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摘要：高温脱毒法的原理是病毒粒子不耐高温。本研究设计了一种综合考虑脱毒温度、脱毒时间、光环境等因素的植物病毒钝化结构及系统。该系统包括主控制器和多个控制分站，各控制器之间采用ZigBee方式无线通信；工作时将需要钝化病毒的植物茎段放入钝化终端，由主控制器设置病毒钝化的参数，钝化终端执行温度、光质、时长的控制。经过野外试验表明，该系统具有响应速度快、控制精度高、适用范围广和工作稳定可靠等特点。
关键词：植物病毒；热处理；钝化系统
中图分类号： S24；S126文献标志码： A文章编号：1002-1302（2015）01-0376-05
收稿日期：2014-04-03
基金项目：江苏省科技支撑计划（编号：BE2011349）；江苏省镇江市科技计划（编号：NY2010023）。
作者简介：刘艳（1983—），女，内蒙通辽人，硕士，助理研究员，主要从事环境微生物研究。E-mail：[email protected]。
通信作者：王永平，教授，主要从事园艺植物组织培养研究。E-mail：[email protected]。热处理脱毒是根据病毒与寄生细胞对高温的忍耐程度不同，选择适当的温度和处理时间处理植物，由于植物的生长速度超过病毒的扩散速度，可得到小部分不含病毒的植物分生组织，再进行无病毒个体培育，从而达到脱毒的目的[1]。
植物病毒热脱毒一般通过热水或热空气进行[2]。最早利用热处理治疗植物病害是采用温汤浸渍。在植物病害的处理中最成功的的例子是在1923年采用温汤处理甘蔗的一种病毒病[3]。目前已经在马铃薯、百合、草莓、甘薯、葡萄、梨、油桃和苹果等多种植物的脱毒培养中得到应用[4-12]。目前，热脱毒技术都需将植株全部放入加热介质中，长期热处理容易造成植物热致死。
针对以上存在问题，本研究设计了一种综合考虑植物生长特性、可变温热处理、同时可调节钝化期间光质等因素的植物病毒钝化装置及系统。该装置采用热空气处理的方法，只需将植物部分茎段进行高温处理，而不需将植物全部放入加热介质中，可精确控制植物热钝化的时间和温度。该系统能在大田中直接使用，而不需将植物移植到室内或苗钵。
1系统设计
考虑到获取外植体的外界植物生长地方不同和实用方便情况，采用无线ZigBee通信技术，主站控制多个从站的方式，并做防水、防泥沙处理。为了使用和查找更换方便，使用模块化设计，包括电源模块、主处理器模块、辅助处理器模块、ZigBee 通信模块、钝化终端模块等。主站和多个从站之间采用ZigBee方式进行无线通信。主站实现控制参数的设置、发送、界面显示，同时采集从站温度等相关的数据。从站接收、执行主站发来的设置参数，进行判断、参数存储、执行温度数据采集，实现恒温驱动控制、LED光照等动作（图1）。
2硬件设计
2.1电源模块
控制分站的电源采用交流220 V供电，经过开关电源变为直流电12 V，再经过电源模块电路，变为控制分站所需的 5 V电源。直流电12 V经过二极管D27单向保护，瞬态二极管D4保护，C1、C2滤波，输入到稳压芯片U1。极性电容C4、电感L1组成输出滤波电路，R1、R2组成分压电路，R3、D6组成电源指示电路。该电源具有反向保护，输出具有短路保护、过流保护等功能。采用开关稳压集成电路LM2576，效率高、输出电流大，最大可获得3A电流输出。过流保护采用了瞬态电压抑制器P6KE33A，有效保护电子线路中的精密元器件，免受浪涌脉冲的损坏。控制分站的各部分模块电路均为 5 V供电（图2）。
2.2通信模块
主站和从站之间采用ZigBee通信，通信所用ZigBee网络基于IEEE 802.15.4国际标准、上层协议为ZigBee协议栈，具有低功耗、低速率、高可靠性、网络路由功能强大、自恢复及冗余性能优异等特点，本研究使用的是ZICM2410，通过串行口和主处理器辅助处理器相连（图3）。
2.3ZigBee电源模块
