智能溫室大棚灌溉系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用

卜少波 郭文霞

（內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 內(nèi)蒙古呼和浩特 010051）

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)逐步向著智能化、信息化的方向轉(zhuǎn)變。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，越來越多的計算機系統(tǒng)得以應(yīng)用，尤其是在農(nóng)作物生產(chǎn)過程中進行監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集，并根據(jù)數(shù)據(jù)采集的結(jié)果來調(diào)整農(nóng)作物的生產(chǎn)環(huán)境。智能化溫室的建設(shè)，尤其是結(jié)合測控軟硬件的應(yīng)用，對溫室大棚中空氣的溫度和濕度、二氧化碳含量以及光照強度等多個因素進行實時監(jiān)控，可以優(yōu)化溫室大棚生產(chǎn)環(huán)境，從而促進農(nóng)作物高效快速生長。溫室大棚在實際建造時可以根據(jù)不同地區(qū)、不同農(nóng)作物的需要來合理地調(diào)節(jié)生產(chǎn)環(huán)境，這對于提升農(nóng)作物的生產(chǎn)質(zhì)量發(fā)揮了非常重要的作用。本文針對智能灌溉系統(tǒng)的設(shè)計進行研究，在對系統(tǒng)進行概述的基礎(chǔ)上提出各個部分設(shè)計的具體方案。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計及原理

1.1 系統(tǒng)總體構(gòu)成

溫室大棚的控制系統(tǒng)主要是對整個大棚內(nèi)的溫度、濕度進行檢測，尤其是檢測整體的濕度并及時進行補水澆灌[1]。整個澆灌系統(tǒng)基于單片機技術(shù)、數(shù)據(jù)融合等技術(shù)，結(jié)合相應(yīng)的傳感設(shè)備來檢測各項參數(shù)，在保證數(shù)據(jù)采集準(zhǔn)確的基礎(chǔ)上可以及時進行監(jiān)測以及顯示，并采取自動和手動兩種控制方式，通過水泵來進行節(jié)水灌溉控制。

溫室大棚灌溉系統(tǒng)的總體設(shè)計主要是基于控制單元進行整體控制，并結(jié)合傳感器采集數(shù)據(jù)，最終由控制系統(tǒng)來進行數(shù)據(jù)的處理，并采取相應(yīng)的措施。在整個系統(tǒng)當(dāng)中，控制系統(tǒng)是單片機，其他的模塊則包括傳感模塊、終端模塊、預(yù)警模塊以及作業(yè)模塊，系統(tǒng)可以實現(xiàn)對大棚環(huán)境的監(jiān)測檢控。傳感模塊主要是進行環(huán)境參數(shù)的監(jiān)測，可以通過傳感器設(shè)備來進行數(shù)據(jù)的收集，并實現(xiàn)整個大棚區(qū)域內(nèi)所有監(jiān)測數(shù)據(jù)的監(jiān)測。終端模塊，主要是終端智能的控制系統(tǒng)，這是完成整個大棚區(qū)域內(nèi)自動灌溉以及自動開關(guān)的重要模塊，在溫室大棚灌溉系統(tǒng)中可以自動進行噴藥、開啟風(fēng)機并完成液體肥料的施肥工作，這可以有效地解放人力，提升整體的工作效率。預(yù)警模塊主要是進行遠(yuǎn)程的預(yù)警，結(jié)合聲光報警系統(tǒng)以及語音報警系統(tǒng)來引起人們的注意，從而達到報警的目的。多數(shù)系統(tǒng)設(shè)計中使用的是蜂鳴器以及LED 燈，如果系統(tǒng)檢測到相應(yīng)的數(shù)據(jù)不符合預(yù)設(shè)的要求，預(yù)警系統(tǒng)將會報警。作業(yè)模塊也是中央控制室，主要是對溫室大棚灌溉系統(tǒng)的整個區(qū)域參數(shù)進行控制，以此來完成相應(yīng)的工作。

1.2 系統(tǒng)總體設(shè)計原理

整個控制系統(tǒng)，將單片機作為核心，結(jié)合指示燈、報警器、顯示器、電路傳感器以及按鍵等多個模塊來進行相應(yīng)參數(shù)的采集、顯示以及智能化控制。在整個系統(tǒng)運行過程中，需要了解大棚的各項數(shù)據(jù)，因此各個采集設(shè)備需要統(tǒng)一的數(shù)據(jù)接口，根據(jù)不同檢測器獲得的數(shù)據(jù)要求來確定合適的格式，從而為數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確收集傳輸以及利用創(chuàng)造有利的條件[2]。

