【摘要】施肥澆水是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的重要環(huán)節(jié)，按時澆水、定量施肥是增產(chǎn)保收的必要措施。目前國內(nèi)外的施肥澆水設(shè)備普遍體積大、價格高，且缺少對大棚或農(nóng)田多種作物施肥澆水的報警管理功能。課題研制的基于環(huán)境參數(shù)的智能化施肥澆水報警管理系統(tǒng)，在開機(jī)狀態(tài)下自動采集環(huán)境溫濕度并判斷報警；在待機(jī)狀態(tài)下依據(jù)設(shè)定的施肥澆水時間點自動啟動并報警。試用結(jié)果表明，系統(tǒng)功能實用，可廣泛用于蔬菜花卉大棚、農(nóng)場等的施肥澆水報警，市場前景廣闊。
　　【關(guān)鍵詞】農(nóng)作物 自動 溫濕度采集 報警 管理系統(tǒng)
　　
　　一、問題的提出
　　我家的陽臺面積很大，打我記事起媽媽就愛養(yǎng)花，養(yǎng)了很多花。我上中學(xué)后，媽媽開始讓我干些家務(wù)，包括給花施肥澆水。這下可壞了，我經(jīng)常把該施肥澆水的事給忘掉，害得我們家當(dāng)時有幾盆花差點兒“犧牲”了。這使我想到要是有一種能根據(jù)環(huán)境溫濕度對施肥澆水進(jìn)行自動提醒的系統(tǒng)就好了，后來我又到中國農(nóng)科院東門的大森林花卉市場轉(zhuǎn)了轉(zhuǎn)，發(fā)現(xiàn)并沒有類似的東西。之后我就把這個想法和我的指導(dǎo)教師馬麗霞老師進(jìn)行了溝通，馬老師鼓勵我再認(rèn)真了解一下當(dāng)前這方面的實際狀況。
　　通過閱讀相關(guān)資料，我對農(nóng)作物的施肥澆水有了全新認(rèn)識。按時澆水、定量施肥是增產(chǎn)保收的必要措施，然而農(nóng)戶往往靠以往經(jīng)驗根據(jù)感覺進(jìn)行施肥澆水，這很可能影響施肥澆水的及時性和科學(xué)性。目前國內(nèi)外開發(fā)出的智能施肥澆水設(shè)備雖然在一定程度上實現(xiàn)了施肥管理，但普遍體積大、價格高。由于一般農(nóng)戶承擔(dān)不起高額的費用，因此更迫切需要一種科學(xué)、簡單、易操作且成本低的系統(tǒng)實現(xiàn)施肥澆水管理。
　　在此背景下，我腦海里便產(chǎn)生了這樣的想法：設(shè)計一種智能化的施肥澆水報警管理系統(tǒng)。
　　二、系統(tǒng)功能和目標(biāo)
　　本系統(tǒng)成本低、操控簡單，可提供施肥澆水的自動報警管理服務(wù)。系統(tǒng)功能主要包括：
　?。?）依據(jù)自動采集到的溫濕度自動報警功能；
　?。?）依據(jù)設(shè)定的時間點自動啟動系統(tǒng)并報警功能；
　　（3）農(nóng)作物、花卉數(shù)據(jù)管理功能；
　?。?）農(nóng)作物、花卉數(shù)據(jù)的導(dǎo)入、導(dǎo)出功能。
　　系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)總圖如圖1所示。
　　三、系統(tǒng)設(shè)計
　?。ㄒ唬┛傮w設(shè)計
　　系統(tǒng)的總體設(shè)計，自底向上包括硬件系統(tǒng)、操作系統(tǒng)、運(yùn)行開發(fā)環(huán)境，以及應(yīng)用軟件：
　　1. 硬件系統(tǒng)
　　包括主機(jī)、單片機(jī)和溫濕度采集部件。主機(jī)為軟件的運(yùn)行平臺，選用了Intel Atom為核心的x86架構(gòu)硬件平臺；單片機(jī)控制部件主要提供定時監(jiān)控及后續(xù)定時設(shè)置功能，本系統(tǒng)采用凌陽單片機(jī)；溫濕度采集部件通過USB接口與主機(jī)系統(tǒng)連接，實現(xiàn)環(huán)境溫濕度的自動采集，選擇了北京賽億凌科技有限公司的溫濕度傳感器。
　　2. 操作系統(tǒng)
　　采用根據(jù)應(yīng)用軟件需求和底層硬件配置裁剪定制后的Linux操作系統(tǒng)。
　　3. 運(yùn)行開發(fā)環(huán)境
　　在應(yīng)用軟件開發(fā)方面，主要采用Python作為應(yīng)用編程語言。
　　4. 應(yīng)用軟件
　　其核心功能是在農(nóng)作物需要施肥或澆水的時候發(fā)出報警，同時提供多種信息的管理功能。
