智能溫室大棚灌溉系統的設計與應用

卜少波 郭文霞

（內蒙古工業大學 內蒙古呼和浩特 010051）

隨著科學技術的發展，農業生產逐步向著智能化、信息化的方向轉變。在農業生產中，越來越多的計算機系統得以應用，尤其是在農作物生產過程中進行監控和數據采集，并根據數據采集的結果來調整農作物的生產環境。智能化溫室的建設，尤其是結合測控軟硬件的應用，對溫室大棚中空氣的溫度和濕度、二氧化碳含量以及光照強度等多個因素進行實時監控，可以優化溫室大棚生產環境，從而促進農作物高效快速生長。溫室大棚在實際建造時可以根據不同地區、不同農作物的需要來合理地調節生產環境，這對于提升農作物的生產質量發揮了非常重要的作用。本文針對智能灌溉系統的設計進行研究，在對系統進行概述的基礎上提出各個部分設計的具體方案。

1 系統總體設計及原理

1.1 系統總體構成

溫室大棚的控制系統主要是對整個大棚內的溫度、濕度進行檢測，尤其是檢測整體的濕度并及時進行補水澆灌[1]。整個澆灌系統基于單片機技術、數據融合等技術，結合相應的傳感設備來檢測各項參數，在保證數據采集準確的基礎上可以及時進行監測以及顯示，并采取自動和手動兩種控制方式，通過水泵來進行節水灌溉控制。

溫室大棚灌溉系統的總體設計主要是基于控制單元進行整體控制，并結合傳感器采集數據，最終由控制系統來進行數據的處理，并采取相應的措施。在整個系統當中，控制系統是單片機，其他的模塊則包括傳感模塊、終端模塊、預警模塊以及作業模塊，系統可以實現對大棚環境的監測檢控。傳感模塊主要是進行環境參數的監測，可以通過傳感器設備來進行數據的收集，并實現整個大棚區域內所有監測數據的監測。終端模塊，主要是終端智能的控制系統，這是完成整個大棚區域內自動灌溉以及自動開關的重要模塊，在溫室大棚灌溉系統中可以自動進行噴藥、開啟風機并完成液體肥料的施肥工作，這可以有效地解放人力，提升整體的工作效率。預警模塊主要是進行遠程的預警，結合聲光報警系統以及語音報警系統來引起人們的注意，從而達到報警的目的。多數系統設計中使用的是蜂鳴器以及LED 燈，如果系統檢測到相應的數據不符合預設的要求，預警系統將會報警。作業模塊也是中央控制室，主要是對溫室大棚灌溉系統的整個區域參數進行控制，以此來完成相應的工作。

1.2 系統總體設計原理

整個控制系統，將單片機作為核心，結合指示燈、報警器、顯示器、電路傳感器以及按鍵等多個模塊來進行相應參數的采集、顯示以及智能化控制。在整個系統運行過程中，需要了解大棚的各項數據，因此各個采集設備需要統一的數據接口，根據不同檢測器獲得的數據要求來確定合適的格式，從而為數據的準確收集傳輸以及利用創造有利的條件[2]。

當數據收集到后，需要在處理中心進行統一分析，并根據分析的結果明確農作物灌溉提出的要求，將這些要求形成量化數據之后，可以進行精確的滴灌，并對數據進行及時的存儲。因此，在整個控制系統實際應用中，為了保證數據的實時傳輸，可以通過有線、無線等多種方式來搭建物聯網傳輸網絡，在保證整個系統實時性、可靠性的基礎上，確保整個網絡安全可靠并形成智能化的灌溉系統，提升溫室大棚農業種植全過程的監測預警以及灌溉的精確性。

節水灌溉這一控制系統主要包括硬件系統以及軟件系統兩個方面，下文將進行詳細研究。

2 系統硬件設計

2.1 單片機

在整個系統中，單片系統屬于核心，可以進行信息的處理，負責部分控制業務，滿足系統要求。本項目選擇STEM32 單片機作為主控板，從而實現電機的啟動、制度檢測以及噴頭升降等多項功能。這一單片機可以實現指令系統和引腳兼容，具有低能耗、在線編程的性能，在具體應用中可以發揮非常重要的作用。

2.2 濕度傳感器

濕度傳感電路主要是針對溫室大棚的空氣濕度進行測量以及監測。其作為濕度檢測模塊，發揮著非常重要的作用。本項目選擇線電壓輸出式集成濕度傳感器，具有可靠性、穩定性強等多項特點[3]。濕度傳感器作為感應元件，具有兩根導線，通過轉換器連接到單片機上。濕度傳感器將收集到的信息，通過模擬量傳回，而轉換器則可以將其轉換為數字量，從而由控制系統進行數據處理。濕度傳感器采取的結構形式是采樣數據比較器，通過雙數據輸出的方式避免數據誤差，提升整體的轉換速度，保證軟件管理更加便捷。

