王一涯+陳曙光+王憲菊

摘要 針對(duì)溫室大棚傳統(tǒng)的灌溉存在水資源浪費(fèi)、利用率低等問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一套自動(dòng)噴灌控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)以STM32F103單片機(jī)為核心，利用空氣濕度傳感器和土壤濕度傳感器進(jìn)行溫室環(huán)境參數(shù)的實(shí)時(shí)采集，采集的數(shù)據(jù)送入單片機(jī)中，利用軟件濾波算法和加權(quán)控制算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，將處理后的數(shù)據(jù)與設(shè)置的限值進(jìn)行比較，根據(jù)比較結(jié)果控制電磁閥實(shí)現(xiàn)噴灌工作。系統(tǒng)還具有參數(shù)設(shè)定、超限報(bào)警、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和實(shí)時(shí)顯示等功能。

關(guān)鍵詞 STM32F103；花卉；土壤濕度；噴灌

中圖分類號(hào) S237 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1007-5739（2017）10-0164-02

Abstract For the problems of water resource waste and low utilization of greenhouses traditional irrigation，designed a set of automatic irrigation control system.The system with STM32F103 as the core，used air humidity sensor and soil humidity sensor for real-time acquisition of greenhouse environment parameters，data was sent to MCU，dealed with data by using the software filtering algorithm and weighted control algorithm，the processed data was compared with set limit.Sprinkler irrigation work was achieved by relay control solenoid valve.System had the functions of parameter setting，data storage and real-time display and transfinite alarm.

Key words STM32F103；flower；soil moisture；sprinkler irrigation

水資源缺乏是當(dāng)今世界面臨的主要重大問(wèn)題之一，已引起各國(guó)關(guān)注。近年來(lái)，溫室花卉生產(chǎn)發(fā)展迅速，目前絕大多數(shù)溫室大棚的灌溉模式陳舊，水的利用率只有 45%。因此，在溫室大棚中引入節(jié)水噴灌控制技術(shù)應(yīng)用研究對(duì)促進(jìn)我國(guó)水資源的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義[1]。節(jié)水灌溉通過(guò)采用先進(jìn)的灌溉方法和控制技術(shù)將水源盡可能均勻、適度地分配到作物根區(qū)土壤中，使土壤長(zhǎng)期保持適宜于作物生長(zhǎng)的水分、通氣和營(yíng)養(yǎng)狀況等條件，從而達(dá)到提高水的利用率和節(jié)約用水的目的[2]。節(jié)水灌溉技術(shù)是我國(guó)水利發(fā)展的薄弱環(huán)節(jié)，是我國(guó)現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用中的不足，因而節(jié)水灌溉技術(shù)勢(shì)在必行。

溫室花卉生長(zhǎng)發(fā)育與環(huán)境因素息息相關(guān)，其關(guān)鍵環(huán)境參數(shù)有空氣溫度、濕度、土壤墑情、CO2濃度和光照強(qiáng)度等。為使控制系統(tǒng)更加精確、穩(wěn)定、可靠，本文選擇空氣濕度和土壤濕度為控制對(duì)象，根據(jù)二者的變化實(shí)時(shí)控制花卉的灌溉量，以達(dá)到溫室花卉的自動(dòng)噴灌控制的目的。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件主要由STM32F103單片機(jī)、空氣濕度傳感器模塊、土壤濕度傳感器模塊、按鍵模塊、LCD液晶顯示模塊、報(bào)警模塊、存儲(chǔ)模塊和驅(qū)動(dòng)模塊組成[3]。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

空氣濕度傳感器采用DHT11，其是一款校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度復(fù)合傳感器，該傳感器具有雙功能，可同時(shí)測(cè)量溫度和濕度，該傳感器與單片機(jī)采用單線制串行通信，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、響應(yīng)速度快；土壤濕度傳感器采用SM2801B，SM2801B是新一代土壤水分測(cè)量傳感器，采用工業(yè)級(jí)精密核心原件，是一款高精度、高可靠性的土壤濕度傳感器，與單片機(jī)通信采用RS485標(biāo)準(zhǔn)MODBUS-RTU協(xié)議；按鍵電路采用3個(gè)獨(dú)立按鍵，分別為設(shè)置鍵、參數(shù)加鍵和參數(shù)減鍵，因?yàn)榛ɑ茉诓煌L(zhǎng)周期對(duì)空氣濕度和土壤水分的需求情況不同，可通過(guò)按鍵模塊設(shè)置各個(gè)時(shí)期的最佳環(huán)境參數(shù)；存儲(chǔ)模塊采用I2C總線接口的AT24C02芯片，保存設(shè)置后的參數(shù)，實(shí)現(xiàn)掉電保護(hù)；LCD液晶顯示模塊可實(shí)時(shí)顯示空氣濕度和土壤濕度[4]；報(bào)警模塊采用揚(yáng)聲器，當(dāng)環(huán)境參數(shù)越限時(shí)，單片機(jī)發(fā)出控制信號(hào)，驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器發(fā)聲；當(dāng)環(huán)境參數(shù)在正常范圍內(nèi)、驅(qū)動(dòng)電路不動(dòng)作、電磁閥關(guān)閉、參數(shù)接近越限時(shí)，單片機(jī)發(fā)出控制信號(hào)，驅(qū)動(dòng)電路發(fā)出動(dòng)作，電磁閥打開(kāi)，開(kāi)始灌溉。

