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基于PLC和云平台的鹅孵化机监控系统设计与试验

李康, 丁为民, 郭彬彬, 顾家冰, 任慧满, 施振旦

李康, 丁为民, 郭彬彬, 等. 基于PLC和云平台的鹅孵化机监控系统设计与试验[J]. 华南农业大学学报, 2022, 43(1): 110-119. DOI: 10.7671/j.issn.1001-411X.202104023
引用本文: 李康, 丁为民, 郭彬彬, 等. 基于PLC和云平台的鹅孵化机监控系统设计与试验[J]. 华南农业大学学报, 2022, 43(1): 110-119. DOI: 10.7671/j.issn.1001-411X.202104023
LI Kang, DING Weimin, GUO Binbin, et al. Design and test of goose incubator monitoring system based on PLC and cloud platform[J]. Journal of South China Agricultural University, 2022, 43(1): 110-119. DOI: 10.7671/j.issn.1001-411X.202104023
Citation: LI Kang, DING Weimin, GUO Binbin, et al. Design and test of goose incubator monitoring system based on PLC and cloud platform[J]. Journal of South China Agricultural University, 2022, 43(1): 110-119. DOI: 10.7671/j.issn.1001-411X.202104023

基于PLC和云平台的鹅孵化机监控系统设计与试验

基金项目: 国家现代农业产业体系专项资金(CARS-42-20);农业农村部长江中下游设施农业工程重点实验室开放课题
详细信息
    作者简介:

    李康,硕士研究生,主要从事农业装备现代设计理论与方法研究,E-mail: 1209835627@qq.com

    通讯作者:

    丁为民,教授,博士,主要从事农机现代设计理论与方法、设施农业及环境控制研究,E-mail: wmding@njau.edu.cn

  • 中图分类号: S237;S24

Design and test of goose incubator monitoring system based on PLC and cloud platform

  • 摘要:
    目的 

    为了提高鹅种蛋孵化性能,针对现有鹅孵化机孵化过程自动化程度低、温度波动大、鲁棒性差,现场操作复杂等不足,设计了一种基于可编程逻辑控制器(Programmable logic controller,PLC)和云平台的鹅孵化机监控系统。

    方法 

    根据鹅种蛋孵化工艺要求和鹅孵化机工作原理,采用PLC作为主控制器设计了系统的硬件电路和软件程序,实现孵化机温度、湿度、翻蛋和喷水晾蛋的自动控制,利用触摸屏和组态软件设计了孵化机现场监控的人机交互界面,并利用通用分组无线业务(General packet radio service,GPRS)智能网关、云平台服务器和移动端设计了远程监控系统。系统工作时,GPRS智能网关读取PLC中的存储数据,通过4G/5G网将数据上传至云平台服务器,移动端通过微信公众号、APP或网页可以直接访问和下载云平台服务器中的数据,并以图表形式显示出来。

    结果 

    该监控系统运行稳定、状态良好;孵化过程中的温度采样数据鲁棒性高,100%达到控制要求;自动控制有助于提高鹅孵化机自动化水平;孵化生产试验结果表明,狮头鹅受精蛋平均孵化率为87.84%,比现有记载最高纪录高1.44%。

    结论 

    该系统能够满足鹅种蛋孵化要求,且控制精度高,实现了鹅孵化机的自动控制、现场监控和远程监控,具有良好的人机交互界面,对促进农业装备自动化和信息化发展具有指导意义。

    Abstract:
    Objective 

    A goose incubator monitoring system based on programmable logic controller (PLC) and cloud platform was designed in order to improve the incubation performance of goose eggs, and to solve the problems of low automation, large temperature fluctuations, poor temperature robustness, and complex on-site operations in the incubation process of the existing goose incubator.

