日光溫室基質(zhì)袋培番茄灌溉監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

崔會坤，紀(jì)建偉，張大鵬，王春萌，王丹丹

(沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院，沈陽 110866)

在日光溫室基質(zhì)袋培番茄的過程中，精準(zhǔn)灌溉不僅能節(jié)約水資源，而且影響著番茄產(chǎn)量。目前歐美等國家已經(jīng)建立了日光溫室條件下番茄生長和灌水模型，根據(jù)這些模型設(shè)計出合適的灌溉監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)了對番茄的精準(zhǔn)灌溉，并取得了良好的應(yīng)用效果[1]。在我國北方大多數(shù)日光溫室中一般根據(jù)經(jīng)驗進(jìn)行人工灌溉，由于基質(zhì)袋培番茄對灌溉具有少量多次的需求，因此人工灌溉模式即達(dá)不到精準(zhǔn)灌溉的要求，又會浪費大量的人力資源，而國外的灌溉監(jiān)控系統(tǒng)價格昂貴、不便于維護(hù)與調(diào)試。

針對這一問題，根據(jù)日光溫室袋培番茄灌溉實際需求，結(jié)合現(xiàn)有資源，設(shè)計了日光溫室基質(zhì)袋培番茄灌溉監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)將傳感器檢測技術(shù)、控制技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)結(jié)合起來，能夠獲取日光溫室相關(guān)環(huán)境因子----溫度、光照度和土壤水分濕度[2]。在獲取上述環(huán)境因子的前提下，根據(jù)番茄生長和灌水模型來決定灌溉量，既能實時監(jiān)測日光溫室相關(guān)環(huán)境因子，又能達(dá)到精準(zhǔn)灌溉的要求。

1 灌溉模型與總體方案設(shè)計

1.1 灌溉模型選擇

在日光溫室袋培番茄生長模型中，主要有以輻熱積為基礎(chǔ)的葉面積指數(shù)方程、積溫為主要變量的S型葉面積指數(shù)方程、根據(jù)定植天數(shù)計算的葉面積指數(shù)方程等3種模型[3]，高飛(2015年)實驗驗證，積溫為主要變量的S型葉面積指數(shù)方程較適合作為日光溫室基質(zhì)袋培番茄的生長模型，因此本文采用玻爾茲曼的S型葉面積指數(shù)方程作為番茄的生長模型，主要依據(jù)積溫GDD計算葉面積指數(shù)LAI：

LAI=α1+(α2-α1)/[1+e(α3-GOD)/α4]

(1)

式中：α1(-0.335)、α2(4.803)、α3(755.3)、α4(134.7)為回歸系數(shù)；積溫GDD= 初始積溫+起始時間之后的累積積溫。

初始積溫是番茄經(jīng)過育苗移植到日光溫室種植之前已經(jīng)累積的積溫值，可根據(jù)實際情況進(jìn)行修改；一天中溫度的平均值為W1，用高于W1的溫度值減去W1所得到的值在進(jìn)行累加就是累積積溫。

番茄水分模型選擇G Carmassi(2007年)研究的線性回歸方程，該模型依據(jù)葉面積指數(shù)LAI以及當(dāng)天的光照量計算出1 d的需水量Wu：

Wu=b1(1-e-k LAI) (RAD/λ)+b2

(2)

式中：b1(0.946)和b2(0.188)為常數(shù)；k(0.69)為冠層的消光系數(shù)；λ(2.45 MJ/ kg )為水的汽化潛熱；RAD為太陽總輻射。

毛軍需等(1995年)研究表明太陽輻射度與光照度成正比關(guān)系，即:

RAD=1.04×10-2L

(3)