　?。ǘ┕ぷ髟?br/>　　系統(tǒng)運(yùn)行主要分為兩大過程：工作狀態(tài)下，實時采集環(huán)境溫濕度后自動判斷并報警；待機(jī)狀態(tài)下，自動檢測設(shè)置的報警時間點，到達(dá)后自動啟動系統(tǒng)并報警。整個系統(tǒng)的工作原理如圖2所示。
　　（三）詳細(xì)設(shè)計
　　1. 硬件子系統(tǒng)
　　硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成如圖3所示，本系統(tǒng)的硬件包括主板、定時器和外圍設(shè)備。主板上集成了所需設(shè)備的接入接口。微處理器采用基于x86架構(gòu)的Intel Atom，存儲器采用DOM卡固態(tài)硬盤，輸入輸出設(shè)備通過I/O總線連接微處理器。定時器采用集成定時器，保證了在關(guān)機(jī)狀態(tài)下仍能報警。外圍設(shè)備包括交直流變壓降壓器、揚(yáng)聲器以及溫濕傳感器。
　　2. 應(yīng)用軟件
　　在邏輯結(jié)構(gòu)上，整個應(yīng)用軟件自下而上包括“數(shù)據(jù)處理支持層”、“控制邏輯層”，以及“界面層”，每個層面具體包括的功能模塊如圖4所示。
　　四、設(shè)計定型
　　以硬件控制平臺為基礎(chǔ)集成了定時啟動模塊、VGA液晶屏幕、遙控輸入設(shè)備、USB-HUB以及溫濕度傳感器，形成施肥報警管理硬件系統(tǒng)。由軟件系統(tǒng)和硬件系統(tǒng)組成基于環(huán)境參數(shù)的智能化施肥報警管理系統(tǒng)，可依據(jù)“溫濕度實時采集、顯示和判斷”、“農(nóng)作物、花卉數(shù)據(jù)管理”實現(xiàn)施肥澆水報警管理的功能；依據(jù)“施肥報警設(shè)置”和“澆水報警設(shè)置”設(shè)置的報警時間，系統(tǒng)實現(xiàn)在待機(jī)狀態(tài)下，到達(dá)設(shè)定時間點后自動啟動并報警的功能。
　　1. 硬件部分
　　本系統(tǒng)以機(jī)箱為界分為內(nèi)部部件和外部部件。
　　內(nèi)部部件：總控制平臺——清華同方易豪數(shù)字機(jī)頂盒主板，該主板包括intel CPU Atom，DOM固態(tài)硬盤；定時器設(shè)備——凌陽定時單片機(jī)；音箱，風(fēng)扇，USB-HUB，液晶顯示屏。
　　外部部件：交直流變壓降壓器，溫濕度傳感器。
　　2. 軟件部分
　　系統(tǒng)軟件采用清華同方易豪公司適配好的一個定制版本Linux操作系統(tǒng)，用于管理系統(tǒng)資源和控制應(yīng)用軟件，其上有Python語言運(yùn)行支撐環(huán)境，應(yīng)用軟件使用Python語言編寫。
　　五、實施步驟
　?。ㄒ唬?zhǔn)備階段
　　1. 部件購置
　　先是聯(lián)系了位于北三環(huán)安貞橋東北角企發(fā)大廈的清華同方易豪公司，購買1臺數(shù)字機(jī)頂盒。之后網(wǎng)購了一臺凌陽單片機(jī)。接下來在中關(guān)村新中發(fā)電子商城找到了5.6英寸液晶顯示屏，因為暫時先用標(biāo)準(zhǔn)顯示器調(diào)試即可，就先沒有買。同日定購了溫濕度傳感器。
　　2. 開發(fā)環(huán)境搭建
　　在1臺Lenovo X200筆記本上安裝Linux桌面系統(tǒng)作為宿主機(jī)開發(fā)系統(tǒng)，其中包括一整套完整的應(yīng)用開發(fā)環(huán)境；在數(shù)字機(jī)頂盒上安裝了配套的定制版Linux操作系統(tǒng)，作為目標(biāo)機(jī)系統(tǒng)，即最終應(yīng)用軟件的運(yùn)行平臺，其中Python運(yùn)行支撐環(huán)境。
　　3. 編程語言學(xué)習(xí)
　　學(xué)習(xí)了Python編譯語言及其應(yīng)用開發(fā)。
　?。ǘ╅_發(fā)、調(diào)試階段
　　1. 開發(fā)階段
　?。?）主界面設(shè)計及相關(guān)代碼編寫（圖5）
　?。?）硬件集成。在應(yīng)用軟件編制基本完成時，到新中發(fā)電子市場購買了5.6英寸液晶顯示屏、音箱、USB-HUB、風(fēng)扇。依據(jù)各個部件尺寸，設(shè)計了機(jī)箱的樣式，然后在老中發(fā)市場找一個柜臺進(jìn)行了委托加工。
　　（3）軟硬件系統(tǒng)集成。將編制完成的應(yīng)用軟件通過U盤拷貝到上述硬件中。
