【導讀】統(tǒng)造價高、使用復雜而難以推廣，開發(fā)滿足當前設施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需求的灌溉控制系統(tǒng)具有重要意義。該系統(tǒng)以CC2430單片機為核心，采用模塊化設計思路，主要包含微處理器模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、控制模塊、電源供應模塊及人機交互模塊。系統(tǒng)將周期采集的土壤濕度數(shù)據(jù)傳送到微處理器模塊，度，并根據(jù)監(jiān)測結果，反饋控制灌溉設備的啟停，以此實現(xiàn)土壤濕度維持在預設范圍。度查看和灌溉設備狀態(tài)管理功能。初步試驗表明，系統(tǒng)把土壤濕度提高30％所需的時間在50～60min之內(nèi)，控制誤差在3％以內(nèi)，且運行穩(wěn)定，操作簡單，準確性和快速性指標能滿足設施農(nóng)業(yè)灌溉要求。系統(tǒng)成本低、可維護性強，從而具有良好的推廣應用前景。

　　

【正文】 delay_us(1000)。 WriteLCD(COMMAND , 0x2F)。 delay_us(1000)。 WriteLCD(COMMAND , 0x40)。//從第一列開始顯示 delay_us(1000)。 WriteLCD(COMMAND , 0xB0)。 delay_us(1000)。 WriteLCD(COMMAND , 0x10)。 delay_us(1000)。 WriteLCD(COMMAND , 0x00)。 delay_us(1000)。 WriteLCD(COMMAND , 0xAF)。 WriteLCD(COMMAND , 0x81)。 WriteLCD(COMMAND , 0x1b)。 ClearScreen()。 SetContrast(20,80)。 } 灌溉模型設計 在溫室栽培條件下，土壤水分平衡公式可表示為： A S WDTEGI ????? 式中： I—— T時間段內(nèi)的灌水量 (mm)； G—— T時間段內(nèi)的地下水補給量 (mm)； T—— T時間段內(nèi)的作物蒸發(fā)量 (m1)： E—— T時間段內(nèi)的作物用水量（ ml） D—— 深層滲水量 (mm)； 。 ASW—— T 時間段內(nèi)土壤有效儲水量的變化量 (mm)： 系統(tǒng)軟件設計 25 在溫室條件下，將上述公式表述的灌溉過程和用水過程可用圖 47平衡示意圖進行表示： 灌 水 量 I 植 物 用 水 量 和 蒸 發(fā) 量 E T儲 水 增 加 A S W 儲 水 減 少 A S W滲 水 量 D地 下 水 補 給 量 G地 下 水A 灌 溉 過 程 B 用 水 過 程作 物 根 系 層 深 度 圖 47 溫室土壤水平衡示意圖 在溫室灌溉過程中，灌溉水量主要用于補充作物根系層的含水量，同時會有少量水分滲漏到地下水中，而灌溉的主要目的是補充作物根系層的土壤含水量，由此 可以確定每次灌溉水量定額。一般將能夠為根系提供所需全部水分的 80%~90％的根系深度確定為有效根系層，由于高度不同和根的類型不同，不同作物有效根系的深度也不相同，因此灌水的深度不相同。土壤臨界含水量和土壤持水量之間的土壤含水量最適于植物的吸收利用，將其定義為適宜含水量。一般情況下，土壤持水量和臨界含水量之間的差值是允許耗水量，一般為 30%~70％，據(jù)此我們可以確定一次灌水的定額，凈灌水定額可用下列公式計算： ? ? ?? 10wodn PZWFI ??? 式中： nI —— 灌溉定額 (mm)： β —— 允許耗水量占有效含水量的百分比 (％ )； dF —— 土壤持水量，體積百分比 (％ )； oW —— 作物凋萎系數(shù)，體積百分比 (％ )； Z—— 有效根系層深度 (cm)； wP —— 土壤濕潤比，體積百分比 (％ )； η —— 灌溉水利用系數(shù)，體積百分比 (％ )。 