日光温室基质袋培番茄灌溉监控系统设计

崔会坤，纪建伟，张大鹏，王春萌，王丹丹

(沈阳农业大学信息与电气工程学院，沈阳 110866)

在日光温室基质袋培番茄的过程中，精准灌溉不仅能节约水资源，而且影响着番茄产量。目前欧美等国家已经建立了日光温室条件下番茄生长和灌水模型，根据这些模型设计出合适的灌溉监控系统，实现了对番茄的精准灌溉，并取得了良好的应用效果[1]。在我国北方大多数日光温室中一般根据经验进行人工灌溉，由于基质袋培番茄对灌溉具有少量多次的需求，因此人工灌溉模式即达不到精准灌溉的要求，又会浪费大量的人力资源，而国外的灌溉监控系统价格昂贵、不便于维护与调试。

针对这一问题，根据日光温室袋培番茄灌溉实际需求，结合现有资源，设计了日光温室基质袋培番茄灌溉监控系统。系统将传感器检测技术、控制技术和计算机技术结合起来，能够获取日光温室相关环境因子----温度、光照度和土壤水分湿度[2]。在获取上述环境因子的前提下，根据番茄生长和灌水模型来决定灌溉量，既能实时监测日光温室相关环境因子，又能达到精准灌溉的要求。

1 灌溉模型与总体方案设计

1.1 灌溉模型选择

在日光温室袋培番茄生长模型中，主要有以辐热积为基础的叶面积指数方程、积温为主要变量的S型叶面积指数方程、根据定植天数计算的叶面积指数方程等3种模型[3]，高飞(2015年)实验验证，积温为主要变量的S型叶面积指数方程较适合作为日光温室基质袋培番茄的生长模型，因此本文采用玻尔兹曼的S型叶面积指数方程作为番茄的生长模型，主要依据积温GDD计算叶面积指数LAI：

LAI=α1+(α2-α1)/[1+e(α3-GOD)/α4]

(1)

式中：α1(-0.335)、α2(4.803)、α3(755.3)、α4(134.7)为回归系数；积温GDD= 初始积温+起始时间之后的累积积温。

初始积温是番茄经过育苗移植到日光温室种植之前已经累积的积温值，可根据实际情况进行修改；一天中温度的平均值为W1，用高于W1的温度值减去W1所得到的值在进行累加就是累积积温。

番茄水分模型选择G Carmassi(2007年)研究的线性回归方程，该模型依据叶面积指数LAI以及当天的光照量计算出1 d的需水量Wu：

Wu=b1(1-e-k LAI) (RAD/λ)+b2

(2)

式中：b1(0.946)和b2(0.188)为常数；k(0.69)为冠层的消光系数；λ(2.45 MJ/ kg )为水的汽化潜热；RAD为太阳总辐射。

毛军需等(1995年)研究表明太阳辐射度与光照度成正比关系，即:

RAD=1.04×10-2L

(3)

式中：L为光照度，lx。

水分模型主要的决定参数是LAI和日平均太阳辐射，日平均太阳辐射一定的条件下，LAI越大，计算出的灌水量越多；LAI不变，太阳总辐射越大灌水量越多。

从番茄生长和水分吸收模型可以知道，与番茄需水量相关的日光温室环境因子主要是温度和光照度，二者共同影响番茄对水分的需求量。

1.2 总体方案设计

本系统为日光温室灌溉监控系统，下位机采用主从结构模式，灌溉控制器作为基站，数据采集器作为从站，这样分工明确，便于维护与调试，基站与从站使用CAN协议进行通讯。总体结构如图1所示。

图1 系统总体结构Fig.1 System general structure

当到达灌溉时间，上位机先判断基质袋土壤湿度，若达到灌溉要求，先发出指令采集日光温室的环境因子，根据番茄生长和水分吸收模型计算灌水量，在发出指令进行精确灌溉，否则不进行灌溉。

基站灌溉控制器通过RS232总线将获取的日光温室环境因子传递给上位机，根据上位机的指令通过继电器模组来控制灌溉区域电磁阀的开闭。从站数据采集器负责获取日光温室环境因子----温度、光照度和土壤湿度，通过CAN总线传递给灌溉控制器。