由于ZICM2410模块使用的是3.3 V电源，使用CAT6219芯片将5 V电源转化得到3.3 V电源，电源电路如图4所示。
2.4辅助处理器模块
辅助处理器作为从站的处理核心，从ZigBee接受数据并处理数据，并把从主站接受的钝化相关参数交给钝化模块执行。采用了工业级ATMEGA32AU单片机，是高性能、低功耗的8位AVR微处理器，内部有32KB Flash、2K SRAM、8路10位A/D转换、4通道PWM、32个可编程I/O口，有正常、空闲、掉电3种模式。其中JTAG1为程序下载口，完成程序的烧写；装有外部看门狗复位电路，PD0和PD1为串行通信接
口，负责与ZigBee通信模块进行通信；PD4-PD7连接拨码开关S2，是4位一体编码开关，用于设置控制分站的地址；PA口用于控制8路继电器；PB口接8路温度传感器；PC0、PC1和PC6用于控制钝化器中的LED灯光模块（图5）。
2.5钝化终端模块
钝化终端模块是从站的眼和手，负责采集外界温度，执行LED灯光控制和恒温控制操作。
2.5.1钝化终端LED灯光控制模块植物生长诱导需要不同的光，灯光控制电路如图6所示，连接辅助处理器的DS、ST_CP 和SH_CP，通过74HC595把串行数据转为并行数据，控制8路钝化终端的LED灯光，可实现RGB颜色任意组合，并可控制亮度。其中R1至R8为8路钝化终端的红色LED控制端，G1至G8为8路钝化终端的绿色LED控制端，B1至B8为8路钝化终端的蓝色LED控制端。
2.5.2钝化终端恒温控制模块钝化终端的恒温控制模块的加热器驱动电路的作用是控制钝化器终端内部加热器，输入为辅助处理器的JR1至JR8。由于加热器采用220 V市电供电，安全方面考虑使用了继电器进行控制。由于单片机IO口的驱动能力有限，使用了一款电流放大芯片ULN2803，能有效增加驱动能力，从而控制继电器的吸合，能有效控制加热芯的供电开关（图7） 。 2.6主处理器模块
主站作为大脑，由主控制器和对应的ZigBee通信模块组成。主控制器采用24 V开关电源供电，使用威纶通 MT6070iH 触摸屏，内置有存储器、实时时钟、串行通信接口、USB通信接口，通过RS232或RS485连接ZigBee，通过触摸屏人机交互界面设置病毒钝化的相关参数（如病毒钝化温度、钝化时间、光照等），并存储在非易失存储器里，主处理器通过串行总线把数据发送给ZigBee，再通过ZigBee通信模块无线发送给控制分站；由辅助处理器负责接受处理，同时辅助处理器也会把钝化终端的各种参数（如温度数据等）返回给主处理器，由主处理器显示在触摸屏界面上。
3系统软件
系统软件包括上位机软件和下位机软件2个部分。
下位机软件主要包括ATMEG32管脚定义初始化、 传感
器解析处理函数、加热控制函数、ZigBee通信函数、初始化控制函数、74HC595输出处理函数、外部看门狗，实现了温度采集、光照、加热的自动控制功能和ZigBee通信功能（图8）。系统启动时首先初始化，将得到的寄存器地址存储。检测ZigBee是否连接，未连接则重启ZigBee模块，喂狗。若是通信正常，则进入大循环，等待由上位机的命令。上位机由用户根据生物生长要求设置钝化器的温度、光照信息。下位机接到命令后，采集当前温度和设定值比较并开灯。若是温度适合则不加热，温度高或低时控制继电器的开合降低温度或升高温度，达到设定温度。
上位机软件使用威伦通公司的专用开发软件开发。开机首先系统初始化，检测ZigBee模块的连接，未连接则重启直至连接正常。将下位机发送的各个钝化器状态写入对应的寄存器，然后进入操作界面，对需要操作的钝化器进行操作设置，发送给下位机。上位机和下位机是实时连接的。
4系统应用
本装置及系统已经在江苏农林职业技术学院草莓基地得到应用。使用过程中将“红颊”草莓的匍匐茎放入钝化器的套管中，然后设置钝化温度白天为38 ℃、夜间为20 ℃，经过14 d的钝化后，结合茎尖培养，剥离茎尖，同时剥离未经热处理的茎尖作对照，置于MS 0.5 mg/L BA的培养基上，进行无菌培养，诱导出草莓组培苗后，采用酶联免疫法检测草莓斑驳病毒、草莓镶脉病毒、草莓皱缩病毒，结果表明，脱除的比率高达95%。草莓苗在高温钝化期间没有死亡，钝化过程全部在大田进行，降低了钝化成本和劳动强度。
