基于STM32的植株缺素水肥調(diào)節(jié)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

李澍源，郭巧惠，林 真，鄭志聰，練開明

(福建農(nóng)林大學(xué)金山學(xué)院，福建 福州 350002)

0 引言

水肥一體化技術(shù)相比原有的灌溉技術(shù)有著革命性的變化，它是將肥料與水進(jìn)行一定的配比后，直接將混合后的肥料澆灌到植株根系，使得養(yǎng)分可以充分地被植株吸收。這一方式可以極大地提升肥料的利用率、減少肥料在土壤中的流失。隨著水肥一體化技術(shù)的不斷發(fā)展和得到重視，加上科學(xué)技術(shù)的不斷突破，智能化種植技術(shù)正逐步取代人工作業(yè)。如何能精準(zhǔn)地實(shí)現(xiàn)水肥調(diào)節(jié)一直是我國農(nóng)業(yè)發(fā)展過程中探索的問題，若過度施肥則會(huì)對(duì)植株造成損害，抑制葉綠素的合成，同時(shí)也會(huì)造成肥料的浪費(fèi)；而若施肥不足則會(huì)影響植物生長(zhǎng)，導(dǎo)致其生長(zhǎng)緩慢、抑制其有效成分的積累。精準(zhǔn)的水肥調(diào)節(jié)，不僅可以使植株得到其相對(duì)較適合的養(yǎng)分供給以提高產(chǎn)量，更能增加經(jīng)濟(jì)效益[1-6]。

本文設(shè)計(jì)一套基于STM32的水肥調(diào)節(jié)系統(tǒng)，通過控制氮、磷、鉀及微量元素和水的調(diào)節(jié)閥開度，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)不同植株較好的精準(zhǔn)施肥。以生菜為研究對(duì)象，以生菜最適水肥配比為標(biāo)準(zhǔn)，保證氮、磷、微量元素在標(biāo)準(zhǔn)水肥配比的前提下，控制調(diào)節(jié)閥不同開度使鉀肥分別為5個(gè)濃度梯度時(shí)對(duì)5組生菜樣本進(jìn)行施肥澆灌。對(duì)不同鉀肥濃度下生長(zhǎng)的生菜葉片進(jìn)行圖像采集，對(duì)比研究不同鉀肥濃度與生菜葉片面積和植株高度的關(guān)系，得到控制系統(tǒng)對(duì)電磁閥開度控制所對(duì)應(yīng)的鉀肥配比調(diào)整策略，從而實(shí)現(xiàn)水肥配比的精準(zhǔn)調(diào)節(jié)。

1 系統(tǒng)組成架構(gòu)

基于STM32的水肥調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)是通過控制不同調(diào)節(jié)閥開度來實(shí)現(xiàn)對(duì)生菜的精準(zhǔn)施肥灌溉。系統(tǒng)組成架構(gòu)如圖1所示，根據(jù)生菜生長(zhǎng)培養(yǎng)液配方，在保證氮肥、磷肥、其他微量元素及水的配比為生菜生長(zhǎng)標(biāo)準(zhǔn)水肥配比濃度時(shí)，調(diào)節(jié)鉀肥閥為不同開度，使鉀肥濃度為標(biāo)準(zhǔn)濃度的0%、25%、50%、75%、100%。各種液體肥料閥打開后，液體統(tǒng)一匯入肥料罐，均勻混合后通過管道輸送到植物根部。

圖1 系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)Fig.1 Schematic diagram of system structure

2 水肥調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)

2.1 STM32控制系統(tǒng)

采用的MCU是以STM32為核心的控制板，相比于51單片機(jī)，其擁有更多可用的IO接口，可滿足系統(tǒng)連接多臺(tái)控制設(shè)備的需求以及后期增加設(shè)備的可能；同時(shí)STM32擁有更強(qiáng)大的內(nèi)核，在整體控制速度及效率上也相比較51單片機(jī)快很多[7-8]。STM32目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用在諸多的嵌入式控制領(lǐng)域，可靠性也得到了驗(yàn)證。STM32控制核心部分電路原理如圖2所示，STM32核心控制板模塊實(shí)物如圖3所示。

