蔡長青 侯首印 張楨 鄭萍 張繼成

摘要：水肥一體化是將灌溉與施肥相結(jié)合的一項綜合技術(shù)，具有省肥、省水、省工、環(huán)保、高產(chǎn)、高效的突出優(yōu)點，目前生產(chǎn)型日光溫室的水肥一體化灌溉施肥和灌溉作業(yè)，多數(shù)依靠人工經(jīng)驗完成，灌溉的及時性、科學(xué)性及智控化程度不高。本研究應(yīng)用STM32嵌入式系統(tǒng)，實時采集埋入土壤中的上、中、下3個深度的濕度傳感器的數(shù)據(jù)，根據(jù)不同作物預(yù)定的施肥、灌溉策略，自動控制完成溫室水肥一體化灌溉作業(yè)。該系統(tǒng)同時具有遠程監(jiān)控功能，采用全球移動通信（global system for mobile，GSM）模塊給用戶提供遠距離短消息服務(wù)，用戶不僅可以通過短信對溫室灌溉、光照、通風(fēng)的遠程智能監(jiān)測，同時可遠程控制系統(tǒng)作業(yè)的啟停，以此實現(xiàn)溫室環(huán)境的自動化管理，達到遠程施肥與節(jié)水灌溉的目的。

關(guān)鍵詞：智能溫室；水肥一體；STM32；遠程監(jiān)控；GSM

中圖分類號： S126文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2017）10-0164-03

目前溫室智能水肥一體化灌溉監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展主要側(cè)重在監(jiān)測、灌溉、節(jié)水及對溫室信息的采集上，自動控制水平不高，采集的數(shù)據(jù)信息及控制狀態(tài)也只能在系統(tǒng)嵌入的設(shè)備上統(tǒng)一顯示，并不能在各節(jié)點進行數(shù)據(jù)采集及控制狀態(tài)的顯示，并且在對數(shù)據(jù)的采集上，采集節(jié)點并不能達到經(jīng)濟、便利、自由的安置，對溫室環(huán)境也不能實現(xiàn)遠距離實時查詢監(jiān)控[1-4]。

本研究所設(shè)計的溫室水肥一體化智能監(jiān)控系統(tǒng)裝置，通過采集溫室區(qū)域內(nèi)多個點位、深度的土壤濕度數(shù)據(jù)，對比設(shè)定的土壤中上、中、下3個深度的濕度閾值，計算出當(dāng)前溫室的最佳灌溉量，通過自動啟停水肥一體化灌溉裝置，自行調(diào)控溫室的灌溉時間和灌溉量。同時監(jiān)控系統(tǒng)具有全球移動通信（global system for mobile，簡稱GSM）短消息服務(wù)功能，溫室環(huán)境信息及控制過程通過定時發(fā)送給用戶，用戶可定時獲取含溫室環(huán)境信息的短消息，也可隨時向主控系統(tǒng)發(fā)送查詢、控制短消息，進行溫室環(huán)境信息的實時查詢及控制命令的下達，實現(xiàn)遠距離實時溫室環(huán)境信息監(jiān)控，達到節(jié)水灌溉的目的[5-10]。

1系統(tǒng)方案與試驗設(shè)計

1.1系統(tǒng)方案

本研究總體劃分為智能調(diào)控系統(tǒng)與遠程信息服務(wù)系統(tǒng)2個部分。智能調(diào)控系統(tǒng)有主控系統(tǒng)和監(jiān)控終端2個模塊構(gòu)成：主控系統(tǒng)以STM32 F4Discovery為控制處理器，重點解決溫室整體管控信息的管理、數(shù)據(jù)的收集存儲、施控數(shù)據(jù)的計算及控制指令的下達、用戶服務(wù)信息的處理；監(jiān)控終端以單片機為控制處理器，負責(zé)溫室環(huán)境傳感器的實時數(shù)據(jù)獲取，接收主控系統(tǒng)的指令，上傳數(shù)據(jù)、啟停執(zhí)行裝置，可視化查詢節(jié)點狀態(tài)及監(jiān)測數(shù)據(jù)；遠程信息服務(wù)系統(tǒng)通過GSM的Internet接入功能實現(xiàn)，通過綁定手機卡，以手機短消息的方式實現(xiàn)溫室實時調(diào)控狀態(tài)及溫室環(huán)境信息的發(fā)送。監(jiān)控終端以89C52單片機為控制處理器，實現(xiàn)控制終端的信息采集和執(zhí)行機構(gòu)的啟停操作。系統(tǒng)設(shè)計整體思路如圖1所示。