5结论
本研究结合植物热脱毒中对温度、时间、光照等的要求提出了一种植物病毒钝化器的结构及系统， 包括主控制器和多
个控制分站，各控制器之间采用ZigBee方式无线通信。主控制器包括相连接的第一、第二微处理器；控制分站包括第三微处理器和ZigBee通信模块，第三微处理器与多个钝化终端链接。工作时将需要钝化病毒的植物放入钝化终端，由主控制器设置病毒钝化的参数，第三微处理器对钝化终端执行温度、光质、时长的控制，满足不同植物的钝化需求。该系统具有响应速度快、控制精度高、适用范围广、工作稳定可靠等特点。
参考文献：
[1]Kassanis B，Posnette A F. Thermo-therapy of virus-infected plants[J]. Recent advances in Botany，1961，1：557-563.
[2]Ten Houten J G. Quak F，van der Meer F A.heat treatment and meristem culture for the production of virus-free plant material[J]. Netherlands Journal of Plant Pathology，1968，74（1）：17-24.
[3]田中宽康，王焕玉.热处理脱毒的果树病毒种类和处理方法[J]. 国外农学：果树，1984（4）：39-42.
[4]ip V. Eradication of potato viruses A and S by thermotherapy and sprout tip culture[J]. Potato Research，1972，15（3）：270-273.
[5]Lozoya-Saldaa H，Merlin-Lara O. Thermotherapy and tissue culture for elimination of potato virus X（PVX）in Mexican potato cultivars resistant to late blight[J]. American Potato Journal，1984，61（12）：735-739.
[6]席梦利，王节萍，章静娟，等. 宜兴百合脱毒技术[J]. 江苏农业学报，2001，17（1）：49-51.
[7]覃兰英，邓世秀，李青，等. 培育草莓脱毒苗方法的研究[J]. 园艺学报，1988，15（3）：175-179.
[8]兰平，李文凤，朱水芳，等. 热处理结合茎尖培养去除甘薯丛枝病植原体[J]. 西北农林科技大学学报：自然科学版，2001（3）：1-4.
[9]曹孜义，李唯，李知行，等. 葡萄去病毒和无毒苗试管快繁技术研究[J]. 植物学通报，1992（增刊）：18.
[10]Tan R R，Wang L P，Hong N，et al. Enhanced efficiency of virus eradication following thermotherapy of shoot-tip cultures of pear[J]. Plant Cell，Tissue and Organ Culture，2010，101（2）：229-235.
[11]Manganaris G A，Economou A S，Boubourakas I N，et al. Elimination of PPV and PNRSV through thermotherapy and meristem-tip culture in nectarine[J]. Plant Cell Reports，2003，22（3）：195-200.
