基于環境參數的智能化施肥澆水報警管理系統

　　【摘要】施肥澆水是農業生產中的重要環節，按時澆水、定量施肥是增產保收的必要措施。目前國內外的施肥澆水設備普遍體積大、價格高，且缺少對大棚或農田多種作物施肥澆水的報警管理功能。課題研制的基于環境參數的智能化施肥澆水報警管理系統，在開機狀態下自動采集環境溫濕度并判斷報警；在待機狀態下依據設定的施肥澆水時間點自動啟動并報警。試用結果表明，系統功能實用，可廣泛用于蔬菜花卉大棚、農場等的施肥澆水報警，市場前景廣闊。
　　【關鍵詞】農作物 自動 溫濕度采集 報警 管理系統
　　
　　一、問題的提出
　　我家的陽臺面積很大，打我記事起媽媽就愛養花，養了很多花。我上中學后，媽媽開始讓我干些家務，包括給花施肥澆水。這下可壞了，我經常把該施肥澆水的事給忘掉，害得我們家當時有幾盆花差點兒“犧牲”了。這使我想到要是有一種能根據環境溫濕度對施肥澆水進行自動提醒的系統就好了，后來我又到中國農科院東門的大森林花卉市場轉了轉，發現并沒有類似的東西。之后我就把這個想法和我的指導教師馬麗霞老師進行了溝通，馬老師鼓勵我再認真了解一下當前這方面的實際狀況。
　　通過閱讀相關資料，我對農作物的施肥澆水有了全新認識。按時澆水、定量施肥是增產保收的必要措施，然而農戶往往靠以往經驗根據感覺進行施肥澆水，這很可能影響施肥澆水的及時性和科學性。目前國內外開發出的智能施肥澆水設備雖然在一定程度上實現了施肥管理，但普遍體積大、價格高。由于一般農戶承擔不起高額的費用，因此更迫切需要一種科學、簡單、易操作且成本低的系統實現施肥澆水管理。
　　在此背景下，我腦海里便產生了這樣的想法：設計一種智能化的施肥澆水報警管理系統。
　　二、系統功能和目標
　　本系統成本低、操控簡單，可提供施肥澆水的自動報警管理服務。系統功能主要包括：
　　（1）依據自動采集到的溫濕度自動報警功能；
　　（2）依據設定的時間點自動啟動系統并報警功能；
　　（3）農作物、花卉數據管理功能；
　　（4）農作物、花卉數據的導入、導出功能。
　　系統功能結構總圖如圖1所示。
　　三、系統設計
　　（一）總體設計
　　系統的總體設計，自底向上包括硬件系統、操作系統、運行開發環境，以及應用軟件：
　　1. 硬件系統
　　包括主機、單片機和溫濕度采集部件。主機為軟件的運行平臺，選用了Intel Atom為核心的x86架構硬件平臺；單片機控制部件主要提供定時監控及后續定時設置功能，本系統采用凌陽單片機；溫濕度采集部件通過USB接口與主機系統連接，實現環境溫濕度的自動采集，選擇了北京賽億凌科技有限公司的溫濕度傳感器。
　　2. 操作系統
　　采用根據應用軟件需求和底層硬件配置裁剪定制后的Linux操作系統。
　　3. 運行開發環境
　　在應用軟件開發方面，主要采用Python作為應用編程語言。
　　4. 應用軟件
　　其核心功能是在農作物需要施肥或澆水的時候發出報警，同時提供多種信息的管理功能。
　　（二）工作原理
　　系統運行主要分為兩大過程：工作狀態下，實時采集環境溫濕度后自動判斷并報警；待機狀態下，自動檢測設置的報警時間點，到達后自動啟動系統并報警。整個系統的工作原理如圖2所示。
　　（三）詳細設計
　　1. 硬件子系統
　　硬件系統結構組成如圖3所示，本系統的硬件包括主板、定時器和外圍設備。主板上集成了所需設備的接入接口。微處理器采用基于x86架構的Intel Atom，存儲器采用DOM卡固態硬盤，輸入輸出設備通過I/O總線連接微處理器。定時器采用集成定時器，保證了在關機狀態下仍能報警。外圍設備包括交直流變壓降壓器、揚聲器以及溫濕傳感器。
　　2. 應用軟件
　　在邏輯結構上，整個應用軟件自下而上包括“數據處理支持層”、“控制邏輯層”，以及“界面層”，每個層面具體包括的功能模塊如圖4所示。
　　四、設計定型
　　以硬件控制平臺為基礎集成了定時啟動模塊、VGA液晶屏幕、遙控輸入設備、USB-HUB以及溫濕度傳感器，形成施肥報警管理硬件系統。由軟件系統和硬件系統組成基于環境參數的智能化施肥報警管理系統，可依據“溫濕度實時采集、顯示和判斷”、“農作物、花卉數據管理”實現施肥澆水報警管理的功能；依據“施肥報警設置”和“澆水報警設置”設置的報警時間，系統實現在待機狀態下，到達設定時間點后自動啟動并報警的功能。
　　1. 硬件部分
　　本系統以機箱為界分為內部部件和外部部件。
　　內部部件：總控制平臺——清華同方易豪數字機頂盒主板，該主板包括intel CPU Atom，DOM固態硬盤；定時器設備——凌陽定時單片機；音箱，風扇，USB-HUB，液晶顯示屏。
　　外部部件：交直流變壓降壓器，溫濕度傳感器。
