劉學(xué)敏

摘 要：隨著現(xiàn)如今農(nóng)業(yè)灌溉技術(shù)的快速發(fā)展，滴灌技術(shù)的應(yīng)用越來越得到人們的重視。相比于傳統(tǒng)的灌溉技術(shù)，滴灌技術(shù)的良好運用再結(jié)合施肥，能夠使得農(nóng)作物有效增產(chǎn)，并且在當(dāng)前水資源缺乏的情況下，節(jié)約大量的水資源。文章基于STM32單片機設(shè)計了一種農(nóng)作物滴灌自動控制系統(tǒng)，通過檢測土壤的濕度和大棚內(nèi)部的溫度來自動控制滴灌閥門的水流量大小，實現(xiàn)一體化控制。

關(guān)鍵詞：滴灌技術(shù)；自動化控制；檢測技術(shù)

中圖分類號：S275 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）02-0112-02

Abstract： With the rapid development of agricultural irrigation technology nowadays， people pay more and more attention to the application of drip irrigation technology. Compared with the traditional irrigation technology， the good use of drip irrigation technology in combination with fertilization can effectively increase crop production， and in the current situation of water resources， save a lot of water resources. In this paper， a crop drip irrigation automatic control system based on STM32 single chip microcomputer is designed. The water flow of drip irrigation valve can be automatically controlled by detecting soil humidity and the temperature inside the shed， and the integrated control can be realized.

Keywords： drip irrigation technology； automatic control； detection technology

引言

我國地源廣大，整體資源豐富，位居世界先列。但由于人口眾多，使得人均資源占有量非常少，位居世界后列，僅為世界平均水平的25%，資源量相對非常匱乏。水資源是人類生存必需的資源之一，我國所有的城市當(dāng)中，將近69%的城市生活水資源供給不足，全國每年的水資源缺少將近400億m3。其中的原因除了人口眾多，另外一個最重要的就是資源的浪費和污染現(xiàn)象嚴重。我國現(xiàn)今是世界的第一大工廠，工業(yè)污染的日益嚴重牽動著多人的心。全國每年的工業(yè)污水的排放量達到了335億m3，很多工廠排放污水不經(jīng)過過濾和消毒處理直接排放至水域，造成干流和支流的大面積污染。

在我國水資源問題日益嚴重的情況下，在我國用水總量中，農(nóng)業(yè)灌溉用水占了將近63%，在如此龐大的農(nóng)業(yè)用水量的前提下，對于農(nóng)業(yè)用水的科學(xué)有效地利用便成了當(dāng)務(wù)之急。本文設(shè)計了一套基于STM32單片機的智能農(nóng)作物滴灌控制系統(tǒng)。整個系統(tǒng)的輸入量設(shè)置為大棚土壤的含水量、大棚內(nèi)部空氣的溫度和濕度，將此類信息進行采集并上傳至中央處理控制器，控制器內(nèi)部通過智能算法進行計算，得出結(jié)果利用RS232串口通信協(xié)議發(fā)送至下行的滴灌閥門控制器。信息監(jiān)測采集系統(tǒng)同時定時監(jiān)測土壤的濕度和空氣中的溫度和濕度，當(dāng)達到了環(huán)境要求的時候停止進行滴灌，從而組成一個自動化的閉環(huán)控制系統(tǒng)。

1 控制系統(tǒng)總體設(shè)計方案

本文設(shè)計的滴灌控制系統(tǒng)裝置，上位機是個人主機或工控主機，用于接受下行單片機上傳的關(guān)于土壤的含水量以及空氣中的濕度和溫度下達相關(guān)的控制指令。上位機不光接受這些數(shù)據(jù)還需要將數(shù)據(jù)儲存、備份，以便再一次遇到相似的數(shù)據(jù)時可以更快的做出反應(yīng)，下達指令，上位機的操控模式分為兩種，一種是人為操控，另外一種是自動操控，不需要人為干預(yù)，自行執(zhí)行閉環(huán)控制。上位機向下通過RS232總線以串口通信的方式連接STM32單片機，STM32單片機接受上位機下發(fā)的處理信息以控制下行的土壤含水量傳感器、空氣溫度傳感器和空氣濕度傳感器進行信息的檢測和采集，采集完成以后會經(jīng)由上述的渠道傳回上位機，由上位機決策并下發(fā)指令。再通過STM32控制滴灌控制閥門，實施農(nóng)作物滴灌。整個系統(tǒng)的運行框圖如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計方案

本系統(tǒng)設(shè)計使用的控制器件主要是STM32，控制的是下行的土壤傳感器、空氣濕度傳感器和空氣溫度傳感器的信息檢測和采集，并將采集后的信息傳回值上位機。STM32作為單片機的一種，其強化型的外設(shè)接口以及和微控制器型號相同的接口，為編程者提供了極大的方便和靈活性，并且單片機控制簡單，無需復(fù)雜的調(diào)試過程，降低了系統(tǒng)操作的難度，使得在實際的應(yīng)用當(dāng)中變得非常適用。STM32單片機的主要功能是將上位機的指令下發(fā)至下行的個控制器操縱其運行，將各控制器收集到的信息匯總至上位機進行決策。

