智能水肥一體化系統設計研究

李合菊 馬偉順 宋文敏

萊蕪職業技術學院 山東 萊蕪 271100

智能水肥一體化系統設計研究

李合菊 馬偉順 宋文敏

萊蕪職業技術學院 山東 萊蕪 271100

本文提出了一種智能化的水肥一體化系統，對該系統的關鍵設計問題進行了研究與論述，在引入STM32模塊的基礎之上，重點就核心控制器模塊的硬軟件設計要點進行分析與總結，望能夠引起各方人員的高度關注與重視。

水肥一體化系統；智能技術；STM32模塊；設計

圖1 智能水肥一體化系統總體結構示意圖

眾所周知，水肥一體化系統是近年來農業領域與智能化技術相結合背景下一種全新的耕作方式。與傳統意義上先撤肥后灌溉的耕作模式相比，應用水肥一體化系統技術能夠節約大量人工，在降低肥料耗用量的同時減少浪費，避免因過量施肥而出現農作物燒根的問題，也可根據農作物的生長需求，對水分、養分供應量加以合理調整，確保作物始終處于養分、水分充足供應的狀態下，以提高作物生長質量。本文即論述一種以STM32模塊為基礎的智能水肥一體化系統，就系統設計的關鍵內容進行分析與研究。

1 總體設計方案

在栽培技術以及信息技術同步發展的背景下，農業已經進入信息化時代，水肥一體化系統在大田農業生產中的應用日益廣泛。整個智能水肥一體化系統從結構構成上來看主要可劃分為三大部分，第一是電氣部分，第二是核心控制器設計部分，第三是灌溉施肥管理結構設計部分。智能水肥一體化系統主要是借助于土壤原位EC計、土壤水分傳感器等相關裝置實時性監測作物根系土壤間水肥情況，然后反饋至控制中心，由PLC控制器軟件平臺系統根據所獲取參數判斷是否需要對農田進行灌溉施肥處理。圖1所示即為智能水肥一體化系統的總體結構示意圖。

2 控制器硬件設計

在智能水肥一體化系統中，以核心控制器設計為整個系統設計的重點。核心控制器所涉及到的主要模塊包括SD卡儲存、人機交互、以太網接口拓展、AI接口、以及DO接口等。其中，SD卡儲存模塊主要用于對系統所覆蓋范圍內灌區歷史數據以及概貌歷史數據的收集，覆蓋區間為近5年；人機交互模塊選用工業串口屏，基于RS232接口實現屏幕與控制器的數據交互；以太網接口拓展模塊可實現基于Web的參數顯示以及系統設置等相關功能；AI接口主要負責肥液EC、PH參數檢測、管道壓力檢測等工作；DO接口主要負責對繼電器組的控制，控制對象包括電磁閥以及灌溉泵等。

本系統所選用控制器為STM32系列微控制器，設備型號為STM32 F207VGT6，工作頻率為120MHz，處理字節為1M，外設豐富，完全可滿足系統需求。系統選用USART1串口外設設計串口屏工作接口，以RS485接口作為調試操作接口，系統AI輸入功能基于SPI接口控制ADC采集芯片的方式實現，SD卡利用SDIO接口連接，以支持系統數據儲存功能的實現，DO功能則采用ULN2803A功率驅動模塊與GPIO配合的方式實現對繼電器工作模塊的控制。

在人機交互接口模塊中，選用工業串口屏，核心控制器與觸摸屏交互功能依托RS232工作接口實現，主要功能包括數據顯示、用戶參數設置、系統狀態顯示等。接口通過引入MAX232電平轉換模塊的方式實現。

在AI接口模塊中，該模塊主要負責對各種模擬量參數的采集，如肥液EC、PH參數檢測、管道壓力參數等。正常運行狀態下，該模塊可檢測電壓信號單位在1V~5V區間，可檢測電流信號單位在4～20mA區間。

在DO接口模塊中，該模塊主要負責提供相應數字控制信號，與水肥一體化系統中電氣部分功率繼電器裝置進行連接，以實現控制執行機構的目的。本操作系統中，DO模塊下主要控制對象包括肥液通道電磁閥以及混肥灌溉泵這兩個部分。硬件結構設計中小功率繼電器應用ULN2803功率驅動器提供驅動作用，開關信號擴展至端子，與電氣部分進行連接，以實現通過弱電對強電進行控制的目的。

3 控制器軟件設計

在智能水肥一體化系統中，核心控制器模塊需要實現的最主要功能是支持用戶對控制參數的輸入，并根據所輸出參數自動執行灌溉以及施肥等一系列指令，同時儲存灌區以及概貌歷史數據，為用戶提供查詢支持。在核心控制器軟件設計中的關鍵要點如下：

在人機交互模塊中，軟件設計的重點是對RS232串口數據交互問題的處理，依托于核心控制器與串口交互的方式，完成對顯示數據、用戶設置參數的交互處理。軟件部分設計中，經由UART模塊使核心控制器中斷接收觸摸屏所返回的各種參數指令，搭載串口將需顯示數據發送至觸摸屏。

在灌溉控制模塊中，基于智能化的水肥一體化系統灌溉控制應當提供兩種模式供用戶選擇，第一是定時控制模式，第二是周時鐘控制模式。對于前者而言，水肥一體化系統中面向覆蓋灌區提供8個定時器以供選擇，由用戶根據灌溉、施肥需求激活相應定時器，并設置啟動時間即可；對于后者而言，水肥一體化系統中可以周為單位由用戶獨立進行灌溉啟動時間、啟動次數、間隔時間、是否激活施肥等先關參數的設置工作。在本模塊運行過程中，首先應由核心控制器根據用戶設置模式選擇相對應的控制策略，在此基礎之上激活相應控制。若當天激活施肥指令，則同步生成關鍵控制參數，參數自動并入施肥控制鏈表中，以方便施肥控制模塊進行相應處理。

在配肥算法模塊中，水肥一體化系統允許用戶設置包括肥液配方號、肥液通道配置方案、EC控制激活、EC設定值、EC設置上限值、EC設置下限值、以及肥液比例等關鍵參數，并自動生成4個不同配方。在覆蓋灌區中，用戶需選擇該灌區所對應的灌溉控制模式，指定灌區相應配方號。在系統執行灌溉算法的過程中可根據用戶所設置灌溉策略以及是否激活施肥指令，以自動生成相應控制參數，啟動施肥控制功能，并搭載開環或閉環控制方式運行。

4 結束語

本文提出了一種基于STM32模塊的智能水肥一體化系統，對該系統核心控制器部分的硬軟件設計問題進行了逐一分析與論述，可滿足水肥一體化系統的相關功能需求，實現灌溉與施肥的一體化控制，對提高灌溉系統中肥液以及水資源利用效率有非常重要的作用與價值，值得在農業領域進一步推廣應用。

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S277.9

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課題名稱：基于STM32的水肥一體化控制系統,課題項目編號2015jsky04