各種光電開關直接連接進行現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集和輸送過程控制。
    對輸送機控制單元進行設計時，首先構建與實際物理輸送機有相同功能的輸送機控制模型，對水稻盆栽的到位檢測、空位檢測、換位檢測、等待檢測等信號進行模擬。再將物理輸送機的輸入信號與控制輸出信號同輸送機邏輯模型相應功能進行連接，構成輸送機控制實體。輸送機的工作原理如圖2所示。
    在確定輸送機控制模型后，再將路由功能模塊、路徑解析模塊、工藝生成模塊、設備監(jiān)控模塊、設備調(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)輸送機各部分進行工作，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構如圖3所示．
2.2.2輸送機的控制方式
    輸送機的控制方式有手動控制和聯(lián)機自動兩種。
    1)手動控制：在輸送機出入檢測室的位置設有觸摸屏控制臺，試驗人員通過控制臺表面的開關按鈕控制輸送機的運行。
    2)聯(lián)機自動：輸送機控制單元通過局域網(wǎng)協(xié)調(diào)輸送設備運行，自動執(zhí)行水稻盆栽運輸作業(yè)；同時觸摸屏控制臺動畫顯示設備運行狀態(tài)，并實時顯示當前運輸機的狀態(tài)和正在進行的操作指令。
3、盆栽信息管理部分設計
    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)檢測結果、檢測過程中設備的工作狀態(tài)、試驗人員信息等采用盆栽信息管理單元(PIMS)進行記錄處理。
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部分：
    1)當開始進行水稻栽培種植試驗時，將裝有水稻的盆栽送入溫室，此時需要對水稻盆栽進行入場登記。水稻盆栽的入場登記主要是通過安放在花盆底部的RFID標簽完成，實驗人員可以通過水稻盆栽入場信息管理模塊對RFID進行操作，完成水稻盆栽信息的新建、刪除、保存、修改、查詢等工作，并可對水稻盆栽信息進行導入導出操作。
    2)當水稻盆栽經(jīng)輸送機進入托架后，盆栽信息管理單元按照預先設計的實驗方案自動分配托架的停留位置，并控制AGV自動執(zhí)行，將托架移送至分配的目標停留位置，同時入場監(jiān)測功能模塊對盆栽入場數(shù)量與實驗方案中數(shù)量一致性與否進行核實。
    3)水稻盆栽托架進入種植區(qū)域后，水稻盆栽入場信息管理單元要檢測托架的運行情況、記錄托架的位置、托架中現(xiàn)有盆栽的數(shù)量、盆栽進場時間、托架運行優(yōu)先級、手動或自動執(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)域移送至輸送機的過程，根據(jù)試驗目的不同可分為托架直接出場、脫機出場、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，生成出場作業(yè)指令，調(diào)度AGV系統(tǒng)根據(jù)設備狀態(tài)生成出場命令，驅動相關設備完成盆栽托架的出場任務。托架直接出場是用得最多的一種出場形式，也可以手動操作完成出場作業(yè)。
    2)盆栽脫機出場：當盆栽托架的位置及盆栽存放狀況存在異常時，水稻盆栽出場信息管理單元自動中止AGV及輸送機的運行，并通知試驗人員進行檢測等操作，此時盆栽的出場由人工完成。
    3)抽檢出場：實驗操作人員對水稻盆栽進行栽培種植試驗時，水稻盆栽出場信息管理單元根據(jù)試驗目的生成一定的出場規(guī)則，使水稻盆栽依次出場，完成相關操作后，再使盆栽回到原來的種植生長區(qū)域。
    4)不合格出場：在試驗過程中，盆栽中的水稻發(fā)生異常，需要進行剔除時，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，同時將發(fā)生異常的托架和盆栽相關信息進行記錄。
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：在試驗過程中，通過盆栽信息管理單元可以進行溫室盆栽區(qū)域圖形查詢、盆栽位置查詢、盆栽所在托盤架查詢、試驗組與數(shù)量查詢、栽培區(qū)試驗組狀態(tài)查詢（包括記錄歷史情況，當日有無試驗，以及試驗次數(shù)等），同時可以將查詢結果生成報表導出或打印。
    2)盆栽入場信息查詢：通過盆栽信息管理單元可以實現(xiàn)水稻盆栽入場詳細信息查詢，包括盆栽號碼、進場盆栽類型、托架編碼、水稻盆栽入場時間、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現(xiàn)水稻盆栽的出場類型（直接出場，脫機出場，試驗出場等）、出場盆栽類型、托架條碼、出場時間、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過程中，當實際信息與數(shù)據(jù)庫內(nèi)存儲的信息不符時，試驗人員可對數(shù)據(jù)庫內(nèi)的盆栽場信息、盆栽試驗信息、盆栽及托架入場信息、出場信息等進行刪除、修改、插入等操作。
4小結
    溫室盆栽輸送自動化管理系統(tǒng)用于溫室中盆栽水稻的種植和輸送管理，在水稻育種栽培實驗過程中能有效縮短實驗周期、提高評價指標的檢測效率，加快水稻的栽培育種實驗。該項目作為工業(yè)系統(tǒng)在農(nóng)業(yè)中應用的一種嘗試，必將改變傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及發(fā)展模式，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的研究和發(fā)展產(chǎn)生較大的影響。