基于作物蒸散量模型的新型滑盖温室智能灌溉系统设计

赵 颖，纪建伟，崔会坤，闫 爽，王晓伟，孙周平

(1.沈阳农业大学信息与电气工程学院，沈阳 110866；2.沈阳农业大学园艺学院，沈阳 110866)

0 引 言

温室环境智能控制是由当代农业生物学技术、环境工程学技术、自动控制技术、计算机网络技术与管理科学技术等多种技术的综合起来的应用。改善环境条件使作物生长在最佳的环境状态，进而使农作物的质量、产量等得到大幅度的提升[1]。但是干旱缺水问题已经危机到自然生态系统、粮食安全以及人类健康，农业灌溉用水占全球淡水消耗的70%左右，而浪费的多达30%～40%。目前不同的灌溉方式对于水分利用率存在较大差异，例如，传统的沟灌方式只有50%～60%被利用，但是滴灌的利用率达到95%。因此，高效的灌溉既可以提高水资源的利用率，又可以使粮食产量翻番[2]。

丁炀超等[3]将作物的需水量和温室的温湿度作为研究的主要目标，设计一种基于STM32的控制器对温室环境和土壤进行采集并传输至中控机，对温室环境和土壤参数进行控制，完成灌溉，结果使作物的产量提高20%；张长利等[4]采用嵌入式技术、ZigBee技术和GPRS技术设计一种远程灌溉监测系统，该系统根据作物的种类、生长情况以及土壤情况将土壤水分传感器埋设在不同深度的土壤中，分别为5、10、和20 cm。对土壤水分阈值的检测，结果表明灌溉的水量大部分没有渗透根系以下，实现了按需灌溉和远程自动集中控制；Harmanlo等[5]运用Penman-Monteith方程对番茄在四种不同灌溉水平的生长、产量以及水分利用率进行研究。结果表明，在75%ETc为番茄的最优需水量，则实际的灌溉量为4.1～5.6 mm/d[0.3～0.4 L/(株·d)]，实现精准灌溉；Kirda等[6]利用一种基于每天的太阳辐射和水分蒸发的线性关系的方法估算番茄的水分利用率，在温室的不同位置放置烧杯，通过观察番茄在烧杯中的生长情况来预测在土壤中的蒸散量，提高了水资源的利用率。由于协调土壤水气环境用于保证作物根系的正常新陈代谢和优质的根区环境，是灌溉的追求目标。在灌溉过程中或是在地下滴灌灌水器的周围可能会出现周期性或短时性的滞水，这将会导致湿润区的土壤空气的含量减少，减少作物的产量[2]。

针对以上不足，本文设计一种基于Penman-Monteith方程的智能灌溉系统，对作物进行精准灌溉。其思想是由空气温湿度传感器、太阳光照传感器、土壤水分出传感器对温室环境进行实时采集，采集数据通过数据采集器传送至上位机，同时装设恒压变频控制器，保证供水系统的稳定，减小出水压力对氧传质系数的抑制[2]。

1 系统的设计

1.1 系统总体方案设计

本系统是以STM32为主控制器，包括数据采集模块、控制模块、报警模块、通信模块、显示模块、GPRS模块等。该系统的总体结构原理图如图1所示。首先，土壤水分传感器采集土壤湿度，判断番茄是否缺水，设定一个参数，用来启动灌溉模型。数据模块将空气温湿度传感器、太阳辐射传感器采集的环境参数传送至核心控制模块，并传输到上位机，根据番茄的蒸发蒸腾量模型，计算出蒸腾量。上位机发出灌溉命令，由温室内电气柜来控制电磁阀的开闭，及时补充作物散失的水分，实现精确灌溉。因为对于不同作物的不同生长阶段的需水量不同，这时可以通过键盘设定不同阶段的需水量的范围，进而充分的满足作物的需水量及生长需求。其次，可以通过GPRS通信模块将数据传送到手机，这样即使工作人员不在场，也可以通过远程对温室大棚作物需水实行智能控制。当控制系统出现故障时，系统发出报警信号，工作人员可以立即发现故障并即使处理。