　　2. 軟件部分
　　系統軟件采用清華同方易豪公司適配好的一個定制版本Linux操作系統，用于管理系統資源和控制應用軟件，其上有Python語言運行支撐環境，應用軟件使用Python語言編寫。
　　五、實施步驟
　　（一）準備階段
　　1. 部件購置
　　先是聯系了位于北三環安貞橋東北角企發大廈的清華同方易豪公司，購買1臺數字機頂盒。之后網購了一臺凌陽單片機。接下來在中關村新中發電子商城找到了5.6英寸液晶顯示屏，因為暫時先用標準顯示器調試即可，就先沒有買。同日定購了溫濕度傳感器。
　　2. 開發環境搭建
　　在1臺Lenovo X200筆記本上安裝Linux桌面系統作為宿主機開發系統，其中包括一整套完整的應用開發環境；在數字機頂盒上安裝了配套的定制版Linux操作系統，作為目標機系統，即最終應用軟件的運行平臺，其中Python運行支撐環境。
　　3. 編程語言學習
　　學習了Python編譯語言及其應用開發。
　　（二）開發、調試階段
　　1. 開發階段
　　（1）主界面設計及相關代碼編寫（圖5）
　　（2）硬件集成。在應用軟件編制基本完成時，到新中發電子市場購買了5.6英寸液晶顯示屏、音箱、USB-HUB、風扇。依據各個部件尺寸，設計了機箱的樣式，然后在老中發市場找一個柜臺進行了委托加工。
　　（3）軟硬件系統集成。將編制完成的應用軟件通過U盤拷貝到上述硬件中。
　　2. 調試階段
　　由于筆記本電腦的顯示屏幕為16∶9的寬屏，而施肥報警系統所依賴的液晶屏幕為4∶3，因此在對應用軟件進行初步遷移后，界面有些變形。在進行了有針對性的調試后，界面大小符合試用需求。
　　3. 實驗階段
　　（1）實驗材料
　　供試土壤：北京一零一中學實驗田土壤（pH 7.03～7.12）；
　　種子來源：中國農科院種子銷售部；
　　供試花卉：蝴蝶蘭、梔葉竹芋、青蘋果；
　　花卉來源：購置于北京大森林花卉市場；
　　肥料來源：北京一零一中學生態園蚯蚓糞浸提液，蚯蚓糞肥。
　　（2）實驗一
　　實驗組：蝴蝶蘭、梔葉竹芋、青蘋果各8盆，采用課題研制的基于環境參數的智能化施肥澆水報警系統進行施肥澆水管理；
　　對照組：蝴蝶蘭、梔葉竹芋、青蘋果各1盆，按傳統方式憑經驗施肥澆水。每個月為一對比周期，連續3個月對比。
　　（3）實驗二
　　將一零一中學大棚中的20余種作物、花卉施肥澆水特性信息輸入本系統，試用系統的數據庫功能，多種、批量作物的施肥澆水報警管理功能。
　　六、實驗結果分析
　　1. 實驗一結果分析
　　兩組實驗中作物長勢不同，采用報警系統的長勢明顯優于不采用者，見表1。
　　2. 實驗二結果分析
　　施肥澆水報警系統從2009年8月初在北京一零一中學實驗到現在，體現出移動方便、操控簡單、功能實用的特點；基于實時采集的環境溫濕度，自動判斷并播放音頻報警，具有人性化的特點；大棚中20余種農作物、花卉的施肥澆水、特性等信息通過本系統進行了有效管理，充分驗證了系統的數據庫功能，多種、批量作物施肥澆水報警管理功能的實用性。
　　七、研制結論
　　目前，面向農作物的自動施肥澆水控制系統在業界已進行了相當的研制工作，并出現了相應產品，而施肥澆水管理方面的系統還沒有，課題研制成果填補了國內外在這方面的空白。
　　（1）本智能化施肥報警系統可應用于蔬菜、花卉大棚、農場等的施肥澆水報警管理。
　　（2）可合理管理施肥澆水，降低對從業者的要求，進而降低施肥澆水管理的成本。
　　
　　【參考文獻】
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　　［2］譚靜芳等，溫室環境智能測控系統的設計[J]，農業裝備技術，2008（01）
　　［3］李銳等，單片機實現自動灌溉及施肥系統[J]，計算機應用，2001（z1） P219-221
　　［4］余文君等，遠程智能灌溉及施肥系統[P]，中國，200610025010.6
　　［5］郭秋智等，遠程智能灌溉及施肥系統[P]，中國，89203736.9
　　
　　專家點評
　　自控施肥澆水系統在溫室栽培中已有實施，但多為集約化生產。本系統根據環境參數對多種農作物和花卉需要施肥澆水時自動音樂報警，既可根據環境參數自動報警，又可設定時間報警。其特點是體積小移動方便，操作簡單便于使用，成本低易于接受推廣，適于多種經營或更換品種。建議增設一個限定報警時間后的記憶功能系統，當工作人員不在現場，防止報警不停，或能夠在停后顯示與查找；該系統施肥是生長期需肥量為參數，澆水是環境溫濕度為參數報警，若能根據當時作物或花卉的生長發育狀況（即長勢）為參數智能化施肥澆水是研究的難點，對初中生可能困難較大。ＫＪ