智能水肥一體化系統(tǒng)設計研究

李合菊 馬偉順 宋文敏

萊蕪職業(yè)技術學院 山東 萊蕪 271100

智能水肥一體化系統(tǒng)設計研究

李合菊 馬偉順 宋文敏

萊蕪職業(yè)技術學院 山東 萊蕪 271100

本文提出了一種智能化的水肥一體化系統(tǒng)，對該系統(tǒng)的關鍵設計問題進行了研究與論述，在引入STM32模塊的基礎之上，重點就核心控制器模塊的硬軟件設計要點進行分析與總結(jié)，望能夠引起各方人員的高度關注與重視。

水肥一體化系統(tǒng)；智能技術；STM32模塊；設計

圖1 智能水肥一體化系統(tǒng)總體結(jié)構示意圖

眾所周知，水肥一體化系統(tǒng)是近年來農(nóng)業(yè)領域與智能化技術相結(jié)合背景下一種全新的耕作方式。與傳統(tǒng)意義上先撤肥后灌溉的耕作模式相比，應用水肥一體化系統(tǒng)技術能夠節(jié)約大量人工，在降低肥料耗用量的同時減少浪費，避免因過量施肥而出現(xiàn)農(nóng)作物燒根的問題，也可根據(jù)農(nóng)作物的生長需求，對水分、養(yǎng)分供應量加以合理調(diào)整，確保作物始終處于養(yǎng)分、水分充足供應的狀態(tài)下，以提高作物生長質(zhì)量。本文即論述一種以STM32模塊為基礎的智能水肥一體化系統(tǒng)，就系統(tǒng)設計的關鍵內(nèi)容進行分析與研究。

1 總體設計方案

在栽培技術以及信息技術同步發(fā)展的背景下，農(nóng)業(yè)已經(jīng)進入信息化時代，水肥一體化系統(tǒng)在大田農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應用日益廣泛。整個智能水肥一體化系統(tǒng)從結(jié)構構成上來看主要可劃分為三大部分，第一是電氣部分，第二是核心控制器設計部分，第三是灌溉施肥管理結(jié)構設計部分。智能水肥一體化系統(tǒng)主要是借助于土壤原位EC計、土壤水分傳感器等相關裝置實時性監(jiān)測作物根系土壤間水肥情況，然后反饋至控制中心，由PLC控制器軟件平臺系統(tǒng)根據(jù)所獲取參數(shù)判斷是否需要對農(nóng)田進行灌溉施肥處理。圖1所示即為智能水肥一體化系統(tǒng)的總體結(jié)構示意圖。

2 控制器硬件設計

在智能水肥一體化系統(tǒng)中，以核心控制器設計為整個系統(tǒng)設計的重點。核心控制器所涉及到的主要模塊包括SD卡儲存、人機交互、以太網(wǎng)接口拓展、AI接口、以及DO接口等。其中，SD卡儲存模塊主要用于對系統(tǒng)所覆蓋范圍內(nèi)灌區(qū)歷史數(shù)據(jù)以及概貌歷史數(shù)據(jù)的收集，覆蓋區(qū)間為近5年；人機交互模塊選用工業(yè)串口屏，基于RS232接口實現(xiàn)屏幕與控制器的數(shù)據(jù)交互；以太網(wǎng)接口拓展模塊可實現(xiàn)基于Web的參數(shù)顯示以及系統(tǒng)設置等相關功能；AI接口主要負責肥液EC、PH參數(shù)檢測、管道壓力檢測等工作；DO接口主要負責對繼電器組的控制，控制對象包括電磁閥以及灌溉泵等。

本系統(tǒng)所選用控制器為STM32系列微控制器，設備型號為STM32 F207VGT6，工作頻率為120MHz，處理字節(jié)為1M，外設豐富，完全可滿足系統(tǒng)需求。系統(tǒng)選用USART1串口外設設計串口屏工作接口，以RS485接口作為調(diào)試操作接口，系統(tǒng)AI輸入功能基于SPI接口控制ADC采集芯片的方式實現(xiàn)，SD卡利用SDIO接口連接，以支持系統(tǒng)數(shù)據(jù)儲存功能的實現(xiàn)，DO功能則采用ULN2803A功率驅(qū)動模塊與GPIO配合的方式實現(xiàn)對繼電器工作模塊的控制。

