基于植物全生育期的精量智能灌溉控制器设计

钱春阳，王建春，吕雄杰(天津市农业科学院信息研究所，天津 300192)

21世纪水资源正在变成一种宝贵的稀缺资源，水资源问题已不仅仅是资源问题，更是关系到国家经济、社会可持续发展和长治久安的重大战略问题。资源缺乏，一直是制约我国经济社会发展的重要因素之一。目前，全市设施种植业达4万hm2，带动30多万农民就业。人工管理成本高、水肥药等资源利用效率低严重制约设施种植业的可持续发展，采用先进的节水灌溉控制技术应用于农业节水灌溉，不仅可以提高资源利用效率、改善生态环境、降低管理成本、提高经济效益，还可以减少频繁的灌溉导致的根层无机氮的大量淋失，减轻不断追肥造成根层氮素失衡的恶性循环，减少频繁灌溉造成的作物养分需求和土壤供应的不同步带来的损失。对天津乃至全国节水灌溉技术的发展具有重要意义。

1 系统整体设计

该智能灌溉控制器作为设施农业物联网中间件设备，位于物联网底层设备感知层和上层应用层之间，是设施农业物联网的核心。除下达灌溉控制决策外，还兼具数据采集、提取及有效验证，以及预处理数据，统一协议，发送、传输数据等工作。

该智能灌溉控制器以植物全生育期内的需水状况为主要依据，针对植物不同生育期内具体需水状况、灌水频次、土壤水分含量等变量，实施灌溉水的变量投入，形成3种不同的灌溉策略以满足实际的灌溉需要，对作物生产实行非均匀变动管理，从整体上降低物质消耗。

通过利用高性能ARM处理芯片和无线通信技术对土壤含水量和灌溉流量等进行检测，并执行灌溉控制决策；采用实时时钟技术判断植物生育期，并实现控制器与WSN的同步；采用高性能电源管理芯片，管理系统电能分配；采用GPRS接口实现物联网环境的快速接入和报警；采用触摸屏和组态软件提供人机交互界面，实现参数设置、灌溉处方调用、控制决策下达、灌溉进程监控等功能。同时也能够为探索新型精量控制策略，真正实现植物全生育期的灌溉标准化和自动化提供基础。

2 智能灌溉控制器硬件设计

智能灌溉控制器硬件主要包括MCU、电源管理单元、通信单元(无线传输模块和GPRS模块)、灌溉管理单元(HMI模块、外部Flash和SD卡)以及灌溉控制单元(流量检测模块和电磁阀)。硬件结构如图1所示。

图1 硬件结构图

(1)处理器单元。主控制器采用32位的ARM 低功耗微处理器STM32F103RCT6，具有25Kbyte Flash、48Kbyte RAM，工作频率可达72 MHz，能够满足该控制器监测与数据处理的需求。该处理器具有5个异步串行接口，能够同时连接触摸屏单元、GPRS模块、无线传输模块和流量检测模块，还可以扩展TF卡用于存储数据，适用于设施温室精量智能灌溉控制器多串口应用的需求。

(2)电源管理单元。控制器的供电单元设计要满足不同外设的正常工作电压范围，尽量减少不同电压值之间的转换，其中MCU工作电压为2.0～3.6 V，无线传输模块工作电压2.1～3.6 V，SONGLE SDR继电器工作电压为5 V，触摸屏工作电压为12 V， GPRS模块工作电压为9～12 V。因此，选用XL4005和ASM1117直流降压芯片，将12 V输入电压转换成5 V和3.3 V为不同用电设备提供稳定的直流电压。

