鄢紀(jì)豪，高 琴，高浩源，黃曉龍，陽光造

（防災(zāi)科技學(xué)院，河北 三河 065201）

0 引 言

我國是一個(gè)干旱缺水嚴(yán)重的國家。我國的淡水資源總量為28 000億立方米，占全球水資源的6%，并且是全球人均水資源最貧乏的國家之一。我國2018年的農(nóng)業(yè)用水總量為3 693億立方米，占全國用水總量的61.4%。因此，改進(jìn)農(nóng)業(yè)技術(shù)，更有效地利用灌溉水，對于緩解水資源短缺及相關(guān)的環(huán)境問題十分重要。

目前，滴灌是農(nóng)業(yè)灌溉中節(jié)水能力較強(qiáng)的灌溉技術(shù)之一。滴灌屬全管道輸水和局部微量灌溉，使水分的滲漏和損失降低到最低限度；同時(shí)，由于其能做到適時(shí)地供應(yīng)作物根部所需水分，不存在外圍水的損失問題，又使水的利用效率大大提高。但是傳統(tǒng)的滴灌技術(shù)中，主要的控制設(shè)備由各種手動(dòng)、機(jī)械操作或電動(dòng)操作的閘閥組成，難以通過對土壤濕度的分析自動(dòng)調(diào)節(jié)灌溉水量。

1 智能節(jié)水滴灌系統(tǒng)的工作原理

智能節(jié)水滴灌系統(tǒng)的工作原理如圖1所示。首先通過土壤檢測傳感器檢測土壤濕度并輸出與其相對應(yīng)的模擬信號(hào)；然后經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換電路將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換至數(shù)字信號(hào)，通過無線傳輸模塊發(fā)送給單片機(jī)。單片機(jī)將采樣值與程序中設(shè)置的適宜農(nóng)作物生長的濕度進(jìn)行對比，判斷是否需要灌溉后，發(fā)送信號(hào)控制閥門自動(dòng)開關(guān)，從而實(shí)現(xiàn)對灌溉水量和土壤濕度的自動(dòng)調(diào)節(jié)。例如，當(dāng)測定值低于設(shè)定濕度范圍值的下限時(shí)，單片機(jī)輸出一個(gè)信號(hào)控制電磁閥打開，開始滴灌；當(dāng)測定值高于設(shè)定濕度范圍值的上限時(shí)，再由單片機(jī)輸出一個(gè)信號(hào)控制電磁閥關(guān)閉，從而停止滴灌。

圖1 智能節(jié)水滴灌系統(tǒng)的工作原理

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

為了滿足大規(guī)模農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的使用需求，需要系統(tǒng)操作簡單便捷，同時(shí)還需要兼顧硬件設(shè)備在體積、電耗、性能、安全性、使用壽命等方面的需求，使系統(tǒng)具有較強(qiáng)的實(shí)用性與簡便的操作性。所以在硬件電路設(shè)計(jì)中盡可能選用功耗小、性能穩(wěn)定、安全性高、使用壽命長的集成電路。本系統(tǒng)硬件模塊主要由三大模塊構(gòu)成：STM32系列單片機(jī)控制模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)模塊。

2.1 STM32系列單片機(jī)控制模塊

微型控制器是智能節(jié)水滴灌系統(tǒng)的核心部分，它控制灌溉系統(tǒng)的基本功能設(shè)定和數(shù)據(jù)的接收、存儲(chǔ)、分析以及狀態(tài)信息的傳輸通信、輸出、顯示等功能。選用的STM32系列單片機(jī)具有高性能、低成本、低功耗的特點(diǎn)。

以STM32F103為例，它具有的特點(diǎn)如下：ARM32位Cortex-M3 CPU，最高工作頻率為72 MHz，1.25 DMIPS/MHz；4個(gè)16位定時(shí)器，每個(gè)定時(shí)器有4個(gè)IC/OC/PWM或者脈沖計(jì)數(shù)器；2個(gè)16位的6通道高級(jí)控制定時(shí)器，最多6個(gè)通道可用于PWM輸出；2個(gè)看門狗定時(shí)器（獨(dú)立看門狗和窗口看門狗）；2個(gè)IC接口（SMBus/PMBus）；5個(gè)USART接口（ISO7816接口，LIN，IrDA兼容，調(diào)試控制）；3個(gè)SPI接口（18 Mb/s），兩個(gè)和IS復(fù)用；CAN接口（2.0 B）；USB 2.0全速接口；SDIO接口；片上集成32-512 KB的FLASH存儲(chǔ)器、6-64 KB的SRAM存儲(chǔ)器。完全能夠滿足對系統(tǒng)的控制，較大程度上簡化了電路的設(shè)計(jì)。