式中：L為光照度，lx。

水分模型主要的決定參數(shù)是LAI和日平均太陽輻射，日平均太陽輻射一定的條件下，LAI越大，計算出的灌水量越多；LAI不變，太陽總輻射越大灌水量越多。

從番茄生長和水分吸收模型可以知道，與番茄需水量相關(guān)的日光溫室環(huán)境因子主要是溫度和光照度，二者共同影響番茄對水分的需求量。

1.2 總體方案設(shè)計

本系統(tǒng)為日光溫室灌溉監(jiān)控系統(tǒng)，下位機(jī)采用主從結(jié)構(gòu)模式，灌溉控制器作為基站，數(shù)據(jù)采集器作為從站，這樣分工明確，便于維護(hù)與調(diào)試，基站與從站使用CAN協(xié)議進(jìn)行通訊?？傮w結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)Fig.1 System general structure

當(dāng)?shù)竭_(dá)灌溉時間，上位機(jī)先判斷基質(zhì)袋土壤濕度，若達(dá)到灌溉要求，先發(fā)出指令采集日光溫室的環(huán)境因子，根據(jù)番茄生長和水分吸收模型計算灌水量，在發(fā)出指令進(jìn)行精確灌溉，否則不進(jìn)行灌溉。

基站灌溉控制器通過RS232總線將獲取的日光溫室環(huán)境因子傳遞給上位機(jī)，根據(jù)上位機(jī)的指令通過繼電器模組來控制灌溉區(qū)域電磁閥的開閉。從站數(shù)據(jù)采集器負(fù)責(zé)獲取日光溫室環(huán)境因子----溫度、光照度和土壤濕度，通過CAN總線傳遞給灌溉控制器。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 灌溉控制器設(shè)計

基站灌溉控制器主要將數(shù)據(jù)采集器獲取的日光溫室環(huán)境因子通過RS232總線傳遞給上位機(jī)并控制著電磁閥的開閉，主要由控制模塊、電源模塊、CAN通信模塊、RS232通信模塊、開關(guān)量采集模塊等組成，結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2 灌溉控制器示意圖Fig.2 Irrigation controller

選擇意法半導(dǎo)體(ST)公司生產(chǎn)的基于Cortex-M3內(nèi)核的STM32系列32位微處理器STM32F103VCT6作為基站灌溉控制器的MCU。采用德州儀器(TI)生產(chǎn)的LM2596作為電源芯片，將外部12 V的電壓轉(zhuǎn)換成5 V，在通過AMS1117-3.3電源芯片穩(wěn)定輸出3.3 V。為保證基站與從站通訊穩(wěn)定可靠，選用芯片ADM3053作為CAN的收發(fā)器，CAN_RX引腳與STM32的PB8引腳相連，CAN_TX引腳與STM32的PB9引腳相連?？刂颇K采用驅(qū)動繼電器控制電磁閥的方法，電磁閥采用24 V供電，繼電器使用光耦和NPN三極管組成的電路驅(qū)動，STM32的引腳輸出高低電平控制著光耦和三極管的導(dǎo)通，即控制著繼電器的開關(guān)，進(jìn)而控制著電磁閥的開閉。由于繼電器的狀態(tài)反映電磁閥的狀態(tài)，因此根據(jù)光耦和NPN三極管組成的開關(guān)量采集電路，通過讀取STM32引腳的高低電平來判斷電磁閥的狀態(tài)。

2.2 數(shù)據(jù)采集器設(shè)計

從站數(shù)據(jù)采集器主要通過傳感器獲取相關(guān)的環(huán)境因子，在通過CAN總線傳遞給灌溉控制器，主要由采集模塊、顯示模塊、電源模塊、CAN通信模塊等組成。

選擇STM32F103C8T6作為從站數(shù)據(jù)采集器的MCU。液晶具有體積小、功耗低、操作簡單等特點，所以在本系統(tǒng)中采用LCD12864液晶作為顯示模塊，可實時顯示所采集的日光溫室環(huán)境因子，與STM32接口采用串行的控制方式。采集模塊主要由各種傳感器組成，傳感器輸出方式大致分為3種：數(shù)字輸出，0～3.3 V電壓輸出，4～20 mA電流輸出。根據(jù)日光溫室基質(zhì)袋培番茄生長的環(huán)境需求和系統(tǒng)應(yīng)用的不同目的選擇相應(yīng)的傳感器，如表1所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件由灌溉控制器、數(shù)據(jù)采集器和上位機(jī)軟件構(gòu)成。灌溉控制器和數(shù)據(jù)采集器軟件采用模塊化思想進(jìn)行編程，C語言編寫，采用Keil5軟件編譯，上位機(jī)軟件由C#編寫。

