李澍源，郭巧惠，林 真，鄭志聰，練開明

(福建農林大學金山學院，福建 福州 350002)

0 引言

水肥一體化技術相比原有的灌溉技術有著革命性的變化，它是將肥料與水進行一定的配比后，直接將混合后的肥料澆灌到植株根系，使得養(yǎng)分可以充分地被植株吸收。這一方式可以極大地提升肥料的利用率、減少肥料在土壤中的流失。隨著水肥一體化技術的不斷發(fā)展和得到重視，加上科學技術的不斷突破，智能化種植技術正逐步取代人工作業(yè)。如何能精準地實現(xiàn)水肥調節(jié)一直是我國農業(yè)發(fā)展過程中探索的問題，若過度施肥則會對植株造成損害，抑制葉綠素的合成，同時也會造成肥料的浪費；而若施肥不足則會影響植物生長，導致其生長緩慢、抑制其有效成分的積累。精準的水肥調節(jié)，不僅可以使植株得到其相對較適合的養(yǎng)分供給以提高產量，更能增加經濟效益[1-6]。

本文設計一套基于STM32的水肥調節(jié)系統(tǒng)，通過控制氮、磷、鉀及微量元素和水的調節(jié)閥開度，可以實現(xiàn)對不同植株較好的精準施肥。以生菜為研究對象，以生菜最適水肥配比為標準，保證氮、磷、微量元素在標準水肥配比的前提下，控制調節(jié)閥不同開度使鉀肥分別為5個濃度梯度時對5組生菜樣本進行施肥澆灌。對不同鉀肥濃度下生長的生菜葉片進行圖像采集，對比研究不同鉀肥濃度與生菜葉片面積和植株高度的關系，得到控制系統(tǒng)對電磁閥開度控制所對應的鉀肥配比調整策略，從而實現(xiàn)水肥配比的精準調節(jié)。

1 系統(tǒng)組成架構

基于STM32的水肥調節(jié)控制系統(tǒng)是通過控制不同調節(jié)閥開度來實現(xiàn)對生菜的精準施肥灌溉。系統(tǒng)組成架構如圖1所示，根據(jù)生菜生長培養(yǎng)液配方，在保證氮肥、磷肥、其他微量元素及水的配比為生菜生長標準水肥配比濃度時，調節(jié)鉀肥閥為不同開度，使鉀肥濃度為標準濃度的0%、25%、50%、75%、100%。各種液體肥料閥打開后，液體統(tǒng)一匯入肥料罐，均勻混合后通過管道輸送到植物根部。

圖1 系統(tǒng)組成結構Fig.1 Schematic diagram of system structure

2 水肥調節(jié)控制系統(tǒng)

2.1 STM32控制系統(tǒng)

采用的MCU是以STM32為核心的控制板，相比于51單片機，其擁有更多可用的IO接口，可滿足系統(tǒng)連接多臺控制設備的需求以及后期增加設備的可能；同時STM32擁有更強大的內核，在整體控制速度及效率上也相比較51單片機快很多[7-8]。STM32目前已經廣泛應用在諸多的嵌入式控制領域，可靠性也得到了驗證。STM32控制核心部分電路原理如圖2所示，STM32核心控制板模塊實物如圖3所示。

2.2 電磁閥模塊及控制

水肥調節(jié)系統(tǒng)中采用電磁閥作為不同管道的開關，通過控制水閥、氮肥閥、磷肥閥、鉀肥閥、其他微量元素閥，以及1～5號培養(yǎng)箱對應的電磁閥來實現(xiàn)對生菜水肥配比的調節(jié)。德力西電磁閥如圖4所示，采用的型號是2W025-08，12V供電。

電磁閥控制是通過其打開時間的長短來實現(xiàn)開度不同的調整，當在標準濃度下進行配比時導通時間為T100表示開度為100%，若要得到25%標準濃度即(電磁閥開度25%)的水肥配比就是讓對應肥料閥導通時間為T25，T25與T100的比值即為所表示的開度，如式(1)所示。

圖2 STM32控制系統(tǒng)核心部分原理Fig.2 Schematic diagram of core part of STM32 control system

圖3 STM32核心控制板模塊實物Fig.3 Physical module of STM32 core control board

圖4 電磁閥實物Fig.4 Physical drawing of solenoid valve

(1)

根據(jù)水肥配比的要求，分別控制水閥、氮肥閥、磷肥閥、鉀肥閥、其他微量元素閥的開通時間，通過開通時間的不同實現(xiàn)對應閥門流入肥料罐的水肥配比為所需的配比濃度。每次肥料罐中存有配比好后的水肥液后，打開1～5號培養(yǎng)箱其中一個的電磁閥，使得該培養(yǎng)箱植株獲得所需濃度的肥料液。

