趙 穎，紀(jì)建偉，崔會坤，閆 爽，王曉偉，孫周平

(1.沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院，沈陽 110866；2.沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院，沈陽 110866)

0 引 言

溫室環(huán)境智能控制是由當(dāng)代農(nóng)業(yè)生物學(xué)技術(shù)、環(huán)境工程學(xué)技術(shù)、自動控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與管理科學(xué)技術(shù)等多種技術(shù)的綜合起來的應(yīng)用。改善環(huán)境條件使作物生長在最佳的環(huán)境狀態(tài)，進(jìn)而使農(nóng)作物的質(zhì)量、產(chǎn)量等得到大幅度的提升[1]。但是干旱缺水問題已經(jīng)危機(jī)到自然生態(tài)系統(tǒng)、糧食安全以及人類健康，農(nóng)業(yè)灌溉用水占全球淡水消耗的70%左右，而浪費(fèi)的多達(dá)30%～40%。目前不同的灌溉方式對于水分利用率存在較大差異，例如，傳統(tǒng)的溝灌方式只有50%～60%被利用，但是滴灌的利用率達(dá)到95%。因此，高效的灌溉既可以提高水資源的利用率，又可以使糧食產(chǎn)量翻番[2]。

丁煬超等[3]將作物的需水量和溫室的溫濕度作為研究的主要目標(biāo)，設(shè)計(jì)一種基于STM32的控制器對溫室環(huán)境和土壤進(jìn)行采集并傳輸至中控機(jī)，對溫室環(huán)境和土壤參數(shù)進(jìn)行控制，完成灌溉，結(jié)果使作物的產(chǎn)量提高20%；張長利等[4]采用嵌入式技術(shù)、ZigBee技術(shù)和GPRS技術(shù)設(shè)計(jì)一種遠(yuǎn)程灌溉監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)根據(jù)作物的種類、生長情況以及土壤情況將土壤水分傳感器埋設(shè)在不同深度的土壤中，分別為5、10、和20 cm。對土壤水分閾值的檢測，結(jié)果表明灌溉的水量大部分沒有滲透根系以下，實(shí)現(xiàn)了按需灌溉和遠(yuǎn)程自動集中控制；Harmanlo等[5]運(yùn)用Penman-Monteith方程對番茄在四種不同灌溉水平的生長、產(chǎn)量以及水分利用率進(jìn)行研究。結(jié)果表明，在75%ETc為番茄的最優(yōu)需水量，則實(shí)際的灌溉量為4.1～5.6 mm/d[0.3～0.4 L/(株·d)]，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)灌溉；Kirda等[6]利用一種基于每天的太陽輻射和水分蒸發(fā)的線性關(guān)系的方法估算番茄的水分利用率，在溫室的不同位置放置燒杯，通過觀察番茄在燒杯中的生長情況來預(yù)測在土壤中的蒸散量，提高了水資源的利用率。由于協(xié)調(diào)土壤水氣環(huán)境用于保證作物根系的正常新陳代謝和優(yōu)質(zhì)的根區(qū)環(huán)境，是灌溉的追求目標(biāo)。在灌溉過程中或是在地下滴灌灌水器的周圍可能會出現(xiàn)周期性或短時性的滯水，這將會導(dǎo)致濕潤區(qū)的土壤空氣的含量減少，減少作物的產(chǎn)量[2]。

針對以上不足，本文設(shè)計(jì)一種基于Penman-Monteith方程的智能灌溉系統(tǒng)，對作物進(jìn)行精準(zhǔn)灌溉。其思想是由空氣溫濕度傳感器、太陽光照傳感器、土壤水分出傳感器對溫室環(huán)境進(jìn)行實(shí)時采集，采集數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)采集器傳送至上位機(jī)，同時裝設(shè)恒壓變頻控制器，保證供水系統(tǒng)的穩(wěn)定，減小出水壓力對氧傳質(zhì)系數(shù)的抑制[2]。