2.1 傳感器

末端各個傳感器的檢測與采集時間和頻率是上位機控制的，本設(shè)計采用溫濕度傳感器來監(jiān)控空氣中的溫度和濕度，減少了傳感器過多而導(dǎo)致的接線復(fù)雜的問題，也直接降低了控制板的制版難度。閥門控制器的主要作用就是接受上位機下發(fā)的通過STM32傳送來的控制指令，開通或者關(guān)閉滴灌閥門。

2.2 供電系統(tǒng)

整個系統(tǒng)的供電系統(tǒng)是通過電量檢測電路來實施的，傳感器和滴灌控制閥門上均安裝有電量檢測電路，電源的供給采用9V堿性電池。通過設(shè)置電量檢測電路可以實時提供電池電量的數(shù)據(jù)，當(dāng)電池的電量低于某個設(shè)定值時則提醒需要更換電池。endprint

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計方案

本系統(tǒng)上位機的作用是檢測濕度和溫度以及下達控制指令。檢測部分軟件采用LabVIEW進行監(jiān)控，LabVIEW是美國的NI研發(fā)的一款程序開發(fā)環(huán)境，是一種類似于C語言的開發(fā)環(huán)境。它和一般的編程軟件的主要差別在于其采用的是文本的語言進行編碼，簡單易懂，易于操作，也使得整個變成的過程變得簡單。LabVIEW適用于檢測功能，其強大的功能可以充分發(fā)揮出計算機的能力，強大的數(shù)據(jù)處理能力使得任何情況下的檢測功能都可以順利實施。

本設(shè)計使用LabVIEW通過RS232串口通信實現(xiàn)了對于大棚當(dāng)中的土壤、空氣的溫度以及濕度進行檢測。LabVIEW的工作界面如圖2所示。

4 系統(tǒng)驗證與結(jié)果

為了探究系統(tǒng)設(shè)計能否按照預(yù)期順利進行，劃取了兩片室外土壤并搭建了大棚，內(nèi)部種植了主要有蔬菜類和花卉類植物。在實驗中還進行了對比因素的設(shè)定，以實現(xiàn)在不同的環(huán)境下該系統(tǒng)均能夠有效的進行自動控制。對比因素設(shè)置為土壤的干燥程度不同，其中種植的植物也有所不同，其他因素均相同，兩套自動控制系統(tǒng)同時安裝在兩個大棚內(nèi)部，同時運行。

大棚內(nèi)部每一株植物的間隙一定，均設(shè)置為0.3m×0.3m，根據(jù)日常蔬菜類植物的灌溉量預(yù)先設(shè)定蔬菜類植物幼苗期起始灌溉量為4000m3/hm2，一般情況下設(shè)定每12至14小時進行滴灌一次。通過上位機進行檢測，每次滴灌后，土壤和空氣中的濕度和溫度變化情況，如果在下一次的檢測中顯示，上一次的滴灌之后未能有效的改善環(huán)境狀況，則會在下一次的滴灌過程中，增加或者減少滴灌的水量或者滴灌的頻率。在實際的系統(tǒng)運行當(dāng)中可能存在的情況是系統(tǒng)可能無法判斷環(huán)境的狀況是否得到了改變，則在下一次滴灌中不能根據(jù)現(xiàn)實狀況正確的改變滴灌水量和頻率，那么后續(xù)誤差將會持續(xù)增大，此時一般需要人為操作改變上位機參數(shù)，防止誤差增大。另外兩塊土壤的施肥量也需要保持一致，定期定量。

在指定的時間內(nèi)，植物成熟以后，將植物全部摘取，分類并稱重。得出的結(jié)果顯示，在干燥的土壤中和濕潤的土壤中，不同的作物均能夠較好的生長。較之濕潤的土壤，干燥土壤中的作物長勢稍好，重量總體稍重。結(jié)果證明本文所設(shè)計的自動滴灌控制系統(tǒng)效果明顯，能夠根據(jù)土壤的實際情況改變灌水量和頻率，保證植物的有效生長。

5 結(jié)束語

由于我國水資源人均占有量缺乏，工業(yè)、農(nóng)業(yè)用水隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展日益提高，使得本就緊缺的水資源顯得更加匱乏。鑒于農(nóng)業(yè)灌溉用水占據(jù)了我國總體用水量的很大一部分，本文實地考察并設(shè)計了一套農(nóng)作物滴灌自動控制系統(tǒng)，可以用于不同環(huán)境下植物生長時所需水資源的自動智能灌溉。本系統(tǒng)主要包括了上位機界面、STM32控制中樞和下行的各個控制器，形成自主檢測、自主分析與自動灌溉的一套智能控制體系。通過具體的試驗驗證了本系統(tǒng)的可靠性，結(jié)果表明提高了滴灌的效率，節(jié)約了水資源，同時也提高了農(nóng)作物種植的經(jīng)濟效益。

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