申時(shí)權(quán)

(塔里木大學(xué) 信息工程學(xué)院，新疆 阿拉爾 843300)

0 引言

大棚蔬菜是近年來(lái)蔬菜生產(chǎn)的常見(jiàn)形式，但大棚蔬菜的生產(chǎn)方式主要是靠人工監(jiān)測(cè)環(huán)境因子來(lái)進(jìn)行的。特別是在南疆地區(qū)，水資源相對(duì)匱乏，憑借人工經(jīng)驗(yàn)監(jiān)測(cè)和確定灌溉時(shí)間及用水量，容易導(dǎo)致水資源浪費(fèi)。隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)不斷向信息化、智能化發(fā)展，農(nóng)業(yè)墑情監(jiān)測(cè)尤為重要[1-2]。根據(jù)農(nóng)業(yè)墑情監(jiān)測(cè)的環(huán)境因子，使大棚內(nèi)的蔬菜獲得最佳生長(zhǎng)環(huán)境條件，以此實(shí)現(xiàn)高效優(yōu)產(chǎn)。因此，將農(nóng)業(yè)墑情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用在南疆蔬菜大棚中，對(duì)于提高南疆蔬菜大棚種植戶的經(jīng)濟(jì)效益具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

結(jié)合傳統(tǒng)蔬菜大棚生產(chǎn)不足，設(shè)計(jì)了一套基于農(nóng)業(yè)墑情監(jiān)控的蔬菜大棚自動(dòng)通風(fēng)與噴灌控制系統(tǒng)。由于南疆天氣多風(fēng)沙，在蔬菜大棚種植區(qū)域外圍安裝防風(fēng)抑沙網(wǎng)進(jìn)行阻隔。系統(tǒng)利用CO2氣體濃度傳感器、土壤溫濕度傳感器及空氣溫濕度傳感器，實(shí)現(xiàn)采集CO2濃度、土壤溫濕度及空氣溫濕度，通過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊集成的信息轉(zhuǎn)換功能轉(zhuǎn)換為STM32F1103ZFT6模塊能夠識(shí)別的數(shù)值，將均值算法得到的結(jié)果與系統(tǒng)設(shè)定好的合理參數(shù)區(qū)間進(jìn)行比較，自動(dòng)控制風(fēng)機(jī)和水泵是否啟動(dòng)進(jìn)行通風(fēng)降溫，自動(dòng)完成擴(kuò)散CO2氣體濃度及噴灌操作，蔬菜大棚的種植戶也能實(shí)時(shí)在上位機(jī)顯示屏察看這些環(huán)境因子的變化。該系統(tǒng)相對(duì)傳統(tǒng)的人工蔬菜大棚節(jié)省大量人力監(jiān)控，也能減少資源的過(guò)度利用，對(duì)蔬菜大棚進(jìn)行精準(zhǔn)噴灌與智能管控，提高資源利用率[3-5]。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 硬件設(shè)計(jì)

該蔬菜大棚自動(dòng)控制通風(fēng)、噴灌系統(tǒng)主要由核心處理器模塊、按鍵輸入模塊、通信模塊、上位機(jī)顯示模塊、監(jiān)測(cè)模塊、轉(zhuǎn)換模塊、報(bào)警及執(zhí)行模塊組成。可以對(duì)蔬菜大棚進(jìn)行定時(shí)定量的通風(fēng)降溫、噴灑灌溉作業(yè)。

1)電源采用雙回路供電，防止電源中斷，數(shù)據(jù)丟失，南疆地區(qū)光電資源充足，采用太陽(yáng)能電源電路可以節(jié)約電力資源。

2)核心處理器模塊采用STM32F103ZET6芯片，該芯片具有CAN 和USB全速接口，電動(dòng)機(jī)控制外圍設(shè)備，CPU速度達(dá)到72 MHz并有1 MB 的閃存。STM32系列芯片基于ARM Cortex-M3 32位閃存微控制器，工作時(shí)具有低功率和低電壓優(yōu)勢(shì)，并結(jié)合了實(shí)時(shí)運(yùn)行功能。數(shù)據(jù)處理的MCU 體系結(jié)構(gòu)具有一個(gè)易于使用的 STM32 平臺(tái)，可用于包括電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)、數(shù)據(jù)處理等方面,能很好滿足系統(tǒng)需求。

3)通信模塊采用GPRS模塊，型號(hào)為DATA-6121低功耗無(wú)線模塊，采用低功耗設(shè)計(jì)，通過(guò)GPRS或者以短消息的方式進(jìn)行遠(yuǎn)程傳輸數(shù)據(jù)，對(duì)于太陽(yáng)能供電的監(jiān)測(cè)條件十分適用，同時(shí)也能大幅度降低太陽(yáng)能供電成本并降低施工難度。