1.1.1研究的總體設(shè)計

首先，監(jiān)控終端模塊下的多點位溫室環(huán)境采集單元實時采集土壤上、中、下3個深度的溫濕度、葉面光照度等溫室環(huán)境信息，并存儲本地存儲卡中，監(jiān)控終端模塊隨時等待主控系統(tǒng)的喚醒，接收指令、上傳階段時間內(nèi)采集的溫室環(huán)境數(shù)據(jù)，并根據(jù)指令控制執(zhí)行裝置的啟停作業(yè)；其次，主控系統(tǒng)按設(shè)定順序，依次循環(huán)喚醒監(jiān)控終端，接收監(jiān)控終端上傳的環(huán)境數(shù)據(jù)及狀態(tài)數(shù)據(jù)、存儲數(shù)據(jù)，信息匯總，根據(jù)接收到的監(jiān)測終端節(jié)點的環(huán)境數(shù)據(jù)，結(jié)合設(shè)定的溫室種植作物的生長階段所需的水、肥信息，分析與處理生成執(zhí)行機構(gòu)啟?？刂浦噶?，下傳給監(jiān)控終端，主控系統(tǒng)實時根據(jù)操控者需要進行各監(jiān)控終端節(jié)點的工作狀態(tài)、監(jiān)測數(shù)據(jù)、指令下達記錄等信息的查詢服務(wù)；再次，主控系統(tǒng)根據(jù)設(shè)定時間，定時將采集到的監(jiān)控終端的溫室環(huán)境數(shù)據(jù)通過RS232接口與GSM 透明數(shù)據(jù)傳輸終端相連，通過GSM模塊將數(shù)據(jù)傳輸終端內(nèi)置嵌入式處理器對數(shù)據(jù)進行處理、協(xié)議封裝后通過GSM網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給用戶，用戶不受地域限制隨時接收遠程溫室環(huán)境信息數(shù)據(jù)短信服務(wù)，如發(fā)現(xiàn)異常狀態(tài)可以通過短消息向主控系統(tǒng)下達溫室水肥一體化終端發(fā)出啟停指令，及時修正主控系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定，實現(xiàn)溫室灌溉及環(huán)境的實時遠程控制。

1.1.2智能調(diào)控系統(tǒng)設(shè)計

研究將智能調(diào)控系統(tǒng)劃分為主控系統(tǒng)和監(jiān)控終端2個功能模塊。其中主控系統(tǒng)是溫室水肥一體化實施的關(guān)鍵環(huán)節(jié)：對上，主控系統(tǒng)通過GSM模塊，以短消息形式實現(xiàn)監(jiān)控信息的遠距離通訊；對下，主控系統(tǒng)根據(jù)溫室內(nèi)各傳感器采集的數(shù)據(jù)進行運算分析生成控制指令；主控系統(tǒng)本身還要實現(xiàn)用戶的各種參數(shù)的設(shè)定、信息的查詢等服務(wù)。監(jiān)控終端是溫室水肥一體化的實際執(zhí)行模塊，負責(zé)環(huán)境數(shù)據(jù)采集、執(zhí)行機構(gòu)啟停的具體操作。

1.2試驗設(shè)計

1.2.1試驗

本研究以番茄溫室種植灌溉為系統(tǒng)試驗對象，通過對同一時期內(nèi)智能監(jiān)控灌溉與傳統(tǒng)灌溉2種灌溉模式下的灌溉用水量及產(chǎn)量進行對比試驗。于2014年10月至2014年12月在長春市綠園區(qū)農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣站溫室進行試驗。溫室長70.0 m、寬6.0 m、高3.5 m，有補光、加溫系統(tǒng)。采用地面起壟，壟上種植方式，每個溫室起壟6行，每壟定植150株，每個溫室共定900株番茄，定植時間為10月2日。溫室1中安裝溫室智能水肥一體化灌溉監(jiān)控系統(tǒng)，進行溫室灌溉智能化管理模式，溫室2采用傳統(tǒng)灌溉管理模式。試驗期間，不定時通過手動或遠程遙控方式進行溫室1的監(jiān)控裝置進行灌溉操控試驗。

溫室灌溉采用微噴方式，灌溉用肥是針對番茄作物調(diào)配的液態(tài)混合肥，存儲于溫室中的畜肥罐中，在灌溉過程中液態(tài)肥經(jīng)文丘里施肥器按照設(shè)定水肥比例均勻混入灌溉用水中，實現(xiàn)水肥同時施入。供水管道直徑5.0 cm，微噴管道直徑1.6 cm，每壟沿壟溝平行鋪設(shè)。灌溉用水量通過在主供水管道中加裝斯普瑞噴霧系統(tǒng)（寧波）有限公司生產(chǎn)的801型流量計進行測量，監(jiān)測數(shù)值傳輸?shù)接嬎銠C進行存儲。混合液態(tài)肥料施入通過在主供水管道中加裝玉田縣鴻源管件有限公司生產(chǎn)的文丘里施肥器實現(xiàn)。溫室1（水肥一體化灌溉監(jiān)控系統(tǒng)）灌溉執(zhí)行機構(gòu)通過安裝在管道上的浙江省余姚市三葉閥門科技有限公司生產(chǎn)的2T型電磁閥完成，溫室2灌溉通過人工啟停。研究從番茄定植開始進行灌溉及對比灌溉試驗。