當(dāng)數(shù)據(jù)收集到后，需要在處理中心進行統(tǒng)一分析，并根據(jù)分析的結(jié)果明確農(nóng)作物灌溉提出的要求，將這些要求形成量化數(shù)據(jù)之后，可以進行精確的滴灌，并對數(shù)據(jù)進行及時的存儲。因此，在整個控制系統(tǒng)實際應(yīng)用中，為了保證數(shù)據(jù)的實時傳輸，可以通過有線、無線等多種方式來搭建物聯(lián)網(wǎng)傳輸網(wǎng)絡(luò)，在保證整個系統(tǒng)實時性、可靠性的基礎(chǔ)上，確保整個網(wǎng)絡(luò)安全可靠并形成智能化的灌溉系統(tǒng)，提升溫室大棚農(nóng)業(yè)種植全過程的監(jiān)測預(yù)警以及灌溉的精確性。

節(jié)水灌溉這一控制系統(tǒng)主要包括硬件系統(tǒng)以及軟件系統(tǒng)兩個方面，下文將進行詳細(xì)研究。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 單片機

在整個系統(tǒng)中，單片系統(tǒng)屬于核心，可以進行信息的處理，負(fù)責(zé)部分控制業(yè)務(wù)，滿足系統(tǒng)要求。本項目選擇STEM32 單片機作為主控板，從而實現(xiàn)電機的啟動、制度檢測以及噴頭升降等多項功能。這一單片機可以實現(xiàn)指令系統(tǒng)和引腳兼容，具有低能耗、在線編程的性能，在具體應(yīng)用中可以發(fā)揮非常重要的作用。

2.2 濕度傳感器

濕度傳感電路主要是針對溫室大棚的空氣濕度進行測量以及監(jiān)測。其作為濕度檢測模塊，發(fā)揮著非常重要的作用。本項目選擇線電壓輸出式集成濕度傳感器，具有可靠性、穩(wěn)定性強等多項特點[3]。濕度傳感器作為感應(yīng)元件，具有兩根導(dǎo)線，通過轉(zhuǎn)換器連接到單片機上。濕度傳感器將收集到的信息，通過模擬量傳回，而轉(zhuǎn)換器則可以將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，從而由控制系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)處理。濕度傳感器采取的結(jié)構(gòu)形式是采樣數(shù)據(jù)比較器，通過雙數(shù)據(jù)輸出的方式避免數(shù)據(jù)誤差，提升整體的轉(zhuǎn)換速度，保證軟件管理更加便捷。

2.3 控制驅(qū)動電路

控制驅(qū)動電路主要包括三極管、指示燈、繼電器、潛水泵、相應(yīng)的線路以及其他的配套水管。如果傳感器檢測到土壤的濕度低于其所需范圍的下限時，那么單片機則會發(fā)出相應(yīng)的信號，并將其傳輸給控制驅(qū)動模塊，進而在電磁閥開啟之后實現(xiàn)自動澆水。如果當(dāng)濕度達到農(nóng)作物生長所需的上限時，那么控制驅(qū)動模塊則會停止灌溉。因此，在整個系統(tǒng)驅(qū)動模塊中，繼電器以及驅(qū)動電路兩部分是非常重要的。為了滿足驅(qū)動電流的要求，整個系統(tǒng)采取三極管的方式來進行驅(qū)動。

同時，在本項目當(dāng)中涉及噴頭轉(zhuǎn)動的控制需求，需要滿足噴頭升降、水泵開關(guān)具體業(yè)務(wù)需要，這都涉及主控板運轉(zhuǎn)。在本項目中噴頭的設(shè)計也是十分必要的，噴頭主要是結(jié)合升降式噴頭以及霧化微噴頭來對室內(nèi)進行加溫，通過升降來調(diào)節(jié)出水的面積，這種噴頭具有較強的均勻性以及可控性，能夠滿足溫室大棚的節(jié)水灌溉需求。同時輸水主要是通過PPR 水管來進行，這種水管的強度高，具有耐熱耐冷性，能夠結(jié)合水泵加壓并且有效地輸送。

