基于作物蒸散量模型的新型滑蓋溫室智能灌溉系統設計

趙 穎，紀建偉，崔會坤，閆 爽，王曉偉，孫周平

(1.沈陽農業大學信息與電氣工程學院，沈陽 110866；2.沈陽農業大學園藝學院，沈陽 110866)

0 引 言

溫室環境智能控制是由當代農業生物學技術、環境工程學技術、自動控制技術、計算機網絡技術與管理科學技術等多種技術的綜合起來的應用。改善環境條件使作物生長在最佳的環境狀態，進而使農作物的質量、產量等得到大幅度的提升[1]。但是干旱缺水問題已經危機到自然生態系統、糧食安全以及人類健康，農業灌溉用水占全球淡水消耗的70%左右，而浪費的多達30%～40%。目前不同的灌溉方式對于水分利用率存在較大差異，例如，傳統的溝灌方式只有50%～60%被利用，但是滴灌的利用率達到95%。因此，高效的灌溉既可以提高水資源的利用率，又可以使糧食產量翻番[2]。

丁煬超等[3]將作物的需水量和溫室的溫濕度作為研究的主要目標，設計一種基于STM32的控制器對溫室環境和土壤進行采集并傳輸至中控機，對溫室環境和土壤參數進行控制，完成灌溉，結果使作物的產量提高20%；張長利等[4]采用嵌入式技術、ZigBee技術和GPRS技術設計一種遠程灌溉監測系統，該系統根據作物的種類、生長情況以及土壤情況將土壤水分傳感器埋設在不同深度的土壤中，分別為5、10、和20 cm。對土壤水分閾值的檢測，結果表明灌溉的水量大部分沒有滲透根系以下，實現了按需灌溉和遠程自動集中控制；Harmanlo等[5]運用Penman-Monteith方程對番茄在四種不同灌溉水平的生長、產量以及水分利用率進行研究。結果表明，在75%ETc為番茄的最優需水量，則實際的灌溉量為4.1～5.6 mm/d[0.3～0.4 L/(株·d)]，實現精準灌溉；Kirda等[6]利用一種基于每天的太陽輻射和水分蒸發的線性關系的方法估算番茄的水分利用率，在溫室的不同位置放置燒杯，通過觀察番茄在燒杯中的生長情況來預測在土壤中的蒸散量，提高了水資源的利用率。由于協調土壤水氣環境用于保證作物根系的正常新陳代謝和優質的根區環境，是灌溉的追求目標。在灌溉過程中或是在地下滴灌灌水器的周圍可能會出現周期性或短時性的滯水，這將會導致濕潤區的土壤空氣的含量減少，減少作物的產量[2]。

針對以上不足，本文設計一種基于Penman-Monteith方程的智能灌溉系統，對作物進行精準灌溉。其思想是由空氣溫濕度傳感器、太陽光照傳感器、土壤水分出傳感器對溫室環境進行實時采集，采集數據通過數據采集器傳送至上位機，同時裝設恒壓變頻控制器，保證供水系統的穩定，減小出水壓力對氧傳質系數的抑制[2]。

1 系統的設計

1.1 系統總體方案設計

本系統是以STM32為主控制器，包括數據采集模塊、控制模塊、報警模塊、通信模塊、顯示模塊、GPRS模塊等。該系統的總體結構原理圖如圖1所示。首先，土壤水分傳感器采集土壤濕度，判斷番茄是否缺水，設定一個參數，用來啟動灌溉模型。數據模塊將空氣溫濕度傳感器、太陽輻射傳感器采集的環境參數傳送至核心控制模塊，并傳輸到上位機，根據番茄的蒸發蒸騰量模型，計算出蒸騰量。上位機發出灌溉命令，由溫室內電氣柜來控制電磁閥的開閉，及時補充作物散失的水分，實現精確灌溉。因為對于不同作物的不同生長階段的需水量不同，這時可以通過鍵盤設定不同階段的需水量的范圍，進而充分的滿足作物的需水量及生長需求。其次，可以通過GPRS通信模塊將數據傳送到手機，這樣即使工作人員不在場，也可以通過遠程對溫室大棚作物需水實行智能控制。當控制系統出現故障時，系統發出報警信號，工作人員可以立即發現故障并即使處理。

