一种马铃薯晚疫病小型监测预警系统的研究

朱 黎，苏 鹏

(湖北民族学院信息工学院，湖北恩施445000)

我国是一个马铃薯晚疫病发生频率较高的国家［1］.作为马铃薯主产区的恩施州部分地区几乎年年受到马铃薯晚疫病的困扰.人们一直试图寻找一种用打药次数最少、防治效果最佳的方案.由于晚疫病的发生与作物抗性、环境的温度和湿度(降雨)密切相关，因此利用各种环境参数可以对晚疫病的发生做出预测和预报，在该病害大面积发生前进行药剂防治［2］.

本文根据世界上常用的马铃薯晚疫病监测预警模型(Wallin模型)，设计了一种马铃薯晚疫病小型监测预警系统.在Wallin模型中，通过传感器监测相对湿度大于或等于某个值(如90%)期间内的最高和最低温度以及相对湿度大于或等于某个值(如90%)的小时数，然后根据生长季节累计风险值预测马铃薯晚疫病首次爆发的时间.风险值是根据相对湿度大于或等于90%的小时数和期间的平均温度来确定的，风险值是从出苗后开始计算，计算方法见表1.当累计风险值达到18～20后，则预报在7～14 d内将发生晚疫病危害进行第一次施药防治［3］.该模型已在世界范围内得到了广泛评价，在实际生产过程中上具有一定的可靠性.

表1 Wallin模型中风险值分配表Tab.1 Distribution of value－at－risk in Wallin model

1 系统硬件设计

本系统由太阳能供电部分、传感器参数采集部分、单片机控制部分、液晶显示部分组成，系统框图如图1所示.其中传感部分采用DHT11数字温湿度传感器采集马铃薯生长环境的温度、湿度;控制部分采用AVR ATmega128单片机将温湿度数据按照Wallin模型的原理计算风险值，结果通过LCD12864进行显示，当风险值达到设定的阈值时，通过系统的GSM传输模块TC35将预警信息发送给马铃薯种植户，便于种植户及时采取各种防治措施.

本系统的电源部分采用太阳能板与12 V蓄电池连接，组成持续的供电系统从而保障系统的持续供电.太阳能电池板接入预设的电源接口，经过DC－DC稳压模块稳压之后提供给锂电池用以充电，锂电池接口之后安装了L7805稳压电路，进行降压处理，以5 V电压接入系统的采集、控制、显示和发送模块，系统实物图如图2所示.

图1 系统框图Fig.1 The architecture of the system

2 软件设计

在Wallin模型中，需要采集马铃薯生长环境中的湿度和温度参数，当湿度参数达到90%以上时，开始记录在该湿度条件下的小时数，并计算期间的平均温度Ta，再分析平均温度的分布定级，此文中设为A、B、C三个等级，其中A 等级为 7.2～11.6℃，B 等级为 11.7～15.0℃，C等级为15.1～26.6℃.最后通过湿度大于或等于90%以上的小时数和平均温度Ta的分布等级确定相应的风险值M，当M达到18时，则可认为马铃薯晚疫病将极有可能在7至14天内发生，需要向GSM发送指令，向指定用户发送预警信息，总体流程图［4－6］如图3所示.

如果没有接收到主机发送开始信号，传感器模块DHT11不会主动进行温湿度采集，收到开始信号后，DHT11从低功耗模式切换到高速模式，主机开始信号结束后，DHT11发送响应信号，送出40bit的数据，并触发一次信号采集，用户可选择读取部分数据［7］.温湿度采集流程图如图4所示.

红外遥控的程序主要用于读取红外遥控器的每一个按键所对应的编码［5］，配合LCD12864显示即可设计出简易的菜单，其中包括功能键和数字键.红外遥控的流程图如图5所示.

图2 实物图Fig.2 the photograph of the system

图3 系统总体流程图 Fig.3 The flow － process of the system

图4 温湿度采集流程图Fig.4 The flow chart of temperature and humidity acquisition

图5 红外遥控流程图Fig.5 The flow chart of infraved remote control

3 实验测试结果

1)系统预警测试.该系统实物完成后进行了模拟测试，由于系统理论模型中的温度和湿度采集时间较长，最低持续时间达到9 h，最高持续时间超过了25 h，为了测试方便，本次测试时，将系统理论模型进行了修改，将参数采集时间单位缩小到分钟，将理论模型中的平均温度范围进行了自定义，此次定义在30℃至33℃的区间，如表2所示.

表2 参数修改后的风险值对应表Tab.2 Distribution of ralue－ at－risk after modifying parameters

保存设置后，对温湿度传感器进行模拟实验，当系统监测到的温度和湿度超过阈值时，向预先设置的电话发送预警信息，如图6所示.

从图6可以得知，对温湿度传感器模拟的环境参数为:环境相对湿度在60%以上的分钟数不超过15min，温度为32℃，相对湿度为66%，得到的风险值为0.系统监测到的温度和湿度参数按照Wallin模型给出的计算方法也能够得到风险值为0.

2)风险值测试.为了监测系统的兼容性，在测试时更换了SIM卡，并对修改后的各种环境进行了模拟，延长了系统在阈值下的工作时间，得到了几组不同的数据，从而对风险值进行测试，如图7所示.

本次系统设计分别对环境温湿度持续时长做了调整，按照预先设定的计算规则分别模拟了系统预警风险值为0和2的环境条件.当环境相对湿度达到阈值时，持续保持该条件15 min以内，当停止模拟环境条件时，目标手机收到含有风险值的信息，如图7(a)所示.保持模拟环境条件20 min内停止，则目标手机收到还有风险值的短信，此时风险值为2，如图7(b)所示.

图6 预警短信内容Fig.6 An early warning message

图7 两种不同工作时长条件下的风险值Fig.7 The value－ at－ risk under two kinds of different working hours

4 结语

从测试结果来看，本系统在进行长时间监测时，如果遇见极端天气持续时间较长的情况，系统的正常工作将面临巨大的挑战.因此，平均温度的计算上采用了达到阈值条件下的最高温度和最低温度得到的算数平均值作为该段时间内的平均温度，如此，便可有效降低数据量对系统存储空间的要求.从单片机与监测模型的结合来看，将单片机作为数据处理和控制的核心单元具有很强的开放性，不同地区有着不同的地理和气候条件，只需通过查阅小区域的气候水文资料，并确定相近的监测模型就能在本系统中予以实现，采用本文提出的设计思想具有较强的现实意义.

［1］ 谢开云.比利时马铃薯晚疫病预警系统及其在我国的应用［J］.中国马铃薯，2001，15(2):67－71.

［2］ 谢开云等.马铃薯晚疫病常用预测预报模型简介［C］//2005年全国马铃薯产业学术年会论文集，2005.

［3］ Wallin J R..Forecasting tomato and potato late blight in the northcentral region(Abstr)［J］.Phytopathology，1951，41:37 －39.

［4］ 何立民.单片机高级教程应用与设计［M］.北京:北京航空航天大学出版社，2007:2－3.

［5］ 潘小琴.基于单片机的简易红外遥控键盘研究［J］.宁波职业技术学院报，2007，11(2):52－54.

［6］ 严雨，廉洁.AVR单片机C语言100例［M］.北京:电子工业出版社，2012:1－5.

［7］ 岳静.ZigBee温湿度数据采集系统研究［J］.煤炭技术，2011，30(1):176－179.