基于農(nóng)業(yè)墑情監(jiān)測的南疆蔬菜大棚系統(tǒng)設(shè)計

申時權(quán)

(塔里木大學 信息工程學院，新疆 阿拉爾 843300)

0 引言

大棚蔬菜是近年來蔬菜生產(chǎn)的常見形式，但大棚蔬菜的生產(chǎn)方式主要是靠人工監(jiān)測環(huán)境因子來進行的。特別是在南疆地區(qū)，水資源相對匱乏，憑借人工經(jīng)驗監(jiān)測和確定灌溉時間及用水量，容易導致水資源浪費。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)測尤為重要[1-2]。根據(jù)農(nóng)業(yè)墑情監(jiān)測的環(huán)境因子，使大棚內(nèi)的蔬菜獲得最佳生長環(huán)境條件，以此實現(xiàn)高效優(yōu)產(chǎn)。因此，將農(nóng)業(yè)墑情監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用在南疆蔬菜大棚中，對于提高南疆蔬菜大棚種植戶的經(jīng)濟效益具有重要的現(xiàn)實意義。

結(jié)合傳統(tǒng)蔬菜大棚生產(chǎn)不足，設(shè)計了一套基于農(nóng)業(yè)墑情監(jiān)控的蔬菜大棚自動通風與噴灌控制系統(tǒng)。由于南疆天氣多風沙，在蔬菜大棚種植區(qū)域外圍安裝防風抑沙網(wǎng)進行阻隔。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，實現(xiàn)采集CO2濃度、土壤溫濕度及空氣溫濕度，通過數(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)間進行比較，自動控制風機和水泵是否啟動進行通風降溫，自動完成擴散CO2氣體濃度及噴灌操作，蔬菜大棚的種植戶也能實時在上位機顯示屏察看這些環(huán)境因子的變化。該系統(tǒng)相對傳統(tǒng)的人工蔬菜大棚節(jié)省大量人力監(jiān)控，也能減少資源的過度利用，對蔬菜大棚進行精準噴灌與智能管控，提高資源利用率[3-5]。

1 系統(tǒng)設(shè)計

1.1 硬件設(shè)計

該蔬菜大棚自動控制通風、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、上位機顯示模塊、監(jiān)測模塊、轉(zhuǎn)換模塊、報警及執(zhí)行模塊組成?？梢詫κ卟舜笈镞M行定時定量的通風降溫、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，電動機控制外圍設(shè)備，CPU速度達到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，工作時具有低功率和低電壓優(yōu)勢，并結(jié)合了實時運行功能。數(shù)據(jù)處理的MCU 體系結(jié)構(gòu)具有一個易于使用的 STM32 平臺，可用于包括電動機驅(qū)動、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，型號為DATA-6121低功耗無線模塊，采用低功耗設(shè)計，通過GPRS或者以短消息的方式進行遠程傳輸數(shù)據(jù)，對于太陽能供電的監(jiān)測條件十分適用，同時也能大幅度降低太陽能供電成本并降低施工難度。

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

5)監(jiān)測模塊采用CO2氣體濃度傳感器，可探測蔬菜大棚內(nèi)CO2濃度，用于對大棚內(nèi)蔬菜的呼吸作用和光合作用進行及時調(diào)控；空氣溫濕度傳感器和土壤溫濕度傳感器可以測量空氣和土壤中的溫度及濕度，實現(xiàn)對環(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，增強系統(tǒng)的靈活性。

8)報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關(guān)控制風機自動散熱和水泵自動灌水，及CO2氣體濃度調(diào)節(jié)。

如圖 1 所示，該系統(tǒng)實現(xiàn)步驟具體描述為：通過CO2傳感器、空氣溫濕度傳感器和土壤溫濕度傳感器監(jiān)測大棚內(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)測出的模擬信號傳給A/D轉(zhuǎn)換模塊，核心處理器會對模擬轉(zhuǎn)換后的電壓值進行數(shù)據(jù)處理。核心處理器執(zhí)行程序會把所獲得的CO2濃度、空氣和土壤的溫濕度編寫算法指令，算法得到后的數(shù)值通過GPRS模塊傳輸?shù)缴衔粰C顯示屏顯示，讓棚戶了解棚內(nèi)環(huán)境因子的實時動態(tài)。

