溫室智能灌溉水肥一體化監(jiān)控系統(tǒng)

蔡長(zhǎng)青 侯首印 張楨 鄭萍 張繼成

摘要：水肥一體化是將灌溉與施肥相結(jié)合的一項(xiàng)綜合技術(shù)，具有省肥、省水、省工、環(huán)保、高產(chǎn)、高效的突出優(yōu)點(diǎn)，目前生產(chǎn)型日光溫室的水肥一體化灌溉施肥和灌溉作業(yè)，多數(shù)依靠人工經(jīng)驗(yàn)完成，灌溉的及時(shí)性、科學(xué)性及智控化程度不高。本研究應(yīng)用STM32嵌入式系統(tǒng)，實(shí)時(shí)采集埋入土壤中的上、中、下3個(gè)深度的濕度傳感器的數(shù)據(jù)，根據(jù)不同作物預(yù)定的施肥、灌溉策略，自動(dòng)控制完成溫室水肥一體化灌溉作業(yè)。該系統(tǒng)同時(shí)具有遠(yuǎn)程監(jiān)控功能，采用全球移動(dòng)通信（global system for mobile，GSM）模塊給用戶(hù)提供遠(yuǎn)距離短消息服務(wù)，用戶(hù)不僅可以通過(guò)短信對(duì)溫室灌溉、光照、通風(fēng)的遠(yuǎn)程智能監(jiān)測(cè)，同時(shí)可遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)作業(yè)的啟停，以此實(shí)現(xiàn)溫室環(huán)境的自動(dòng)化管理，達(dá)到遠(yuǎn)程施肥與節(jié)水灌溉的目的。

關(guān)鍵詞：智能溫室；水肥一體；STM32；遠(yuǎn)程監(jiān)控；GSM

中圖分類(lèi)號(hào)： S126文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)：1002-1302（2017）10-0164-03

目前溫室智能水肥一體化灌溉監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展主要側(cè)重在監(jiān)測(cè)、灌溉、節(jié)水及對(duì)溫室信息的采集上，自動(dòng)控制水平不高，采集的數(shù)據(jù)信息及控制狀態(tài)也只能在系統(tǒng)嵌入的設(shè)備上統(tǒng)一顯示，并不能在各節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集及控制狀態(tài)的顯示，并且在對(duì)數(shù)據(jù)的采集上，采集節(jié)點(diǎn)并不能達(dá)到經(jīng)濟(jì)、便利、自由的安置，對(duì)溫室環(huán)境也不能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離實(shí)時(shí)查詢(xún)監(jiān)控[1-4]。

本研究所設(shè)計(jì)的溫室水肥一體化智能監(jiān)控系統(tǒng)裝置，通過(guò)采集溫室區(qū)域內(nèi)多個(gè)點(diǎn)位、深度的土壤濕度數(shù)據(jù)，對(duì)比設(shè)定的土壤中上、中、下3個(gè)深度的濕度閾值，計(jì)算出當(dāng)前溫室的最佳灌溉量，通過(guò)自動(dòng)啟停水肥一體化灌溉裝置，自行調(diào)控溫室的灌溉時(shí)間和灌溉量。同時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)具有全球移動(dòng)通信（global system for mobile，簡(jiǎn)稱(chēng)GSM）短消息服務(wù)功能，溫室環(huán)境信息及控制過(guò)程通過(guò)定時(shí)發(fā)送給用戶(hù)，用戶(hù)可定時(shí)獲取含溫室環(huán)境信息的短消息，也可隨時(shí)向主控系統(tǒng)發(fā)送查詢(xún)、控制短消息，進(jìn)行溫室環(huán)境信息的實(shí)時(shí)查詢(xún)及控制命令的下達(dá)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離實(shí)時(shí)溫室環(huán)境信息監(jiān)控，達(dá)到節(jié)水灌溉的目的[5-10]。

1系統(tǒng)方案與試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1系統(tǒng)方案

本研究總體劃分為智能調(diào)控系統(tǒng)與遠(yuǎn)程信息服務(wù)系統(tǒng)2個(gè)部分。智能調(diào)控系統(tǒng)有主控系統(tǒng)和監(jiān)控終端2個(gè)模塊構(gòu)成：主控系統(tǒng)以STM32 F4Discovery為控制處理器，重點(diǎn)解決溫室整體管控信息的管理、數(shù)據(jù)的收集存儲(chǔ)、施控?cái)?shù)據(jù)的計(jì)算及控制指令的下達(dá)、用戶(hù)服務(wù)信息的處理；監(jiān)控終端以單片機(jī)為控制處理器，負(fù)責(zé)溫室環(huán)境傳感器的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)獲取，接收主控系統(tǒng)的指令，上傳數(shù)據(jù)、啟停執(zhí)行裝置，可視化查詢(xún)節(jié)點(diǎn)狀態(tài)及監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)；遠(yuǎn)程信息服務(wù)系統(tǒng)通過(guò)GSM的Internet接入功能實(shí)現(xiàn)，通過(guò)綁定手機(jī)卡，以手機(jī)短消息的方式實(shí)現(xiàn)溫室實(shí)時(shí)調(diào)控狀態(tài)及溫室環(huán)境信息的發(fā)送。監(jiān)控終端以89C52單片機(jī)為控制處理器，實(shí)現(xiàn)控制終端的信息采集和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的啟停操作。系統(tǒng)設(shè)計(jì)整體思路如圖1所示。

