溫室無線遙控噴灌系統(tǒng)

鄭鐵 孫建偉 李一鑫 杜銳 果莉

摘 要：由于溫室內(nèi)農(nóng)田灌溉環(huán)境的特殊性，灌溉設備應不僅可對農(nóng)作物適時、適量的灌溉，而且更要無阻礙的在溫室內(nèi)自由移動。若在溫室內(nèi)采用有線信息傳輸，成本較高且線路較為復雜。故該文闡述的是一種基于無線通信技術的遠程監(jiān)視及控制的智能噴灌系統(tǒng)。基于無線通信技術，用戶在系統(tǒng)上位機界面中，不僅可以對溫室內(nèi)農(nóng)作物的生長狀況實時監(jiān)視，還可以實現(xiàn)對下位機灌溉平臺工作的實時控制。

關鍵詞：溫室灌溉 實時監(jiān)控 農(nóng)作物 無線通信

中圖分類號：S62 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）01（b）-0018-02

在我國溫室內(nèi)農(nóng)作物種植過程中，大部分農(nóng)戶仍采用地面灌溉的方式，因傳統(tǒng)的灌溉設備比較落后及各種人為因素，在灌溉中水資源浪費現(xiàn)象嚴重。為應對溫室內(nèi)的特殊環(huán)境，提高水資源的實際利用率，一套適用于溫室棚區(qū)的多功能噴灌系統(tǒng)顯得尤為重要。因而該文所闡述的系統(tǒng)就是針對這一問題而設計的一種基于無線網(wǎng)絡的可視化智能噴灌控制系統(tǒng)

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)為具有上位機與下位機共同控制的棚室內(nèi)無線智能監(jiān)控噴灌系統(tǒng)，整體系統(tǒng)框圖如圖1所示。

其中上位機為人機交互良好的可實時觀察溫室內(nèi)農(nóng)作物生長情況及控制灌溉系統(tǒng)的界面。下位機是由主控制器、無線模塊、電磁閥部分、流量監(jiān)測部分及攝像頭等多部分組成的可移動平臺。攝像頭通過wifi方式與上位機相連，將采集溫室內(nèi)實況傳至上位機，便于農(nóng)戶根據(jù)農(nóng)作物生長情況判斷是否需要灌溉，若需灌溉則通過無線模塊實現(xiàn)對下位機噴灌系統(tǒng)的控制。當下位機完成一次灌溉后，以無線通信方式將灌溉的流量信息傳遞至上位機，以便于農(nóng)戶對是否需要繼續(xù)灌溉進行分析、判斷。

2 系統(tǒng)材料與設計

2.1 下位機系統(tǒng)設計

下位機整體控制部分參照可編程自動化控制器理念，基于單片機系統(tǒng)，通過定制并可不斷優(yōu)化的灌溉管理系統(tǒng)，結(jié)合可變的灌溉對象，實現(xiàn)溫室內(nèi)無線遙控噴灌平臺。主要由遙控接收裝置及其安裝于自走式澆水機上的電磁閥和液位監(jiān)測裝置組成。液位監(jiān)測裝置檢測到的單位時間流量用于控制系統(tǒng)按照時間啟動或關閉灌溉泵。系統(tǒng)采用無線遙控發(fā)射裝置，各組遙控編碼分別連接至受微機控制的繼電器組合中，可進行編程發(fā)射無線遙控信號。接收采用與其配套使用的接收模塊，該模塊接收系統(tǒng)發(fā)射的無線開關信號后，控制電磁閥以一定的邏輯時序開啟或關閉。從而解決下位機平臺布線繁瑣的問題，實現(xiàn)溫室內(nèi)遠程控制。

2.1.1 控制器

在本下位機系統(tǒng)中，單片機控制器為下位機的核心處理機構(gòu)?？刂破髫撠煾鶕?jù)無線模塊接收到的數(shù)據(jù)對電磁閥、液位監(jiān)測裝置及電機驅(qū)動等裝置進行控制。