圖1 系統總體結構原理圖Fig. 1 Schematic diagram of system structure

1.2 灌溉模型的選擇

作物需水量計算是灌溉理論的重要依據，因此根據作物生長環境的因素變化來確定灌溉的時間和作物的需水量。在實際生活中，一般認為作物的需水量就是作物的蒸發蒸騰量。目前對于作物蒸發蒸騰量的參考模型有很多[7-10]，但應用最為準確的是由聯合國糧農組織推薦的Penman-Monteith公式[11]，見式(1)。

(1)

式中：ET0為作物的蒸發蒸騰量，mm/d；△為飽和水汽壓與溫度關系曲線的斜率，kPa/℃；G為土壤的熱通量，MJ/(m2·d)；T為平均氣溫，℃；γ為濕度計常數，kPa/℃，通常取0.064 6 kPa/℃；u2為距離地面2 m以上的風速m/s；es、ea為飽和水汽壓和實際水汽壓，kPa；Rn為作物表面受太陽的凈輻射量，MJ/(m2·d)，即是單位面積上對作物光合作用有效頻段的光(400～700 nm)所攜帶的能量。一般情況下光照傳感器測得的是光照度(lux勒克斯)，由光學計量單位的定義可知：Rn=683V(λ)lx， 其中，V(λ)是光譜的可見度系數函數[12]。

因為在溫室內沒有風速，所以該公式不適用于溫室環境，需要進行修正。適用于溫室的Penman-Monteith修正公式[13]，見式(2)。

(2)

通過汪小旵[14]的方法計算es、ea和Δ的值，見公式(3)，式(4)，式(5)。

(3)

ea=Ues

(5)

式(4)中：U為溫室內空氣的相對濕度，%。

由于灌溉水量也決定于灌溉時間，因此溫室灌溉監控系統需要控制好每次開啟閥門的時間就能精確地灌溉輸水量。通過監測溫室的溫度和濕度的環境參數，進行模型計算。其單次灌溉的時間模型見[7]式(6)。

(6)

式中：t為單次灌溉的時間，min；Kc為作物系數，對于番茄，取0.8；S1，S2為分別指滴灌管間距和滴頭間距，mm；Q為滴頭流量，mm2/h。

通過溫室的蒸發蒸騰量和單次灌溉的時間模型，需要監測空氣溫濕度，土壤濕度，太陽凈輻射量等環境參數，對作物進行精準灌溉。

2 系統硬件設計

2.1 STM32核心控制模塊

本系統選擇意法半導體(ST)公司的工業級芯片 STM32F103RFT6 作為嵌入式微處理器，采用ARM Cortex-M3為內核的STM32芯片，內部有768KB Flash和 96KB RAM，支持SWD和JTAG 兩種調試模式及IAP和ISP編程，提供3路串口[4,15,16]，既可以通過串口與外接設備進行通信，同時又可以串行通信的方式與 GPRS 模塊進行AT 指令的交互，同時它還帶有硬件SPI，能夠很方便地實現 SPI 模式下的SD讀寫操作，并且功耗較低，能夠較好地滿足無線數據通信模塊基本功能的實現。其工作的供電電壓為2.0～3.6 V，為了滿足工作電壓，所以選擇以LM805的芯片將外部的12 V供電電源轉換5 V，再選擇ASM111的芯片將其轉換成3.3 V。

2.2 變頻控制器

變頻控制器是應用變頻技術與微電子技術，通過改變電機工作電源頻率的方式來控制交流電動機的電力控制設備。變頻控制器保證用水和供水之間的不平衡，保持供水壓力的恒定，不僅提高供水的壓力，而且以防壓力過大時，滴灌管被漲破，對土壤的氧傳質系數起到抑制作用。壓力過小時，水流不足。根據壓力控制的點位置的不同進行調節，可以將控制點設在最不利點，還可以將控制點設于泵出口[17]。

該變頻控制器通過STM32F103RFT6片的多功能，根據要求設計了四路模擬量的輸入以及調試電路，可以收到流量、壓力傳感器、變送器產生的電壓電流的信號。可以實時檢測現場的環境參數，其中，四路模擬量輸出電路采用了10位的DAC芯片、TLC515以及運放電路。產生0～10 V的信號，通過內設的控制算法實現供水系統的閉環控制。