2.2 數(shù)據(jù)采集模塊

采集模塊由土壤濕度傳感器組成。土壤濕度傳感器主要根據(jù)FDR頻域反射原理和電磁脈沖原理，利用電磁波在介質(zhì)中的傳播頻率來測量土壤的表觀介電常數(shù)，從而得到土壤相對含水量。土壤濕度傳感器具有體積小巧化設(shè)計(jì)，攜帶方便，安裝、操作及維護(hù)簡單；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，其不繡鋼探針能夠保證使用壽命；外部以環(huán)氧樹脂純膠體封裝，密封性好，可直接埋入土壤中使用，且不受腐蝕；受土質(zhì)影響較小，應(yīng)用地區(qū)廣泛；測量精度高，性能可靠，能夠確保正常工作；響應(yīng)速度快，數(shù)據(jù)傳輸效率高。

2.3 機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)模塊

傳統(tǒng)滴灌方法是利用塑料管道將水通過直徑約10 mm毛管上的孔口或滴頭送到作物根部進(jìn)行局部灌溉。主要由以下三部分組成：

（1）首部樞紐：包括水泵（動(dòng)力機(jī)）過濾器、控制與測量儀表等。其作用是抽水、過濾，以一定的壓力將一定數(shù)量的水送入干管。

（2）管路：包括干管、支管、毛管以及必要的調(diào)節(jié)設(shè)備（如壓力表、閘閥、流量調(diào)節(jié)器等）。其作用是將加壓水均勻地輸送到滴頭。

（3）滴頭：其作用是使水流經(jīng)過微小的孔道，形成能量損失，減小其壓力，使它以點(diǎn)滴的方式滴入土壤中。滴頭通常放在土壤表面，亦可以淺埋保護(hù)。

機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)模塊的主要功能是利用單片機(jī)控制閥門自動(dòng)開關(guān)，達(dá)到土壤濕度的穩(wěn)定。其他結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)滴灌系統(tǒng)相同。

3 程序設(shè)計(jì)

程序設(shè)計(jì)由數(shù)據(jù)采集控制程序和系統(tǒng)主要控制程序組成，如圖2所示。

圖2 程序設(shè)計(jì)流程

3.1 數(shù)據(jù)采集控制程序

STM32系統(tǒng)啟動(dòng)之后，對各個(gè)傳感器進(jìn)行自測，檢測各個(gè)傳感器是否正常。在此以土壤濕度調(diào)節(jié)為例，當(dāng)此時(shí)濕度低于預(yù)設(shè)值時(shí)系統(tǒng)就執(zhí)行滴灌操作，同時(shí)設(shè)置一個(gè)標(biāo)志變量為1。設(shè)置標(biāo)志變量是為了較為直接地反映循環(huán)的狀態(tài)，在STM32單片機(jī)執(zhí)行完成相應(yīng)操作后，只需要根據(jù)這些標(biāo)志變量就可以確定是否完成任務(wù)，最后再將這些變量以一定時(shí)間為周期生成合理的運(yùn)行日志發(fā)送給系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，從而讓工作人員清楚系統(tǒng)運(yùn)行是否正常。

3.2 系統(tǒng)主要控制程序

STM32智能滴灌系統(tǒng)的主要控制程序的主要任務(wù)在于對數(shù)據(jù)的接收、存儲(chǔ)、分析以及對滴灌系統(tǒng)中自動(dòng)閥門的開關(guān)控制。系統(tǒng)啟動(dòng)，開始接收各個(gè)傳感器傳輸?shù)臄?shù)據(jù)并存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，再與系統(tǒng)中預(yù)設(shè)的范圍值進(jìn)行對比，然后對自動(dòng)閥門發(fā)出指令進(jìn)行滴灌。

4 結(jié) 語

在對水資源的節(jié)約和大力發(fā)展節(jié)水農(nóng)業(yè)的大環(huán)境下，提高農(nóng)業(yè)灌溉用水的利用率變得尤為重要?；赟TM32單片機(jī)的智能節(jié)水滴灌系統(tǒng)，便是以節(jié)約水資源為設(shè)計(jì)理念，將農(nóng)業(yè)灌溉中節(jié)水高效的滴灌法與集成化的STM32控制系統(tǒng)相融合。為智能化節(jié)水農(nóng)業(yè)灌溉提供一定的設(shè)計(jì)思路和技術(shù)基礎(chǔ)。