蔡宇晶，陳澤宇，李麗敏，樊丹丹，任隴剛，胡冰濤

（西安工程大學(xué)電子信息學(xué)院，西安 710600）

1 引 言

我國(guó)傳統(tǒng)灌溉主要采用大水漫灌、噴灌和滴灌的方式，以人的經(jīng)驗(yàn)作為灌溉的依據(jù)，往往難以精細(xì)考慮作物的實(shí)際需水情況，導(dǎo)致水資源浪費(fèi)且無益于作物產(chǎn)量的提高。為改善這一現(xiàn)狀，學(xué)者們對(duì)節(jié)水灌溉展開了研究。張明陽等人提出并設(shè)計(jì)日光溫室智能放風(fēng)設(shè)備，但并沒有考慮節(jié)水灌溉［1］；程力提出智能農(nóng)業(yè)大棚環(huán)境遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，但其智能化程度有限［2］；趙磊等人提出基于云平臺(tái)的溫室智能灌溉系統(tǒng)，但其并未涉及到產(chǎn)能提高的問題［2］?；诖爽F(xiàn)狀，在此設(shè)計(jì)一種基于STM22 的智能大棚控制系統(tǒng)。系統(tǒng)的遙測(cè)終端以M2 內(nèi)核STM22F102ZET6微處理器為主控模塊，搭配設(shè)計(jì)環(huán)境因子采集、智能灌溉、環(huán)境調(diào)控等模塊［4］。對(duì)大棚內(nèi)溫濕度［5-7］、光照強(qiáng)度和CO2濃度進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并由人工、遠(yuǎn)程和智能三種模式調(diào)控大棚內(nèi)環(huán)境，力求使農(nóng)作物獲得最適宜的生長(zhǎng)條件，提高產(chǎn)能。系統(tǒng)會(huì)依據(jù)灌溉時(shí)間、作物需求和專家經(jīng)驗(yàn)來控制機(jī)井水泵的啟閉以達(dá)到節(jié)約用水的目的。生產(chǎn)者也可以在手機(jī)上直觀查看作物生長(zhǎng)狀況，不必親臨現(xiàn)場(chǎng)，從而節(jié)約人力物力。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與硬件選型

2.1 總體方案

此款智能大棚控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案如圖1所示。首先設(shè)計(jì)STM22 最小系統(tǒng)電路，其中包含微控制器芯片、電源電路、程序下載電路等。為采集大棚內(nèi)環(huán)境信息，如光照強(qiáng)度、CO2濃度等，設(shè)計(jì)環(huán)境因子采集模塊。為調(diào)節(jié)控制大棚內(nèi)環(huán)境，設(shè)計(jì)環(huán)境調(diào)控模塊，將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行算法處理，得到控制命令并下達(dá)給排氣扇等輸出設(shè)備。為有效控制棚內(nèi)各種氣體的濃度，設(shè)計(jì)報(bào)警模塊。為在手機(jī)上觀察到作物生長(zhǎng)情況，設(shè)計(jì)Wi-Fi 通信和GPRS 通信模塊。為高效利用水資源并進(jìn)一步提高灌溉效果，設(shè)計(jì)土壤墑情傳感器、灌溉控制模塊、智能灌溉模塊等。為便利操作，設(shè)計(jì)按鍵屏顯模塊。當(dāng)使用人工模式調(diào)控環(huán)境時(shí)，還要設(shè)計(jì)獨(dú)立按鍵控制系統(tǒng)。

圖1 系統(tǒng)總體方案

2.2 硬件選型

硬件選型主要針對(duì)的是環(huán)境因子采集模塊與環(huán)境調(diào)控模塊設(shè)備，并從輸入與輸出兩方面著手［8］。

2.2.1 輸入設(shè)備

系統(tǒng)選用的相關(guān)傳感器包括：溫濕度傳感器、光照度傳感器和二氧化碳傳感器。各類傳感器的選型及參數(shù)簡(jiǎn)介如下：

溫濕度傳感器: 主要功能是將溫濕度信號(hào)采集出來，進(jìn)行信號(hào)處理，轉(zhuǎn)換成線性的電流或電壓信號(hào)輸出。此處選用數(shù)字溫濕度傳感器DHT22，其擁有超長(zhǎng)的信號(hào)傳輸距離和超低能耗，穩(wěn)定性良好。設(shè)備實(shí)物如圖2 所示。