    Method 

    Based on the technological requirements in the incubation process of goose eggs and the working principle of the goose incubator, PLC was used as the main controller to design the hardware circuit and software program of the system which could realize the automatic control of temperature, humidity, turning eggs and water spraying of the incubator. The human-machine interaction interface for on-site monitoring of the incubator was designed with a touch screen and the configuration software. Moreover, the remote monitoring system was designed with general packet radio service (GPRS) smart gateway, cloud platform server and mobile terminal. When the system was working, the GPRS smart gateway read the memory data in the PLC and uploaded the data to the cloud platform server through the 4G/5G network. The mobile terminal could directly access and download the data in the cloud platform server, and the data were presented as a chart on the WeChat official account, APP or webpage.

    Result 

    The monitoring system was stable and in good condition. The temperature sampling data were highly robust and 100% met the control requirements in the incubation process. The automatic control helped to improve the automation level of the goose hatching machine. In the hatching production test, the average hatching rate of fertilized goose eggs was 87.84%, which was 1.44% higher than the current highest record.

    Conclusion 

    The system can meet the hatching requirements of goose eggs, and has high control accuracy. It achieves the automatic control, on-site monitoring and remote monitoring of the goose incubator and has a good human-machine interaction interface. It has guiding significance for promoting the development of agricultural equipment automation and informatization.

  • 桑树Morus alba Linn.属桑科Moraceae桑属Morus,原产我国中部,是一种具有重要经济价值的落叶乔木。种桑养蚕是我国的传统产业,我国已有约4 000的桑树栽培历史[1]。随着“东桑西移”发展战略的实施,广西逐步成为我国蚕茧生产第一大省区和世界重要原料蚕茧生产基地,2012年,广西桑树种植面积达1.69×105 hm2,家蚕饲养量为655万张,蚕茧产量达2.56×105 t[2]。由可可毛色二孢Lasiodiplodia theobromae Pat.Griffon & Maubl桑树的新病害,2014年,Xie等[3]曾报道该病害在我国广西横县发生,发病面积达2 400 hm2,其后在广西其他蚕桑种植区均发现该病害的存在。

    桑根腐病是一种根部新病害,目前生产上鲜见有防治效果好的化学药剂,且化学防治易对桑树和家蚕产生药害,因此,针对该病害开展生物防治的研究具有重要意义,而获得有显著拮抗效果的菌株是病害生物防治的基础。本研究采集健康桑树根际土壤,筛选能显著抑制L. theobromae的拮抗细菌,以期为桑根腐病的生物防治奠定基础。

    Ezup柱式细菌基因组DNA抽提试剂盒、DNA Ladder Min Marker(SM0337)、Dream Taq Green PCR MasterMix(2×)、PCR引物等均购自上海生物工程技术服务有限公司;PDA粉(广东环凯微生物科技有限公司);快速革兰氏染色试剂盒(济南百博生物科技有限责任公司);孔雀石绿(天津市大茂化学试剂厂)。

    NA培养基:牛肉浸膏3.0 g、蛋白胨5 g、葡萄糖2.5 g,琼脂粉15 g,用少量蒸馏水加热溶解后,补充蒸馏水至1 L。

    可可毛色二孢Lasiodiplodia theobromae菌株由广西大学农学院植保系实验室分离保存。

    从广西自治区南宁市、河池市和来宾市的桑园中,采集健康桑树根际土壤用于分离拮抗细菌。参考孙正祥等[4]的方法分离和纯化细菌菌株。

    采用平板对峙法[5]测定拮抗细菌对菌丝生长的影响。将保存的病原菌菌株和细菌菌株分别在PDA培养基和NA培养基上活化。用灭菌打孔器(直径6 mm)取L. theobromae菌饼接种至PDA培养基平板中央,其两侧2 cm处对称放置细菌菌落块,放置于28 ℃培养箱中培养。待对照处理的菌落长满平板后,测量各处理菌落的直径,参照谢晨昭等[6]的方法计算生长抑制率,并在显微镜下观察抑菌带菌丝的形态特征。各处理重复3次。从参试的细菌菌株中筛选出拮抗效果最好的菌株进行后续试验。

