基于农业墒情监测的南疆蔬菜大棚系统设计

申时权

(塔里木大学 信息工程学院，新疆 阿拉尔 843300)

0 引言

大棚蔬菜是近年来蔬菜生产的常见形式，但大棚蔬菜的生产方式主要是靠人工监测环境因子来进行的。特别是在南疆地区，水资源相对匮乏，凭借人工经验监测和确定灌溉时间及用水量，容易导致水资源浪费。随着农业生产不断向信息化、智能化发展，农业墒情监测尤为重要[1-2]。根据农业墒情监测的环境因子，使大棚内的蔬菜获得最佳生长环境条件，以此实现高效优产。因此，将农业墒情监测系统应用在南疆蔬菜大棚中，对于提高南疆蔬菜大棚种植户的经济效益具有重要的现实意义。

结合传统蔬菜大棚生产不足，设计了一套基于农业墒情监控的蔬菜大棚自动通风与喷灌控制系统。由于南疆天气多风沙，在蔬菜大棚种植区域外围安装防风抑沙网进行阻隔。系统利用CO2气体浓度传感器、土壤温湿度传感器及空气温湿度传感器，实现采集CO2浓度、土壤温湿度及空气温湿度，通过数模转换模块集成的信息转换功能转换为STM32F1103ZFT6模块能够识别的数值，将均值算法得到的结果与系统设定好的合理参数区间进行比较，自动控制风机和水泵是否启动进行通风降温，自动完成扩散CO2气体浓度及喷灌操作，蔬菜大棚的种植户也能实时在上位机显示屏察看这些环境因子的变化。该系统相对传统的人工蔬菜大棚节省大量人力监控，也能减少资源的过度利用，对蔬菜大棚进行精准喷灌与智能管控，提高资源利用率[3-5]。

1 系统设计

1.1 硬件设计

该蔬菜大棚自动控制通风、喷灌系统主要由核心处理器模块、按键输入模块、通信模块、上位机显示模块、监测模块、转换模块、报警及执行模块组成。可以对蔬菜大棚进行定时定量的通风降温、喷洒灌溉作业。

1)电源采用双回路供电，防止电源中断，数据丢失，南疆地区光电资源充足，采用太阳能电源电路可以节约电力资源。

2)核心处理器模块采用STM32F103ZET6芯片，该芯片具有CAN 和USB全速接口，电动机控制外围设备，CPU速度达到72 MHz并有1 MB 的闪存。STM32系列芯片基于ARM Cortex-M3 32位闪存微控制器，工作时具有低功率和低电压优势，并结合了实时运行功能。数据处理的MCU 体系结构具有一个易于使用的 STM32 平台，可用于包括电动机驱动、数据处理等方面,能很好满足系统需求。

3)通信模块采用GPRS模块，型号为DATA-6121低功耗无线模块，采用低功耗设计，通过GPRS或者以短消息的方式进行远程传输数据，对于太阳能供电的监测条件十分适用，同时也能大幅度降低太阳能供电成本并降低施工难度。

4)上位机模块采用触摸屏，可在屏上输入数值，实现管理与设置。

5)监测模块采用CO2气体浓度传感器，可探测蔬菜大棚内CO2浓度，用于对大棚内蔬菜的呼吸作用和光合作用进行及时调控；空气温湿度传感器和土壤温湿度传感器可以测量空气和土壤中的温度及湿度，实现对环境信息的获取。

6)A/D 转换模块采用STM32F4系列自带的转换模块，该模块将土壤温湿度、空气温湿度及CO2浓度的电压值转换STM32F103ZET6芯片可识别的数值。

7)输入按键模块设置了数字键、上升键、下降键、左移键、右移键、删除键、确定键，用于调节合理参数区间值，增强系统的灵活性。

8)报警模块使用蜂鸣器提醒蔬菜种植户，执行模块利用可控制开关控制风机自动散热和水泵自动灌水，及CO2气体浓度调节。

如图 1 所示，该系统实现步骤具体描述为：通过CO2传感器、空气温湿度传感器和土壤温湿度传感器监测大棚内的CO2浓度、空气和土壤的温湿度。

图1 系统设计框图

利用CO2传感器、空气温湿度传感器和土壤温湿度传感器监测出的模拟信号传给A/D转换模块，核心处理器会对模拟转换后的电压值进行数据处理。核心处理器执行程序会把所获得的CO2浓度、空气和土壤的温湿度编写算法指令，算法得到后的数值通过GPRS模块传输到上位机显示屏显示，让棚户了解棚内环境因子的实时动态。

