刘学敏

摘 要：随着现如今农业灌溉技术的快速发展，滴灌技术的应用越来越得到人们的重视。相比于传统的灌溉技术，滴灌技术的良好运用再结合施肥，能够使得农作物有效增产，并且在当前水资源缺乏的情况下，节约大量的水资源。文章基于STM32单片机设计了一种农作物滴灌自动控制系统，通过检测土壤的湿度和大棚内部的温度来自动控制滴灌阀门的水流量大小，实现一体化控制。

关键词：滴灌技术；自动化控制；检测技术

中图分类号：S275 文献标志码：A 文章编号：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

我国地源广大，整体资源丰富，位居世界先列。但由于人口众多，使得人均资源占有量非常少，位居世界后列，仅为世界平均水平的25%，资源量相对非常匮乏。水资源是人类生存必需的资源之一，我国所有的城市当中，将近69%的城市生活水资源供给不足，全国每年的水资源缺少将近400亿m3。其中的原因除了人口众多，另外一个最重要的就是资源的浪费和污染现象严重。我国现今是世界的第一大工厂，工业污染的日益严重牵动着多人的心。全国每年的工业污水的排放量达到了335亿m3，很多工厂排放污水不经过过滤和消毒处理直接排放至水域，造成干流和支流的大面积污染。

在我国水资源问题日益严重的情况下，在我国用水总量中，农业灌溉用水占了将近63%，在如此庞大的农业用水量的前提下，对于农业用水的科学有效地利用便成了当务之急。本文设计了一套基于STM32单片机的智能农作物滴灌控制系统。整个系统的输入量设置为大棚土壤的含水量、大棚内部空气的温度和湿度，将此类信息进行采集并上传至中央处理控制器，控制器内部通过智能算法进行计算，得出结果利用RS232串口通信协议发送至下行的滴灌阀门控制器。信息监测采集系统同时定时监测土壤的湿度和空气中的温度和湿度，当达到了环境要求的时候停止进行滴灌，从而组成一个自动化的闭环控制系统。

1 控制系统总体设计方案

本文设计的滴灌控制系统装置，上位机是个人主机或工控主机，用于接受下行单片机上传的关于土壤的含水量以及空气中的湿度和温度下达相關的控制指令。上位机不光接受这些数据还需要将数据储存、备份，以便再一次遇到相似的数据时可以更快的做出反应，下达指令，上位机的操控模式分为两种，一种是人为操控，另外一种是自动操控，不需要人为干预，自行执行闭环控制。上位机向下通过RS232总线以串口通信的方式连接STM32单片机，STM32单片机接受上位机下发的处理信息以控制下行的土壤含水量传感器、空气温度传感器和空气湿度传感器进行信息的检测和采集，采集完成以后会经由上述的渠道传回上位机，由上位机决策并下发指令。再通过STM32控制滴灌控制阀门，实施农作物滴灌。整个系统的运行框图如图1所示。

2 系统硬件设计方案

本系统设计使用的控制器件主要是STM32，控制的是下行的土壤传感器、空气湿度传感器和空气温度传感器的信息检测和采集，并将采集后的信息传回值上位机。STM32作为单片机的一种，其强化型的外设接口以及和微控制器型号相同的接口，为编程者提供了极大的方便和灵活性，并且单片机控制简单，无需复杂的调试过程，降低了系统操作的难度，使得在实际的应用当中变得非常适用。STM32单片机的主要功能是将上位机的指令下发至下行的个控制器操纵其运行，将各控制器收集到的信息汇总至上位机进行决策。

2.1 传感器

末端各个传感器的检测与采集时间和频率是上位机控制的，本设计采用温湿度传感器来监控空气中的温度和湿度，减少了传感器过多而导致的接线复杂的问题，也直接降低了控制板的制版难度。阀门控制器的主要作用就是接受上位机下发的通过STM32传送来的控制指令，开通或者关闭滴灌阀门。

2.2 供电系统

整个系统的供电系统是通过电量检测电路来实施的，传感器和滴灌控制阀门上均安装有电量检测电路，电源的供给采用9V碱性电池。通过设置电量检测电路可以实时提供电池电量的数据，当电池的电量低于某个设定值时则提醒需要更换电池。endprint

3 系统软件设计方案

本系统上位机的作用是检测湿度和温度以及下达控制指令。检测部分軟件采用LabVIEW进行监控，LabVIEW是美国的NI研发的一款程序开发环境，是一种类似于C语言的开发环境。它和一般的编程软件的主要差别在于其采用的是文本的语言进行编码，简单易懂，易于操作，也使得整个变成的过程变得简单。LabVIEW适用于检测功能，其强大的功能可以充分发挥出计算机的能力，强大的数据处理能力使得任何情况下的检测功能都可以顺利实施。

本设计使用LabVIEW通过RS232串口通信实现了对于大棚当中的土壤、空气的温度以及湿度进行检测。LabVIEW的工作界面如图2所示。

4 系统验证与结果

为了探究系统设计能否按照预期顺利进行，划取了两片室外土壤并搭建了大棚，内部种植了主要有蔬菜类和花卉类植物。在实验中还进行了对比因素的设定，以实现在不同的环境下该系统均能够有效的进行自动控制。对比因素设置为土壤的干燥程度不同，其中种植的植物也有所不同，其他因素均相同，两套自动控制系统同时安装在两个大棚内部，同时运行。

大棚内部每一株植物的间隙一定，均设置为0.3m×0.3m，根据日常蔬菜类植物的灌溉量预先设定蔬菜类植物幼苗期起始灌溉量为4000m3/hm2，一般情况下设定每12至14小时进行滴灌一次。通过上位机进行检测，每次滴灌后，土壤和空气中的湿度和温度变化情况，如果在下一次的检测中显示，上一次的滴灌之后未能有效的改善环境状况，则会在下一次的滴灌过程中，增加或者减少滴灌的水量或者滴灌的频率。在实际的系统运行当中可能存在的情况是系统可能无法判断环境的状况是否得到了改变，则在下一次滴灌中不能根据现实状况正确的改变滴灌水量和频率，那么后续误差将会持续增大，此时一般需要人为操作改变上位机参数，防止误差增大。另外两块土壤的施肥量也需要保持一致，定期定量。

在指定的时间内，植物成熟以后，将植物全部摘取，分类并称重。得出的结果显示，在干燥的土壤中和湿润的土壤中，不同的作物均能够较好的生长。较之湿润的土壤，干燥土壤中的作物长势稍好，重量总体稍重。结果证明本文所设计的自动滴灌控制系统效果明显，能够根据土壤的实际情况改变灌水量和频率，保证植物的有效生长。

5 结束语

由于我国水资源人均占有量缺乏，工业、农业用水随着我国经济的发展日益提高，使得本就紧缺的水资源显得更加匮乏。鉴于农业灌溉用水占据了我国总体用水量的很大一部分，本文实地考察并设计了一套农作物滴灌自动控制系统，可以用于不同环境下植物生长时所需水资源的自动智能灌溉。本系统主要包括了上位机界面、STM32控制中枢和下行的各个控制器，形成自主检测、自主分析与自动灌溉的一套智能控制体系。通过具体的试验验证了本系统的可靠性，结果表明提高了滴灌的效率，节约了水资源，同时也提高了农作物种植的经济效益。

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