1 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)是以STM32為主控制器，包括數(shù)據(jù)采集模塊、控制模塊、報(bào)警模塊、通信模塊、顯示模塊、GPRS模塊等。該系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)原理圖如圖1所示。首先，土壤水分傳感器采集土壤濕度，判斷番茄是否缺水，設(shè)定一個參數(shù)，用來啟動灌溉模型。數(shù)據(jù)模塊將空氣溫濕度傳感器、太陽輻射傳感器采集的環(huán)境參數(shù)傳送至核心控制模塊，并傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，根據(jù)番茄的蒸發(fā)蒸騰量模型，計(jì)算出蒸騰量。上位機(jī)發(fā)出灌溉命令，由溫室內(nèi)電氣柜來控制電磁閥的開閉，及時補(bǔ)充作物散失的水分，實(shí)現(xiàn)精確灌溉。因?yàn)閷τ诓煌魑锏牟煌L階段的需水量不同，這時可以通過鍵盤設(shè)定不同階段的需水量的范圍，進(jìn)而充分的滿足作物的需水量及生長需求。其次，可以通過GPRS通信模塊將數(shù)據(jù)傳送到手機(jī)，這樣即使工作人員不在場，也可以通過遠(yuǎn)程對溫室大棚作物需水實(shí)行智能控制。當(dāng)控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警信號，工作人員可以立即發(fā)現(xiàn)故障并即使處理。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)原理圖Fig. 1 Schematic diagram of system structure

1.2 灌溉模型的選擇

作物需水量計(jì)算是灌溉理論的重要依據(jù)，因此根據(jù)作物生長環(huán)境的因素變化來確定灌溉的時間和作物的需水量。在實(shí)際生活中，一般認(rèn)為作物的需水量就是作物的蒸發(fā)蒸騰量。目前對于作物蒸發(fā)蒸騰量的參考模型有很多[7-10]，但應(yīng)用最為準(zhǔn)確的是由聯(lián)合國糧農(nóng)組織推薦的Penman-Monteith公式[11]，見式(1)。

(1)

式中：ET0為作物的蒸發(fā)蒸騰量，mm/d；△為飽和水汽壓與溫度關(guān)系曲線的斜率，kPa/℃；G為土壤的熱通量，MJ/(m2·d)；T為平均氣溫，℃；γ為濕度計(jì)常數(shù)，kPa/℃，通常取0.064 6 kPa/℃；u2為距離地面2 m以上的風(fēng)速m/s；es、ea為飽和水汽壓和實(shí)際水汽壓，kPa；Rn為作物表面受太陽的凈輻射量，MJ/(m2·d)，即是單位面積上對作物光合作用有效頻段的光(400～700 nm)所攜帶的能量。一般情況下光照傳感器測得的是光照度(lux勒克斯)，由光學(xué)計(jì)量單位的定義可知：Rn=683V(λ)lx， 其中，V(λ)是光譜的可見度系數(shù)函數(shù)[12]。

因?yàn)樵跍厥覂?nèi)沒有風(fēng)速，所以該公式不適用于溫室環(huán)境，需要進(jìn)行修正。適用于溫室的Penman-Monteith修正公式[13]，見式(2)。

(2)

通過汪小旵[14]的方法計(jì)算es、ea和Δ的值，見公式(3)，式(4)，式(5)。

(3)

ea=Ues

(5)

式(4)中：U為溫室內(nèi)空氣的相對濕度，%。

由于灌溉水量也決定于灌溉時間，因此溫室灌溉監(jiān)控系統(tǒng)需要控制好每次開啟閥門的時間就能精確地灌溉輸水量。通過監(jiān)測溫室的溫度和濕度的環(huán)境參數(shù)，進(jìn)行模型計(jì)算。其單次灌溉的時間模型見[7]式(6)。

(6)

式中：t為單次灌溉的時間，min；Kc為作物系數(shù)，對于番茄，取0.8；S1，S2為分別指滴灌管間距和滴頭間距，mm；Q為滴頭流量，mm2/h。

通過溫室的蒸發(fā)蒸騰量和單次灌溉的時間模型，需要監(jiān)測空氣溫濕度，土壤濕度，太陽凈輻射量等環(huán)境參數(shù)，對作物進(jìn)行精準(zhǔn)灌溉。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 STM32核心控制模塊

