農作物滴灌控制裝置的研究

劉學敏

摘 要：隨著現如今農業灌溉技術的快速發展，滴灌技術的應用越來越得到人們的重視。相比于傳統的灌溉技術，滴灌技術的良好運用再結合施肥，能夠使得農作物有效增產，并且在當前水資源缺乏的情況下，節約大量的水資源。文章基于STM32單片機設計了一種農作物滴灌自動控制系統，通過檢測土壤的濕度和大棚內部的溫度來自動控制滴灌閥門的水流量大小，實現一體化控制。

關鍵詞：滴灌技術；自動化控制；檢測技術

中圖分類號：S275 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）02-0112-02

Abstract： With the rapid development of agricultural irrigation technology nowadays， people pay more and more attention to the application of drip irrigation technology. Compared with the traditional irrigation technology， the good use of drip irrigation technology in combination with fertilization can effectively increase crop production， and in the current situation of water resources， save a lot of water resources. In this paper， a crop drip irrigation automatic control system based on STM32 single chip microcomputer is designed. The water flow of drip irrigation valve can be automatically controlled by detecting soil humidity and the temperature inside the shed， and the integrated control can be realized.

Keywords： drip irrigation technology； automatic control； detection technology

引言

我國地源廣大，整體資源豐富，位居世界先列。但由于人口眾多，使得人均資源占有量非常少，位居世界后列，僅為世界平均水平的25%，資源量相對非常匱乏。水資源是人類生存必需的資源之一，我國所有的城市當中，將近69%的城市生活水資源供給不足，全國每年的水資源缺少將近400億m3。其中的原因除了人口眾多，另外一個最重要的就是資源的浪費和污染現象嚴重。我國現今是世界的第一大工廠，工業污染的日益嚴重牽動著多人的心。全國每年的工業污水的排放量達到了335億m3，很多工廠排放污水不經過過濾和消毒處理直接排放至水域，造成干流和支流的大面積污染。

在我國水資源問題日益嚴重的情況下，在我國用水總量中，農業灌溉用水占了將近63%，在如此龐大的農業用水量的前提下，對于農業用水的科學有效地利用便成了當務之急。本文設計了一套基于STM32單片機的智能農作物滴灌控制系統。整個系統的輸入量設置為大棚土壤的含水量、大棚內部空氣的溫度和濕度，將此類信息進行采集并上傳至中央處理控制器，控制器內部通過智能算法進行計算，得出結果利用RS232串口通信協議發送至下行的滴灌閥門控制器。信息監測采集系統同時定時監測土壤的濕度和空氣中的溫度和濕度，當達到了環境要求的時候停止進行滴灌，從而組成一個自動化的閉環控制系統。

1 控制系統總體設計方案

本文設計的滴灌控制系統裝置，上位機是個人主機或工控主機，用于接受下行單片機上傳的關于土壤的含水量以及空氣中的濕度和溫度下達相關的控制指令。上位機不光接受這些數據還需要將數據儲存、備份，以便再一次遇到相似的數據時可以更快的做出反應，下達指令，上位機的操控模式分為兩種，一種是人為操控，另外一種是自動操控，不需要人為干預，自行執行閉環控制。上位機向下通過RS232總線以串口通信的方式連接STM32單片機，STM32單片機接受上位機下發的處理信息以控制下行的土壤含水量傳感器、空氣溫度傳感器和空氣濕度傳感器進行信息的檢測和采集，采集完成以后會經由上述的渠道傳回上位機，由上位機決策并下發指令。再通過STM32控制滴灌控制閥門，實施農作物滴灌。整個系統的運行框圖如圖1所示。

2 系統硬件設計方案

本系統設計使用的控制器件主要是STM32，控制的是下行的土壤傳感器、空氣濕度傳感器和空氣溫度傳感器的信息檢測和采集，并將采集后的信息傳回值上位機。STM32作為單片機的一種，其強化型的外設接口以及和微控制器型號相同的接口，為編程者提供了極大的方便和靈活性，并且單片機控制簡單，無需復雜的調試過程，降低了系統操作的難度，使得在實際的應用當中變得非常適用。STM32單片機的主要功能是將上位機的指令下發至下行的個控制器操縱其運行，將各控制器收集到的信息匯總至上位機進行決策。

