溫室智能灌溉水肥一體化監控系統

蔡長青 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合的一項綜合技術，具有省肥、省水、省工、環保、高產、高效的突出優點，目前生產型日光溫室的水肥一體化灌溉施肥和灌溉作業，多數依靠人工經驗完成，灌溉的及時性、科學性及智控化程度不高。本研究應用STM32嵌入式系統，實時采集埋入土壤中的上、中、下3個深度的濕度傳感器的數據，根據不同作物預定的施肥、灌溉策略，自動控制完成溫室水肥一體化灌溉作業。該系統同時具有遠程監控功能，采用全球移動通信（global system for mobile，GSM）模塊給用戶提供遠距離短消息服務，用戶不僅可以通過短信對溫室灌溉、光照、通風的遠程智能監測，同時可遠程控制系統作業的啟停，以此實現溫室環境的自動化管理，達到遠程施肥與節水灌溉的目的。

關鍵詞：智能溫室；水肥一體；STM32；遠程監控；GSM

中圖分類號： S126文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2017）10-0164-03

目前溫室智能水肥一體化灌溉監控系統的發展主要側重在監測、灌溉、節水及對溫室信息的采集上，自動控制水平不高，采集的數據信息及控制狀態也只能在系統嵌入的設備上統一顯示，并不能在各節點進行數據采集及控制狀態的顯示，并且在對數據的采集上，采集節點并不能達到經濟、便利、自由的安置，對溫室環境也不能實現遠距離實時查詢監控[1-4]。

本研究所設計的溫室水肥一體化智能監控系統裝置，通過采集溫室區域內多個點位、深度的土壤濕度數據，對比設定的土壤中上、中、下3個深度的濕度閾值，計算出當前溫室的最佳灌溉量，通過自動啟停水肥一體化灌溉裝置，自行調控溫室的灌溉時間和灌溉量。同時監控系統具有全球移動通信（global system for mobile，簡稱GSM）短消息服務功能，溫室環境信息及控制過程通過定時發送給用戶，用戶可定時獲取含溫室環境信息的短消息，也可隨時向主控系統發送查詢、控制短消息，進行溫室環境信息的實時查詢及控制命令的下達，實現遠距離實時溫室環境信息監控，達到節水灌溉的目的[5-10]。

1系統方案與試驗設計

1.1系統方案

本研究總體劃分為智能調控系統與遠程信息服務系統2個部分。智能調控系統有主控系統和監控終端2個模塊構成：主控系統以STM32 F4Discovery為控制處理器，重點解決溫室整體管控信息的管理、數據的收集存儲、施控數據的計算及控制指令的下達、用戶服務信息的處理；監控終端以單片機為控制處理器，負責溫室環境傳感器的實時數據獲取，接收主控系統的指令，上傳數據、啟停執行裝置，可視化查詢節點狀態及監測數據；遠程信息服務系統通過GSM的Internet接入功能實現，通過綁定手機卡，以手機短消息的方式實現溫室實時調控狀態及溫室環境信息的發送。監控終端以89C52單片機為控制處理器，實現控制終端的信息采集和執行機構的啟停操作。系統設計整體思路如圖1所示。

1.1.1研究的總體設計

首先，監控終端模塊下的多點位溫室環境采集單元實時采集土壤上、中、下3個深度的溫濕度、葉面光照度等溫室環境信息，并存儲本地存儲卡中，監控終端模塊隨時等待主控系統的喚醒，接收指令、上傳階段時間內采集的溫室環境數據，并根據指令控制執行裝置的啟停作業；其次，主控系統按設定順序，依次循環喚醒監控終端，接收監控終端上傳的環境數據及狀態數據、存儲數據，信息匯總，根據接收到的監測終端節點的環境數據，結合設定的溫室種植作物的生長階段所需的水、肥信息，分析與處理生成執行機構啟?？刂浦噶睿聜鹘o監控終端，主控系統實時根據操控者需要進行各監控終端節點的工作狀態、監測數據、指令下達記錄等信息的查詢服務；再次，主控系統根據設定時間，定時將采集到的監控終端的溫室環境數據通過RS232接口與GSM 透明數據傳輸終端相連，通過GSM模塊將數據傳輸終端內置嵌入式處理器對數據進行處理、協議封裝后通過GSM網絡發送給用戶，用戶不受地域限制隨時接收遠程溫室環境信息數據短信服務，如發現異常狀態可以通過短消息向主控系統下達溫室水肥一體化終端發出啟停指令，及時修正主控系統參數設定，實現溫室灌溉及環境的實時遠程控制。