圖2 溫濕度傳感器實(shí)物

它的基本參數(shù)為：

溫度范圍：-40～80℃；測(cè)量精度：±0.5℃；濕度范圍：0～100%RH；測(cè)量精度:±2%RH（25 ℃）；分辨率：16 位。

光照度傳感器：將光照度大小轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，通過485 芯片傳輸數(shù)據(jù)；通過控制光照度影響作物產(chǎn)量。此處選用高精度RS485 光照傳感器。該產(chǎn)品功耗低，體積小，安裝方便。設(shè)備實(shí)物如圖2 所示。它的基本參數(shù)為：

測(cè)量范圍：0～188000Lux；工作電壓：2～5V；工作電流：8mA；響應(yīng)頻率：1Hz；工作溫度：-20～85℃。

圖3 光照度傳感器實(shí)物

二氧化碳傳感器：主要功能為監(jiān)測(cè)CO2濃度。此處選用RS485 型二氧化碳傳感器。該產(chǎn)品靈敏度高，測(cè)量精準(zhǔn)。實(shí)物如圖4 所示。它的基本參數(shù)為：

圖4 二氧化碳傳感器實(shí)物

測(cè)量范圍：2000 ～5000 ppm；測(cè)量精度：±（40 ppm+2%F·S）（25℃）；數(shù)據(jù)更新時(shí)間：2 s；輸出信號(hào)：485/4～20mA/0～5V/0～10V。

2.2.2 輸出設(shè)備

系統(tǒng)用到的輸出設(shè)備有排氣扇、溫室補(bǔ)光燈、遮陽卷簾機(jī)、CO2發(fā)生器、溫室加熱器、溫室加濕器和氣體報(bào)警控制器。部分設(shè)備介紹如下：

排氣扇：由電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)風(fēng)葉旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)氣流，使空氣流通?？山璐顺ナ覂?nèi)的污濁空氣，調(diào)節(jié)溫濕度和感覺效果。

溫室補(bǔ)光燈：在符合植物生長(zhǎng)自然規(guī)律和光合作用原理的前提下，使用溫室補(bǔ)光燈替代太陽光源，提供大棚作物生長(zhǎng)成熟所需光照。

遮陽卷簾機(jī)：增加大棚內(nèi)的光照時(shí)間，提高并保持大棚內(nèi)的溫度，使農(nóng)作物產(chǎn)量提高，不受季節(jié)限制而提早上市。既節(jié)省勞力，又增加效益。

氣體報(bào)警控制器：當(dāng)棚內(nèi)CO2、O2等氣體濃度不在合格閾值內(nèi)時(shí)，及時(shí)報(bào)警，以此調(diào)控氣體在空氣中的含量。

3 智能大棚軟件設(shè)計(jì)

3.1 軟件設(shè)計(jì)流程

智能大棚系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集中心、數(shù)據(jù)傳輸中心、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)中心、數(shù)據(jù)顯示、控制中心和執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成。軟件總體設(shè)計(jì)流程如圖5 所示。

圖5 系統(tǒng)軟件流程圖

中心站將采集后的溫濕度、光照強(qiáng)度等環(huán)境數(shù)據(jù)接入并處理，采用模糊控制算法技術(shù)［9］進(jìn)一步分析，進(jìn)而得到控制命令并且下達(dá)給相應(yīng)的輸出設(shè)備。最終可以實(shí)現(xiàn)溫濕度、光照強(qiáng)度、CO2、節(jié)水澆灌量的調(diào)節(jié)等。