    将筛选出的细菌菌落块接种到150 mL液体NA培养基中,于振荡培养箱中(28 ℃,150 r·min-1)培养3 d。培养液经0.22 μm的微孔滤膜过滤后,备用。取活化好的L. theobromae菌饼接种到PDA培养基中央,在其周围对称放置3片灭菌滤纸片(直径5 mm),再用移液枪吸取10 μL细菌上清液滴在滤纸片上。重复3次,计算生长抑制率。

    采用载玻片孢子萌发法[5]:利用过滤的细菌培养液配制孢子悬浮液(约1×106个·mL-1),以清水为对照, 将500 μL孢子悬浮液滴在干净的载玻片上,再将载玻片放入垫有湿润滤纸的培养皿中,然后放置于28 ℃培养箱中培养20 h后观察孢子萌发情况,计算孢子萌发率。以芽管长度超过孢子长度的一半作为萌发标准。

    将活化好的拮抗菌株菌落划线接种在NA培养基平板上,放入28 ℃培养箱中培养2 d后,观察菌落特征,并进行革兰氏染色和芽孢染色观察形态特征[7]。参照《常见细菌系统鉴定手册》[7]的方法测定拮抗细菌的生理生化特征。试剂盒提取菌株总DNA,保存于-20 ℃备用。参考并利用Chun等[8]的引物扩增gyrA基因。PCR反应体系:Dream Taq Green PCR MasterMix(2×)25 μL,引物各2 μL,DNA模板2 μL,加ddH2O至50 μL。反应条件:95 ℃预变性3 min;95 ℃ 35 s,62 ℃ 1 min,72 ℃ 2 min,重复30次;72 ℃ 10 min。gyrB基因引物为UP1和UP2r[9]。除引物不同外,PCR反应体系中各成分的量和反应条件与gyrA基因序列扩增试验相同。

    PCR扩增完成后,取PCR产物在10 g·L-1琼脂糖凝胶中电泳(150 V、100 mA、20 min)检测产物的特异性并委托上海生工测序。将测得的菌株序列在NCBI上进行BLAST比对,确定菌株的分类地位,同时下载NCBI中与参试菌株序列相似性高的序列用Mega 5软件进行同源性分析,构建系统发育树。

    在广西自治区横县石塘镇选择树龄为4~6年的桑园作为试验田,试验田随机设置3个小区,每小区65~70棵桑树。施用生防菌剂前,先调查记录好各小区的病死桑树。将YZ14-3培养液9 L(4.8×108 CFU·mL-1)兑水18 L后均匀浇灌于各小区桑树根部土壤。试验期限为2014年4月至2015年5月,前5个月,每月施用培养液2次,其后每月施用1次。对照用等量的清水代替YZ14-3培养液。最后1次施药1个月后,调查各处理小区及对照的病死株数,参照赖传雅的方法[10]并稍作改进计算防治效果:

    防治效果=[(对照区校正病死率-处理区校正病死率)/对照区校正病死率]×100%,

    校正病死率=用药后病死率-用药前病死率。

    从采集的45份土样中分离到菌落形态有明显差异的菌株22个,经筛选得到对L. theobromae有显著抑制效果的8个菌株,其中菌株YZ14-3的抑菌效果最好(图 1)。YZ14-3菌落与L. theobromae对峙培养时,抑菌圈半径为12 mm,对L. theobromae的生长抑制率为73.3%。因此,选定菌株YZ14-3进行后续试验。研究发现,菌株YZ14-3的培养液能显著抑制L. theobromae的生长,抑菌圈半径为8 mm,抑制率为55.6%。观察发现抑菌圈外缘的L. theobromae菌丝变黑(图 1),挑取变黑的菌丝在显微镜下观察,发现菌丝膨大、畸形、易断裂(图 2)。

