可控溫度與時間的植物病毒熱鈍化系統

劉艷　許建民　王永平　等

摘要：高溫脫毒法的原理是病毒粒子不耐高溫。本研究設計了一種綜合考慮脫毒溫度、脫毒時間、光環境等因素的植物病毒鈍化結構及系統。該系統包括主控制器和多個控制分站，各控制器之間采用ZigBee方式無線通信；工作時將需要鈍化病毒的植物莖段放入鈍化終端，由主控制器設置病毒鈍化的參數，鈍化終端執行溫度、光質、時長的控制。經過野外試驗表明，該系統具有響應速度快、控制精度高、適用范圍廣和工作穩定可靠等特點。

關鍵詞：植物病毒；熱處理；鈍化系統

中圖分類號： S24；S126文獻標志碼： A文章編號：1002-1302（2015）01-0376-05

收稿日期：2014-04-03

基金項目：江蘇省科技支撐計劃（編號：BE2011349）；江蘇省鎮江市科技計劃（編號：NY2010023）。

作者簡介：劉艷（1983—），女，內蒙通遼人，碩士，助理研究員，主要從事環境微生物研究。E-mail：cauee@163.com。

通信作者：王永平，教授，主要從事園藝植物組織培養研究。E-mail：wyp1961@126.com。熱處理脫毒是根據病毒與寄生細胞對高溫的忍耐程度不同，選擇適當的溫度和處理時間處理植物，由于植物的生長速度超過病毒的擴散速度，可得到小部分不含病毒的植物分生組織，再進行無病毒個體培育，從而達到脫毒的目的[1]。

植物病毒熱脫毒一般通過熱水或熱空氣進行[2]。最早利用熱處理治療植物病害是采用溫湯浸漬。在植物病害的處理中最成功的的例子是在1923年采用溫湯處理甘蔗的一種病毒病[3]。目前已經在馬鈴薯、百合、草莓、甘薯、葡萄、梨、油桃和蘋果等多種植物的脫毒培養中得到應用[4-12]。目前，熱脫毒技術都需將植株全部放入加熱介質中，長期熱處理容易造成植物熱致死。

針對以上存在問題，本研究設計了一種綜合考慮植物生長特性、可變溫熱處理、同時可調節鈍化期間光質等因素的植物病毒鈍化裝置及系統。該裝置采用熱空氣處理的方法，只需將植物部分莖段進行高溫處理，而不需將植物全部放入加熱介質中，可精確控制植物熱鈍化的時間和溫度。該系統能在大田中直接使用，而不需將植物移植到室內或苗缽。

1系統設計

考慮到獲取外植體的外界植物生長地方不同和實用方便情況，采用無線ZigBee通信技術，主站控制多個從站的方式，并做防水、防泥沙處理。為了使用和查找更換方便，使用模塊化設計，包括電源模塊、主處理器模塊、輔助處理器模塊、ZigBee 通信模塊、鈍化終端模塊等。主站和多個從站之間采用ZigBee方式進行無線通信。主站實現控制參數的設置、發送、界面顯示，同時采集從站溫度等相關的數據。從站接收、執行主站發來的設置參數，進行判斷、參數存儲、執行溫度數據采集，實現恒溫驅動控制、LED光照等動作（圖1）。

2硬件設計

2.1電源模塊

控制分站的電源采用交流220 V供電，經過開關電源變為直流電12 V，再經過電源模塊電路，變為控制分站所需的+5 V電源。直流電12 V經過二極管D27單向保護，瞬態二極管D4保護，C1、C2濾波，輸入到穩壓芯片U1。極性電容C4、電感L1組成輸出濾波電路，R1、R2組成分壓電路，R3、D6組成電源指示電路。該電源具有反向保護，輸出具有短路保護、過流保護等功能。采用開關穩壓集成電路LM2576，效率高、輸出電流大，最大可獲得3A電流輸出。過流保護采用了瞬態電壓抑制器P6KE33A，有效保護電子線路中的精密元器件，免受浪涌脈沖的損壞?？刂品终镜母鞑糠帜K電路均為+5 V供電（圖2）。

2.2通信模塊

主站和從站之間采用ZigBee通信，通信所用ZigBee網絡基于IEEE 802.15.4國際標準、上層協議為ZigBee協議棧，具有低功耗、低速率、高可靠性、網絡路由功能強大、自恢復及冗余性能優異等特點，本研究使用的是ZICM2410，通過串行口和主處理器輔助處理器相連（圖3）。

2.3ZigBee電源模塊

由于ZICM2410模塊使用的是3.3 V電源，使用CAT6219芯片將5 V電源轉化得到3.3 V電源，電源電路如圖4所示。

2.4輔助處理器模塊

輔助處理器作為從站的處理核心，從ZigBee接受數據并處理數據，并把從主站接受的鈍化相關參數交給鈍化模塊執行。采用了工業級ATMEGA32AU單片機，是高性能、低功耗的8位AVR微處理器，內部有32KB Flash、2K SRAM、8路10位A/D轉換、4通道PWM、32個可編程I/O口，有正常、空閑、掉電3種模式。其中JTAG1為程序下載口，完成程序的燒寫；裝有外部看門狗復位電路，PD0和PD1為串行通信接