本系統(tǒng)選擇意法半導(dǎo)體(ST)公司的工業(yè)級芯片 STM32F103RFT6 作為嵌入式微處理器，采用ARM Cortex-M3為內(nèi)核的STM32芯片，內(nèi)部有768KB Flash和 96KB RAM，支持SWD和JTAG 兩種調(diào)試模式及IAP和ISP編程，提供3路串口[4,15,16]，既可以通過串口與外接設(shè)備進(jìn)行通信，同時又可以串行通信的方式與 GPRS 模塊進(jìn)行AT 指令的交互，同時它還帶有硬件SPI，能夠很方便地實(shí)現(xiàn) SPI 模式下的SD讀寫操作，并且功耗較低，能夠較好地滿足無線數(shù)據(jù)通信模塊基本功能的實(shí)現(xiàn)。其工作的供電電壓為2.0～3.6 V，為了滿足工作電壓，所以選擇以LM805的芯片將外部的12 V供電電源轉(zhuǎn)換5 V，再選擇ASM111的芯片將其轉(zhuǎn)換成3.3 V。

2.2 變頻控制器

變頻控制器是應(yīng)用變頻技術(shù)與微電子技術(shù)，通過改變電機(jī)工作電源頻率的方式來控制交流電動機(jī)的電力控制設(shè)備。變頻控制器保證用水和供水之間的不平衡，保持供水壓力的恒定，不僅提高供水的壓力，而且以防壓力過大時，滴灌管被漲破，對土壤的氧傳質(zhì)系數(shù)起到抑制作用。壓力過小時，水流不足。根據(jù)壓力控制的點(diǎn)位置的不同進(jìn)行調(diào)節(jié)，可以將控制點(diǎn)設(shè)在最不利點(diǎn)，還可以將控制點(diǎn)設(shè)于泵出口[17]。

該變頻控制器通過STM32F103RFT6片的多功能，根據(jù)要求設(shè)計(jì)了四路模擬量的輸入以及調(diào)試電路，可以收到流量、壓力傳感器、變送器產(chǎn)生的電壓電流的信號?？梢詫?shí)時檢測現(xiàn)場的環(huán)境參數(shù)，其中，四路模擬量輸出電路采用了10位的DAC芯片、TLC515以及運(yùn)放電路。產(chǎn)生0～10 V的信號，通過內(nèi)設(shè)的控制算法實(shí)現(xiàn)供水系統(tǒng)的閉環(huán)控制。

2.3 傳感器模塊

根據(jù)溫室番茄生長的環(huán)境需求和系統(tǒng)應(yīng)用的不同目的選擇相應(yīng)的傳感器，需要采集空氣溫度、空氣濕度、太陽光照度和土壤濕度等環(huán)境參數(shù)。傳感器的選擇如表1所示。

表1 傳感器的技術(shù)參數(shù)Tab.1 Technical parameters of the sensors

2.4 溫室內(nèi)電氣控制柜

溫室內(nèi)電氣控制柜主要由斷路器、繼電器、指示燈、相序保護(hù)器等組成。其主要是用來控制電磁閥的開關(guān)，以實(shí)現(xiàn)自動安全的灌溉。電磁閥的功率是2 W，由24 V的交流進(jìn)行供電而溫室內(nèi)電氣柜與主控制器通信要通過DO和DI模塊[18]。

2.4.1 DO模塊

DO模塊輸出一個開關(guān)信號，控制電氣柜內(nèi)的中間繼電器線圈的通斷。DO模塊通過485總線與控制器進(jìn)行通信，DO模塊收到主控制器的控制信號后，將信號傳給電氣柜，以此來控制電機(jī)的運(yùn)行。本系統(tǒng)采用ULN2003作為DO模塊的芯片，內(nèi)部是由7個達(dá)林頓管構(gòu)成，每個達(dá)林頓管是由兩個三極管組成。最大的驅(qū)動電壓是50 V，電流500 mA，輸入電壓5 V。其驅(qū)動電路圖見圖2。

圖2 DO模塊驅(qū)動電路圖Fig.2 DO module drive circuit

2.4.2 DI模塊

DI模塊是檢測水泵的運(yùn)行狀況，判斷其是否按照要求進(jìn)行運(yùn)行，母版和通信卡的連接的通訊方式是通過RS-485?，F(xiàn)場采集的數(shù)字信號接入模塊輸入通道端子，經(jīng)過模塊采集處理后傳送給上位機(jī)，其驅(qū)動電路圖見圖3。