    图  1  菌株YZ14-3对Lasiodiplodia theobromae菌丝生长的抑制效果
    A:YZ14-3菌落的抑菌效果;C:YZ14-3培养液的抑菌效果;B和D分别为A和C的对照。
    Figure  1.  Inhibitory effect of YZ14-3 on myceliium growth of Lasiodiplodia theobromae
    图  2  菌株YZ14-3对Lasiodiplodia theobromae菌丝形态的影响
    A:膨大、畸形的L.theobromae菌丝; B:正常的L.theobromae菌丝。
    Figure  2.  Effect of YZ14-3 on mycelium morphology of Lasiodiplodia theobromae

    采用载玻片孢子萌发法测定了YZ14-3培养液对L. theobromae分生孢子萌发的影响,培养20 h后,在显微镜下观察孢子的萌发情况。每个视野随机观测500个孢子,观察3个视野,共1 500个孢子。观察发现,L. theobromae分生孢子在YZ14-3的培养液中不能萌发且YZ14-3的培养液能降解L. theobromae分生孢子的细胞壁,使分生孢子解体。

    菌株YZ14-3在NA培养基的主要培养特征(图 3A)如下:菌落乳白色,边缘不整齐,表面有皱褶,隆起不透明,菌落干爽无光泽;液体静止培养时形成乳白色菌膜。显微镜下观察发现,YZ14-3革兰氏染色阳性,呈紫色(图 3B),菌体短杆状,直或略弯,菌体单个或呈短链状排列,芽孢顶生或生于菌体中部(图 3C)。根据形态特征,初步鉴定YZ14-3为芽孢杆菌Bacillus sp.。

    图  3  YZ14-3的形态特征
    A:菌落形态;B:革兰染色;C:芽孢染色。
    Figure  3.  Morphological characteristics of YZ14-3

    本研究测定了YZ14-3的部分生理生化特征(表 1)。将本文测定结果与已发表的B. amyloliquefaciens相关菌株生理生化特征测定结果[11-12]相比较,并参考《常见细菌系统鉴定手册》[7],YZ14-3被初步鉴定为解淀粉芽孢杆菌Bacillus amyloliquefaciens

    表  1  菌株YZ14-3的生理生化特性1)
    Table  1.  Physiological and biochemical characteristics of YZ14-3
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    菌株YZ14-3的gyrA基因扩增后,获得1个长度为1 013 bp的片段。PCR产物纯化、测序后,将该基因序列在NCBI上进行BLAST相似性分析,比对结果表明,YZ14-3的gyrA序列与GenBank中的B. amyloliquefaciensgyrA序列相似性均高于98%。从GenBank中下载与YZ14-3的gyrA序列相似性较高的B. amyloliquefaciens gyrA序列11个、B. subtilis序列8个、B. licheniformis序列6个,以大肠埃希菌Escherichia coli菌株的gyrA序列(登录号:DQ447131)为外群构建系统发育树(图 4A)。由系统发育树可知,YZ14-3与11株B. amyloliquefaciens聚在一群,并与其他菌株分离,表明YZ14-3与B. amyloliquefaciens具有很高的遗传相似性。

    图  4  基于gyrAgyrB基因序列的YZ14-3系统发育树
    Figure  4.  Phylogenetic tree of YZ14-3 based on gyrA and gyrB gene sequencs

    菌株YZ14-3的gyrB基因扩增后,获得1个长度为1 243 bp的片段。PCR产物纯化、测序后,将该基因序列在NCBI上进行BLAST相似性分析,结果发现,YZ14-3的gyrB序列与GenBank中的B. amyloliquefaciensgyrB序列相似性均高于99%。下载GenBank中与YZ14-3的gyrB序列相似性较高的7个B. amyloliquefaciens菌株序列、7个B. subtilis序列、3个B. licheniformis序列、3个B. thuringiensis序列,以E.coli菌株的gyrB序列(登录号:AB083949)为外群构建系统发育树(图 4B)。由系统发育树可知,YZ14-3与7株B. amyloliquefaciens聚在一群,并与7株B. subtilis分离,表明YZ14-3与B. amyloliquefaciens的遗传相似性很高。