結合溫室管理人員已有的經(jīng)驗，根據(jù)不同地區(qū)土壤條件、作物種類及 生長階段、按照灌溉的要求特性及作物的生長狀況，本系統(tǒng)可根據(jù)需要制定出合理的、便于實施的灌溉策略，包括不同作物在不同生育期的凈灌水定額，灌溉水利用系數(shù)，灌水起始點，灌水上限，預警閾值等方面。合理灌溉技術的關鍵是控制灌水的均勻度，以適量的水進行適時灌溉，既能滿足作物對水的需要，又不至于造成土壤含水量過多和空氣濕度過大，引起作物發(fā)生各種霉病。 總結與展望 26 系統(tǒng)應用方案設計 基于項目的實際情況，本系統(tǒng)采用輪灌的方式對溫室作物進行灌溉，以解決水資源競爭問題，也有利于灌溉水在土壤較粘的情況時充分下滲。把大區(qū)域劃分成小區(qū)域實 施輪灌的做法克服了水壓不夠、水源不足的困難，能提高灌溉水利用效率，從而實現(xiàn)精準灌溉的目的。 控制方式的選擇 目前我國設施農(nóng)業(yè)中灌溉控制設備很不統(tǒng)一，有電機、水泵、電磁閥等，要使系統(tǒng)的控制信號具有通用性就要用系統(tǒng)的控制信號去控制一個開關，而這個開關去控制灌溉輸水控制設備的電源的通斷，從而達到系統(tǒng)控制灌溉的目的。繼電器是目前使用得最廣泛的可控開關，性能也比較可靠，因此系統(tǒng)設計時就選用繼電器作為控制灌溉輸水控制設備電源的開關。繼電器有大有小，有交流控制也有直流控制，它的觸點開關既能通過直流也能通過交流 。由于是控制繼電器開關的吸合，因此，要選用直流控制的繼電器。這種直流控制的繼電器功率一般較小，不能承受大電流交流電流過。對于交、直流供電且電流較小的灌溉輸水控制設備來說，可以直接用這種繼電器來控制。但是對于交流供電且電流較大的灌溉輸水控制設備來說，就不能直接用這種繼電器來控制電源。這時，可以再加一個可通過較大電流的交電器，用直流小功率繼電器去控制大功率交流繼電器，大功率交流繼電器又去控制灌溉輸水控制設備的交流電源，這樣系統(tǒng)同樣可以實現(xiàn)溫室灌溉的自動控制。也就是說，本文設計的溫室自動灌溉系統(tǒng)給出的控制信號具有 通用性。 工作方式的選擇 土壤濕度是灌溉控制的最重要參數(shù)，由于溫室設施農(nóng)業(yè)中土壤比較平整均勻，具有一定的一致性，可以在一定面積范圍的土壤內(nèi)設置幾個測試點，取幾個測試點的平均值來代表這一面積范圍土壤的含水狀況，這樣既可以不需要太多的成本去購置傳感器又可以使土壤水分的測量比較準確。當系統(tǒng)用來控制灌溉時，可以將兩個傳感器均勻分布埋設在這片土壤里，再取兩個傳感器測量的平均值來表示整片土壤的含水狀況，根據(jù)這個平均值來控制灌溉。同時還可以用于花卉、盆景等經(jīng)濟植物的栽培中，分別將兩個傳感器插在不同種類的花卉盆 或盆景中，根據(jù)不同種類花卉或盆景對水分的不同要求設置不同的土壤缺水判斷標準和灌溉方式。 針對不同的作物和不同的作物發(fā)育期需要有不同的土壤缺水判斷標準和灌溉方式。這里所說的土壤缺水判斷標準指的就是作物缺水或是不缺水狀態(tài)下土壤水吸力的界限值。系統(tǒng)根據(jù)要求設置了兩種灌溉方式以供操作者在面對不同土質時選擇使用。 ① 閉環(huán)控制方式 在這種澆灌方式下，可以設定土壤濕度上限值、下限值兩個參數(shù)。當系統(tǒng)監(jiān)測到土系統(tǒng)軟件設計 27 壤濕度低于下限值時，表示作物缺水，微處理器模塊給出控制信號，控制澆水。當系統(tǒng)監(jiān)測到土壤濕度高于上限值時，表示澆水足夠，停 止?jié)菜?。同時微處理器模塊將將采集到的土壤濕度數(shù)據(jù)和灌溉狀況在人機交互模塊的液晶屏上顯示出來。這種灌溉方式是針對那些滲水快的土壤設計的，當灌溉后水能很快下滲，不需要延時等待。 ② 時間控制方式 在這種澆灌方式下，可以設定土壤濕度上限值和延時時間兩個參數(shù)。當系統(tǒng)監(jiān)測到土壤水濕度低于設定的下限值時，表示作物缺水，微處理器模塊給出控制信號，控制澆水。當澆水時間達到延時時間 tl后，表示澆水足夠，系統(tǒng)停止?jié)菜?。