1.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)硬件電路設(shè)計(jì)，系統(tǒng)軟件程序采用模塊化編程思想，利用Keil uVision3開(kāi)發(fā)環(huán)境，使用C51語(yǔ)言編寫實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)主程序分為數(shù)據(jù)采集模塊、按鍵掃描模塊、顯示模塊、存儲(chǔ)模塊和控制輸出模塊。

1.2.1 系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)。系統(tǒng)上電首先初始化，然后調(diào)用按鍵掃描子程序，檢測(cè)是否有按鍵按下，若有按鍵按下，LCD 顯示進(jìn)入相關(guān)參數(shù)（上下限值和權(quán)重）設(shè)置界面，并將設(shè)置好的參數(shù)保存在存儲(chǔ)器AT24C02內(nèi)；傳感器實(shí)時(shí)采集環(huán)境信息，單片機(jī)對(duì)采集后的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，調(diào)用濾波子程序，將濾波后的數(shù)據(jù)（空氣濕度值和土壤濕度值）作為當(dāng)前有效數(shù)據(jù)保存在單片機(jī)內(nèi)部，并調(diào)用加權(quán)控制算法子程序，對(duì)空氣濕度值和土壤濕度值加權(quán)求平均值，將該參數(shù)作為衡量環(huán)境的有效因子，與設(shè)置的上下限值做比較，以確定是否開(kāi)始灌溉[5]。系統(tǒng)的工作流程如圖2所示。

1.2.2 數(shù)據(jù)濾波子程序設(shè)計(jì)?？紤]到現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境惡劣、采樣值受干擾較大，系統(tǒng)采用了軟件濾波的方法保障系統(tǒng)的可靠性。工作原理是連續(xù)采樣N次數(shù)據(jù)，從N個(gè)數(shù)據(jù)中去掉最大值和最小值，計(jì)算剩下N-2個(gè)數(shù)據(jù)的平均值，把求取的平均值作為當(dāng)此采樣數(shù)據(jù)的有效值[6-7]。具體編程實(shí)現(xiàn)方法是創(chuàng)建一個(gè)一維數(shù)組，數(shù)組的長(zhǎng)度是N，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，N的取值一般為10～13，采樣的數(shù)據(jù)依次存入數(shù)組，當(dāng)N個(gè)數(shù)據(jù)采滿后，從中找出最大值和最小值，從數(shù)組中剔除，再求剩余數(shù)組元素的平均值。

1.2.3 加權(quán)控制算法程序設(shè)計(jì)?；ɑ苁欠裥枰喔仁怯啥喹h(huán)境因素決定的。本系統(tǒng)選取空氣濕度和土壤濕度的綜合因子作為灌溉條件，以土壤濕度參數(shù)作為主要環(huán)境因子。具體實(shí)現(xiàn)方法是對(duì)有效空氣濕度值和土壤濕度值加權(quán)求平均值，將求取的值作為綜合環(huán)境因子[8]?？諝鉂穸鹊臋?quán)重范圍為 0.2～0.4，土壤濕度的權(quán)值范圍為0.6～0.8，2個(gè)權(quán)值和為1。不同季節(jié)權(quán)重取值也不同，可通過(guò)按鍵對(duì)權(quán)重靈活設(shè)置。

2 結(jié)論

通過(guò)實(shí)際應(yīng)用，本文設(shè)計(jì)的基于STM32F103的溫室花卉自動(dòng)噴灌控制系統(tǒng)能夠滿足生產(chǎn)需求。系統(tǒng)采用軟件濾波算法對(duì)空氣濕度和土壤濕度進(jìn)行處理，利用加權(quán)控制算法求取了2個(gè)環(huán)境參數(shù)的綜合因子，達(dá)到了精準(zhǔn)灌溉控制的效果。

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