根據(jù)溫室傳感器布置長度將溫室均勻分為溫室前部、中部、后部3個區(qū)域，保證每個區(qū)域均有溫濕度傳感器；光照度傳感器安裝在溫室的前部和后部2個區(qū)域，溫室智能水肥一體化灌溉系統(tǒng)的試驗區(qū)域各傳感器設(shè)計如圖4所示。

2結(jié)果與分析

從表1中可以看出：溫室1中有2次人工遠程控制灌溉過程，達到系統(tǒng)設(shè)定目標；溫室1、2的灌溉量都呈波浪式變化，溫室1的幅度大于溫室2；溫室1的灌溉次數(shù)明顯多于溫室2，且相對時間段的灌溉量少于溫室2，總灌溉量溫室1小于溫室2；溫室1（水肥一體化灌溉系統(tǒng)）11月26日第1次采

摘，溫室2（傳統(tǒng)灌溉）11月29日第1次采摘，截止到12月30日。從表2中可以看出，1號溫室番茄總產(chǎn)量為 1 057.2 kg，2號溫室番茄總產(chǎn)量為910.9 kg，1號溫室番茄總產(chǎn)量高于2號溫室；監(jiān)控裝置在整個試驗期間運行穩(wěn)定可靠，未出現(xiàn)故障，數(shù)據(jù)誤差在允許范圍之內(nèi)。結(jié)果表明，溫室1通過傳感器啟停灌溉，在灌溉的及時性及灌溉用水量上要優(yōu)于溫室2，灌溉次數(shù)增多，次灌溉量略少；與傳統(tǒng)灌溉模式相比，溫室智能水肥一體化灌溉監(jiān)控系統(tǒng)灌溉有利于番茄產(chǎn)量的增加；北方10月到12月是秋冬交換季節(jié)，不屬于番茄的最佳生長期，溫室的溫度及光照度逐漸減少，溫室內(nèi)需要通過增溫、增光、密封才能保證番茄的正常生長，所以番茄的產(chǎn)量總體偏低，且對番茄的需水量、結(jié)果期都有一定影響。監(jiān)測灌溉系統(tǒng)數(shù)據(jù)監(jiān)測記錄及遠程監(jiān)測截屏如圖5至圖7所示。

3結(jié)論

本研究研制的溫室智能水肥一體化灌溉監(jiān)控系統(tǒng)，可根據(jù)溫室環(huán)境自動調(diào)控灌溉時間及灌溉量，可采集溫室溫濕度、光照度數(shù)據(jù)；通過GSM/GPRS模塊實現(xiàn)溫室環(huán)境的遠距離信息查詢和控制，使用戶可以實時、方便、快捷地監(jiān)控溫室環(huán)境信息，實現(xiàn)精準灌溉管理；通過與傳統(tǒng)灌溉模式對比，智能灌溉溫室的用水量略有減少，番茄產(chǎn)量有所增加，可遠程操控灌溉啟停，有效降低工作人員的作業(yè)強度。本系統(tǒng)造價低廉、加裝方便、經(jīng)濟實用，可在現(xiàn)有溫室中加裝改造，有利于我國傳統(tǒng)溫室向現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)溫室大棚發(fā)展。

參考文獻：

[1]汪懋華. 轉(zhuǎn)型創(chuàng)新推動物聯(lián)網(wǎng)在設(shè)施園藝產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用的發(fā)展研究[R]. 朝陽：朝陽設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展高峰論壇，2012.

[2]張長利，李佼，董守田. 基于STM32的灌溉遠程監(jiān)控系統(tǒng)的研究[J]. 東北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報，2013，44（8）：105-109.

[3]蔡長青，張學(xué)敏. 全自動太陽能滴灌系統(tǒng)設(shè)計[J]. 農(nóng)機化研究，2015（5）：109-112.

[4]紀文義，張繼成，鄭萍，等. 基于無線網(wǎng)絡(luò)的農(nóng)田灌溉智能監(jiān)測系統(tǒng)[J]. 農(nóng)機化研究，2013，35（10）：171-173.

[5]蔡義華，劉剛，李莉，等. 基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的農(nóng)田信息采集節(jié)點設(shè)計與試驗[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2009，25（4）：176-178.

[6]袁洪波，程曼，龐樹杰，等. 日光溫室水肥一體灌溉循環(huán)系統(tǒng)構(gòu)建及性能試驗[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2014，30（12）：72-78.

[7]高峰，俞立，張文安，等. 基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的作物水分狀況[JP3]監(jiān)測系統(tǒng)研究與設(shè)計[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2009，25（2）：107-112.

[8]杜尚豐，王一鳴，馬承偉，等. 溫室環(huán)境溫度智能控制算法研究[J]. 計算機測量與控制，2003（11）：850-852.

[9]于舜章. 山東省設(shè)施黃瓜水肥一體化滴灌技術(shù)應(yīng)用研究[J]. 水資源與水工程學(xué)報，2009，20（6）：173-176.

[10]李錚，王晉民，王海景，等. 蔬菜日光溫室問題調(diào)查與水肥一體化技術(shù)探討[J]. 土壤，2006，38（2）：223-227.