1.2 主程序設(shè)計

系統(tǒng)主要程序設(shè)計的流程見圖2。

圖2 主程序設(shè)計流程圖

首先對大棚中適合蔬菜生長的環(huán)境因子設(shè)定合理的參數(shù)區(qū)間值，對各個傳感器及其他設(shè)備進行初始化，然后利用傳感器監(jiān)測空氣溫濕度、土壤溫濕度及CO2氣體濃度，并將采集到的環(huán)境因子電信號通過A/D轉(zhuǎn)換器傳送給核心處理器STM32F1103ZFT6，核心處理器會結(jié)合對應(yīng)的均值算法對所采集的數(shù)據(jù)進行計算。此時計算出的結(jié)果會通過GPRS模塊傳給上位機進行顯示。同時核心處理器會將處理后的數(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)就會通過繼電器控制對應(yīng)機構(gòu)工作，如風機打開通風降溫、降低CO2濃度，打開報警裝置提醒棚戶，直至環(huán)境因子達到系統(tǒng)設(shè)定的合理參數(shù)區(qū)間值，警報關(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)就會通過繼電器控制水泵打開進行噴霧或噴灌，噴霧用于改善空氣濕度，噴灌用于改善土壤濕度，同時會打開報警裝置提醒棚戶，直至蔬菜大棚中的土壤濕度或空氣濕度達到系統(tǒng)設(shè)定的合理參數(shù)區(qū)間值，警報關(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)會繼續(xù)記錄并監(jiān)測環(huán)境因子的實時變化，進入下一個循環(huán)。

2 系統(tǒng)調(diào)試

為了驗證系統(tǒng)的可行性，針對不同環(huán)境因子設(shè)置不同合理參數(shù)區(qū)間值，并進行測試。首先是調(diào)節(jié)CO2區(qū)間參數(shù)設(shè)置的濃度，當濃度過高時，系統(tǒng)發(fā)出報警，且上位機顯示濃度數(shù)值，打開風機，開始通風，直至濃度回歸到合理參數(shù)區(qū)間內(nèi)，警報解除；以同樣的方法測試土壤溫度和空氣溫度，得到的結(jié)果同上所述。然后進行土壤濕度和空氣濕度驗證，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，上位機顯示濕度值不在合理區(qū)間參數(shù)值，水泵打開進行噴灌及噴霧，直到濕度回歸設(shè)置的合理濕度參數(shù)值，系統(tǒng)警報解除。然后把CO2氣體濃度增大到超過系統(tǒng)CO2氣體參數(shù)最大值，同時把土壤濕度調(diào)節(jié)到較高參數(shù)取值范圍，警報發(fā)出聲響，上位機顯示CO2氣體濃度值高，以及土壤濕度過低，風機和水泵都自動打開降溫散濃和噴灌，當濃度到達設(shè)定參數(shù)值范圍內(nèi)時，風機停止工作，上位機顯示濃度正常，當濕度達到設(shè)定值時，上位機顯示濕度正常，水泵停止工作，此時警報才完全解除。最后設(shè)置了土壤濕度因素的測試，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，上位機顯示土壤濕度不在合理區(qū)間參數(shù)值內(nèi)，水泵打開噴灌；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，系統(tǒng)快速回歸正常，解除警報，水泵快速關(guān)閉。

經(jīng)測試，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)同運行，能夠滿足系統(tǒng)設(shè)計需求。系統(tǒng)良好運行也證實系統(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)計過程。該系統(tǒng)基于農(nóng)業(yè)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計理念，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)測采集后，核心處理器控制風機和水泵進行環(huán)境調(diào)節(jié)，使棚內(nèi)蔬菜獲得良好的生長環(huán)境。

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

4 展望

該系統(tǒng)未涉及南疆土壤鹽漬化的壓鹽工作，首先是因為土壤鹽分的監(jiān)測傳感器成本過高，且鹽分析出的時段一般是在植物收割后，這個工作只能人工噴灌進行壓鹽，希望后續(xù)的南疆蔬菜大棚探索工作能充分考慮這一問題并解決。