4)上位機(jī)模塊采用觸摸屏，可在屏上輸入數(shù)值，實(shí)現(xiàn)管理與設(shè)置。

5)監(jiān)測(cè)模塊采用CO2氣體濃度傳感器，可探測(cè)蔬菜大棚內(nèi)CO2濃度，用于對(duì)大棚內(nèi)蔬菜的呼吸作用和光合作用進(jìn)行及時(shí)調(diào)控；空氣溫濕度傳感器和土壤溫濕度傳感器可以測(cè)量空氣和土壤中的溫度及濕度，實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境信息的獲取。

6)A/D 轉(zhuǎn)換模塊采用STM32F4系列自帶的轉(zhuǎn)換模塊，該模塊將土壤溫濕度、空氣溫濕度及CO2濃度的電壓值轉(zhuǎn)換STM32F103ZET6芯片可識(shí)別的數(shù)值。

7)輸入按鍵模塊設(shè)置了數(shù)字鍵、上升鍵、下降鍵、左移鍵、右移鍵、刪除鍵、確定鍵，用于調(diào)節(jié)合理參數(shù)區(qū)間值，增強(qiáng)系統(tǒng)的靈活性。

8)報(bào)警模塊使用蜂鳴器提醒蔬菜種植戶，執(zhí)行模塊利用可控制開(kāi)關(guān)控制風(fēng)機(jī)自動(dòng)散熱和水泵自動(dòng)灌水，及CO2氣體濃度調(diào)節(jié)。

如圖 1 所示，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)步驟具體描述為：通過(guò)CO2傳感器、空氣溫濕度傳感器和土壤溫濕度傳感器監(jiān)測(cè)大棚內(nèi)的CO2濃度、空氣和土壤的溫濕度。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖

利用CO2傳感器、空氣溫濕度傳感器和土壤溫濕度傳感器監(jiān)測(cè)出的模擬信號(hào)傳給A/D轉(zhuǎn)換模塊，核心處理器會(huì)對(duì)模擬轉(zhuǎn)換后的電壓值進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。核心處理器執(zhí)行程序會(huì)把所獲得的CO2濃度、空氣和土壤的溫濕度編寫(xiě)算法指令，算法得到后的數(shù)值通過(guò)GPRS模塊傳輸?shù)缴衔粰C(jī)顯示屏顯示，讓棚戶了解棚內(nèi)環(huán)境因子的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)。

1.2 主程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主要程序設(shè)計(jì)的流程見(jiàn)圖2。

圖2 主程序設(shè)計(jì)流程圖

首先對(duì)大棚中適合蔬菜生長(zhǎng)的環(huán)境因子設(shè)定合理的參數(shù)區(qū)間值，對(duì)各個(gè)傳感器及其他設(shè)備進(jìn)行初始化，然后利用傳感器監(jiān)測(cè)空氣溫濕度、土壤溫濕度及CO2氣體濃度，并將采集到的環(huán)境因子電信號(hào)通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器傳送給核心處理器STM32F1103ZFT6，核心處理器會(huì)結(jié)合對(duì)應(yīng)的均值算法對(duì)所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算。此時(shí)計(jì)算出的結(jié)果會(huì)通過(guò)GPRS模塊傳給上位機(jī)進(jìn)行顯示。同時(shí)核心處理器會(huì)將處理后的數(shù)據(jù)與事先設(shè)定的合理參數(shù)區(qū)間值進(jìn)行比較，若CO2氣體濃度、土壤溫度和空氣溫度任一因素高于系統(tǒng)設(shè)定的合理參數(shù)區(qū)間值的最高值，系統(tǒng)就會(huì)通過(guò)繼電器控制對(duì)應(yīng)機(jī)構(gòu)工作，如風(fēng)機(jī)打開(kāi)通風(fēng)降溫、降低CO2濃度，打開(kāi)報(bào)警裝置提醒棚戶，直至環(huán)境因子達(dá)到系統(tǒng)設(shè)定的合理參數(shù)區(qū)間值，警報(bào)關(guān)閉。同理，若土壤濕度和空氣濕度任一因素低于系統(tǒng)設(shè)定的合理參數(shù)區(qū)間值，系統(tǒng)就會(huì)通過(guò)繼電器控制水泵打開(kāi)進(jìn)行噴霧或噴灌，噴霧用于改善空氣濕度，噴灌用于改善土壤濕度，同時(shí)會(huì)打開(kāi)報(bào)警裝置提醒棚戶，直至蔬菜大棚中的土壤濕度或空氣濕度達(dá)到系統(tǒng)設(shè)定的合理參數(shù)區(qū)間值，警報(bào)關(guān)閉。若以上的環(huán)境因子都是在系統(tǒng)的合理參數(shù)區(qū)間值內(nèi)，系統(tǒng)會(huì)繼續(xù)記錄并監(jiān)測(cè)環(huán)境因子的實(shí)時(shí)變化，進(jìn)入下一個(gè)循環(huán)。