2 系统硬件设计

2.1 灌溉控制器设计

基站灌溉控制器主要将数据采集器获取的日光温室环境因子通过RS232总线传递给上位机并控制着电磁阀的开闭，主要由控制模块、电源模块、CAN通信模块、RS232通信模块、开关量采集模块等组成，结构示意图如图2所示。

图2 灌溉控制器示意图Fig.2 Irrigation controller

选择意法半导体(ST)公司生产的基于Cortex-M3内核的STM32系列32位微处理器STM32F103VCT6作为基站灌溉控制器的MCU。采用德州仪器(TI)生产的LM2596作为电源芯片，将外部12 V的电压转换成5 V，在通过AMS1117-3.3电源芯片稳定输出3.3 V。为保证基站与从站通讯稳定可靠，选用芯片ADM3053作为CAN的收发器，CAN_RX引脚与STM32的PB8引脚相连，CAN_TX引脚与STM32的PB9引脚相连。控制模块采用驱动继电器控制电磁阀的方法，电磁阀采用24 V供电，继电器使用光耦和NPN三极管组成的电路驱动，STM32的引脚输出高低电平控制着光耦和三极管的导通，即控制着继电器的开关，进而控制着电磁阀的开闭。由于继电器的状态反映电磁阀的状态，因此根据光耦和NPN三极管组成的开关量采集电路，通过读取STM32引脚的高低电平来判断电磁阀的状态。

2.2 数据采集器设计

从站数据采集器主要通过传感器获取相关的环境因子，在通过CAN总线传递给灌溉控制器，主要由采集模块、显示模块、电源模块、CAN通信模块等组成。

选择STM32F103C8T6作为从站数据采集器的MCU。液晶具有体积小、功耗低、操作简单等特点，所以在本系统中采用LCD12864液晶作为显示模块，可实时显示所采集的日光温室环境因子，与STM32接口采用串行的控制方式。采集模块主要由各种传感器组成，传感器输出方式大致分为3种：数字输出，0～3.3 V电压输出，4～20 mA电流输出。根据日光温室基质袋培番茄生长的环境需求和系统应用的不同目的选择相应的传感器，如表1所示。

3 系统软件设计

系统软件由灌溉控制器、数据采集器和上位机软件构成。灌溉控制器和数据采集器软件采用模块化思想进行编程，C语言编写，采用Keil5软件编译，上位机软件由C#编写。

表1 传感器参数Tab.1 Sensor parameters

3.1 上位机软件设计

上位机系统作为灌溉系统的重要组成部分，起着数据存储、灌溉控制、人机交互等作用。系统共有模型参数设置、温室环境参数设置、统计分析等主要功能。上位机采集与控制管理界面如图3所示，第4组为预留设置。

图3 采集与控制管理界面Fig.3 Acquisition and control management interface

系统对于灌溉设计了2种控制模式，自动灌溉模式和手动灌溉模式。当设置为自动灌溉模式时，系统每隔一定时间自动采集日光温室相关区域环境因子，计算番茄需水量，发出指令给基站来控制着电磁阀开闭；设置为手动模式时，需手动录入灌溉量，单击灌溉按键进行灌溉。

3.2 下位机软件设计

在从站数据采集器软件设计中，先对各个部分初始化，接着等待基站发出遥控帧指令。若收到遥控帧，比较与自己所设的ID是否相同，一致则进行温度、光照度和土壤水分采集并通过液晶显示，在将采集的数据打包成数据帧的格式发送到CAN网络中。

在基站灌溉控制器的软件设计中，先对各个部分初始化，接着等待上位机的指令，根据指令进行不同的动作。若是灌溉指令，则控制继电器的开闭；若是数据指令，则发送遥控帧到CAN网络中然后接收数据帧，在传递给上位机。

根据STM32 CAN发送和接收原理，基站灌溉控制器和从站数据采集器之间的通信协议规定如下：①ID采用标准帧；②过滤器组采用屏蔽位模式；③灌溉控制器和数据采集器(1～3)的ID和过滤器组设置如表2所示。