3 水肥調節(jié)系統(tǒng)試驗

3.1 試驗目的和條件

為驗證基于STM32的水肥調節(jié)控制系統(tǒng)的水肥配比調節(jié)對植株生長的影響，采用生菜作為水肥調節(jié)系統(tǒng)的施肥對象，生菜采用水培的方式進行種植，共分為5個水培箱，每個水培箱的水肥液都由單獨一個閥門控制，每次水肥配比后肥料罐內的混合肥料液就進入其中某個打開閥門的培養(yǎng)箱內，每次只有其中一個培養(yǎng)液箱對應閥門打開[9-10]。

本試驗各組的生菜幼苗是初期在同一條件下已經育好的且生長狀況相同，后期將培養(yǎng)好的幼苗進行水培種植，放置在試驗培養(yǎng)架上，采用合成的光源按時照射以模擬自然光源，保持室內溫度處于生菜生長的最適溫度18～20 ℃。定期按照不同的水肥配比，給各水培箱內注入對應濃度的水肥營養(yǎng)液。其中兩個培養(yǎng)箱種植的植株場景如圖5所示，白色導管是進入培養(yǎng)箱內肥料液的通道，由閥門打開或關斷控制其肥料液進入。

3.2 試驗方法

每組培養(yǎng)箱種植的生菜對應水肥配比是在保證該水培箱氮、磷、微量元素水肥配比為標準生菜種植濃度，讓鉀肥對應濃度從組1到組5分別為標準濃度的0%、25%、50%、75%、100%。這樣就可以保證1～5號培養(yǎng)箱內的水肥配比是在其他條件不變的情況下，變量為鉀肥液的濃度。每次灌溉時，讓鉀肥在5個不同濃度梯度下分別對應打開1號閥、2號閥、3號閥、4號閥、5號閥。使得1～5號培養(yǎng)箱生菜分別在不同鉀肥濃度下生長。

圖5 試驗種植生菜場景Fig.5 Scene of experiment planting lettuce

通過一段時間的種植，可以得到不同鉀肥濃度下種植的植株，本試驗方法同樣可以應用在當其他肥料元素濃度作為變量時的情況下。通過采集種植后期每組植株多個樣本圖像，得到對應樣本的葉片面積和植株高度，得到不同鉀肥液濃度與植株生長狀態(tài)之間的關系，為水肥調節(jié)系統(tǒng)的精準調節(jié)提供依據(jù)[11]。如圖6所示從左到右為鉀肥濃度在0～100%共5個濃度梯度下葉片樣本圖。生菜生長后期1～5號培養(yǎng)箱的生菜生長實物如圖7所示。

圖6 不同鉀肥濃度下植株葉片F(xiàn)ig.6 Leaves of plants at different potassium fertilizer concentrations

圖7 對照組生菜生長實物Fig.7 Lettuce growth in control group

3.3 試驗數(shù)據(jù)結果分析

本試驗采用5個不同鉀肥濃度，每個濃度對應的培養(yǎng)箱種植9株生菜。通過STM32控制系統(tǒng)，控制不同調節(jié)閥按照一定的時間和順序進行分組調節(jié)，使得水肥調節(jié)得到較好的實施。

通過后期植株圖像的采集，得到生菜葉片面積和植株高度隨濃度不同產生的變化。不同鉀肥濃度與葉片面積和植株高度的關系如圖8所示，從總體數(shù)據(jù)變化走勢來看，隨著施肥濃度越接近最適濃度，生菜的葉片面積越大且植株高度也越高，說明水肥配比的濃度對于生菜的生長具有一定的影響。

圖8中兩個關系圖曲線分別經過擬合后得到如圖9所示的不同鉀肥濃度與葉片面積和植株高度的關系，從擬合曲線可以得到更為準確的植株葉片面積和高度隨濃度變化的總體趨勢。從圖上擬合后的曲線可以明顯看出，濃度的變化對植株生長的影響具有顯著性，濃度越接近最適濃度，植株葉片面積和高度都呈現(xiàn)增長趨勢，所以控制好準確的水肥配比對植物生長及產量提升是至關重要的。

圖8 不同鉀肥濃度與葉片面積和植株高度的關系Fig.8 Relationship between different potassium fertilizer concentrations and leaf area and plant height

圖9 不同鉀肥濃度與葉片面積和植株高度關系擬合曲線Fig.9 Fitting curve of relation between different potassium fertilizer concentration and leaf area and plant height

4 結束語

本系統(tǒng)利用基于STM32的控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了不同濃度水肥配比的調節(jié)，并通過試驗得到了驗證。所設計的水肥一體化調節(jié)系統(tǒng)是以生菜作為研究對象，進行了不同濃度鉀肥的調節(jié)試驗，結果表明本系統(tǒng)可以使生菜在生長過程中得到精確的水培配比營養(yǎng)液，對其生長具有明顯的促進作用。本系統(tǒng)同樣可以實現(xiàn)對其他不同肥料元素濃度的調節(jié)，具有精準度高、穩(wěn)定性好的特點，可以很好地應用在農業(yè)大棚中來促進瓜果蔬菜植株更好地生長，具有較好的應用價值。