(3)通信单元。①无线通信模块。无线传输单元采用SEMTECH推出的SX1212超低功耗的单芯片无线芯片，具有频率范围在300～510 MHz；芯片经过优化具有非常低的接收功耗，典型接收电流为2.6 mA，远小于同类收发器的接收电流；工作电压为2.1～3.6 V，最大发射功率12.5 dBm。采用4种电源管理模式来实现不同形式的节能效果，灵活配置系统工作模式可以降低系统功耗。兼顾设施温室环境下开发自定义网络通信协议的要求，并能够满足与该设备配套使用的无线传感设备低功耗的使用要求。无线芯片与MCU的USART2接口连接，实现农业网络架构中底层设备感知层与传输层之间的数据交换。②GPRS模块。GPRS模块使用SIM900A芯片，它采用功能强大的ARM926EJ-S芯片处理器，属于双频GSM/GPRS模块，完全采用SMT封装形式，工业标准接口(GPIO、SPI、COM口、I2C、音频接口等)，工作频率为GSM/GPRS 900/1 800 MHz，可以低功耗实现语音、SMS、数据和传真信息的传输。MCU通过串口使用AT指令完成数据的传输过程。GPRS单元与MCU的USART3接口连接，实现与农业物联网架构中传输层与上层应用层的数据交换，并将相关数据定时发送至农业物联网监控平台进行存储和大数据分析。

(4)灌溉管理单元。HMI模块选用具有VGUS系统(一款组态型、用户图形界面设计软件)的SDW系列串口触摸屏。其具有：56 KB变量存储空间，8通道曲线趋势图存储器，极快(80 ms)的变量显示响应速度；25 B存储器空间，支持串口指令读写，用于硬件配置和控制操作；128 M Flash存储空间，用于存储图片、图标、字库和用户数据库等；单页最多支持64个显示变量；支持USB在线下载，提高研发调试效率；支持SD卡脱机下载，用于批量生产，提高生产效率；集成了RTC、背光亮度调节、背光自动待机、触控蜂鸣器伴音功能。触摸屏接口通过电平转换为TTL电平，与MCU的USART1接口连接。外部FLASH。采用W25Q64芯片，具有64M位存储空间，分为128个块，每块大小为64 KB，其擦写周期多达10万次，具有20 a的数据保存期限，支持电压为2.7～3.6 V，支持标准SPI通信，最大SPI时钟可达80 MHz。外部Flash用于存储不同品种植物灌溉处方，通过控制程序可以调用和修改预设处方。

(5)灌溉控制单元。流量检测单元采用YSDC32流量显示控制器，通过485通讯接口，实现自动抄表，其性能参数：电池电压3.6 V，2 400 mA；静态电流小于20 μA；RS485通讯电源为DC12V，100 mA；通讯隔离电压为DC1000V；累计流量最小值为0.001 m3，最小流速 0.12 m3/h，额定流速6.0 m3/h。采用MODBUS通信协议通过SP3485模块与MCU的UART4进行连接，选择2400波特率，无校验，8位数据位和1位停止位。电磁阀模块选用DC24V-2W常闭型，工程塑料材质电磁阀，压力范围在0～1 MPa，工作温度为-5～85 ℃。

3 控制器软件设计

该设备设计了3种不同的灌溉方式，用户可以根据对当地土壤状况、灌水制度的完善程度进行选择，来完成植物全生育期内的精量灌溉。其中，方式一“定时时间+水量”：该种方式适用性广泛，结合专家总结的灌溉制度，通过设定起灌时间、灌水量、灌水次数和时间间隔等参数相结合的方式，自动完成灌溉作业；方式二“传感器下限+水量”：该种灌溉方式采用土壤水分传感器下限值作为起灌条件，结合灌水量，完成灌溉作业，该种方式较前一种方式自动化程度相对较高，但对土壤水分传感器的依赖性较高；方式三“传感器上限+下限”：该种方式的起灌和停灌节点均由土壤水分传感器来决定，该种灌溉方式自动化程度最高，但要求传感器能够充当具有稳定和可靠的数据来源，同时设定的上下限阈值需要通过专业人员长期总结不同植物在整个生育期的灌溉规律，是实现节水灌溉的最高级形式，也是今后一段时间内需要进一步探索和研究的方向。

