日光溫室基質袋培番茄灌溉監控系統設計

崔會坤，紀建偉，張大鵬，王春萌，王丹丹

(沈陽農業大學信息與電氣工程學院，沈陽 110866)

在日光溫室基質袋培番茄的過程中，精準灌溉不僅能節約水資源，而且影響著番茄產量。目前歐美等國家已經建立了日光溫室條件下番茄生長和灌水模型，根據這些模型設計出合適的灌溉監控系統，實現了對番茄的精準灌溉，并取得了良好的應用效果[1]。在我國北方大多數日光溫室中一般根據經驗進行人工灌溉，由于基質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不到精準灌溉的要求，又會浪費大量的人力資源，而國外的灌溉監控系統價格昂貴、不便于維護與調試。

針對這一問題，根據日光溫室袋培番茄灌溉實際需求，結合現有資源，設計了日光溫室基質袋培番茄灌溉監控系統。系統將傳感器檢測技術、控制技術和計算機技術結合起來，能夠獲取日光溫室相關環境因子----溫度、光照度和土壤水分濕度[2]。在獲取上述環境因子的前提下，根據番茄生長和灌水模型來決定灌溉量，既能實時監測日光溫室相關環境因子，又能達到精準灌溉的要求。

1 灌溉模型與總體方案設計

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的葉面積指數方程、積溫為主要變量的S型葉面積指數方程、根據定植天數計算的葉面積指數方程等3種模型[3]，高飛(2015年)實驗驗證，積溫為主要變量的S型葉面積指數方程較適合作為日光溫室基質袋培番茄的生長模型，因此本文采用玻爾茲曼的S型葉面積指數方程作為番茄的生長模型，主要依據積溫GDD計算葉面積指數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；積溫GDD= 初始積溫+起始時間之后的累積積溫。

初始積溫是番茄經過育苗移植到日光溫室種植之前已經累積的積溫值，可根據實際情況進行修改；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，該模型依據葉面積指數LAI以及當天的光照量計算出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；k(0.69)為冠層的消光系數；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，與番茄需水量相關的日光溫室環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 總體方案設計

本系統為日光溫室灌溉監控系統，下位機采用主從結構模式，灌溉控制器作為基站，數據采集器作為從站，這樣分工明確，便于維護與調試，基站與從站使用CAN協議進行通訊。總體結構如圖1所示。

圖1 系統總體結構Fig.1 System general structure

當到達灌溉時間，上位機先判斷基質袋土壤濕度，若達到灌溉要求，先發出指令采集日光溫室的環境因子，根據番茄生長和水分吸收模型計算灌水量，在發出指令進行精確灌溉，否則不進行灌溉。

基站灌溉控制器通過RS232總線將獲取的日光溫室環境因子傳遞給上位機，根據上位機的指令通過繼電器模組來控制灌溉區域電磁閥的開閉。從站數據采集器負責獲取日光溫室環境因子----溫度、光照度和土壤濕度，通過CAN總線傳遞給灌溉控制器。

2 系統硬件設計

2.1 灌溉控制器設計

基站灌溉控制器主要將數據采集器獲取的日光溫室環境因子通過RS232總線傳遞給上位機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、開關量采集模塊等組成，結構示意圖如圖2所示。

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

選擇意法半導體(ST)公司生產的基于Cortex-M3內核的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)生產的LM2596作為電源芯片，將外部12 V的電壓轉換成5 V，在通過AMS1117-3.3電源芯片穩定輸出3.3 V。為保證基站與從站通訊穩定可靠，選用芯片ADM3053作為CAN的收發器，CAN_RX引腳與STM32的PB8引腳相連，CAN_TX引腳與STM32的PB9引腳相連。控制模塊采用驅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動，STM32的引腳輸出高低電平控制著光耦和三極管的導通，即控制著繼電器的開關，進而控制著電磁閥的開閉。由于繼電器的狀態反映電磁閥的狀態，因此根據光耦和NPN三極管組成的開關量采集電路，通過讀取STM32引腳的高低電平來判斷電磁閥的狀態。

2.2 數據采集器設計

從站數據采集器主要通過傳感器獲取相關的環境因子，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作為從站數據采集器的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：數字輸出，0～3.3 V電壓輸出，4～20 mA電流輸出。根據日光溫室基質袋培番茄生長的環境需求和系統應用的不同目的選擇相應的傳感器，如表1所示。