2.3 控制驅動電路

控制驅動電路主要包括三極管、指示燈、繼電器、潛水泵、相應的線路以及其他的配套水管。如果傳感器檢測到土壤的濕度低于其所需范圍的下限時，那么單片機則會發出相應的信號，并將其傳輸給控制驅動模塊，進而在電磁閥開啟之后實現自動澆水。如果當濕度達到農作物生長所需的上限時，那么控制驅動模塊則會停止灌溉。因此，在整個系統驅動模塊中，繼電器以及驅動電路兩部分是非常重要的。為了滿足驅動電流的要求，整個系統采取三極管的方式來進行驅動。

同時，在本項目當中涉及噴頭轉動的控制需求，需要滿足噴頭升降、水泵開關具體業務需要，這都涉及主控板運轉。在本項目中噴頭的設計也是十分必要的，噴頭主要是結合升降式噴頭以及霧化微噴頭來對室內進行加溫，通過升降來調節出水的面積，這種噴頭具有較強的均勻性以及可控性，能夠滿足溫室大棚的節水灌溉需求。同時輸水主要是通過PPR 水管來進行，這種水管的強度高，具有耐熱耐冷性，能夠結合水泵加壓并且有效地輸送。

2.4 人機交互電路

人機交換電路主要包括顯示器和報警器。顯示電路可以顯示傳感器檢測到的溫度以及整個系統的實時狀態。液晶顯示器則屬于廣泛使用的顯示模塊，通過直接和間接控制兩種不同的方式來進行工作，而在液晶顯示器中為了實現較高的字符清晰度，可通過加裝電位器的方式進行調節，這是人際交互的重要模塊電路，可以顯示測量的溫度以及濕度等多項數據。報警器則是在發生特殊情況時通過蜂鳴器發出警報聲，從而提醒操作人員及時注意到相應的問題，并對異常情況進行及時處理。

2.5 其他硬件設備

由于智能溫室大棚灌溉系統在具體應用中大多數是處于郊區以及開發區，因此在應用中通常會出現電網不穩定、供電質量較低的問題。即使在系統中配備了UPS 電源，也無法完全解決這一問題。智能記錄控制器的應用則可以有效地解決供電不穩定的問題。智能記錄控制器主要是在主控微機關閉的情況下，完成數據采集控制等各項工作。它可以利用內置數據存儲器來存儲較長時間的數據，并顯示測量的結果，進行脫機運行。在智能記錄控制器工作時，主控微機則可以運行其他的軟件，進行文字處理等工作，也可以處于完全關閉的狀態，達到有效節約成本的目的。

3 系統軟件設計

整個系統應用了智能灌溉系統軟件，包括電機控制室、溫度控制等多個不同的模塊。在實際運行中為了提高編程的可讀性，需要采取C 語言編寫，并結合AD 轉換等多個可調節的子程序來運行。這可以滿足植物生長周期的要求，將傳感器讀入的濕度值與濕度范圍進行比較，并結合內部控制算法來實現電磁閥的操作。整個系統可以將得到的濕度、溫度等信息進行顯示并發出相應的警報，其中單片機的主要工作流程如下圖所示。

圖1 單片機工作流程

4 智能溫室大棚灌溉系統的應用

本項目在經過實際測量之后，可以得到系統測量的溫度以及濕度誤差均在5%以內，達到了設計的要求。同時，在具體應用中本項目具有高效率、較強的可靠性和實用性等特點，將電機水泵以及機械結構結合在一起，設計出智能灌溉系統。這一灌溉系統具有自主檢測等多項功能，可以對溫室大棚進行灌溉以及檢測，滿足各項種植需求。同時，智能灌溉檢測系統結合傳感器來對溫室大棚內部進行監測，當出現異常情況時，第一時間發出警報，并在進行簡單的操作以及控制之后達到灌溉的需求。

同時，在實際應用中可以發現這一灌溉系統具有較強的創新之處，可以結合電機以及機械結構的應用來達到噴頭升降的目的，滿足溫室大棚整體的灌溉要求。這一系統的各個灌溉組成部分都可以進行拆卸連接，方便后期的更換以及維修，結構的整體設計較為合理，在引入信息化輔助后，整體智能水平得到大幅度提升。水泵結合加壓處理，增加了噴灌的范圍，提高了性能。

5 結語

溫室大棚灌溉系統具有較強的實用性、穩定性以及可靠性，在新時期我國農業技術水平不斷提升的背景下，這一智能化系統的應用可以滿足大棚灌溉種植的各項要求，可以為我國現代化農業的發展提供技術支撐。在實際應用中需要根據農業生產的要求來合理地應用各項系統，保障其達到良好的運行效果，提高農業生產質量。