    gyrAgyrB序列构建的系统发育树可鉴定菌株YZ14-3为B. amyloliquefaciens

    施用YZ14-3培养液前后各调查1次桑树病死情况,施用YZ14-3培养液用药前和用药后桑树病死率分别为14.44%和18.89%,用药后的桑树病死率显著地低于对照的(29.44%)。生防菌剂处理的校正病死率约为4.45%,显著高于对照的校正病死率13.88%。由生防菌剂处理和对照的校正病死率得YZ14-3的田间防治效果为67.94%。

    B. amyloliquefaciensB. subtilis亲缘性很高,能分泌一系列抑制真菌、细菌、病毒和支原体生长发育的抗菌脂肽[13]。王奕文等[14]从甜瓜果实表面分离到1株B. amyloliquefaciens,该菌株对灰葡萄孢Botrytis cinerea、链格孢Alternaria sp.、尖孢镰刀菌Fusarium. oxysporum等病原真菌的拮抗作用显著。陈妍等[15]从土壤中分离出1株对棉花黄萎病菌Verticillium dahliae有良好拮抗作用的B. amyloliquefaciens菌株。陈成等[16]从土壤中分离到1株B. amyloliquefaciens,其对黑曲霉Aspergillus niger、稻瘟病菌Magnaporthe oryzae和水稻纹枯病菌Rhizoctonia solani等植物病原真菌有很强的抑制作用。B. amyloliquefaciens菌株DFE16及其发酵液不仅能抑制病菌生长,而且能诱导油菜对黑胫病产生抗性[17]B. amyloliquefaciens的发酵液对油茶炭疽病具有很强的抑制作用,进一步研究发现发酵液中的抑菌物质为脂肽,该物质能使病菌菌丝畸形[18]B. amyloliquefaciens分泌的胞外非蛋白类物质能有效抑制鱼腥藻的生长[19]。枯草芽孢杆菌不同种群在植物病害的生物防治中有广泛的应用,其作用机制主要有竞争、抗生、溶菌等[20]。本研究从健康桑树的根际土壤中分离出1株B. amyloliquefaciens YZ14-3,其对桑根腐病菌L. theobromae的抑制效果显著,YZ14-3的无菌培养液能完全抑制病菌分生孢子的萌发,降解分生孢子的细胞壁,从而使孢子解体,说明YZ14-3的培养液中含有溶菌物质。溶菌作用是B. amyloliquefaciens菌株YZ14-3抑制病原菌生长的一种机制。田间防治试验结果表明,YZ14-3的生防效果较显著达67.94%,具有一定的应用前景。本研究结果为菌株YZ14-3在桑根腐病生物防治中的应用奠定了基础。

    16S rDNA/RNA基因序列被广泛应用于细菌鉴定或研究细菌的系统进化关系,但由于16S rDNA/RNA基因序列过于保守,在亲缘关系很近的分类类群间,由于序列间的相似度太高而无法区分近缘种[21]。Wang等[22]研究认为16S rDNA/RNA基因序列不能有效区分枯草芽孢杆菌的菌株,而gyrAgyrB基因序列可以用于枯草芽孢杆菌的鉴定。gyrAgyrB基因的分子进化速率比16S rDNA/RNA基因大,可以弥补16S rDNA/RNA基因的不足[22-23]。菌株SWB16的16S rRNA序列与B. subtilisB. amyloliquefaciensB. licheniformis和贝莱斯芽孢杆菌B. velezensis有99%的相似性,但利用gyrA序列构建的系统发育树显示SWB16与B. amyloliquefaciens聚为一群[24]。本文利用gyrAgyrB基因序列构建了系统发育树,2株系统发育树均能将B. amyloliquefaciensB. subtilis及其他芽孢杆菌近缘种区分开。目前,gyrAgyrB基因已经应用到许多细菌近缘种的鉴别中,如枯草芽孢杆菌组(B. subtilis group)[21, 25-26]、假单孢菌属Pseudomonas[27]、气单孢菌属Aeromonas[28]、分枝杆菌属Mycobacterium[29]等。