示例如下：当灌溉控制器发送ID为0x310的遥控帧时，只有数据采集器1会收到这个帧命令，接着采集相关环境因子并打包成数据帧格式发送到CAN网络中，由于设置了过滤器组,只有灌溉控制器能收到并传给上位机处理,数据采集器2和3会自动过滤到这个数据帧。

表2 ID和过滤器组设置Tab.2 ID and filter group settings

4 实验验证和结果分析

4.1 实验基本情况

本系统为日光温室灌溉监控系统，示范地为沈阳农业大学科研基地辽沈I型温室，温室长60 m，宽8 m。在2015年3月11号定植冬春茬番茄，7月中旬拉秧，采用基质袋栽培，规格为50 cm×30 cm，每个基质袋种植2株番茄，行距1 m，株距30 cm，一行20株，14行即280株分为一个灌溉区，共有4个灌溉区，采用箭式滴灌进行灌溉，每个灌溉区主管使用直径为32 mm的PE管，支管使用直径为16 mm的PE管。通过水泵向主管持续稳定供水，在流向支管，最后通过毛管送到每个基质袋内。电磁阀安装在每个灌溉区的主管上，由于供水压力和主管管径一定，因此每时刻通过主管的灌水量就一定，控制电磁阀开闭的时间就可以实现灌水量的调节。第1、2、3灌溉区采用本文设计的灌溉控制系统，在种植区每一行多放一支箭式滴灌管，并将其放入烧杯中用来测量实际灌溉量，第4灌溉区采用传统的人工灌溉方式。日光温室灌溉示意图如图4所示。

图4 灌溉示意图Fig.4 Schematic diagram of irrigation

4.2 实验结果与分析

(1)根据灌溉模型进行自动灌溉，每隔30 min采集环境因子一次即进行一次灌溉，时间为每天8∶00—16∶00。由于番茄坐果期(大约为四五月)需水量最大，因此选择4月25日至5月7日验证单天单株实际灌水总量与模型计算出来的灌水量的差别，实际灌水量以烧杯中的水量为准。选择第2灌溉区的数据，结果如图5所示。从图5可以看出，根据灌水模型所计算出的灌溉量与实际灌水量之间最大误差为52 mL，在可控范围之内，证明了本系统具有一定的可靠性和稳定性。

图5 测试结果Fig.5 Test result

(2)拉秧之后，随机检测不同灌溉方式下的番茄产量，模型灌溉区的番茄果实产量与人工灌溉区的番茄果实产量对比如表3所示。从表3可以看出，使用模型灌溉的单株番茄产量高于使用人工灌溉的番茄产量，增产17.9%，说明使用模型灌溉方式有利于增加番茄的产量。

表3 不同灌溉模式对番茄果实产量的影响Tab.3 Effects of different irrigation modes on the yield of Tomato

(3)基质袋培番茄过程中几乎不存在水分的蒸腾和渗漏现象，水分蒸散量相对较少(李芳，2012年)。从表4可以知道在番茄生长期间，人工灌溉模式下的用水总量远远大于模型灌溉模式下的用水总量。后者比前者节约35.4%，说明使用模型灌溉方式可以显著节约水资源。

表4 不同灌溉模式对番茄水分利用效率的影响Tab.4 Effects of different irrigation modes onwater use efficiency of Tomato

5 结 语

本文设计的日光温室基质袋培番茄灌溉监控系统通过采集相关环境因子，根据番茄生长和水分模型确定灌溉量。在该系统构中，基站与从站采用主从结构模式构建，方便调试与维护，使用CAN通讯协议解决数据传输过程中易丢失、易出错等问题。

实验结果证明该系统运行可靠、实用性强，通过数据对比分析，可以对基质袋培番茄进行精确灌溉，减少人力和物力资源的浪费，与传统的人工灌溉相比，不仅可以提高番茄产量，而且节约了水资源，符合灌溉自动化的需求，具有良好的应用前景。

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