這種灌溉方式是針對灌溉系統(tǒng)比較熟悉，預先知道灌溉量的情況設計的。即管理人員對灌溉系統(tǒng)很熟悉，知道它一分鐘能夠澆多少 水，同時也知道某種作物在缺水后需要補充多少水分，這時管理員就可以設定一定的延時時間，澆灌夠確知的作物需水量后就停止?jié)补唷? 上述兩種灌溉方式是基本上能夠滿足系統(tǒng)工作時的要求。 本章小結 軟件是控制模塊的靈魂，要求和硬件配合，本章主要解決何時灌和灌多長時間的決策問題，還要兼顧人員對參數(shù)的修改，對數(shù)據(jù)的存儲等問題。 在硬件電路的基礎上，完成對各個功能模塊的軟件設計，包括主程序的設計、土壤濕度傳感器采集程序的設計和顯示程序設計等。總結與展望 28 5 系統(tǒng)應用驗證 驗證內(nèi)容 本系統(tǒng)是針對設施農(nóng)業(yè)設計的基于單片機的溫 室自動灌溉系統(tǒng)，在使用中需要針對部署方案進行測試。本系統(tǒng)在西北農(nóng)林科技大學閻良甜瓜基地進行了初步試驗，該基地溫室大棚采用地面固定式滴灌系統(tǒng)，每塊地采用一主管加多支管的梳狀輸配水管網(wǎng)。根據(jù)該基地 9個日光溫室大棚的特點，溫室大棚一共布置了 9 個設備，土壤濕度傳感器插入土壤大約 10厘米處，通過電纜接入數(shù)據(jù)采集模塊。系統(tǒng)每隔 10分鐘采集一次土壤濕度數(shù)據(jù)，完成數(shù)據(jù)采集之后，自動進入休眠狀態(tài)，直至下一個采樣周期喚醒。 該系統(tǒng)自 2020年 12月部署完成后已持續(xù)正常工作 12個月，設備在異常掉電重啟后能快速的恢復到原來狀態(tài)。甜 瓜蒸騰作用強，需水量較多，雖然有強大的根系，在旱季也要適當?shù)墓喔纫詽M足對水分的需要。嚴重缺水，則影響正常發(fā)育，并導致落瓜。甜瓜不耐澇，土壤濕度過大則引起根系窒息而死，空氣濕度過大，不但影響果實品質，也易感病，一般要求相對濕度 50%~60%左右。 如圖 51溫室自動灌溉系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理界面所示，系統(tǒng)具有與一階慣性系統(tǒng)相似的響應特性，表明系統(tǒng)的穩(wěn)定性很好，系統(tǒng)運行 55min即能將溫室內(nèi)土壤濕度由 24%提高到設定的 55%，系統(tǒng)超調(diào)量≤ 4%。而一般果蔬類植物對水分的脅迫的忍耐時間至少在 1h以上，可見本系統(tǒng)的快速性可以滿 足農(nóng)業(yè)技術的要求。 圖 51 溫室自動灌溉系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理界面 參考文獻 29 6 總結與展望 總結 針對溫室環(huán)境濕度大、基礎設施少、作物眾多且動態(tài)變化等特點，本文設計了基于單片機技術的溫室自動灌溉系統(tǒng)，設備可以實現(xiàn)現(xiàn)場實時監(jiān)測溫室作物根系處土壤濕度，具有系統(tǒng)誤差低、響應速度快、部署靈活、成本低廉、維護簡單成本低、可維護性高、可靠性好及灌溉閾值設置靈活等優(yōu)勢。系統(tǒng)后期應用證明其具有良好的穩(wěn)定性，并能滿足不同作物不同時期灌溉的需要。該設備的研制和使用為建立大遠程智能灌溉系統(tǒng)提供經(jīng)驗和技術支持。 展望 對于整 個系統(tǒng)而言，采用液晶屏顯示，顯示內(nèi)容更豐富。而采用 CC2430 作為微處理器模塊，使土壤濕度傳感器可以與單片機直接相連，減少了 A/D 轉換電路，不僅使電路設計變得簡單，也使程序代碼減少了很多，且測量精度高，測量范圍廣。 CC2430 是TI 公司設計的一款真正的片上系統(tǒng)解決方案，專為 Zigbee 應用量身制作，其內(nèi)部集成有一個高性能的 CC2420 射頻收發(fā)器和工業(yè)級標準的高性能 8051MCU，配合業(yè)界領先的Zigbee 協(xié)議棧， CC2430 提供了市場上最具競爭力的 Zigbee 解決方案。