1.1.1研究的總體設(shè)計(jì)

首先，監(jiān)控終端模塊下的多點(diǎn)位溫室環(huán)境采集單元實(shí)時(shí)采集土壤上、中、下3個(gè)深度的溫濕度、葉面光照度等溫室環(huán)境信息，并存儲(chǔ)本地存儲(chǔ)卡中，監(jiān)控終端模塊隨時(shí)等待主控系統(tǒng)的喚醒，接收指令、上傳階段時(shí)間內(nèi)采集的溫室環(huán)境數(shù)據(jù)，并根據(jù)指令控制執(zhí)行裝置的啟停作業(yè)；其次，主控系統(tǒng)按設(shè)定順序，依次循環(huán)喚醒監(jiān)控終端，接收監(jiān)控終端上傳的環(huán)境數(shù)據(jù)及狀態(tài)數(shù)據(jù)、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，信息匯總，根據(jù)接收到的監(jiān)測(cè)終端節(jié)點(diǎn)的環(huán)境數(shù)據(jù)，結(jié)合設(shè)定的溫室種植作物的生長(zhǎng)階段所需的水、肥信息，分析與處理生成執(zhí)行機(jī)構(gòu)啟停控制指令，下傳給監(jiān)控終端，主控系統(tǒng)實(shí)時(shí)根據(jù)操控者需要進(jìn)行各監(jiān)控終端節(jié)點(diǎn)的工作狀態(tài)、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、指令下達(dá)記錄等信息的查詢(xún)服務(wù)；再次，主控系統(tǒng)根據(jù)設(shè)定時(shí)間，定時(shí)將采集到的監(jiān)控終端的溫室環(huán)境數(shù)據(jù)通過(guò)RS232接口與GSM 透明數(shù)據(jù)傳輸終端相連，通過(guò)GSM模塊將數(shù)據(jù)傳輸終端內(nèi)置嵌入式處理器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、協(xié)議封裝后通過(guò)GSM網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給用戶(hù)，用戶(hù)不受地域限制隨時(shí)接收遠(yuǎn)程溫室環(huán)境信息數(shù)據(jù)短信服務(wù)，如發(fā)現(xiàn)異常狀態(tài)可以通過(guò)短消息向主控系統(tǒng)下達(dá)溫室水肥一體化終端發(fā)出啟停指令，及時(shí)修正主控系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定，實(shí)現(xiàn)溫室灌溉及環(huán)境的實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程控制。

1.1.2智能調(diào)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

研究將智能調(diào)控系統(tǒng)劃分為主控系統(tǒng)和監(jiān)控終端2個(gè)功能模塊。其中主控系統(tǒng)是溫室水肥一體化實(shí)施的關(guān)鍵環(huán)節(jié)：對(duì)上，主控系統(tǒng)通過(guò)GSM模塊，以短消息形式實(shí)現(xiàn)監(jiān)控信息的遠(yuǎn)距離通訊；對(duì)下，主控系統(tǒng)根據(jù)溫室內(nèi)各傳感器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算分析生成控制指令；主控系統(tǒng)本身還要實(shí)現(xiàn)用戶(hù)的各種參數(shù)的設(shè)定、信息的查詢(xún)等服務(wù)。監(jiān)控終端是溫室水肥一體化的實(shí)際執(zhí)行模塊，負(fù)責(zé)環(huán)境數(shù)據(jù)采集、執(zhí)行機(jī)構(gòu)啟停的具體操作。

1.2試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.2.1試驗(yàn)

本研究以番茄溫室種植灌溉為系統(tǒng)試驗(yàn)對(duì)象，通過(guò)對(duì)同一時(shí)期內(nèi)智能監(jiān)控灌溉與傳統(tǒng)灌溉2種灌溉模式下的灌溉用水量及產(chǎn)量進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。于2014年10月至2014年12月在長(zhǎng)春市綠園區(qū)農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣站溫室進(jìn)行試驗(yàn)。溫室長(zhǎng)70.0 m、寬6.0 m、高3.5 m，有補(bǔ)光、加溫系統(tǒng)。采用地面起壟，壟上種植方式，每個(gè)溫室起壟6行，每壟定植150株，每個(gè)溫室共定900株番茄，定植時(shí)間為10月2日。溫室1中安裝溫室智能水肥一體化灌溉監(jiān)控系統(tǒng)，進(jìn)行溫室灌溉智能化管理模式，溫室2采用傳統(tǒng)灌溉管理模式。試驗(yàn)期間，不定時(shí)通過(guò)手動(dòng)或遠(yuǎn)程遙控方式進(jìn)行溫室1的監(jiān)控裝置進(jìn)行灌溉操控試驗(yàn)。