3 系統軟件設計

系統軟件由灌溉控制器、數據采集器和上位機軟件構成。灌溉控制器和數據采集器軟件采用模塊化思想進行編程，C語言編寫，采用Keil5軟件編譯，上位機軟件由C#編寫。

表1 傳感器參數Tab.1 Sensor parameters

3.1 上位機軟件設計

上位機系統作為灌溉系統的重要組成部分，起著數據存儲、灌溉控制、人機交互等作用。系統共有模型參數設置、溫室環境參數設置、統計分析等主要功能。上位機采集與控制管理界面如圖3所示，第4組為預留設置。

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

系統對于灌溉設計了2種控制模式，自動灌溉模式和手動灌溉模式。當設置為自動灌溉模式時，系統每隔一定時間自動采集日光溫室相關區域環境因子，計算番茄需水量，發出指令給基站來控制著電磁閥開閉；設置為手動模式時，需手動錄入灌溉量，單擊灌溉按鍵進行灌溉。

3.2 下位機軟件設計

在從站數據采集器軟件設計中，先對各個部分初始化，接著等待基站發出遙控幀指令。若收到遙控幀，比較與自己所設的ID是否相同，一致則進行溫度、光照度和土壤水分采集并通過液晶顯示，在將采集的數據打包成數據幀的格式發送到CAN網絡中。

在基站灌溉控制器的軟件設計中，先對各個部分初始化，接著等待上位機的指令，根據指令進行不同的動作。若是灌溉指令，則控制繼電器的開閉；若是數據指令，則發送遙控幀到CAN網絡中然后接收數據幀，在傳遞給上位機。

根據STM32 CAN發送和接收原理，基站灌溉控制器和從站數據采集器之間的通信協議規定如下：①ID采用標準幀；②過濾器組采用屏蔽位模式；③灌溉控制器和數據采集器(1～3)的ID和過濾器組設置如表2所示。

示例如下：當灌溉控制器發送ID為0x310的遙控幀時，只有數據采集器1會收到這個幀命令，接著采集相關環境因子并打包成數據幀格式發送到CAN網絡中，由于設置了過濾器組,只有灌溉控制器能收到并傳給上位機處理,數據采集器2和3會自動過濾到這個數據幀。

表2 ID和過濾器組設置Tab.2 ID and filter group settings

4 實驗驗證和結果分析

4.1 實驗基本情況

本系統為日光溫室灌溉監控系統，示范地為沈陽農業大學科研基地遼沈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，采用基質袋栽培，規格為50 cm×30 cm，每個基質袋種植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，共有4個灌溉區，采用箭式滴灌進行灌溉，每個灌溉區主管使用直徑為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穩定供水，在流向支管，最后通過毛管送到每個基質袋內。電磁閥安裝在每個灌溉區的主管上，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灌水量的調節。第1、2、3灌溉區采用本文設計的灌溉控制系統，在種植區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灌溉區采用傳統的人工灌溉方式。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 實驗結果與分析

(1)根據灌溉模型進行自動灌溉，每隔30 min采集環境因子一次即進行一次灌溉，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。選擇第2灌溉區的數據，結果如圖5所示。從圖5可以看出，根據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，證明了本系統具有一定的可靠性和穩定性。

圖5 測試結果Fig.5 Test result

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

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

(3)基質袋培番茄過程中幾乎不存在水分的蒸騰和滲漏現象，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遠大于模型灌溉模式下的用水總量。后者比前者節約35.4%，說明使用模型灌溉方式可以顯著節約水資源。

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 語

本文設計的日光溫室基質袋培番茄灌溉監控系統通過采集相關環境因子，根據番茄生長和水分模型確定灌溉量。在該系統構中，基站與從站采用主從結構模式構建，方便調試與維護，使用CAN通訊協議解決數據傳輸過程中易丟失、易出錯等問題。

實驗結果證明該系統運行可靠、實用性強，通過數據對比分析，可以對基質袋培番茄進行精確灌溉，減少人力和物力資源的浪費，與傳統的人工灌溉相比，不僅可以提高番茄產量，而且節約了水資源，符合灌溉自動化的需求，具有良好的應用前景。

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