2.3 傳感器模塊

根據溫室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，需要采集空氣溫度、空氣濕度、太陽光照度和土壤濕度等環境參數。傳感器的選擇如表1所示。

表1 傳感器的技術參數Tab.1 Technical parameters of the sensors

2.4 溫室內電氣控制柜

溫室內電氣控制柜主要由斷路器、繼電器、指示燈、相序保護器等組成。其主要是用來控制電磁閥的開關，以實現自動安全的灌溉。電磁閥的功率是2 W，由24 V的交流進行供電而溫室內電氣柜與主控制器通信要通過DO和DI模塊[18]。

2.4.1 DO模塊

DO模塊輸出一個開關信號，控制電氣柜內的中間繼電器線圈的通斷。DO模塊通過485總線與控制器進行通信，DO模塊收到主控制器的控制信號后，將信號傳給電氣柜，以此來控制電機的運行。本系統采用ULN2003作為DO模塊的芯片，內部是由7個達林頓管構成，每個達林頓管是由兩個三極管組成。最大的驅動電壓是50 V，電流500 mA，輸入電壓5 V。其驅動電路圖見圖2。

圖2 DO模塊驅動電路圖Fig.2 DO module drive circuit

2.4.2 DI模塊

DI模塊是檢測水泵的運行狀況，判斷其是否按照要求進行運行，母版和通信卡的連接的通訊方式是通過RS-485。現場采集的數字信號接入模塊輸入通道端子，經過模塊采集處理后傳送給上位機，其驅動電路圖見圖3。

圖3 DI模塊驅動電路圖Fig.3 DI module drive circuit

2.5 GPRS模塊

GPRS模塊的芯片選擇SIM900-A，芯片處理器選擇ARM926EJ-S，實現短信發送和數據遠程透明數據傳輸的功能。主芯片通過AT指令來訪問SIM900-A中的監測軟件，進行查詢信息和操作控制[19]。當接收短信、溫室環境參數顯示時，該芯片的引腳RI拉低一定時間，該引腳與STM32芯片中的wakeup引腳相接，使處于待機狀態的STM32芯片轉換工作狀態，當沒有任務時，STM32芯片將會進入待機狀態。將來信號設置為有權限號碼，便于接收短信息時，對溫室灌溉情況進行查詢和終端控制。將短信的命令格式設置為兩種：一種是查詢和控制終端，格式設置成“<用戶名><密碼>”，該命令格式和GPRS數據傳輸的命令格式是一致的；另一種是控制GPRS模塊，命令格式設置成“操作碼<用戶名><密碼>”，用于實現GPRS模塊重啟和更改動態域名等功能。

3 軟件設計

3.1 下位機軟件控制流程

下位機軟件程序由Keil軟件編程，在程序設計過程中，使各個模塊盡量達到低耦合和高內聚的要求，下位機軟件主要包括系統初始化模塊、報警模塊、顯示模塊、按鍵程序模塊、通信模塊、時鐘模塊、中斷控制模塊。其中下位機的外設按鍵可以實現幫助信息顯示和復位功能操作。下位機軟件控制流程圖如圖4所示。該系統初始化完畢后等待上位機發送命令，每隔1 min對傳感器的數據自動采集，并經串口傳輸給上位機。經過對采集環境溫度和濕度、太陽光照度、土壤水分進行模糊計算，土壤水分將顯示是否需要灌溉，如果水分低于17%[20]，將進行灌溉，灌溉可以選擇定時灌溉或自動灌溉，當達到要求或時間到時，控制器控制電磁閥的關閉，灌溉結束，上傳數據，等待下次灌溉。

圖4 下位機軟件控制流程圖Fig.4 Lower computer software control flow chart

3.2 上位機交互界面設計

溫室環境系統軟件包括上位機環境控制軟件和下位機的數據處理兩個部分。上位機的監測系統實時控制和處理下位機傳輸的數據以及命令傳遞，并清晰地顯示傳感器采集的溫室環境參數。上位機中的灌溉控制可以實現自動控制和手動控制，用戶也可以在上位機上設定作物的灌溉模型，由傳感器采集的溫室環境參數計算出灌溉量和灌溉時間，實現精準灌溉，在界面上查看歷史記錄，便于后期數據統計、分析和跟蹤記錄等。其上位機的軟件界面如圖5所示。