[12]Paprstein F，Sedlak J，Polak J，et al. Results of in vitro thermotherapy of apple cultivars[J]. Plant Cell，Tissue and Organ Culture，2008，94（3）：347-352.潘德峰，闫少锋，杨延春. 沿海大棚农业种植区“内三沟”标准的试验研究[J]. 江苏农业科学，2015，43（1）：381-383.
关键词：植物病毒；热处理；钝化系统
中图分类号： S24；S126文献标志码： A文章编号：1002-1302（2015）01-0376-05
收稿日期：2014-04-03
基金项目：江苏省科技支撑计划（编号：BE2011349）；江苏省镇江市科技计划（编号：NY2010023）。
作者简介：刘艳（1983—），女，内蒙通辽人，硕士，助理研究员，主要从事环境微生物研究。E-mail：[email protected]。
通信作者：王永平，教授，主要从事园艺植物组织培养研究。E-mail：[email protected]。热处理脱毒是根据病毒与寄生细胞对高温的忍耐程度不同，选择适当的温度和处理时间处理植物，由于植物的生长速度超过病毒的扩散速度，可得到小部分不含病毒的植物分生组织，再进行无病毒个体培育，从而达到脱毒的目的[1]。
植物病毒热脱毒一般通过热水或热空气进行[2]。最早利用热处理治疗植物病害是采用温汤浸渍。在植物病害的处理中最成功的的例子是在1923年采用温汤处理甘蔗的一种病毒病[3]。目前已经在马铃薯、百合、草莓、甘薯、葡萄、梨、油桃和苹果等多种植物的脱毒培养中得到应用[4-12]。目前，热脱毒技术都需将植株全部放入加热介质中，长期热处理容易造成植物热致死。
针对以上存在问题，本研究设计了一种综合考虑植物生长特性、可变温热处理、同时可调节钝化期间光质等因素的植物病毒钝化装置及系统。该装置采用热空气处理的方法，只需将植物部分茎段进行高温处理，而不需将植物全部放入加热介质中，可精确控制植物热钝化的时间和温度。该系统能在大田中直接使用，而不需将植物移植到室内或苗钵。
1系统设计
考虑到获取外植体的外界植物生长地方不同和实用方便情况，采用无线ZigBee通信技术，主站控制多个从站的方式，并做防水、防泥沙处理。为了使用和查找更换方便，使用模块化设计，包括电源模块、主处理器模块、辅助处理器模块、ZigBee 通信模块、钝化终端模块等。主站和多个从站之间采用ZigBee方式进行无线通信。主站实现控制参数的设置、发送、界面显示，同时采集从站温度等相关的数据。从站接收、执行主站发来的设置参数，进行判断、参数存储、执行温度数据采集，实现恒温驱动控制、LED光照等动作（图1）。
2硬件设计
2.1电源模块
控制分站的电源采用交流220 V供电，经过开关电源变为直流电12 V，再经过电源模块电路，变为控制分站所需的 5 V电源。直流电12 V经过二极管D27单向保护，瞬态二极管D4保护，C1、C2滤波，输入到稳压芯片U1。极性电容C4、电感L1组成输出滤波电路，R1、R2组成分压电路，R3、D6组成电源指示电路。该电源具有反向保护，输出具有短路保护、过流保护等功能。采用开关稳压集成电路LM2576，效率高、输出电流大，最大可获得3A电流输出。过流保护采用了瞬态电压抑制器P6KE33A，有效保护电子线路中的精密元器件，免受浪涌脉冲的损坏。控制分站的各部分模块电路均为 5 V供电（图2）。
2.2通信模块
主站和从站之间采用ZigBee通信，通信所用ZigBee网络基于IEEE 802.15.4国际标准、上层协议为ZigBee协议栈，具有低功耗、低速率、高可靠性、网络路由功能强大、自恢复及冗余性能优异等特点，本研究使用的是ZICM2410，通过串行口和主处理器辅助处理器相连（图3）。
2.3ZigBee电源模块
由于ZICM2410模块使用的是3.3 V电源，使用CAT6219芯片将5 V电源转化得到3.3 V电源，电源电路如图4所示。
2.4辅助处理器模块