3.1 HMI软件设计流程

系统中HMI主要负责信息显示及信息输入功能，其中信息显示主要包括灌溉状态显示及传感器数据显示；信息输入主要包括植物全生育期内灌溉参数录入及菜单的触控选择，HMI软件设计流程如图2所示。

图2 HMI开发流程

其中变量规划是通过规划VGUS屏的56 KB变量存储空间和外部Flash相对应，实现灌溉参数非易失性存储，满足存储作物灌溉处方的要求。现以“品种1”、“定时时间+水量”灌溉方式中参数设定界面为例，包含应灌水量(2 B)、应灌次数(2 B)、时间间隔(2 B)、生育期开始时间(4 B)、灌溉开始时间(4 B)，预留参数(2 B)，共预设5个生育期(定值期、缓苗期、结果初期、结果盛期、结果后期)，因此使用触摸屏内变量存储地址为0x0201～0x0228共80字节，所对应的外部Flash存储地址为513-592，其他品种及对应的灌溉方式的存储地址分配方式与此相同。

3.2 控制器软件流程

控制器MCU程序设计采用keil uVision4 IDE开发环境，其中流量传感器数据是影响灌溉精度和节水效果的重要参数，设定其具最高优先级，当系统启动灌溉后开始定时采集，根据其额定流速设定采集周期为1 min；其中环境传感数据作为设施温室灌溉及病虫害发生等的重要依据，设定其对应的接收中断响应具有次高级优先级，数据上传周期设定为30 min一次，经过实践证明将采集周期设定为30 min或1 h一次，能够正常的反应温室内环境变化情况，同时又可以大大降低传感设备自身功耗；HMI模块主要负责前期的参数设置和后台的数据显示任务，将其优先级设为最低，以保证其他外设正常抢占中断。

系统启动后，首先进行系统及外设的初始化，记录初始时间和流量数据，系统RTC与触摸屏RTC每24 h同步一次，用于统一时钟并更新当前所处生育期。同时开启总中断，侦听各串口接收中断、解析和数据处理并执行对应任务。设备工作流程如图3所示。

图3 设备软件工作流程

用户通过HMI模块完成人机交互，并开启一次新的灌溉，操作流程如下：①选择灌溉方式(“定时时间+水量”方式；“传感器下限+水量”方式；“传感器上限+下限”方式)；②选择品种(设备默认存储4个不同品种的灌溉处方)；③点击“修改参数”按钮，输入用户权限密码；④通过用户权限验证后，进入选定灌溉方式、品种的参数修改页面，输入处方参数，点击确认返回监测主界面；⑤点击“启动灌溉”按钮，系统根据设定程序启动选定品种按照选定灌溉方式进行灌溉；⑥点击“临时补灌”按钮，增加临时灌溉方案。点击“停止灌溉”按钮，暂停当前灌溉。点击“灌溉记录”按钮，查看选定品种生育期内的灌溉记录。

4 系统测试分析

设备测试分别在实验室做前期实验，在天津市农业创新基地11号日光温室，温室面积约466 m2，采用滴灌方式，试验时间为3月14日定植，7月3日拉秧。并参照2015年发布的天津市地方标准《日光温室黄瓜智能灌溉技术规程》，并参考专家意见，选择以方式一“定时时间+水量”的灌溉方式为例进行测试，相关灌溉参数设定如表1所示。

表1 采用方式一灌溉参数设定界面

经过试验，系统工作正常，操作简便，能够按照植物全生育期预设处方进行灌溉，通过采用预设程序与流量采集设备相结合，提高了灌溉精度，降低了人工成本，能够比传统灌水方式节水15%以上。

5 结 语

该系统结合物联网中间件技术和专家辅助决策相结合，形成植物全生育期的灌溉处方，尝试采用可供用户选择的3种灌溉方式，实现作物全生育期的灌溉控制，完成了该智能灌溉控制器的硬件研发、软件设计和测试工作。该设备的使用对设施温室节水灌溉起到了良好的作用。

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