1.1.2智能調控系統設計

研究將智能調控系統劃分為主控系統和監控終端2個功能模塊。其中主控系統是溫室水肥一體化實施的關鍵環節：對上，主控系統通過GSM模塊，以短消息形式實現監控信息的遠距離通訊；對下，主控系統根據溫室內各傳感器采集的數據進行運算分析生成控制指令；主控系統本身還要實現用戶的各種參數的設定、信息的查詢等服務。監控終端是溫室水肥一體化的實際執行模塊，負責環境數據采集、執行機構啟停的具體操作。

1.2試驗設計

1.2.1試驗

本研究以番茄溫室種植灌溉為系統試驗對象，通過對同一時期內智能監控灌溉與傳統灌溉2種灌溉模式下的灌溉用水量及產量進行對比試驗。于2014年10月至2014年12月在長春市綠園區農業技術推廣站溫室進行試驗。溫室長70.0 m、寬6.0 m、高3.5 m，有補光、加溫系統。采用地面起壟，壟上種植方式，每個溫室起壟6行，每壟定植150株，每個溫室共定900株番茄，定植時間為10月2日。溫室1中安裝溫室智能水肥一體化灌溉監控系統，進行溫室灌溉智能化管理模式，溫室2采用傳統灌溉管理模式。試驗期間，不定時通過手動或遠程遙控方式進行溫室1的監控裝置進行灌溉操控試驗。

溫室灌溉采用微噴方式，灌溉用肥是針對番茄作物調配的液態混合肥，存儲于溫室中的畜肥罐中，在灌溉過程中液態肥經文丘里施肥器按照設定水肥比例均勻混入灌溉用水中，實現水肥同時施入。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。灌溉用水量通過在主供水管道中加裝斯普瑞噴霧系統（寧波）有限公司生產的801型流量計進行測量，監測數值傳輸到計算機進行存儲。混合液態肥料施入通過在主供水管道中加裝玉田縣鴻源管件有限公司生產的文丘里施肥器實現。溫室1（水肥一體化灌溉監控系統）灌溉執行機構通過安裝在管道上的浙江省余姚市三葉閥門科技有限公司生產的2T型電磁閥完成，溫室2灌溉通過人工啟停。研究從番茄定植開始進行灌溉及對比灌溉試驗。

根據溫室傳感器布置長度將溫室均勻分為溫室前部、中部、后部3個區域，保證每個區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個區域，溫室智能水肥一體化灌溉系統的試驗區域各傳感器設計如圖4所示。

2結果與分析

從表1中可以看出：溫室1中有2次人工遠程控制灌溉過程，達到系統設定目標；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的灌溉次數明顯多于溫室2，且相對時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）11月26日第1次采

摘，溫室2（傳統灌溉）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號溫室番茄總產量為 1 057.2 kg，2號溫室番茄總產量為910.9 kg，1號溫室番茄總產量高于2號溫室；監控裝置在整個試驗期間運行穩定可靠，未出現故障，數據誤差在允許范圍之內。結果表明，溫室1通過傳感器啟停灌溉，在灌溉的及時性及灌溉用水量上要優于溫室2，灌溉次數增多，次灌溉量略少；與傳統灌溉模式相比，溫室智能水肥一體化灌溉監控系統灌溉有利于番茄產量的增加；北方10月到12月是秋冬交換季節，不屬于番茄的最佳生長期，溫室的溫度及光照度逐漸減少，溫室內需要通過增溫、增光、密封才能保證番茄的正常生長，所以番茄的產量總體偏低，且對番茄的需水量、結果期都有一定影響。監測灌溉系統數據監測記錄及遠程監測截屏如圖5至圖7所示。

3結論

本研究研制的溫室智能水肥一體化灌溉監控系統，可根據溫室環境自動調控灌溉時間及灌溉量，可采集溫室溫濕度、光照度數據；通過GSM/GPRS模塊實現溫室環境的遠距離信息查詢和控制，使用戶可以實時、方便、快捷地監控溫室環境信息，實現精準灌溉管理；通過與傳統灌溉模式對比，智能灌溉溫室的用水量略有減少，番茄產量有所增加，可遠程操控灌溉啟停，有效降低工作人員的作業強度。本系統造價低廉、加裝方便、經濟實用，可在現有溫室中加裝改造，有利于我國傳統溫室向現代化農業溫室大棚發展。

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