溫室灌溉采用微噴方式，灌溉用肥是針對(duì)番茄作物調(diào)配的液態(tài)混合肥，存儲(chǔ)于溫室中的畜肥罐中，在灌溉過(guò)程中液態(tài)肥經(jīng)文丘里施肥器按照設(shè)定水肥比例均勻混入灌溉用水中，實(shí)現(xiàn)水肥同時(shí)施入。供水管道直徑5.0 cm，微噴管道直徑1.6 cm，每壟沿壟溝平行鋪設(shè)。灌溉用水量通過(guò)在主供水管道中加裝斯普瑞噴霧系統(tǒng)（寧波）有限公司生產(chǎn)的801型流量計(jì)進(jìn)行測(cè)量，監(jiān)測(cè)數(shù)值傳輸?shù)接?jì)算機(jī)進(jìn)行存儲(chǔ)。混合液態(tài)肥料施入通過(guò)在主供水管道中加裝玉田縣鴻源管件有限公司生產(chǎn)的文丘里施肥器實(shí)現(xiàn)。溫室1（水肥一體化灌溉監(jiān)控系統(tǒng)）灌溉執(zhí)行機(jī)構(gòu)通過(guò)安裝在管道上的浙江省余姚市三葉閥門(mén)科技有限公司生產(chǎn)的2T型電磁閥完成，溫室2灌溉通過(guò)人工啟停。研究從番茄定植開(kāi)始進(jìn)行灌溉及對(duì)比灌溉試驗(yàn)。

根據(jù)溫室傳感器布置長(zhǎng)度將溫室均勻分為溫室前部、中部、后部3個(gè)區(qū)域，保證每個(gè)區(qū)域均有溫濕度傳感器；光照度傳感器安裝在溫室的前部和后部2個(gè)區(qū)域，溫室智能水肥一體化灌溉系統(tǒng)的試驗(yàn)區(qū)域各傳感器設(shè)計(jì)如圖4所示。

2結(jié)果與分析

從表1中可以看出：溫室1中有2次人工遠(yuǎn)程控制灌溉過(guò)程，達(dá)到系統(tǒng)設(shè)定目標(biāo)；溫室1、2的灌溉量都呈波浪式變化，溫室1的幅度大于溫室2；溫室1的灌溉次數(shù)明顯多于溫室2，且相對(duì)時(shí)間段的灌溉量少于溫室2，總灌溉量溫室1小于溫室2；溫室1（水肥一體化灌溉系統(tǒng)）11月26日第1次采

摘，溫室2（傳統(tǒng)灌溉）11月29日第1次采摘，截止到12月30日。從表2中可以看出，1號(hào)溫室番茄總產(chǎn)量為 1 057.2 kg，2號(hào)溫室番茄總產(chǎn)量為910.9 kg，1號(hào)溫室番茄總產(chǎn)量高于2號(hào)溫室；監(jiān)控裝置在整個(gè)試驗(yàn)期間運(yùn)行穩(wěn)定可靠，未出現(xiàn)故障，數(shù)據(jù)誤差在允許范圍之內(nèi)。結(jié)果表明，溫室1通過(guò)傳感器啟停灌溉，在灌溉的及時(shí)性及灌溉用水量上要優(yōu)于溫室2，灌溉次數(shù)增多，次灌溉量略少；與傳統(tǒng)灌溉模式相比，溫室智能水肥一體化灌溉監(jiān)控系統(tǒng)灌溉有利于番茄產(chǎn)量的增加；北方10月到12月是秋冬交換季節(jié)，不屬于番茄的最佳生長(zhǎng)期，溫室的溫度及光照度逐漸減少，溫室內(nèi)需要通過(guò)增溫、增光、密封才能保證番茄的正常生長(zhǎng)，所以番茄的產(chǎn)量總體偏低，且對(duì)番茄的需水量、結(jié)果期都有一定影響。監(jiān)測(cè)灌溉系統(tǒng)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)記錄及遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)截屏如圖5至圖7所示。

3結(jié)論

本研究研制的溫室智能水肥一體化灌溉監(jiān)控系統(tǒng)，可根據(jù)溫室環(huán)境自動(dòng)調(diào)控灌溉時(shí)間及灌溉量，可采集溫室溫濕度、光照度數(shù)據(jù)；通過(guò)GSM/GPRS模塊實(shí)現(xiàn)溫室環(huán)境的遠(yuǎn)距離信息查詢(xún)和控制，使用戶(hù)可以實(shí)時(shí)、方便、快捷地監(jiān)控溫室環(huán)境信息，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)灌溉管理；通過(guò)與傳統(tǒng)灌溉模式對(duì)比，智能灌溉溫室的用水量略有減少，番茄產(chǎn)量有所增加，可遠(yuǎn)程操控灌溉啟停，有效降低工作人員的作業(yè)強(qiáng)度。本系統(tǒng)造價(jià)低廉、加裝方便、經(jīng)濟(jì)實(shí)用，可在現(xiàn)有溫室中加裝改造，有利于我國(guó)傳統(tǒng)溫室向現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)溫室大棚發(fā)展。

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