  • 图  1   现有鹅孵化机孵化过程温度采样曲线

    Figure  1.   Temperature sampling curve during incubation of the existing goose incubator

    图  2   鹅孵化机结构示意图

    1:箱体,2:触摸屏,3:弱电箱,4:强电箱,5:排气扇,6:位置开关,7:温湿度变送器,8:移动蛋车,9:供水阀,10:旋转电机,11:声光报警器,12:搅拌风扇,13:接近开关,14:电加热管,15:加湿水槽,16:风门

    Figure  2.   Structural diagram of goose incubator

    1: Cabinet, 2: Touch screen, 3: Weak electric box, 4: Strong electric box, 5: Exhaust fan, 6: Position switch,7: Temperature and humidity transmitter, 8: Mobile egg cart, 9: Water supply valve, 10: Rotary motor,11: Sound and light alarm, 12: Stirring fan, 13: Proximity switch, 14: Electric heating pipe, 15: Humidification tank, 16: Air door

    图  3   鹅孵化机监控系统结构示意图

    Figure  3.   Structural diagram of the monitoring system of goose incubator

    图  4   鹅孵化机配电系统电路图

    QF:断路器;FU:熔断器;SPD:电泳保护器;KM1~KM4:交流接触器;K1~K28:中间继电器;FR1~FR5:热过载继电器;SSR:固态继电器;SQ1~SQ10:行程开关;X0~X15:输入端口;Y0~Y22:输出端口;S/S:共用端口;C0~C5:零电位端口

    Figure  4.   Circuit diagram of power distribution systemof the goose incubator

    QF: Circuit breaker; FU: Fuse; SPD: Surge protection device; KM1−KM4: AC Contactor; K1−K28: Intermediate relay; FR1−FR5: Thermal relay; SSR: Solid state relay; SQ1−SQ10: Travel switch; X0−X15: Input port;Y0−Y22: Output port; S/S: Shared port; C0−C5: Null potential port

    图  5   鹅孵化机温度多级控制原理图

    Figure  5.   Schematic diagram of temperature multi-level control of the goose incubator

    图  6   鹅孵化机精确控温流程图

    Figure  6.   Flow chart of precise temperature control of the goose incubator

    图  7   鹅孵化机自动喷水晾蛋流程图

    Figure  7.   Flow chart of automatic water spray of the goose incubator

    图  8   鹅孵化机PLC控制流程图

    Figure  8.   PLC control flow chart of the goose incubator

    图  9   鹅孵化机监控系统操作界面

    Figure  9.   Monitoring system operation interface of the goose incubator

    图  10   鹅孵化机温度采样曲线

    Figure  10.   Temperature sampling curve of the goose incubator

    图  11   孵化过程温湿度曲线

    Figure  11.   Temperature and humidity curve during incubation

    表  1   鹅蛋孵化性能记录

    Table  1   Records of hatching performance of goose eggs

    入孵日期
    Incubation start date
    入孵蛋数/枚
    Number of eggs
    受精率/%
    Fertilization rate
    种蛋孵化率/%
    Hatching rate of breeding eggs
    受精蛋孵化率/%
    Hatching rate of fertilized eggs
    06−21 410 91.22 80.24 87.97
    07−12 507 91.52 82.45 90.09
    07−20 1674 89.96 78.38 87.12
    合计 Total 2591 90.47 79.74 87.84
    下载: 导出CSV
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图(11)  /  表(1)
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出版历程
  • 收稿日期:  2021-04-21
  • 网络出版日期:  2023-05-17
  • 刊出日期:  2022-01-09

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