圖3 DI模塊驅(qū)動電路圖Fig.3 DI module drive circuit

2.5 GPRS模塊

GPRS模塊的芯片選擇SIM900-A，芯片處理器選擇ARM926EJ-S，實(shí)現(xiàn)短信發(fā)送和數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程透明數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ?。主芯片通過AT指令來訪問SIM900-A中的監(jiān)測軟件，進(jìn)行查詢信息和操作控制[19]。當(dāng)接收短信、溫室環(huán)境參數(shù)顯示時，該芯片的引腳RI拉低一定時間，該引腳與STM32芯片中的wakeup引腳相接，使處于待機(jī)狀態(tài)的STM32芯片轉(zhuǎn)換工作狀態(tài)，當(dāng)沒有任務(wù)時，STM32芯片將會進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)。將來信號設(shè)置為有權(quán)限號碼，便于接收短信息時，對溫室灌溉情況進(jìn)行查詢和終端控制。將短信的命令格式設(shè)置為兩種：一種是查詢和控制終端，格式設(shè)置成“<用戶名><密碼>”，該命令格式和GPRS數(shù)據(jù)傳輸?shù)拿罡袷绞且恢碌模涣硪环N是控制GPRS模塊，命令格式設(shè)置成“操作碼<用戶名><密碼>”，用于實(shí)現(xiàn)GPRS模塊重啟和更改動態(tài)域名等功能。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 下位機(jī)軟件控制流程

下位機(jī)軟件程序由Keil軟件編程，在程序設(shè)計(jì)過程中，使各個模塊盡量達(dá)到低耦合和高內(nèi)聚的要求，下位機(jī)軟件主要包括系統(tǒng)初始化模塊、報(bào)警模塊、顯示模塊、按鍵程序模塊、通信模塊、時鐘模塊、中斷控制模塊。其中下位機(jī)的外設(shè)按鍵可以實(shí)現(xiàn)幫助信息顯示和復(fù)位功能操作。下位機(jī)軟件控制流程圖如圖4所示。該系統(tǒng)初始化完畢后等待上位機(jī)發(fā)送命令，每隔1 min對傳感器的數(shù)據(jù)自動采集，并經(jīng)串口傳輸給上位機(jī)。經(jīng)過對采集環(huán)境溫度和濕度、太陽光照度、土壤水分進(jìn)行模糊計(jì)算，土壤水分將顯示是否需要灌溉，如果水分低于17%[20]，將進(jìn)行灌溉，灌溉可以選擇定時灌溉或自動灌溉，當(dāng)達(dá)到要求或時間到時，控制器控制電磁閥的關(guān)閉，灌溉結(jié)束，上傳數(shù)據(jù)，等待下次灌溉。

圖4 下位機(jī)軟件控制流程圖Fig.4 Lower computer software control flow chart

3.2 上位機(jī)交互界面設(shè)計(jì)

溫室環(huán)境系統(tǒng)軟件包括上位機(jī)環(huán)境控制軟件和下位機(jī)的數(shù)據(jù)處理兩個部分。上位機(jī)的監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)時控制和處理下位機(jī)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)以及命令傳遞，并清晰地顯示傳感器采集的溫室環(huán)境參數(shù)。上位機(jī)中的灌溉控制可以實(shí)現(xiàn)自動控制和手動控制，用戶也可以在上位機(jī)上設(shè)定作物的灌溉模型，由傳感器采集的溫室環(huán)境參數(shù)計(jì)算出灌溉量和灌溉時間，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)灌溉，在界面上查看歷史記錄，便于后期數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、分析和跟蹤記錄等。其上位機(jī)的軟件界面如圖5所示。