口，負責與ZigBee通信模塊進行通信；PD4-PD7連接撥碼開關S2，是4位一體編碼開關，用于設置控制分站的地址；PA口用于控制8路繼電器；PB口接8路溫度傳感器；PC0、PC1和PC6用于控制鈍化器中的LED燈光模塊（圖5）。

2.5鈍化終端模塊

鈍化終端模塊是從站的眼和手，負責采集外界溫度，執行LED燈光控制和恒溫控制操作。

2.5.1鈍化終端LED燈光控制模塊植物生長誘導需要不同的光，燈光控制電路如圖6所示，連接輔助處理器的DS、ST_CP 和SH_CP，通過74HC595把串行數據轉為并行數據，控制8路鈍化終端的LED燈光，可實現RGB顏色任意組合，并可控制亮度。其中R1至R8為8路鈍化終端的紅色LED控制端，G1至G8為8路鈍化終端的綠色LED控制端，B1至B8為8路鈍化終端的藍色LED控制端。

2.5.2鈍化終端恒溫控制模塊鈍化終端的恒溫控制模塊的加熱器驅動電路的作用是控制鈍化器終端內部加熱器，輸入為輔助處理器的JR1至JR8。由于加熱器采用220 V市電供電，安全方面考慮使用了繼電器進行控制。由于單片機IO口的驅動能力有限，使用了一款電流放大芯片ULN2803，能有效增加驅動能力，從而控制繼電器的吸合，能有效控制加熱芯的供電開關（圖7） 。endprint

2.6主處理器模塊

主站作為大腦，由主控制器和對應的ZigBee通信模塊組成。主控制器采用24 V開關電源供電，使用威綸通 MT6070iH 觸摸屏，內置有存儲器、實時時鐘、串行通信接口、USB通信接口，通過RS232或RS485連接ZigBee，通過觸摸屏人機交互界面設置病毒鈍化的相關參數（如病毒鈍化溫度、鈍化時間、光照等），并存儲在非易失存儲器里，主處理器通過串行總線把數據發送給ZigBee，再通過ZigBee通信模塊無線發送給控制分站；由輔助處理器負責接受處理，同時輔助處理器也會把鈍化終端的各種參數（如溫度數據等）返回給主處理器，由主處理器顯示在觸摸屏界面上。

3系統軟件

系統軟件包括上位機軟件和下位機軟件2個部分。

下位機軟件主要包括ATMEG32管腳定義初始化、 傳感

器解析處理函數、加熱控制函數、ZigBee通信函數、初始化控制函數、74HC595輸出處理函數、外部看門狗，實現了溫度采集、光照、加熱的自動控制功能和ZigBee通信功能（圖8）。系統啟動時首先初始化，將得到的寄存器地址存儲。檢測ZigBee是否連接，未連接則重啟ZigBee模塊，喂狗。若是通信正常，則進入大循環，等待由上位機的命令。上位機由用戶根據生物生長要求設置鈍化器的溫度、光照信息。下位機接到命令后，采集當前溫度和設定值比較并開燈。若是溫度適合則不加熱，溫度高或低時控制繼電器的開合降低溫度或升高溫度，達到設定溫度。

上位機軟件使用威倫通公司的專用開發軟件開發。開機首先系統初始化，檢測ZigBee模塊的連接，未連接則重啟直至連接正常。將下位機發送的各個鈍化器狀態寫入對應的寄存器，然后進入操作界面，對需要操作的鈍化器進行操作設置，發送給下位機。上位機和下位機是實時連接的。

4系統應用

本裝置及系統已經在江蘇農林職業技術學院草莓基地得到應用。使用過程中將“紅頰”草莓的匍匐莖放入鈍化器的套管中，然后設置鈍化溫度白天為38 ℃、夜間為20 ℃，經過14 d的鈍化后，結合莖尖培養，剝離莖尖，同時剝離未經熱處理的莖尖作對照，置于MS+0.5 mg/L BA的培養基上，進行無菌培養，誘導出草莓組培苗后，采用酶聯免疫法檢測草莓斑駁病毒、草莓鑲脈病毒、草莓皺縮病毒，結果表明，脫除的比率高達95%。草莓苗在高溫鈍化期間沒有死亡，鈍化過程全部在大田進行，降低了鈍化成本和勞動強度。

5結論

本研究結合植物熱脫毒中對溫度、時間、光照等的要求提出了一種植物病毒鈍化器的結構及系統， 包括主控制器和多

個控制分站，各控制器之間采用ZigBee方式無線通信。主控制器包括相連接的第一、第二微處理器；控制分站包括第三微處理器和ZigBee通信模塊，第三微處理器與多個鈍化終端鏈接。工作時將需要鈍化病毒的植物放入鈍化終端，由主控制器設置病毒鈍化的參數，第三微處理器對鈍化終端執行溫度、光質、時長的控制，滿足不同植物的鈍化需求。該系統具有響應速度快、控制精度高、適用范圍廣、工作穩定可靠等特點。

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