2.1 傳感器

末端各個傳感器的檢測與采集時間和頻率是上位機控制的，本設計采用溫濕度傳感器來監控空氣中的溫度和濕度，減少了傳感器過多而導致的接線復雜的問題，也直接降低了控制板的制版難度。閥門控制器的主要作用就是接受上位機下發的通過STM32傳送來的控制指令，開通或者關閉滴灌閥門。

2.2 供電系統

整個系統的供電系統是通過電量檢測電路來實施的，傳感器和滴灌控制閥門上均安裝有電量檢測電路，電源的供給采用9V堿性電池。通過設置電量檢測電路可以實時提供電池電量的數據，當電池的電量低于某個設定值時則提醒需要更換電池。endprint

3 系統軟件設計方案

本系統上位機的作用是檢測濕度和溫度以及下達控制指令。檢測部分軟件采用LabVIEW進行監控，LabVIEW是美國的NI研發的一款程序開發環境，是一種類似于C語言的開發環境。它和一般的編程軟件的主要差別在于其采用的是文本的語言進行編碼，簡單易懂，易于操作，也使得整個變成的過程變得簡單。LabVIEW適用于檢測功能，其強大的功能可以充分發揮出計算機的能力，強大的數據處理能力使得任何情況下的檢測功能都可以順利實施。

本設計使用LabVIEW通過RS232串口通信實現了對于大棚當中的土壤、空氣的溫度以及濕度進行檢測。LabVIEW的工作界面如圖2所示。

4 系統驗證與結果

為了探究系統設計能否按照預期順利進行，劃取了兩片室外土壤并搭建了大棚，內部種植了主要有蔬菜類和花卉類植物。在實驗中還進行了對比因素的設定，以實現在不同的環境下該系統均能夠有效的進行自動控制。對比因素設置為土壤的干燥程度不同，其中種植的植物也有所不同，其他因素均相同，兩套自動控制系統同時安裝在兩個大棚內部，同時運行。

大棚內部每一株植物的間隙一定，均設置為0.3m×0.3m，根據日常蔬菜類植物的灌溉量預先設定蔬菜類植物幼苗期起始灌溉量為4000m3/hm2，一般情況下設定每12至14小時進行滴灌一次。通過上位機進行檢測，每次滴灌后，土壤和空氣中的濕度和溫度變化情況，如果在下一次的檢測中顯示，上一次的滴灌之后未能有效的改善環境狀況，則會在下一次的滴灌過程中，增加或者減少滴灌的水量或者滴灌的頻率。在實際的系統運行當中可能存在的情況是系統可能無法判斷環境的狀況是否得到了改變，則在下一次滴灌中不能根據現實狀況正確的改變滴灌水量和頻率，那么后續誤差將會持續增大，此時一般需要人為操作改變上位機參數，防止誤差增大。另外兩塊土壤的施肥量也需要保持一致，定期定量。

在指定的時間內，植物成熟以后，將植物全部摘取，分類并稱重。得出的結果顯示，在干燥的土壤中和濕潤的土壤中，不同的作物均能夠較好的生長。較之濕潤的土壤，干燥土壤中的作物長勢稍好，重量總體稍重。結果證明本文所設計的自動滴灌控制系統效果明顯，能夠根據土壤的實際情況改變灌水量和頻率，保證植物的有效生長。

5 結束語

由于我國水資源人均占有量缺乏，工業、農業用水隨著我國經濟的發展日益提高，使得本就緊缺的水資源顯得更加匱乏。鑒于農業灌溉用水占據了我國總體用水量的很大一部分，本文實地考察并設計了一套農作物滴灌自動控制系統，可以用于不同環境下植物生長時所需水資源的自動智能灌溉。本系統主要包括了上位機界面、STM32控制中樞和下行的各個控制器，形成自主檢測、自主分析與自動灌溉的一套智能控制體系。通過具體的試驗驗證了本系統的可靠性，結果表明提高了滴灌的效率，節約了水資源，同時也提高了農作物種植的經濟效益。

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