圖5 上位機(jī)軟件界面Fig.5 PC software interface

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 試驗(yàn)基本情況

本系統(tǒng)為滑蓋溫室灌溉監(jiān)控系統(tǒng)，示范地為沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)科研基地滑蓋溫室，溫室長60 m，跨度10 m，高5 m。在2016年2月20號定植冬春茬番茄14行，行距1 m，一行種植20株，株距30 m，14行一共280株作為一個灌溉區(qū)，共有4個灌溉區(qū)。灌溉采用箭式滴灌，每個灌溉區(qū)主管使用直徑為32 mm的PE管，支管使用直徑為16 mm的PE管。通過溫濕度傳感器和光照傳感器采集的溫室內(nèi)的環(huán)境參數(shù)經(jīng)過數(shù)據(jù)采集器傳送到單片機(jī)中，根據(jù)設(shè)計(jì)的程序算出番茄的蒸發(fā)蒸騰量ET0。當(dāng)電磁閥打開時，水通過變頻控制器，電磁閥，流量計(jì)流入支管進(jìn)行滴灌，當(dāng)滿足設(shè)定值之后，關(guān)閉電磁閥，停止灌溉。系統(tǒng)通過滴灌管的流量，滴灌管的間距以及蒸騰量來進(jìn)行定時定量的灌溉控制。設(shè)計(jì)了一組對照試驗(yàn)，實(shí)際蒸散量以燒杯中的水量為準(zhǔn)，實(shí)際蒸散量為 。每隔30 min檢測一次蒸騰量，要求對每次的數(shù)據(jù)讀3次，然后取平均值，作為最終的讀數(shù)。

4.2 結(jié)果分析

4.2.1 番茄在不同生育期蒸騰量的日變化

番茄在不同的生育期的需水量不同[21]，其蒸騰量也不同，如圖6所示，對苗期，開花期和結(jié)果期的各時期的某12天進(jìn)行測量，通過實(shí)驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)，番茄每天的蒸騰的失水量分別為：結(jié)果期>開花期>苗期。在苗期因?yàn)樘柕膬糨椛涞膹?qiáng)度不高，葉片少而小，蒸騰量就少，開花期，天氣逐漸變暖，番茄的生長速度加快，蒸騰的需水量增加，到了結(jié)果期，太陽輻射大于前期，為了保證果實(shí)的水分，蒸騰速度加快，其需水量也大大增加。

圖6 番茄在不同生育期蒸騰量的日變化Fig.6 Diurnal variation of transpiration in different growth stages of Tomato

通過圖6可以看出，ET1和ET0的變化趨勢一致，在陰雨天氣，蒸發(fā)的較少，晴天較為平穩(wěn)。由分析可知，由Penman-Monteith公式能夠穩(wěn)定的測量番茄的蒸發(fā)蒸騰量，并且與實(shí)際的蒸發(fā)蒸騰量的變化趨勢基本一致，因此，修正后的Penman-Monteith公式可以用作作物的灌溉理論依據(jù)。

4.2.2 滴灌時間和灌溉量的分析

通過Penman-Monteith方程，計(jì)算出作物的蒸散量，通過其單次灌溉的時間模型，可以計(jì)算出其灌溉量和灌溉時間，表2是在開花期選擇的兩天進(jìn)行試驗(yàn)，計(jì)算其實(shí)際與模擬的滴灌時間和灌溉量。其中4月30日是晴天，5月5日是陰雨天。

表2 4月30日和5月5日實(shí)際與模擬的滴灌時間和滴灌量Tab.2 Actual and simulated drip irrigation time and drip irrigation in April 30th and May 5th

5 結(jié) 語

本智能灌溉系統(tǒng)綜合運(yùn)用自動檢測技術(shù)、傳感器技術(shù)和無線通信技術(shù)等，對滑蓋溫室環(huán)境參數(shù)進(jìn)行實(shí)時采集和管理，根據(jù)番茄生長蒸發(fā)蒸騰量的模型確定灌溉量和灌溉時間。與傳統(tǒng)的溫室大棚相比，本系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)系統(tǒng)操作方便，具有人機(jī)交互界面，對于不懂專業(yè)知識的工作人員也能操作，同時通過GPRS技術(shù)與手機(jī)客戶端連接，能夠?qū)厥掖笈锏沫h(huán)境進(jìn)行遠(yuǎn)程操作。

(2)在實(shí)驗(yàn)過程中，修正后的Penman-Monteith公式計(jì)算的值和對比試驗(yàn)的值的變化趨勢基本一致，有很好的相關(guān)性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，修正后的Penman-Monteith公式模型能夠精準(zhǔn)地測量出蒸發(fā)蒸騰量，及時補(bǔ)充作物散失的水分，實(shí)現(xiàn)補(bǔ)給式精準(zhǔn)灌溉，可以將其作為作物的滴灌模型。

(3)數(shù)據(jù)可以保存在數(shù)據(jù)庫中，當(dāng)出現(xiàn)灌溉故障時，方便查找和分析。

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