2.2 電磁閥模塊及控制

水肥調(diào)節(jié)系統(tǒng)中采用電磁閥作為不同管道的開關(guān)，通過控制水閥、氮肥閥、磷肥閥、鉀肥閥、其他微量元素閥，以及1～5號(hào)培養(yǎng)箱對(duì)應(yīng)的電磁閥來實(shí)現(xiàn)對(duì)生菜水肥配比的調(diào)節(jié)。德力西電磁閥如圖4所示，采用的型號(hào)是2W025-08，12V供電。

電磁閥控制是通過其打開時(shí)間的長(zhǎng)短來實(shí)現(xiàn)開度不同的調(diào)整，當(dāng)在標(biāo)準(zhǔn)濃度下進(jìn)行配比時(shí)導(dǎo)通時(shí)間為T100表示開度為100%，若要得到25%標(biāo)準(zhǔn)濃度即(電磁閥開度25%)的水肥配比就是讓對(duì)應(yīng)肥料閥導(dǎo)通時(shí)間為T25，T25與T100的比值即為所表示的開度，如式(1)所示。

圖2 STM32控制系統(tǒng)核心部分原理Fig.2 Schematic diagram of core part of STM32 control system

圖3 STM32核心控制板模塊實(shí)物Fig.3 Physical module of STM32 core control board

圖4 電磁閥實(shí)物Fig.4 Physical drawing of solenoid valve

(1)

根據(jù)水肥配比的要求，分別控制水閥、氮肥閥、磷肥閥、鉀肥閥、其他微量元素閥的開通時(shí)間，通過開通時(shí)間的不同實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)閥門流入肥料罐的水肥配比為所需的配比濃度。每次肥料罐中存有配比好后的水肥液后，打開1～5號(hào)培養(yǎng)箱其中一個(gè)的電磁閥，使得該培養(yǎng)箱植株獲得所需濃度的肥料液。

3 水肥調(diào)節(jié)系統(tǒng)試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)?zāi)康暮蜅l件

為驗(yàn)證基于STM32的水肥調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)的水肥配比調(diào)節(jié)對(duì)植株生長(zhǎng)的影響，采用生菜作為水肥調(diào)節(jié)系統(tǒng)的施肥對(duì)象，生菜采用水培的方式進(jìn)行種植，共分為5個(gè)水培箱，每個(gè)水培箱的水肥液都由單獨(dú)一個(gè)閥門控制，每次水肥配比后肥料罐內(nèi)的混合肥料液就進(jìn)入其中某個(gè)打開閥門的培養(yǎng)箱內(nèi)，每次只有其中一個(gè)培養(yǎng)液箱對(duì)應(yīng)閥門打開[9-10]。

本試驗(yàn)各組的生菜幼苗是初期在同一條件下已經(jīng)育好的且生長(zhǎng)狀況相同，后期將培養(yǎng)好的幼苗進(jìn)行水培種植，放置在試驗(yàn)培養(yǎng)架上，采用合成的光源按時(shí)照射以模擬自然光源，保持室內(nèi)溫度處于生菜生長(zhǎng)的最適溫度18～20 ℃。定期按照不同的水肥配比，給各水培箱內(nèi)注入對(duì)應(yīng)濃度的水肥營(yíng)養(yǎng)液。其中兩個(gè)培養(yǎng)箱種植的植株場(chǎng)景如圖5所示，白色導(dǎo)管是進(jìn)入培養(yǎng)箱內(nèi)肥料液的通道，由閥門打開或關(guān)斷控制其肥料液進(jìn)入。

3.2 試驗(yàn)方法

每組培養(yǎng)箱種植的生菜對(duì)應(yīng)水肥配比是在保證該水培箱氮、磷、微量元素水肥配比為標(biāo)準(zhǔn)生菜種植濃度，讓鉀肥對(duì)應(yīng)濃度從組1到組5分別為標(biāo)準(zhǔn)濃度的0%、25%、50%、75%、100%。這樣就可以保證1～5號(hào)培養(yǎng)箱內(nèi)的水肥配比是在其他條件不變的情況下，變量為鉀肥液的濃度。每次灌溉時(shí)，讓鉀肥在5個(gè)不同濃度梯度下分別對(duì)應(yīng)打開1號(hào)閥、2號(hào)閥、3號(hào)閥、4號(hào)閥、5號(hào)閥。使得1～5號(hào)培養(yǎng)箱生菜分別在不同鉀肥濃度下生長(zhǎng)。