图1 系统总体结构原理图Fig. 1 Schematic diagram of system structure

1.2 灌溉模型的选择

作物需水量计算是灌溉理论的重要依据，因此根据作物生长环境的因素变化来确定灌溉的时间和作物的需水量。在实际生活中，一般认为作物的需水量就是作物的蒸发蒸腾量。目前对于作物蒸发蒸腾量的参考模型有很多[7-10]，但应用最为准确的是由联合国粮农组织推荐的Penman-Monteith公式[11]，见式(1)。

(1)

式中：ET0为作物的蒸发蒸腾量，mm/d；△为饱和水汽压与温度关系曲线的斜率，kPa/℃；G为土壤的热通量，MJ/(m2·d)；T为平均气温，℃；γ为湿度计常数，kPa/℃，通常取0.064 6 kPa/℃；u2为距离地面2 m以上的风速m/s；es、ea为饱和水汽压和实际水汽压，kPa；Rn为作物表面受太阳的净辐射量，MJ/(m2·d)，即是单位面积上对作物光合作用有效频段的光(400～700 nm)所携带的能量。一般情况下光照传感器测得的是光照度(lux勒克斯)，由光学计量单位的定义可知：Rn=683V(λ)lx， 其中，V(λ)是光谱的可见度系数函数[12]。

因为在温室内没有风速，所以该公式不适用于温室环境，需要进行修正。适用于温室的Penman-Monteith修正公式[13]，见式(2)。

(2)

通过汪小旵[14]的方法计算es、ea和Δ的值，见公式(3)，式(4)，式(5)。

(3)

ea=Ues

(5)

式(4)中：U为温室内空气的相对湿度，%。

由于灌溉水量也决定于灌溉时间，因此温室灌溉监控系统需要控制好每次开启阀门的时间就能精确地灌溉输水量。通过监测温室的温度和湿度的环境参数，进行模型计算。其单次灌溉的时间模型见[7]式(6)。

(6)

式中：t为单次灌溉的时间，min；Kc为作物系数，对于番茄，取0.8；S1，S2为分别指滴灌管间距和滴头间距，mm；Q为滴头流量，mm2/h。

通过温室的蒸发蒸腾量和单次灌溉的时间模型，需要监测空气温湿度，土壤湿度，太阳净辐射量等环境参数，对作物进行精准灌溉。

2 系统硬件设计

2.1 STM32核心控制模块

本系统选择意法半导体(ST)公司的工业级芯片 STM32F103RFT6 作为嵌入式微处理器，采用ARM Cortex-M3为内核的STM32芯片，内部有768KB Flash和 96KB RAM，支持SWD和JTAG 两种调试模式及IAP和ISP编程，提供3路串口[4,15,16]，既可以通过串口与外接设备进行通信，同时又可以串行通信的方式与 GPRS 模块进行AT 指令的交互，同时它还带有硬件SPI，能够很方便地实现 SPI 模式下的SD读写操作，并且功耗较低，能够较好地满足无线数据通信模块基本功能的实现。其工作的供电电压为2.0～3.6 V，为了满足工作电压，所以选择以LM805的芯片将外部的12 V供电电源转换5 V，再选择ASM111的芯片将其转换成3.3 V。

2.2 变频控制器

变频控制器是应用变频技术与微电子技术，通过改变电机工作电源频率的方式来控制交流电动机的电力控制设备。变频控制器保证用水和供水之间的不平衡，保持供水压力的恒定，不仅提高供水的压力，而且以防压力过大时，滴灌管被涨破，对土壤的氧传质系数起到抑制作用。压力过小时，水流不足。根据压力控制的点位置的不同进行调节，可以将控制点设在最不利点，还可以将控制点设于泵出口[17]。

该变频控制器通过STM32F103RFT6片的多功能，根据要求设计了四路模拟量的输入以及调试电路，可以收到流量、压力传感器、变送器产生的电压电流的信号。可以实时检测现场的环境参数，其中，四路模拟量输出电路采用了10位的DAC芯片、TLC515以及运放电路。产生0～10 V的信号，通过内设的控制算法实现供水系统的闭环控制。

2.3 传感器模块

根据温室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，需要采集空气温度、空气湿度、太阳光照度和土壤湿度等环境参数。传感器的选择如表1所示。