2.4 人機交互電路

人機交換電路主要包括顯示器和報警器。顯示電路可以顯示傳感器檢測到的溫度以及整個系統(tǒng)的實時狀態(tài)。液晶顯示器則屬于廣泛使用的顯示模塊，通過直接和間接控制兩種不同的方式來進行工作，而在液晶顯示器中為了實現(xiàn)較高的字符清晰度，可通過加裝電位器的方式進行調(diào)節(jié)，這是人際交互的重要模塊電路，可以顯示測量的溫度以及濕度等多項數(shù)據(jù)。報警器則是在發(fā)生特殊情況時通過蜂鳴器發(fā)出警報聲，從而提醒操作人員及時注意到相應(yīng)的問題，并對異常情況進行及時處理。

2.5 其他硬件設(shè)備

由于智能溫室大棚灌溉系統(tǒng)在具體應(yīng)用中大多數(shù)是處于郊區(qū)以及開發(fā)區(qū)，因此在應(yīng)用中通常會出現(xiàn)電網(wǎng)不穩(wěn)定、供電質(zhì)量較低的問題。即使在系統(tǒng)中配備了UPS 電源，也無法完全解決這一問題。智能記錄控制器的應(yīng)用則可以有效地解決供電不穩(wěn)定的問題。智能記錄控制器主要是在主控微機關(guān)閉的情況下，完成數(shù)據(jù)采集控制等各項工作。它可以利用內(nèi)置數(shù)據(jù)存儲器來存儲較長時間的數(shù)據(jù)，并顯示測量的結(jié)果，進行脫機運行。在智能記錄控制器工作時，主控微機則可以運行其他的軟件，進行文字處理等工作，也可以處于完全關(guān)閉的狀態(tài)，達到有效節(jié)約成本的目的。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

整個系統(tǒng)應(yīng)用了智能灌溉系統(tǒng)軟件，包括電機控制室、溫度控制等多個不同的模塊。在實際運行中為了提高編程的可讀性，需要采取C 語言編寫，并結(jié)合AD 轉(zhuǎn)換等多個可調(diào)節(jié)的子程序來運行。這可以滿足植物生長周期的要求，將傳感器讀入的濕度值與濕度范圍進行比較，并結(jié)合內(nèi)部控制算法來實現(xiàn)電磁閥的操作。整個系統(tǒng)可以將得到的濕度、溫度等信息進行顯示并發(fā)出相應(yīng)的警報，其中單片機的主要工作流程如下圖所示。

圖1 單片機工作流程

4 智能溫室大棚灌溉系統(tǒng)的應(yīng)用

本項目在經(jīng)過實際測量之后，可以得到系統(tǒng)測量的溫度以及濕度誤差均在5%以內(nèi)，達到了設(shè)計的要求。同時，在具體應(yīng)用中本項目具有高效率、較強的可靠性和實用性等特點，將電機水泵以及機械結(jié)構(gòu)結(jié)合在一起，設(shè)計出智能灌溉系統(tǒng)。這一灌溉系統(tǒng)具有自主檢測等多項功能，可以對溫室大棚進行灌溉以及檢測，滿足各項種植需求。同時，智能灌溉檢測系統(tǒng)結(jié)合傳感器來對溫室大棚內(nèi)部進行監(jiān)測，當(dāng)出現(xiàn)異常情況時，第一時間發(fā)出警報，并在進行簡單的操作以及控制之后達到灌溉的需求。

同時，在實際應(yīng)用中可以發(fā)現(xiàn)這一灌溉系統(tǒng)具有較強的創(chuàng)新之處，可以結(jié)合電機以及機械結(jié)構(gòu)的應(yīng)用來達到噴頭升降的目的，滿足溫室大棚整體的灌溉要求。這一系統(tǒng)的各個灌溉組成部分都可以進行拆卸連接，方便后期的更換以及維修，結(jié)構(gòu)的整體設(shè)計較為合理，在引入信息化輔助后，整體智能水平得到大幅度提升。水泵結(jié)合加壓處理，增加了噴灌的范圍，提高了性能。

5 結(jié)語

溫室大棚灌溉系統(tǒng)具有較強的實用性、穩(wěn)定性以及可靠性，在新時期我國農(nóng)業(yè)技術(shù)水平不斷提升的背景下，這一智能化系統(tǒng)的應(yīng)用可以滿足大棚灌溉種植的各項要求，可以為我國現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)的發(fā)展提供技術(shù)支撐。在實際應(yīng)用中需要根據(jù)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的要求來合理地應(yīng)用各項系統(tǒng)，保障其達到良好的運行效果，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)質(zhì)量。