表1 傳感器參數(shù)Tab.1 Sensor parameters

3.1 上位機(jī)軟件設(shè)計

上位機(jī)系統(tǒng)作為灌溉系統(tǒng)的重要組成部分，起著數(shù)據(jù)存儲、灌溉控制、人機(jī)交互等作用。系統(tǒng)共有模型參數(shù)設(shè)置、溫室環(huán)境參數(shù)設(shè)置、統(tǒng)計分析等主要功能。上位機(jī)采集與控制管理界面如圖3所示，第4組為預(yù)留設(shè)置。

圖3 采集與控制管理界面Fig.3 Acquisition and control management interface

系統(tǒng)對于灌溉設(shè)計了2種控制模式，自動灌溉模式和手動灌溉模式。當(dāng)設(shè)置為自動灌溉模式時，系統(tǒng)每隔一定時間自動采集日光溫室相關(guān)區(qū)域環(huán)境因子，計算番茄需水量，發(fā)出指令給基站來控制著電磁閥開閉；設(shè)置為手動模式時，需手動錄入灌溉量，單擊灌溉按鍵進(jìn)行灌溉。

3.2 下位機(jī)軟件設(shè)計

在從站數(shù)據(jù)采集器軟件設(shè)計中，先對各個部分初始化，接著等待基站發(fā)出遙控幀指令。若收到遙控幀，比較與自己所設(shè)的ID是否相同，一致則進(jìn)行溫度、光照度和土壤水分采集并通過液晶顯示，在將采集的數(shù)據(jù)打包成數(shù)據(jù)幀的格式發(fā)送到CAN網(wǎng)絡(luò)中。

在基站灌溉控制器的軟件設(shè)計中，先對各個部分初始化，接著等待上位機(jī)的指令，根據(jù)指令進(jìn)行不同的動作。若是灌溉指令，則控制繼電器的開閉；若是數(shù)據(jù)指令，則發(fā)送遙控幀到CAN網(wǎng)絡(luò)中然后接收數(shù)據(jù)幀，在傳遞給上位機(jī)。

根據(jù)STM32 CAN發(fā)送和接收原理，基站灌溉控制器和從站數(shù)據(jù)采集器之間的通信協(xié)議規(guī)定如下：①ID采用標(biāo)準(zhǔn)幀；②過濾器組采用屏蔽位模式；③灌溉控制器和數(shù)據(jù)采集器(1～3)的ID和過濾器組設(shè)置如表2所示。

示例如下：當(dāng)灌溉控制器發(fā)送ID為0x310的遙控幀時，只有數(shù)據(jù)采集器1會收到這個幀命令，接著采集相關(guān)環(huán)境因子并打包成數(shù)據(jù)幀格式發(fā)送到CAN網(wǎng)絡(luò)中，由于設(shè)置了過濾器組,只有灌溉控制器能收到并傳給上位機(jī)處理,數(shù)據(jù)采集器2和3會自動過濾到這個數(shù)據(jù)幀。

