在傳統溫室中，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、數據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，以滿足水稻栽培試驗生產的需要，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概述
溫室植物盆栽輸送自動化管理系統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度、生長過程檢測和數據記錄。在盆栽水稻的栽培試驗中，該系統主要完成以下工作：
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；
2)在水稻的生長過程中，根據試驗方案，定時調動托架、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，可選擇任意數行需要檢測的托架，點擊檢測鍵即可自動執行檢測作業；
5)系統準確記錄實驗開始時的原始數據，如托架行號、盆栽號、試驗內容、各托架上的盆栽數量等；
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；
7)系統自動進行1日盆出、新盆進的換盆作業，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。
2、設備控制部分設計
設備控制部分( Device Control System，DCS)是組合各臺設備協同工作的智能處理中心，對各臺設備的工作狀況、工作節拍、工作合理性以及穩定性進行協調管理。溫室植物盆栽輸送自動化管理系統的主要工作部件為AGV (Automated Guided Vehicle)和輸送機，兩種設備在溫室內與其他多種設備配合，通過DSC協同執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、監測工作。
2.1AGV控制單元設計
AGV在溫室內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，執行盆栽托架的提升和調動工作。
2.1.1 AGV控制單元的組成及特點
AGV控制單元由控制器、任務規劃生成部件、通信部件、定位部件、運動控制執行驅動器、安全監視報警部件、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，它發送命令協調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；任務規劃生成部件為AGV的一次作業規劃運行速度和路徑；通信部件采用遠紅外通信與監控計算機進行交互；定位系統采用條碼掃描器尋找托架地址和定位；AGV的監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控計算機組成，機載控制柜隨AGV運動，監控計算機放置于溫室控制室內，兩部分相互聯系又各自獨立；AGV的機載控制系統與監控計算計之間采用工業以太網進行通信。
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通過AGV監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，并返回AGV停靠端原位待令。
3)聯機自動方式：主控計算機自動分配盆栽托架的調出調入地址，再通過監控計算機發出作業命令，由遠紅外通信系統將作業命令輸至AGV上的PLC，自動控制AGV完成一次存取作業；完成后，PLC將運行過程及工作狀態返回至監控計算機，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采用PLC作為主控單元，利用串行技術與上位監控系統和管理系統進行連接，同時與布置在輸送機現場的下位條碼閱讀器、各種光電開關直接連接進行現場數據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、設備監控模塊、設備調度模塊、過程控制模塊等組成數據處理引擎協調輸送機各部分進行工作，完成盆栽的輸送作業。數據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)聯機自動：輸送機控制單元通過局域網協調輸送設備運行，自動執行水稻盆栽運輸作業；同時觸摸屏控制臺動畫顯示設備運行狀態，并實時顯示當前運輸機的狀態和正在進行的操作指令。
3、盆栽信息管理部分設計
水稻盆栽調入調出生長區的過程、水稻生長數據檢測結果、檢測過程中設備的工作狀態、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自動執行，將托架移送至分配的目標停留位置，同時入場監測功能模塊對盆栽入場數量與實驗方案中數量一致性與否進行核實。
3)水稻盆栽托架進入種植區域后，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、托架中現有盆栽的數量、盆栽進場時間、托架運行優先級、手動或自動執行等，并將該信息存入數據庫。
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域移送至輸送機的過程，根據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出場申請，生成出場作業指令，調度AGV系統根據設備狀態生成出場命令，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。
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試驗目的生成一定的出場規則，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域。
4)不合格出場：在試驗過程中，盆栽中的水稻發生異常，需要進行剔除時，水稻盆栽出場信息管理系統生成作業命令，調度AGV系統將托架移出，同時將發生異常的托架和盆栽相關信息進行記錄。
3.3盆栽場內信息管理
盆栽場內信息管理包括場內盆栽位置信息查詢、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、試驗組與數量查詢、栽培區試驗組狀態查詢（包括記錄歷史情況，當日有無試驗，以及試驗次數等），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，當實際信息與數據庫內存儲的信息不符時，試驗人員可對數據庫內的盆栽場信息、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。該項目作為工業系統在農業中應用的一種嘗試，必將改變傳統的農業生產及發展模式，對農業生產的研究和發展產生較大的影響。
