基于農業墑情監測的南疆蔬菜大棚系統設計

申時權

(塔里木大學 信息工程學院，新疆 阿拉爾 843300)

0 引言

大棚蔬菜是近年來蔬菜生產的常見形式，但大棚蔬菜的生產方式主要是靠人工監測環境因子來進行的。特別是在南疆地區，水資源相對匱乏，憑借人工經驗監測和確定灌溉時間及用水量，容易導致水資源浪費。隨著農業生產不斷向信息化、智能化發展，農業墑情監測尤為重要[1-2]。根據農業墑情監測的環境因子，使大棚內的蔬菜獲得最佳生長環境條件，以此實現高效優產。因此，將農業墑情監測系統應用在南疆蔬菜大棚中，對于提高南疆蔬菜大棚種植戶的經濟效益具有重要的現實意義。

結合傳統蔬菜大棚生產不足，設計了一套基于農業墑情監控的蔬菜大棚自動通風與噴灌控制系統。由于南疆天氣多風沙，在蔬菜大棚種植區域外圍安裝防風抑沙網進行阻隔。系統利用CO2氣體濃度傳感器、土壤溫濕度傳感器及空氣溫濕度傳感器，實現采集CO2濃度、土壤溫濕度及空氣溫濕度，通過數模轉換模塊集成的信息轉換功能轉換為STM32F1103ZFT6模塊能夠識別的數值，將均值算法得到的結果與系統設定好的合理參數區間進行比較，自動控制風機和水泵是否啟動進行通風降溫，自動完成擴散CO2氣體濃度及噴灌操作，蔬菜大棚的種植戶也能實時在上位機顯示屏察看這些環境因子的變化。該系統相對傳統的人工蔬菜大棚節省大量人力監控，也能減少資源的過度利用，對蔬菜大棚進行精準噴灌與智能管控，提高資源利用率[3-5]。

1 系統設計

1.1 硬件設計

該蔬菜大棚自動控制通風、噴灌系統主要由核心處理器模塊、按鍵輸入模塊、通信模塊、上位機顯示模塊、監測模塊、轉換模塊、報警及執行模塊組成。可以對蔬菜大棚進行定時定量的通風降溫、噴灑灌溉作業。

1)電源采用雙回路供電，防止電源中斷，數據丟失，南疆地區光電資源充足，采用太陽能電源電路可以節約電力資源。

2)核心處理器模塊采用STM32F103ZET6芯片，該芯片具有CAN 和USB全速接口，電動機控制外圍設備，CPU速度達到72 MHz并有1 MB 的閃存。STM32系列芯片基于ARM Cortex-M3 32位閃存微控制器，工作時具有低功率和低電壓優勢，并結合了實時運行功能。數據處理的MCU 體系結構具有一個易于使用的 STM32 平臺，可用于包括電動機驅動、數據處理等方面,能很好滿足系統需求。

3)通信模塊采用GPRS模塊，型號為DATA-6121低功耗無線模塊，采用低功耗設計，通過GPRS或者以短消息的方式進行遠程傳輸數據，對于太陽能供電的監測條件十分適用，同時也能大幅度降低太陽能供電成本并降低施工難度。

4)上位機模塊采用觸摸屏，可在屏上輸入數值，實現管理與設置。

5)監測模塊采用CO2氣體濃度傳感器，可探測蔬菜大棚內CO2濃度，用于對大棚內蔬菜的呼吸作用和光合作用進行及時調控；空氣溫濕度傳感器和土壤溫濕度傳感器可以測量空氣和土壤中的溫度及濕度，實現對環境信息的獲取。

6)A/D 轉換模塊采用STM32F4系列自帶的轉換模塊，該模塊將土壤溫濕度、空氣溫濕度及CO2濃度的電壓值轉換STM32F103ZET6芯片可識別的數值。

7)輸入按鍵模塊設置了數字鍵、上升鍵、下降鍵、左移鍵、右移鍵、刪除鍵、確定鍵，用于調節合理參數區間值，增強系統的靈活性。

8)報警模塊使用蜂鳴器提醒蔬菜種植戶，執行模塊利用可控制開關控制風機自動散熱和水泵自動灌水，及CO2氣體濃度調節。

如圖 1 所示，該系統實現步驟具體描述為：通過CO2傳感器、空氣溫濕度傳感器和土壤溫濕度傳感器監測大棚內的CO2濃度、空氣和土壤的溫濕度。

圖1 系統設計框圖

利用CO2傳感器、空氣溫濕度傳感器和土壤溫濕度傳感器監測出的模擬信號傳給A/D轉換模塊，核心處理器會對模擬轉換后的電壓值進行數據處理。核心處理器執行程序會把所獲得的CO2濃度、空氣和土壤的溫濕度編寫算法指令，算法得到后的數值通過GPRS模塊傳輸到上位機顯示屏顯示，讓棚戶了解棚內環境因子的實時動態。