　　2. 調(diào)試階段
　　由于筆記本電腦的顯示屏幕為16∶9的寬屏，而施肥報警系統(tǒng)所依賴的液晶屏幕為4∶3，因此在對應(yīng)用軟件進(jìn)行初步遷移后，界面有些變形。在進(jìn)行了有針對性的調(diào)試后，界面大小符合試用需求。
　　3. 實驗階段
　?。?）實驗材料
　　供試土壤：北京一零一中學(xué)實驗田土壤（pH 7.03～7.12）；
　　種子來源：中國農(nóng)科院種子銷售部；
　　供試花卉：蝴蝶蘭、梔葉竹芋、青蘋果；
　　花卉來源：購置于北京大森林花卉市場；
　　肥料來源：北京一零一中學(xué)生態(tài)園蚯蚓糞浸提液，蚯蚓糞肥。
　　（2）實驗一
　　實驗組：蝴蝶蘭、梔葉竹芋、青蘋果各8盆，采用課題研制的基于環(huán)境參數(shù)的智能化施肥澆水報警系統(tǒng)進(jìn)行施肥澆水管理；
　　對照組：蝴蝶蘭、梔葉竹芋、青蘋果各1盆，按傳統(tǒng)方式憑經(jīng)驗施肥澆水。每個月為一對比周期，連續(xù)3個月對比。
　?。?）實驗二
　　將一零一中學(xué)大棚中的20余種作物、花卉施肥澆水特性信息輸入本系統(tǒng)，試用系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫功能，多種、批量作物的施肥澆水報警管理功能。
　　六、實驗結(jié)果分析
　　1. 實驗一結(jié)果分析
　　兩組實驗中作物長勢不同，采用報警系統(tǒng)的長勢明顯優(yōu)于不采用者，見表1。
　　2. 實驗二結(jié)果分析
　　施肥澆水報警系統(tǒng)從2009年8月初在北京一零一中學(xué)實驗到現(xiàn)在，體現(xiàn)出移動方便、操控簡單、功能實用的特點；基于實時采集的環(huán)境溫濕度，自動判斷并播放音頻報警，具有人性化的特點；大棚中20余種農(nóng)作物、花卉的施肥澆水、特性等信息通過本系統(tǒng)進(jìn)行了有效管理，充分驗證了系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫功能，多種、批量作物施肥澆水報警管理功能的實用性。
　　七、研制結(jié)論
　　目前，面向農(nóng)作物的自動施肥澆水控制系統(tǒng)在業(yè)界已進(jìn)行了相當(dāng)?shù)难兄乒ぷ鳎⒊霈F(xiàn)了相應(yīng)產(chǎn)品，而施肥澆水管理方面的系統(tǒng)還沒有，課題研制成果填補(bǔ)了國內(nèi)外在這方面的空白。
　　（1）本智能化施肥報警系統(tǒng)可應(yīng)用于蔬菜、花卉大棚、農(nóng)場等的施肥澆水報警管理。
　?。?）可合理管理施肥澆水，降低對從業(yè)者的要求，進(jìn)而降低施肥澆水管理的成本。
　　
　　【參考文獻(xiàn)】
　　［1］宋妮等，基于Access的灌溉信息管理系統(tǒng)[J]，節(jié)水灌溉，2007（2）
　?。?］譚靜芳等，溫室環(huán)境智能測控系統(tǒng)的設(shè)計[J]，農(nóng)業(yè)裝備技術(shù)，2008（01）
　　［3］李銳等，單片機(jī)實現(xiàn)自動灌溉及施肥系統(tǒng)[J]，計算機(jī)應(yīng)用，2001（z1） P219-221
　　［4］余文君等，遠(yuǎn)程智能灌溉及施肥系統(tǒng)[P]，中國，200610025010.6
　?。?］郭秋智等，遠(yuǎn)程智能灌溉及施肥系統(tǒng)[P]，中國，89203736.9
　　
　　專家點評
　　自控施肥澆水系統(tǒng)在溫室栽培中已有實施，但多為集約化生產(chǎn)。本系統(tǒng)根據(jù)環(huán)境參數(shù)對多種農(nóng)作物和花卉需要施肥澆水時自動音樂報警，既可根據(jù)環(huán)境參數(shù)自動報警，又可設(shè)定時間報警。其特點是體積小移動方便，操作簡單便于使用，成本低易于接受推廣，適于多種經(jīng)營或更換品種。建議增設(shè)一個限定報警時間后的記憶功能系統(tǒng)，當(dāng)工作人員不在現(xiàn)場，防止報警不停，或能夠在停后顯示與查找；該系統(tǒng)施肥是生長期需肥量為參數(shù)，澆水是環(huán)境溫濕度為參數(shù)報警，若能根據(jù)當(dāng)時作物或花卉的生長發(fā)育狀況（即長勢）為參數(shù)智能化施肥澆水是研究的難點，對初中生可能困難較大。ＫＪ