表2 ID和過濾器組設(shè)置Tab.2 ID and filter group settings

4 實驗驗證和結(jié)果分析

4.1 實驗基本情況

本系統(tǒng)為日光溫室灌溉監(jiān)控系統(tǒng)，示范地為沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)科研基地遼沈I型溫室，溫室長60 m，寬8 m。在2015年3月11號定植冬春茬番茄，7月中旬拉秧，采用基質(zhì)袋栽培，規(guī)格為50 cm×30 cm，每個基質(zhì)袋種植2株番茄，行距1 m，株距30 cm，一行20株，14行即280株分為一個灌溉區(qū)，共有4個灌溉區(qū)，采用箭式滴灌進(jìn)行灌溉，每個灌溉區(qū)主管使用直徑為32 mm的PE管，支管使用直徑為16 mm的PE管。通過水泵向主管持續(xù)穩(wěn)定供水，在流向支管，最后通過毛管送到每個基質(zhì)袋內(nèi)。電磁閥安裝在每個灌溉區(qū)的主管上，由于供水壓力和主管管徑一定，因此每時刻通過主管的灌水量就一定，控制電磁閥開閉的時間就可以實現(xiàn)灌水量的調(diào)節(jié)。第1、2、3灌溉區(qū)采用本文設(shè)計的灌溉控制系統(tǒng)，在種植區(qū)每一行多放一支箭式滴灌管，并將其放入燒杯中用來測量實際灌溉量，第4灌溉區(qū)采用傳統(tǒng)的人工灌溉方式。日光溫室灌溉示意圖如圖4所示。

圖4 灌溉示意圖Fig.4 Schematic diagram of irrigation

4.2 實驗結(jié)果與分析

(1)根據(jù)灌溉模型進(jìn)行自動灌溉，每隔30 min采集環(huán)境因子一次即進(jìn)行一次灌溉，時間為每天8∶00—16∶00。由于番茄坐果期(大約為四五月)需水量最大，因此選擇4月25日至5月7日驗證單天單株實際灌水總量與模型計算出來的灌水量的差別，實際灌水量以燒杯中的水量為準(zhǔn)。選擇第2灌溉區(qū)的數(shù)據(jù)，結(jié)果如圖5所示。從圖5可以看出，根據(jù)灌水模型所計算出的灌溉量與實際灌水量之間最大誤差為52 mL，在可控范圍之內(nèi)，證明了本系統(tǒng)具有一定的可靠性和穩(wěn)定性。

圖5 測試結(jié)果Fig.5 Test result

(2)拉秧之后，隨機(jī)檢測不同灌溉方式下的番茄產(chǎn)量，模型灌溉區(qū)的番茄果實產(chǎn)量與人工灌溉區(qū)的番茄果實產(chǎn)量對比如表3所示。從表3可以看出，使用模型灌溉的單株番茄產(chǎn)量高于使用人工灌溉的番茄產(chǎn)量，增產(chǎn)17.9%，說明使用模型灌溉方式有利于增加番茄的產(chǎn)量。

表3 不同灌溉模式對番茄果實產(chǎn)量的影響Tab.3 Effects of different irrigation modes on the yield of Tomato

(3)基質(zhì)袋培番茄過程中幾乎不存在水分的蒸騰和滲漏現(xiàn)象，水分蒸散量相對較少(李芳，2012年)。從表4可以知道在番茄生長期間，人工灌溉模式下的用水總量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于模型灌溉模式下的用水總量。后者比前者節(jié)約35.4%，說明使用模型灌溉方式可以顯著節(jié)約水資源。

表4 不同灌溉模式對番茄水分利用效率的影響Tab.4 Effects of different irrigation modes onwater use efficiency of Tomato

5 結(jié) 語

本文設(shè)計的日光溫室基質(zhì)袋培番茄灌溉監(jiān)控系統(tǒng)通過采集相關(guān)環(huán)境因子，根據(jù)番茄生長和水分模型確定灌溉量。在該系統(tǒng)構(gòu)中，基站與從站采用主從結(jié)構(gòu)模式構(gòu)建，方便調(diào)試與維護(hù)，使用CAN通訊協(xié)議解決數(shù)據(jù)傳輸過程中易丟失、易出錯等問題。

實驗結(jié)果證明該系統(tǒng)運行可靠、實用性強(qiáng)，通過數(shù)據(jù)對比分析，可以對基質(zhì)袋培番茄進(jìn)行精確灌溉，減少人力和物力資源的浪費，與傳統(tǒng)的人工灌溉相比，不僅可以提高番茄產(chǎn)量，而且節(jié)約了水資源，符合灌溉自動化的需求，具有良好的應(yīng)用前景。

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