便攜式植物生長水分脅迫檢測儀的設計

考文斌+++關蓓蓓+++陳昊+++魏路明+++劉一暢+++楊巧娜

摘 要：文章提出一種便攜式植物生長水分脅迫檢測儀，用于檢測植物生長過程中的水分脅迫信息，為精準灌溉的實施提供理論依據。系統采用嵌入式與傳感器技術對植物生長過程中引起水分狀況變化的各項環境因子指標（葉層溫濕度、冠層溫度、CO2濃度、土壤水勢等）進行采集、存儲與處理，經過數據分析得出植物水分脅迫信息，從而指導節水灌溉。

關鍵詞：水分脅迫；嵌入式；傳感器技術；環境因子

1 概述

隨著傳感器檢測技術、無線數據傳輸等技術的不斷發展，用于農田信息采集的技術與設備也日趨完善，同時由于各種原因導致的水資源短缺問題不斷加劇，利用植物生長過程中的缺水信息來指導實施精準灌溉，已經成為了精準農業發展中的一項重要內容。

1981年，Idso等人通過研究影響植物冠層溫度變化的主要環境因子空氣濕度，提出了植物水分脅迫指數[1]（Crop Water Stress Index，簡稱CWSI），定義如下：

目前，基于植物冠層溫度來測定植物生長過程中的水分狀況的研究在國內外已經得到了廣泛的研究，并有了實際的應用[2]。

針對水資源的日益短缺，實現植物生長過程中的精準灌溉越來越重要。本文提出一種便攜式植物生長水分脅迫檢測儀，采用嵌入式微處理器（STM32）和嵌入式操作系統（μC/OS-II）構建的軟硬件平臺，如圖1所示。按照人機交互的需要，系統配置4.3寸觸摸屏，并在GUI-Builder等開發軟件的支持下，設計人機交互界面（GUI）管理程序；同時根據數據傳輸的要求，配置短距離無線模塊接口、RS-485通信接口、SD卡接口，制定數據傳輸協議并開發相應的驅動程序等。

2 系統硬件設計

本系統的硬件設計實現便攜式植物生長水分脅迫檢測儀的設計，主要包含ARM處理器模塊、多種傳感器、觸摸顯示模塊、無線通信模塊、SD卡數據存儲模塊以及電源模塊等，其硬件設計原理圖如圖2所示：

針對系統要實現的功能，以ARM微處理器STM32為核心，搭配多種傳感器，以此測量影響植物生長過程中水分狀況變化的多個參數，其中植物葉層溫濕度通過8路模擬開關連接，采用I2C通信方式測量；冠層溫度采用SPI通信方式測量；植物生長環境土壤溫度、土壤水分，由于輸出的是模擬電壓信號，直接與STM32處理器的12位A/D轉換器相連完成數據的采集。

2.1 處理器模塊

本便攜式水分脅迫檢測儀的處理器模塊采用嵌入式ARM STM32處理器：STM32F103VET6，STM32系列處理器采用高性能的Cortex-M3內核作為處理機制，工作頻率最高可達72 MHz，具有豐富的增強I/O 端口和外設[3]。

2.2 傳感器模塊

傳感器模塊包括植物冠層溫度傳感器、大氣環境溫濕度傳感器、光照度傳感器、土壤溫度傳感器、土壤水分傳感器等，用于采集植物生長過程中的微環境參數。

2.3 無線通信ZigBee模塊

本便攜式水分脅迫檢測儀的無線通信ZigBee模塊采用ZigBee新一代無線射頻芯片CC2530，CC2530通過串口與STM32處理器進行數據傳輸，具有功耗低、信號強度大、價格較低等特點[4]。

3 系統軟件設計

便攜式植物生長水分脅迫檢測儀包括硬件系統和軟件系統兩部分，兩者缺一不可，軟件系統建立在硬件系統基礎之上，兩者結合在一起，共同完成相應的功能。本設計中的軟件系統根據硬件系統的配置采用模塊化的設計思想，整個軟件系統主要包括底層驅動的設計、嵌入式操作系統μC/OS-II、嵌入式圖形系統μC/GUI以及應用程序的設計。

4 結束語

本文便攜式植物生長水分脅迫檢測儀的設計，通過分析國內外植物生長缺水信息檢測技術的研究歷史和發展現狀，仔細分析了基于冠層溫度的植物生長缺水信息檢測技術，設計并開發了便攜式植物生長水分脅迫檢測儀。論文在查閱關于植物生長缺水信息檢測技術相關資料的基礎上，明確本系統的基本設計功能，首先確定了植物生長缺水信息檢測系統的整體設計方案，為后續工作的開展提供技術基礎支持。通過多種植物生長缺水信息檢測技術的比較分析，選擇以冠層溫度為主，以大氣溫濕度、土壤溫度、土壤含水量等影響植物生長水分虧缺的環境因素為輔，共同完成植物生長水分狀況的檢測。

參考文獻

[1]肖冠云，于海業，李國臣.基于葉氣溫差的溫室作物水分脅迫指數的試驗研究[J].西北農業學報，2006，15（6）：100-103.

[2]曹元軍，王新忠.基于作物冠層溫度變化的無線傳感器網絡灌溉系統的研究[J].農機化研究，2010，9：126-129.

[3]王永虹，徐煒，等.STM32系列ARM Cortex-M3微控制器原理與實踐[M].北京：北京航空航天大學出版社，2008.

[4]龔文超，吳猛猛，劉雙雙.基于CC2530的無線監控系統設計與實現[J].電子測量技術，2012，12.