3.2 軟件控制

以如上流程設(shè)計(jì)出的大棚控制系統(tǒng)以如下三種模式工作：

人工模式：采用獨(dú)立按鍵控制，依據(jù)優(yōu)先級(jí)的高低，先后啟動(dòng)各采集任務(wù)。系統(tǒng)會(huì)檢測(cè)是否有按鍵按下，若沒有按鍵按下，則繼續(xù)執(zhí)行任務(wù)；若有鍵按下，則先識(shí)別按鍵，再執(zhí)行其對(duì)應(yīng)的控制任務(wù)。

遠(yuǎn)程模式：下載手機(jī)APP 客戶端，個(gè)人或企業(yè)用戶可注冊(cè)并登錄帳號(hào)，在客戶端中發(fā)出啟動(dòng)采集任務(wù)指令或控制指令，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出設(shè)備的遠(yuǎn)程控制。

智能模式：智能控制模式是將采集的空氣溫濕、CO2濃度、光照度和土壤墑情等作為輸入值通過模糊控制算法處理，控制電磁閥、排氣扇等輸出設(shè)備的啟閉，來調(diào)控農(nóng)作物灌溉時(shí)間，實(shí)現(xiàn)作物精準(zhǔn)灌溉。

4 智能灌溉控制實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證所設(shè)計(jì)系統(tǒng)實(shí)際功能表現(xiàn)，進(jìn)行實(shí)地?cái)?shù)據(jù)采集分析。選取土豆作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象作物。

按照文獻(xiàn)［10］，渭河流域一帶的土壤田間持水量為22.7%～26.0%，取平均值24.25%。土豆生長(zhǎng)的最適宜溫度范圍為10～21℃，最佳濕度范圍為70～80%RH，最佳光照強(qiáng)度范圍為20000～40000Lux。土豆根系絕大多數(shù)處于25～40cm 土壤區(qū)域，渭河流域25～40cm 區(qū)域平均土壤容重為1.45g/cm2。

據(jù)此，將土豆最適溫濕度、光照強(qiáng)度、土壤含水量等作為設(shè)置值輸入，調(diào)試程序并下載，上電后選擇模式。當(dāng)模式選為人工模式時(shí)，通過按鍵手動(dòng)控制硬件輸出設(shè)備的啟閉，以此調(diào)節(jié)到大棚的最適環(huán)境條件；當(dāng)模式選為智能模式時(shí)，各傳感器監(jiān)測(cè)到的數(shù)值與設(shè)置值不同時(shí)，自發(fā)地調(diào)節(jié)各輸出設(shè)備，調(diào)節(jié)大棚內(nèi)環(huán)境至土豆的最適溫濕度等；當(dāng)模式選為遠(yuǎn)程模式時(shí)，在手機(jī)上對(duì)大棚環(huán)境進(jìn)行實(shí)施監(jiān)測(cè)，實(shí)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境如圖6 所示。

圖6 系統(tǒng)測(cè)試工作現(xiàn)場(chǎng)

使用該系統(tǒng)從大棚現(xiàn)場(chǎng)測(cè)得土豆生長(zhǎng)各個(gè)周期的土壤體積含水量，一共測(cè)取六份樣本，具體數(shù)據(jù)如表1 示。

表1 系統(tǒng)檢測(cè)到的樣本土壤體積含水量

將系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果與文獻(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證系統(tǒng)的模糊算法在對(duì)作物生長(zhǎng)及土壤墑情參數(shù)的實(shí)際監(jiān)控中起到真實(shí)有效的作用。

5 結(jié) 束 語

發(fā)展并推廣智能大棚，可以使作物更好地適應(yīng)一定地域范圍內(nèi)的不同氣候，從而使我國(guó)更多土地得以有效耕種，并在最大程度上節(jié)約水資源。通過設(shè)計(jì)出的算法精準(zhǔn)控制大棚內(nèi)作物的生長(zhǎng)環(huán)境，提高了自動(dòng)化水平，有助于提高產(chǎn)能，節(jié)約人力物力。本設(shè)計(jì)的智能大棚控制系統(tǒng)，對(duì)于提高農(nóng)作物收成、方便農(nóng)民，具有重要的意義。