1.2 主程序设计

系统主要程序设计的流程见图2。

图2 主程序设计流程图

首先对大棚中适合蔬菜生长的环境因子设定合理的参数区间值，对各个传感器及其他设备进行初始化，然后利用传感器监测空气温湿度、土壤温湿度及CO2气体浓度，并将采集到的环境因子电信号通过A/D转换器传送给核心处理器STM32F1103ZFT6，核心处理器会结合对应的均值算法对所采集的数据进行计算。此时计算出的结果会通过GPRS模块传给上位机进行显示。同时核心处理器会将处理后的数据与事先设定的合理参数区间值进行比较，若CO2气体浓度、土壤温度和空气温度任一因素高于系统设定的合理参数区间值的最高值，系统就会通过继电器控制对应机构工作，如风机打开通风降温、降低CO2浓度，打开报警装置提醒棚户，直至环境因子达到系统设定的合理参数区间值，警报关闭。同理，若土壤湿度和空气湿度任一因素低于系统设定的合理参数区间值，系统就会通过继电器控制水泵打开进行喷雾或喷灌，喷雾用于改善空气湿度，喷灌用于改善土壤湿度，同时会打开报警装置提醒棚户，直至蔬菜大棚中的土壤湿度或空气湿度达到系统设定的合理参数区间值，警报关闭。若以上的环境因子都是在系统的合理参数区间值内，系统会继续记录并监测环境因子的实时变化，进入下一个循环。

2 系统调试

为了验证系统的可行性，针对不同环境因子设置不同合理参数区间值，并进行测试。首先是调节CO2区间参数设置的浓度，当浓度过高时，系统发出报警，且上位机显示浓度数值，打开风机，开始通风，直至浓度回归到合理参数区间内，警报解除；以同样的方法测试土壤温度和空气温度，得到的结果同上所述。然后进行土壤湿度和空气湿度验证，调节系统区间参数设置值，使参数值变换到较大的范围内，系统发出警报，上位机显示湿度值不在合理区间参数值，水泵打开进行喷灌及喷雾，直到湿度回归设置的合理湿度参数值，系统警报解除。然后把CO2气体浓度增大到超过系统CO2气体参数最大值，同时把土壤湿度调节到较高参数取值范围，警报发出声响，上位机显示CO2气体浓度值高，以及土壤湿度过低，风机和水泵都自动打开降温散浓和喷灌，当浓度到达设定参数值范围内时，风机停止工作，上位机显示浓度正常，当湿度达到设定值时，上位机显示湿度正常，水泵停止工作，此时警报才完全解除。最后设置了土壤湿度因素的测试，把现在正常的合理区间参数湿度值调高，系统直接发出警报，上位机显示土壤湿度不在合理区间参数值内，水泵打开喷灌；快速把调高区间参数湿度值调回正常合理区间参数湿度值时，系统快速回归正常，解除警报，水泵快速关闭。

经测试，系统采用的STM32F1103ZFT6核心处理器快速稳定，且能与其它模块很好协同运行，能够满足系统设计需求。系统良好运行也证实系统的可行性。

3 结论

介绍了适用于南疆蔬菜大棚系统设计过程。该系统基于农业监测系统设计理念，优化了农业墒情站的系统使用功能，增加了CO2气体浓度环境因子采集功能，核心处理器STM32F1103ZFT6对其他模块能快速稳定控制，将大棚内CO2气体浓度、空气温湿度、土壤温湿度等环境因子监测采集后，核心处理器控制风机和水泵进行环境调节，使棚内蔬菜获得良好的生长环境。

该系统不仅能为大棚蔬菜创建适宜生长环境，在南疆地区应用还能节约控制水资源，对提高资源利用率和满足农业精准需求提供参考。

4 展望

该系统未涉及南疆土壤盐渍化的压盐工作，首先是因为土壤盐分的监测传感器成本过高，且盐分析出的时段一般是在植物收割后，这个工作只能人工喷灌进行压盐，希望后续的南疆蔬菜大棚探索工作能充分考虑这一问题并解决。