下位機平臺的控制器采用的STC12LE5A60S2芯片是下位機控制系統(tǒng)的關鍵所在，它和以往的STC-51單片機的指令是相互兼容的，但其有著STC-51單片機8～12倍的運行速度。此外，其低消耗和強抗干擾功能等優(yōu)勢更符合該系統(tǒng)對單片機的要求。

2.1.2 攝像頭

系統(tǒng)采用RW-720s型攝像頭，在此采用基于wifi的數(shù)據(jù)傳輸方式，再通過TCP/IP協(xié)議實現(xiàn)與上位機通信，以便于在上位機界面實現(xiàn)對溫室內(nèi)農(nóng)作物種植情況的實時監(jiān)控。

2.1.3 無線通信

系統(tǒng)的上位機與下位機之間采用無線通信的方式進行數(shù)據(jù)傳輸。該系統(tǒng)采用YL-100IL小功率無線數(shù)據(jù)傳輸模塊進行無線通信。它的功耗低，成本低，傳輸距離遠，抗干擾能力強。便于中小規(guī)模溫室內(nèi)的精確控制。無線通信電路圖如圖2所示。

2.1.4 流量監(jiān)測

下位機平臺通過無線通信接收到噴灌指令后，經(jīng)繼電器作用后對農(nóng)作物噴灌。在此流量計量采用SEN-HZ21WA霍爾水流量傳感器。它耐寒耐熱性能良好，最大承受水壓為1.75 MPa，具有良好的經(jīng)濟性且計量相對準確可滿足系統(tǒng)要求。

2.2 上位機設計

上位機設計采用Microsoft公司推出的Microsoft Visual C++，它是面向?qū)ο蟮目梢暬删幊滔到y(tǒng)。上位機具有人機交互良好的界面，其可分為多個模塊，各模塊間既相互獨立又相互聯(lián)系并統(tǒng)一于主界面，具有很強的伸縮性和擴展性。上位機將主要精力集中于實時監(jiān)控的可視化界面及灌溉決策和邏輯控制部分，從而使受控對象和參數(shù)更新較為靈活；其詳細記錄了灌溉過程中每一次、每一天的數(shù)據(jù)，便于日后統(tǒng)計分析不同作物最佳需水需肥量及灌溉模式。上位機工作流程圖如圖3所示。

3 實驗結(jié)果與分析

灌溉精度測試如表1。

由表1可以看出該系統(tǒng)在不同室溫環(huán)境下，噴灌量的測量誤差精度均在3%的范圍內(nèi)，可滿足對農(nóng)作物的噴灌需求。經(jīng)過多次試驗驗證，該系統(tǒng)具有較高的精準性及穩(wěn)定性，能滿足對溫室內(nèi)農(nóng)作物長時間灌溉、監(jiān)控的實際需求，對節(jié)水灌溉的推廣及提高農(nóng)戶的工作效率具有重要意義。

4 結(jié)語

該系統(tǒng)為一個在溫室棚區(qū)內(nèi)可自由移動、便于控制、集噴灌、噴藥、施肥于一體的田間遙控噴灌系統(tǒng)。使用者無需直接到達溫室內(nèi)，便可直接、方便地對溫室內(nèi)的灌溉平臺進行控制以實現(xiàn)對農(nóng)作物的實時觀察及定量地噴灌、施肥等。該系統(tǒng)具有較高的經(jīng)濟性、實用性，并對農(nóng)業(yè)水資源合理利用及節(jié)水灌溉的推廣具有重要意義。

參考文獻

[1] 吳水平.溫室自動噴灌控制系統(tǒng)設計與研究[D].長沙：湖南農(nóng)業(yè)大學，2008.

[2] 李合青，來智勇，張鑫.基于ZigBee的溫室智能灌溉執(zhí)行子系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[J].農(nóng)機化研究，2014（1）：95-98.

[3] 李秀娟.現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)設施節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)的研究[D].合肥：合肥工業(yè)大學，2007.

[4] 徐杰.基于無線傳感器網(wǎng)絡的智能噴灌控制系統(tǒng)的設計[D].哈爾濱：東北農(nóng)業(yè)大學，2014.

[5] 馮友兵.節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)無線傳感器網(wǎng)絡路由策略設計研究[D].鎮(zhèn)江：江蘇大學，2006.