圖5 上位機軟件界面Fig.5 PC software interface

4 試驗驗證

4.1 試驗基本情況

本系統為滑蓋溫室灌溉監控系統，示范地為沈陽農業大學科研基地滑蓋溫室，溫室長60 m，跨度10 m，高5 m。在2016年2月20號定植冬春茬番茄14行，行距1 m，一行種植20株，株距30 m，14行一共280株作為一個灌溉區，共有4個灌溉區。灌溉采用箭式滴灌，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。通過溫濕度傳感器和光照傳感器采集的溫室內的環境參數經過數據采集器傳送到單片機中，根據設計的程序算出番茄的蒸發蒸騰量ET0。當電磁閥打開時，水通過變頻控制器，電磁閥，流量計流入支管進行滴灌，當滿足設定值之后，關閉電磁閥，停止灌溉。系統通過滴灌管的流量，滴灌管的間距以及蒸騰量來進行定時定量的灌溉控制。設計了一組對照試驗，實際蒸散量以燒杯中的水量為準，實際蒸散量為 。每隔30 min檢測一次蒸騰量，要求對每次的數據讀3次，然后取平均值，作為最終的讀數。

4.2 結果分析

4.2.1 番茄在不同生育期蒸騰量的日變化

番茄在不同的生育期的需水量不同[21]，其蒸騰量也不同，如圖6所示，對苗期，開花期和結果期的各時期的某12天進行測量，通過實驗可以發現，番茄每天的蒸騰的失水量分別為：結果期>開花期>苗期。在苗期因為太陽的凈輻射的強度不高，葉片少而小，蒸騰量就少，開花期，天氣逐漸變暖，番茄的生長速度加快，蒸騰的需水量增加，到了結果期，太陽輻射大于前期，為了保證果實的水分，蒸騰速度加快，其需水量也大大增加。

圖6 番茄在不同生育期蒸騰量的日變化Fig.6 Diurnal variation of transpiration in different growth stages of Tomato

通過圖6可以看出，ET1和ET0的變化趨勢一致，在陰雨天氣，蒸發的較少，晴天較為平穩。由分析可知，由Penman-Monteith公式能夠穩定的測量番茄的蒸發蒸騰量，并且與實際的蒸發蒸騰量的變化趨勢基本一致，因此，修正后的Penman-Monteith公式可以用作作物的灌溉理論依據。

4.2.2 滴灌時間和灌溉量的分析

通過Penman-Monteith方程，計算出作物的蒸散量，通過其單次灌溉的時間模型，可以計算出其灌溉量和灌溉時間，表2是在開花期選擇的兩天進行試驗，計算其實際與模擬的滴灌時間和灌溉量。其中4月30日是晴天，5月5日是陰雨天。

表2 4月30日和5月5日實際與模擬的滴灌時間和滴灌量Tab.2 Actual and simulated drip irrigation time and drip irrigation in April 30th and May 5th

5 結 語

本智能灌溉系統綜合運用自動檢測技術、傳感器技術和無線通信技術等，對滑蓋溫室環境參數進行實時采集和管理，根據番茄生長蒸發蒸騰量的模型確定灌溉量和灌溉時間。與傳統的溫室大棚相比，本系統具有以下優點：

(1)系統操作方便，具有人機交互界面，對于不懂專業知識的工作人員也能操作，同時通過GPRS技術與手機客戶端連接，能夠對溫室大棚的環境進行遠程操作。

(2)在實驗過程中，修正后的Penman-Monteith公式計算的值和對比試驗的值的變化趨勢基本一致，有很好的相關性。實驗結果表明，修正后的Penman-Monteith公式模型能夠精準地測量出蒸發蒸騰量，及時補充作物散失的水分，實現補給式精準灌溉，可以將其作為作物的滴灌模型。

(3)數據可以保存在數據庫中，當出現灌溉故障時，方便查找和分析。

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