在人機交互接口模塊中，選用工業(yè)串口屏，核心控制器與觸摸屏交互功能依托RS232工作接口實現(xiàn)，主要功能包括數(shù)據(jù)顯示、用戶參數(shù)設置、系統(tǒng)狀態(tài)顯示等。接口通過引入MAX232電平轉(zhuǎn)換模塊的方式實現(xiàn)。

在AI接口模塊中，該模塊主要負責對各種模擬量參數(shù)的采集，如肥液EC、PH參數(shù)檢測、管道壓力參數(shù)等。正常運行狀態(tài)下，該模塊可檢測電壓信號單位在1V~5V區(qū)間，可檢測電流信號單位在4～20mA區(qū)間。

在DO接口模塊中，該模塊主要負責提供相應數(shù)字控制信號，與水肥一體化系統(tǒng)中電氣部分功率繼電器裝置進行連接，以實現(xiàn)控制執(zhí)行機構的目的。本操作系統(tǒng)中，DO模塊下主要控制對象包括肥液通道電磁閥以及混肥灌溉泵這兩個部分。硬件結(jié)構設計中小功率繼電器應用ULN2803功率驅(qū)動器提供驅(qū)動作用，開關信號擴展至端子，與電氣部分進行連接，以實現(xiàn)通過弱電對強電進行控制的目的。

3 控制器軟件設計

在智能水肥一體化系統(tǒng)中，核心控制器模塊需要實現(xiàn)的最主要功能是支持用戶對控制參數(shù)的輸入，并根據(jù)所輸出參數(shù)自動執(zhí)行灌溉以及施肥等一系列指令，同時儲存灌區(qū)以及概貌歷史數(shù)據(jù)，為用戶提供查詢支持。在核心控制器軟件設計中的關鍵要點如下：

在人機交互模塊中，軟件設計的重點是對RS232串口數(shù)據(jù)交互問題的處理，依托于核心控制器與串口交互的方式，完成對顯示數(shù)據(jù)、用戶設置參數(shù)的交互處理。軟件部分設計中，經(jīng)由UART模塊使核心控制器中斷接收觸摸屏所返回的各種參數(shù)指令，搭載串口將需顯示數(shù)據(jù)發(fā)送至觸摸屏。

在灌溉控制模塊中，基于智能化的水肥一體化系統(tǒng)灌溉控制應當提供兩種模式供用戶選擇，第一是定時控制模式，第二是周時鐘控制模式。對于前者而言，水肥一體化系統(tǒng)中面向覆蓋灌區(qū)提供8個定時器以供選擇，由用戶根據(jù)灌溉、施肥需求激活相應定時器，并設置啟動時間即可；對于后者而言，水肥一體化系統(tǒng)中可以周為單位由用戶獨立進行灌溉啟動時間、啟動次數(shù)、間隔時間、是否激活施肥等先關參數(shù)的設置工作。在本模塊運行過程中，首先應由核心控制器根據(jù)用戶設置模式選擇相對應的控制策略，在此基礎之上激活相應控制。若當天激活施肥指令，則同步生成關鍵控制參數(shù)，參數(shù)自動并入施肥控制鏈表中，以方便施肥控制模塊進行相應處理。

在配肥算法模塊中，水肥一體化系統(tǒng)允許用戶設置包括肥液配方號、肥液通道配置方案、EC控制激活、EC設定值、EC設置上限值、EC設置下限值、以及肥液比例等關鍵參數(shù)，并自動生成4個不同配方。在覆蓋灌區(qū)中，用戶需選擇該灌區(qū)所對應的灌溉控制模式，指定灌區(qū)相應配方號。在系統(tǒng)執(zhí)行灌溉算法的過程中可根據(jù)用戶所設置灌溉策略以及是否激活施肥指令，以自動生成相應控制參數(shù)，啟動施肥控制功能，并搭載開環(huán)或閉環(huán)控制方式運行。

4 結(jié)束語

本文提出了一種基于STM32模塊的智能水肥一體化系統(tǒng)，對該系統(tǒng)核心控制器部分的硬軟件設計問題進行了逐一分析與論述，可滿足水肥一體化系統(tǒng)的相關功能需求，實現(xiàn)灌溉與施肥的一體化控制，對提高灌溉系統(tǒng)中肥液以及水資源利用效率有非常重要的作用與價值，值得在農(nóng)業(yè)領域進一步推廣應用。

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S277.9

A

課題名稱：基于STM32的水肥一體化控制系統(tǒng),課題項目編號2015jsky04