2 系統(tǒng)調(diào)試

為了驗(yàn)證系統(tǒng)的可行性，針對(duì)不同環(huán)境因子設(shè)置不同合理參數(shù)區(qū)間值，并進(jìn)行測(cè)試。首先是調(diào)節(jié)CO2區(qū)間參數(shù)設(shè)置的濃度，當(dāng)濃度過(guò)高時(shí)，系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警，且上位機(jī)顯示濃度數(shù)值，打開(kāi)風(fēng)機(jī)，開(kāi)始通風(fēng)，直至濃度回歸到合理參數(shù)區(qū)間內(nèi)，警報(bào)解除；以同樣的方法測(cè)試土壤溫度和空氣溫度，得到的結(jié)果同上所述。然后進(jìn)行土壤濕度和空氣濕度驗(yàn)證，調(diào)節(jié)系統(tǒng)區(qū)間參數(shù)設(shè)置值，使參數(shù)值變換到較大的范圍內(nèi)，系統(tǒng)發(fā)出警報(bào)，上位機(jī)顯示濕度值不在合理區(qū)間參數(shù)值，水泵打開(kāi)進(jìn)行噴灌及噴霧，直到濕度回歸設(shè)置的合理濕度參數(shù)值，系統(tǒng)警報(bào)解除。然后把CO2氣體濃度增大到超過(guò)系統(tǒng)CO2氣體參數(shù)最大值，同時(shí)把土壤濕度調(diào)節(jié)到較高參數(shù)取值范圍，警報(bào)發(fā)出聲響，上位機(jī)顯示CO2氣體濃度值高，以及土壤濕度過(guò)低，風(fēng)機(jī)和水泵都自動(dòng)打開(kāi)降溫散濃和噴灌，當(dāng)濃度到達(dá)設(shè)定參數(shù)值范圍內(nèi)時(shí)，風(fēng)機(jī)停止工作，上位機(jī)顯示濃度正常，當(dāng)濕度達(dá)到設(shè)定值時(shí)，上位機(jī)顯示濕度正常，水泵停止工作，此時(shí)警報(bào)才完全解除。最后設(shè)置了土壤濕度因素的測(cè)試，把現(xiàn)在正常的合理區(qū)間參數(shù)濕度值調(diào)高，系統(tǒng)直接發(fā)出警報(bào)，上位機(jī)顯示土壤濕度不在合理區(qū)間參數(shù)值內(nèi)，水泵打開(kāi)噴灌；快速把調(diào)高區(qū)間參數(shù)濕度值調(diào)回正常合理區(qū)間參數(shù)濕度值時(shí)，系統(tǒng)快速回歸正常，解除警報(bào)，水泵快速關(guān)閉。

經(jīng)測(cè)試，系統(tǒng)采用的STM32F1103ZFT6核心處理器快速穩(wěn)定，且能與其它模塊很好協(xié)同運(yùn)行，能夠滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求。系統(tǒng)良好運(yùn)行也證實(shí)系統(tǒng)的可行性。

3 結(jié)論

介紹了適用于南疆蔬菜大棚系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程。該系統(tǒng)基于農(nóng)業(yè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)理念，優(yōu)化了農(nóng)業(yè)墑情站的系統(tǒng)使用功能，增加了CO2氣體濃度環(huán)境因子采集功能，核心處理器STM32F1103ZFT6對(duì)其他模塊能快速穩(wěn)定控制，將大棚內(nèi)CO2氣體濃度、空氣溫濕度、土壤溫濕度等環(huán)境因子監(jiān)測(cè)采集后，核心處理器控制風(fēng)機(jī)和水泵進(jìn)行環(huán)境調(diào)節(jié)，使棚內(nèi)蔬菜獲得良好的生長(zhǎng)環(huán)境。

該系統(tǒng)不僅能為大棚蔬菜創(chuàng)建適宜生長(zhǎng)環(huán)境，在南疆地區(qū)應(yīng)用還能節(jié)約控制水資源，對(duì)提高資源利用率和滿足農(nóng)業(yè)精準(zhǔn)需求提供參考。

4 展望

該系統(tǒng)未涉及南疆土壤鹽漬化的壓鹽工作，首先是因?yàn)橥寥利}分的監(jiān)測(cè)傳感器成本過(guò)高，且鹽分析出的時(shí)段一般是在植物收割后，這個(gè)工作只能人工噴灌進(jìn)行壓鹽，希望后續(xù)的南疆蔬菜大棚探索工作能充分考慮這一問(wèn)題并解決。