圖5 試驗(yàn)種植生菜場(chǎng)景Fig.5 Scene of experiment planting lettuce

通過一段時(shí)間的種植，可以得到不同鉀肥濃度下種植的植株，本試驗(yàn)方法同樣可以應(yīng)用在當(dāng)其他肥料元素濃度作為變量時(shí)的情況下。通過采集種植后期每組植株多個(gè)樣本圖像，得到對(duì)應(yīng)樣本的葉片面積和植株高度，得到不同鉀肥液濃度與植株生長(zhǎng)狀態(tài)之間的關(guān)系，為水肥調(diào)節(jié)系統(tǒng)的精準(zhǔn)調(diào)節(jié)提供依據(jù)[11]。如圖6所示從左到右為鉀肥濃度在0～100%共5個(gè)濃度梯度下葉片樣本圖。生菜生長(zhǎng)后期1～5號(hào)培養(yǎng)箱的生菜生長(zhǎng)實(shí)物如圖7所示。

圖6 不同鉀肥濃度下植株葉片F(xiàn)ig.6 Leaves of plants at different potassium fertilizer concentrations

圖7 對(duì)照組生菜生長(zhǎng)實(shí)物Fig.7 Lettuce growth in control group

3.3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果分析

本試驗(yàn)采用5個(gè)不同鉀肥濃度，每個(gè)濃度對(duì)應(yīng)的培養(yǎng)箱種植9株生菜。通過STM32控制系統(tǒng)，控制不同調(diào)節(jié)閥按照一定的時(shí)間和順序進(jìn)行分組調(diào)節(jié)，使得水肥調(diào)節(jié)得到較好的實(shí)施。

通過后期植株圖像的采集，得到生菜葉片面積和植株高度隨濃度不同產(chǎn)生的變化。不同鉀肥濃度與葉片面積和植株高度的關(guān)系如圖8所示，從總體數(shù)據(jù)變化走勢(shì)來看，隨著施肥濃度越接近最適濃度，生菜的葉片面積越大且植株高度也越高，說明水肥配比的濃度對(duì)于生菜的生長(zhǎng)具有一定的影響。

圖8中兩個(gè)關(guān)系圖曲線分別經(jīng)過擬合后得到如圖9所示的不同鉀肥濃度與葉片面積和植株高度的關(guān)系，從擬合曲線可以得到更為準(zhǔn)確的植株葉片面積和高度隨濃度變化的總體趨勢(shì)。從圖上擬合后的曲線可以明顯看出，濃度的變化對(duì)植株生長(zhǎng)的影響具有顯著性，濃度越接近最適濃度，植株葉片面積和高度都呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)，所以控制好準(zhǔn)確的水肥配比對(duì)植物生長(zhǎng)及產(chǎn)量提升是至關(guān)重要的。

圖8 不同鉀肥濃度與葉片面積和植株高度的關(guān)系Fig.8 Relationship between different potassium fertilizer concentrations and leaf area and plant height

圖9 不同鉀肥濃度與葉片面積和植株高度關(guān)系擬合曲線Fig.9 Fitting curve of relation between different potassium fertilizer concentration and leaf area and plant height

4 結(jié)束語

本系統(tǒng)利用基于STM32的控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了不同濃度水肥配比的調(diào)節(jié)，并通過試驗(yàn)得到了驗(yàn)證。所設(shè)計(jì)的水肥一體化調(diào)節(jié)系統(tǒng)是以生菜作為研究對(duì)象，進(jìn)行了不同濃度鉀肥的調(diào)節(jié)試驗(yàn)，結(jié)果表明本系統(tǒng)可以使生菜在生長(zhǎng)過程中得到精確的水培配比營(yíng)養(yǎng)液，對(duì)其生長(zhǎng)具有明顯的促進(jìn)作用。本系統(tǒng)同樣可以實(shí)現(xiàn)對(duì)其他不同肥料元素濃度的調(diào)節(jié)，具有精準(zhǔn)度高、穩(wěn)定性好的特點(diǎn)，可以很好地應(yīng)用在農(nóng)業(yè)大棚中來促進(jìn)瓜果蔬菜植株更好地生長(zhǎng)，具有較好的應(yīng)用價(jià)值。