便攜式植物生長水分脅迫檢測儀的設(shè)計

考文斌+++關(guān)蓓蓓+++陳昊+++魏路明+++劉一暢+++楊巧娜

摘 要：文章提出一種便攜式植物生長水分脅迫檢測儀，用于檢測植物生長過程中的水分脅迫信息，為精準(zhǔn)灌溉的實施提供理論依據(jù)。系統(tǒng)采用嵌入式與傳感器技術(shù)對植物生長過程中引起水分狀況變化的各項環(huán)境因子指標(biāo)（葉層溫濕度、冠層溫度、CO2濃度、土壤水勢等）進(jìn)行采集、存儲與處理，經(jīng)過數(shù)據(jù)分析得出植物水分脅迫信息，從而指導(dǎo)節(jié)水灌溉。

關(guān)鍵詞：水分脅迫；嵌入式；傳感器技術(shù)；環(huán)境因子

1 概述

隨著傳感器檢測技術(shù)、無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)燃夹g(shù)的不斷發(fā)展，用于農(nóng)田信息采集的技術(shù)與設(shè)備也日趨完善，同時由于各種原因?qū)е碌乃Y源短缺問題不斷加劇，利用植物生長過程中的缺水信息來指導(dǎo)實施精準(zhǔn)灌溉，已經(jīng)成為了精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)發(fā)展中的一項重要內(nèi)容。

1981年，Idso等人通過研究影響植物冠層溫度變化的主要環(huán)境因子空氣濕度，提出了植物水分脅迫指數(shù)[1]（Crop Water Stress Index，簡稱CWSI），定義如下：

目前，基于植物冠層溫度來測定植物生長過程中的水分狀況的研究在國內(nèi)外已經(jīng)得到了廣泛的研究，并有了實際的應(yīng)用[2]。

針對水資源的日益短缺，實現(xiàn)植物生長過程中的精準(zhǔn)灌溉越來越重要。本文提出一種便攜式植物生長水分脅迫檢測儀，采用嵌入式微處理器（STM32）和嵌入式操作系統(tǒng)（μC/OS-II）構(gòu)建的軟硬件平臺，如圖1所示。按照人機(jī)交互的需要，系統(tǒng)配置4.3寸觸摸屏，并在GUI-Builder等開發(fā)軟件的支持下，設(shè)計人機(jī)交互界面（GUI）管理程序；同時根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊?，配置短距離無線模塊接口、RS-485通信接口、SD卡接口，制定數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議并開發(fā)相應(yīng)的驅(qū)動程序等。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

本系統(tǒng)的硬件設(shè)計實現(xiàn)便攜式植物生長水分脅迫檢測儀的設(shè)計，主要包含ARM處理器模塊、多種傳感器、觸摸顯示模塊、無線通信模塊、SD卡數(shù)據(jù)存儲模塊以及電源模塊等，其硬件設(shè)計原理圖如圖2所示：

針對系統(tǒng)要實現(xiàn)的功能，以ARM微處理器STM32為核心，搭配多種傳感器，以此測量影響植物生長過程中水分狀況變化的多個參數(shù)，其中植物葉層溫濕度通過8路模擬開關(guān)連接，采用I2C通信方式測量；冠層溫度采用SPI通信方式測量；植物生長環(huán)境土壤溫度、土壤水分，由于輸出的是模擬電壓信號，直接與STM32處理器的12位A/D轉(zhuǎn)換器相連完成數(shù)據(jù)的采集。

2.1 處理器模塊

本便攜式水分脅迫檢測儀的處理器模塊采用嵌入式ARM STM32處理器：STM32F103VET6，STM32系列處理器采用高性能的Cortex-M3內(nèi)核作為處理機(jī)制，工作頻率最高可達(dá)72 MHz，具有豐富的增強(qiáng)I/O 端口和外設(shè)[3]。

2.2 傳感器模塊

傳感器模塊包括植物冠層溫度傳感器、大氣環(huán)境溫濕度傳感器、光照度傳感器、土壤溫度傳感器、土壤水分傳感器等，用于采集植物生長過程中的微環(huán)境參數(shù)。

2.3 無線通信ZigBee模塊

本便攜式水分脅迫檢測儀的無線通信ZigBee模塊采用ZigBee新一代無線射頻芯片CC2530，CC2530通過串口與STM32處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，具有功耗低、信號強(qiáng)度大、價格較低等特點[4]。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

便攜式植物生長水分脅迫檢測儀包括硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩部分，兩者缺一不可，軟件系統(tǒng)建立在硬件系統(tǒng)基礎(chǔ)之上，兩者結(jié)合在一起，共同完成相應(yīng)的功能。本設(shè)計中的軟件系統(tǒng)根據(jù)硬件系統(tǒng)的配置采用模塊化的設(shè)計思想，整個軟件系統(tǒng)主要包括底層驅(qū)動的設(shè)計、嵌入式操作系統(tǒng)μC/OS-II、嵌入式圖形系統(tǒng)μC/GUI以及應(yīng)用程序的設(shè)計。

4 結(jié)束語

本文便攜式植物生長水分脅迫檢測儀的設(shè)計，通過分析國內(nèi)外植物生長缺水信息檢測技術(shù)的研究歷史和發(fā)展現(xiàn)狀，仔細(xì)分析了基于冠層溫度的植物生長缺水信息檢測技術(shù)，設(shè)計并開發(fā)了便攜式植物生長水分脅迫檢測儀。論文在查閱關(guān)于植物生長缺水信息檢測技術(shù)相關(guān)資料的基礎(chǔ)上，明確本系統(tǒng)的基本設(shè)計功能，首先確定了植物生長缺水信息檢測系統(tǒng)的整體設(shè)計方案，為后續(xù)工作的開展提供技術(shù)基礎(chǔ)支持。通過多種植物生長缺水信息檢測技術(shù)的比較分析，選擇以冠層溫度為主，以大氣溫濕度、土壤溫度、土壤含水量等影響植物生長水分虧缺的環(huán)境因素為輔，共同完成植物生長水分狀況的檢測。

參考文獻(xiàn)

[1]肖冠云，于海業(yè)，李國臣.基于葉氣溫差的溫室作物水分脅迫指數(shù)的試驗研究[J].西北農(nóng)業(yè)學(xué)報，2006，15（6）：100-103.

[2]曹元軍，王新忠.基于作物冠層溫度變化的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)灌溉系統(tǒng)的研究[J].農(nóng)機(jī)化研究，2010，9：126-129.

[3]王永虹，徐煒，等.STM32系列ARM Cortex-M3微控制器原理與實踐[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2008.

[4]龔文超，吳猛猛，劉雙雙.基于CC2530的無線監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[J].電子測量技術(shù)，2012，12.