系統(tǒng)采用 CC2430作為微處理器芯片， 可以為系統(tǒng)以后使用無線傳感器網(wǎng)絡做鋪墊，避免設備出現(xiàn)溫室內(nèi)高溫、潮濕的環(huán)境導致通信電纜的老化的問題，從而降低系統(tǒng)的可靠性。 根據(jù)本系統(tǒng)目前已經(jīng)現(xiàn)的功能和不足，在以下方面尚需做進一步的深入研究： 1 為系統(tǒng)加入專家系統(tǒng)知識庫，對專家系統(tǒng)知識庫做更深入的研究，不僅包括作物對生長環(huán)境要求的知識，還要包括作物病蟲害的防治等方面的知識。 系統(tǒng)采用 Zigbee 協(xié)議，利用無線通信技術發(fā)出是否灌溉的指令，降低系統(tǒng)成本的同時增加系統(tǒng)的可靠性。 改善系統(tǒng)外觀設計，使之更加符合人們的操作習慣，更加人性化。參考文獻 30 參考文獻 [1]周長吉 . 2020. 溫室灌溉系統(tǒng)設備與應用 [M]. 北京：中國農(nóng)業(yè)出版社 [2]王玉軍，張本華 . 溫室技術的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 [J]. 農(nóng)機化研究， 2020(1)： 249251 [3]程文鋒，楊祥龍，王立人，等． PLC和觸摸屏在自動噴灌控制器中的應用 [J]．農(nóng)機化研究， 2020，31(5)： 128— 131 [4]高峰，俞立蝶，張文安，等．基于無線傳感器網(wǎng)絡的作物水分狀況監(jiān)測系統(tǒng)研究與設計 [J]．農(nóng)業(yè)工程學報， 2020， 25(2)： 107— 112 [5]蔣毅 ,趙燕東 ,陳峻崎 .精準灌溉自動控制系統(tǒng)的應用研究 [J].湖南農(nóng)業(yè)科學 ,2020(5):136142 [6]徐飛鵬 ,李云開 ,楊培嶺 ,雷震東 ,譚炳芳 .節(jié)水灌溉自動化控制系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢 [J].中國農(nóng)業(yè)大學 ,北京市先飛農(nóng)業(yè)工程高技術公司 ,新疆澤普水利局 ,2020(5):4348 [7]任文濤，楊懿，張本華，等．溫室節(jié)點式滲灌自動控制系統(tǒng)設計與實現(xiàn) [J]．農(nóng)業(yè)工程學報， 2020，25(8):59— 63 [8]袁巧霞，蔡月秋．溫室集雨及低壓自滲灌溉可行性研究 [J]．農(nóng)業(yè)機械學報， 2020， 37(4)： 155— 157,110 [9]張澤卉，孫穎，楊耿煌， 等．基于 GSM短信和無線高頻通信的灌溉自動控制系統(tǒng) [J]．節(jié)水灌溉，2020， 32（ 1）： 33— 37,40 [10]Cam p C R, Lam F R, Evans R G, et al. Proceedings of the 4th Decennial National Irrigation Symposium, Nov 1416, 2020, Phoenix AZ. 2020: 363 372 [11]Valante A, Morais R， L Serodio C， et a1． A ZigBee sensor element for distributed monitoring of soil parameters in environmental monitoring[C].2020 IEEE Sensors， Atlanta, GAUSA：IEEE， 2020： 135— 138 [12]Zhang Qiong, Zhao Chunjiang, Wang Cheng, et al. Data acquisition control system based on ARM process automatic fertigation[J]. Transaction