辅助处理器作为从站的处理核心，从ZigBee接受数据并处理数据，并把从主站接受的钝化相关参数交给钝化模块执行。采用了工业级ATMEGA32AU单片机，是高性能、低功耗的8位AVR微处理器，内部有32KB Flash、2K SRAM、8路10位A/D转换、4通道PWM、32个可编程I/O口，有正常、空闲、掉电3种模式。其中JTAG1为程序下载口，完成程序的烧写；装有外部看门狗复位电路，PD0和PD1为串行通信接
口，负责与ZigBee通信模块进行通信；PD4-PD7连接拨码开关S2，是4位一体编码开关，用于设置控制分站的地址；PA口用于控制8路继电器；PB口接8路温度传感器；PC0、PC1和PC6用于控制钝化器中的LED灯光模块（图5）。
2.5钝化终端模块
钝化终端模块是从站的眼和手，负责采集外界温度，执行LED灯光控制和恒温控制操作。
2.5.1钝化终端LED灯光控制模块植物生长诱导需要不同的光，灯光控制电路如图6所示，连接辅助处理器的DS、ST_CP 和SH_CP，通过74HC595把串行数据转为并行数据，控制8路钝化终端的LED灯光，可实现RGB颜色任意组合，并可控制亮度。其中R1至R8为8路钝化终端的红色LED控制端，G1至G8为8路钝化终端的绿色LED控制端，B1至B8为8路钝化终端的蓝色LED控制端。
2.5.2钝化终端恒温控制模块钝化终端的恒温控制模块的加热器驱动电路的作用是控制钝化器终端内部加热器，输入为辅助处理器的JR1至JR8。由于加热器采用220 V市电供电，安全方面考虑使用了继电器进行控制。由于单片机IO口的驱动能力有限，使用了一款电流放大芯片ULN2803，能有效增加驱动能力，从而控制继电器的吸合，能有效控制加热芯的供电开关（图7） 。 2.6主处理器模块
主站作为大脑，由主控制器和对应的ZigBee通信模块组成。主控制器采用24 V开关电源供电，使用威纶通 MT6070iH 触摸屏，内置有存储器、实时时钟、串行通信接口、USB通信接口，通过RS232或RS485连接ZigBee，通过触摸屏人机交互界面设置病毒钝化的相关参数（如病毒钝化温度、钝化时间、光照等），并存储在非易失存储器里，主处理器通过串行总线把数据发送给ZigBee，再通过ZigBee通信模块无线发送给控制分站；由辅助处理器负责接受处理，同时辅助处理器也会把钝化终端的各种参数（如温度数据等）返回给主处理器，由主处理器显示在触摸屏界面上。
3系统软件
系统软件包括上位机软件和下位机软件2个部分。
下位机软件主要包括ATMEG32管脚定义初始化、 传感
器解析处理函数、加热控制函数、ZigBee通信函数、初始化控制函数、74HC595输出处理函数、外部看门狗，实现了温度采集、光照、加热的自动控制功能和ZigBee通信功能（图8）。系统启动时首先初始化，将得到的寄存器地址存储。检测ZigBee是否连接，未连接则重启ZigBee模块，喂狗。若是通信正常，则进入大循环，等待由上位机的命令。上位机由用户根据生物生长要求设置钝化器的温度、光照信息。下位机接到命令后，采集当前温度和设定值比较并开灯。若是温度适合则不加热，温度高或低时控制继电器的开合降低温度或升高温度，达到设定温度。
上位机软件使用威伦通公司的专用开发软件开发。开机首先系统初始化，检测ZigBee模块的连接，未连接则重启直至连接正常。将下位机发送的各个钝化器状态写入对应的寄存器，然后进入操作界面，对需要操作的钝化器进行操作设置，发送给下位机。上位机和下位机是实时连接的。
4系统应用
本装置及系统已经在江苏农林职业技术学院草莓基地得到应用。使用过程中将“红颊”草莓的匍匐茎放入钝化器的套管中，然后设置钝化温度白天为38 ℃、夜间为20 ℃，经过14 d的钝化后，结合茎尖培养，剥离茎尖，同时剥离未经热处理的茎尖作对照，置于MS 0.5 mg/L BA的培养基上，进行无菌培养，诱导出草莓组培苗后，采用酶联免疫法检测草莓斑驳病毒、草莓镶脉病毒、草莓皱缩病毒，结果表明，脱除的比率高达95%。草莓苗在高温钝化期间没有死亡，钝化过程全部在大田进行，降低了钝化成本和劳动强度。
5结论
本研究结合植物热脱毒中对温度、时间、光照等的要求提出了一种植物病毒钝化器的结构及系统， 包括主控制器和多