1.2 主程序設計

系統主要程序設計的流程見圖2。

圖2 主程序設計流程圖

首先對大棚中適合蔬菜生長的環境因子設定合理的參數區間值，對各個傳感器及其他設備進行初始化，然后利用傳感器監測空氣溫濕度、土壤溫濕度及CO2氣體濃度，并將采集到的環境因子電信號通過A/D轉換器傳送給核心處理器STM32F1103ZFT6，核心處理器會結合對應的均值算法對所采集的數據進行計算。此時計算出的結果會通過GPRS模塊傳給上位機進行顯示。同時核心處理器會將處理后的數據與事先設定的合理參數區間值進行比較，若CO2氣體濃度、土壤溫度和空氣溫度任一因素高于系統設定的合理參數區間值的最高值，系統就會通過繼電器控制對應機構工作，如風機打開通風降溫、降低CO2濃度，打開報警裝置提醒棚戶，直至環境因子達到系統設定的合理參數區間值，警報關閉。同理，若土壤濕度和空氣濕度任一因素低于系統設定的合理參數區間值，系統就會通過繼電器控制水泵打開進行噴霧或噴灌，噴霧用于改善空氣濕度，噴灌用于改善土壤濕度，同時會打開報警裝置提醒棚戶，直至蔬菜大棚中的土壤濕度或空氣濕度達到系統設定的合理參數區間值，警報關閉。若以上的環境因子都是在系統的合理參數區間值內，系統會繼續記錄并監測環境因子的實時變化，進入下一個循環。

2 系統調試

為了驗證系統的可行性，針對不同環境因子設置不同合理參數區間值，并進行測試。首先是調節CO2區間參數設置的濃度，當濃度過高時，系統發出報警，且上位機顯示濃度數值，打開風機，開始通風，直至濃度回歸到合理參數區間內，警報解除；以同樣的方法測試土壤溫度和空氣溫度，得到的結果同上所述。然后進行土壤濕度和空氣濕度驗證，調節系統區間參數設置值，使參數值變換到較大的范圍內，系統發出警報，上位機顯示濕度值不在合理區間參數值，水泵打開進行噴灌及噴霧，直到濕度回歸設置的合理濕度參數值，系統警報解除。然后把CO2氣體濃度增大到超過系統CO2氣體參數最大值，同時把土壤濕度調節到較高參數取值范圍，警報發出聲響，上位機顯示CO2氣體濃度值高，以及土壤濕度過低，風機和水泵都自動打開降溫散濃和噴灌，當濃度到達設定參數值范圍內時，風機停止工作，上位機顯示濃度正常，當濕度達到設定值時，上位機顯示濕度正常，水泵停止工作，此時警報才完全解除。最后設置了土壤濕度因素的測試，把現在正常的合理區間參數濕度值調高，系統直接發出警報，上位機顯示土壤濕度不在合理區間參數值內，水泵打開噴灌；快速把調高區間參數濕度值調回正常合理區間參數濕度值時，系統快速回歸正常，解除警報，水泵快速關閉。

經測試，系統采用的STM32F1103ZFT6核心處理器快速穩定，且能與其它模塊很好協同運行，能夠滿足系統設計需求。系統良好運行也證實系統的可行性。

3 結論

介紹了適用于南疆蔬菜大棚系統設計過程。該系統基于農業監測系統設計理念，優化了農業墑情站的系統使用功能，增加了CO2氣體濃度環境因子采集功能，核心處理器STM32F1103ZFT6對其他模塊能快速穩定控制，將大棚內CO2氣體濃度、空氣溫濕度、土壤溫濕度等環境因子監測采集后，核心處理器控制風機和水泵進行環境調節，使棚內蔬菜獲得良好的生長環境。

該系統不僅能為大棚蔬菜創建適宜生長環境，在南疆地區應用還能節約控制水資源，對提高資源利用率和滿足農業精準需求提供參考。

4 展望

該系統未涉及南疆土壤鹽漬化的壓鹽工作，首先是因為土壤鹽分的監測傳感器成本過高，且鹽分析出的時段一般是在植物收割后，這個工作只能人工噴灌進行壓鹽，希望后續的南疆蔬菜大棚探索工作能充分考慮這一問題并解決。