个控制分站，各控制器之间采用ZigBee方式无线通信。主控制器包括相连接的第一、第二微处理器；控制分站包括第三微处理器和ZigBee通信模块，第三微处理器与多个钝化终端链接。工作时将需要钝化病毒的植物放入钝化终端，由主控制器设置病毒钝化的参数，第三微处理器对钝化终端执行温度、光质、时长的控制，满足不同植物的钝化需求。该系统具有响应速度快、控制精度高、适用范围广、工作稳定可靠等特点。
参考文献：
[1]Kassanis B，Posnette A F. Thermo-therapy of virus-infected plants[J]. Recent advances in Botany，1961，1：557-563.
[2]Ten Houten J G. Quak F，van der Meer F A.heat treatment and meristem culture for the production of virus-free plant material[J]. Netherlands Journal of Plant Pathology，1968，74（1）：17-24.
[3]田中宽康，王焕玉.热处理脱毒的果树病毒种类和处理方法[J]. 国外农学：果树，1984（4）：39-42.
[4]ip V. Eradication of potato viruses A and S by thermotherapy and sprout tip culture[J]. Potato Research，1972，15（3）：270-273.
[5]Lozoya-Saldaa H，Merlin-Lara O. Thermotherapy and tissue culture for elimination of potato virus X（PVX）in Mexican potato cultivars resistant to late blight[J]. American Potato Journal，1984，61（12）：735-739.
[6]席梦利，王节萍，章静娟，等. 宜兴百合脱毒技术[J]. 江苏农业学报，2001，17（1）：49-51.
[7]覃兰英，邓世秀，李青，等. 培育草莓脱毒苗方法的研究[J]. 园艺学报，1988，15（3）：175-179.
[8]兰平，李文凤，朱水芳，等. 热处理结合茎尖培养去除甘薯丛枝病植原体[J]. 西北农林科技大学学报：自然科学版，2001（3）：1-4.
[9]曹孜义，李唯，李知行，等. 葡萄去病毒和无毒苗试管快繁技术研究[J]. 植物学通报，1992（增刊）：18.
[10]Tan R R，Wang L P，Hong N，et al. Enhanced efficiency of virus eradication following thermotherapy of shoot-tip cultures of pear[J]. Plant Cell，Tissue and Organ Culture，2010，101（2）：229-235.
[11]Manganaris G A，Economou A S，Boubourakas I N，et al. Elimination of PPV and PNRSV through thermotherapy and meristem-tip culture in nectarine[J]. Plant Cell Reports，2003，22（3）：195-200.
[12]Paprstein F，Sedlak J，Polak J，et al. Results of in vitro thermotherapy of apple cultivars[J]. Plant Cell，Tissue and Organ Culture，2008，94（3）：347-352.潘德峰，闫少锋，杨延春. 沿海大棚农业种植区“内三沟”标准的试验研究[J]. 江苏农业科学，2015，43（1）：381-383.