表1 传感器的技术参数Tab.1 Technical parameters of the sensors

2.4 温室内电气控制柜

温室内电气控制柜主要由断路器、继电器、指示灯、相序保护器等组成。其主要是用来控制电磁阀的开关，以实现自动安全的灌溉。电磁阀的功率是2 W，由24 V的交流进行供电而温室内电气柜与主控制器通信要通过DO和DI模块[18]。

2.4.1 DO模块

DO模块输出一个开关信号，控制电气柜内的中间继电器线圈的通断。DO模块通过485总线与控制器进行通信，DO模块收到主控制器的控制信号后，将信号传给电气柜，以此来控制电机的运行。本系统采用ULN2003作为DO模块的芯片，内部是由7个达林顿管构成，每个达林顿管是由两个三极管组成。最大的驱动电压是50 V，电流500 mA，输入电压5 V。其驱动电路图见图2。

图2 DO模块驱动电路图Fig.2 DO module drive circuit

2.4.2 DI模块

DI模块是检测水泵的运行状况，判断其是否按照要求进行运行，母版和通信卡的连接的通讯方式是通过RS-485。现场采集的数字信号接入模块输入通道端子，经过模块采集处理后传送给上位机，其驱动电路图见图3。

图3 DI模块驱动电路图Fig.3 DI module drive circuit

2.5 GPRS模块

GPRS模块的芯片选择SIM900-A，芯片处理器选择ARM926EJ-S，实现短信发送和数据远程透明数据传输的功能。主芯片通过AT指令来访问SIM900-A中的监测软件，进行查询信息和操作控制[19]。当接收短信、温室环境参数显示时，该芯片的引脚RI拉低一定时间，该引脚与STM32芯片中的wakeup引脚相接，使处于待机状态的STM32芯片转换工作状态，当没有任务时，STM32芯片将会进入待机状态。将来信号设置为有权限号码，便于接收短信息时，对温室灌溉情况进行查询和终端控制。将短信的命令格式设置为两种：一种是查询和控制终端，格式设置成“<用户名><密码>”，该命令格式和GPRS数据传输的命令格式是一致的；另一种是控制GPRS模块，命令格式设置成“操作码<用户名><密码>”，用于实现GPRS模块重启和更改动态域名等功能。

3 软件设计

3.1 下位机软件控制流程

下位机软件程序由Keil软件编程，在程序设计过程中，使各个模块尽量达到低耦合和高内聚的要求，下位机软件主要包括系统初始化模块、报警模块、显示模块、按键程序模块、通信模块、时钟模块、中断控制模块。其中下位机的外设按键可以实现帮助信息显示和复位功能操作。下位机软件控制流程图如图4所示。该系统初始化完毕后等待上位机发送命令，每隔1 min对传感器的数据自动采集，并经串口传输给上位机。经过对采集环境温度和湿度、太阳光照度、土壤水分进行模糊计算，土壤水分将显示是否需要灌溉，如果水分低于17%[20]，将进行灌溉，灌溉可以选择定时灌溉或自动灌溉，当达到要求或时间到时，控制器控制电磁阀的关闭，灌溉结束，上传数据，等待下次灌溉。

图4 下位机软件控制流程图Fig.4 Lower computer software control flow chart

3.2 上位机交互界面设计

温室环境系统软件包括上位机环境控制软件和下位机的数据处理两个部分。上位机的监测系统实时控制和处理下位机传输的数据以及命令传递，并清晰地显示传感器采集的温室环境参数。上位机中的灌溉控制可以实现自动控制和手动控制，用户也可以在上位机上设定作物的灌溉模型，由传感器采集的温室环境参数计算出灌溉量和灌溉时间，实现精准灌溉，在界面上查看历史记录，便于后期数据统计、分析和跟踪记录等。其上位机的软件界面如图5所示。

图5 上位机软件界面Fig.5 PC software interface

4 试验验证

4.1 试验基本情况

本系统为滑盖温室灌溉监控系统，示范地为沈阳农业大学科研基地滑盖温室，温室长60 m，跨度10 m，高5 m。在2016年2月20号定植冬春茬番茄14行，行距1 m，一行种植20株，株距30 m，14行一共280株作为一个灌溉区，共有4个灌溉区。灌溉采用箭式滴灌，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。通过温湿度传感器和光照传感器采集的温室内的环境参数经过数据采集器传送到单片机中，根据设计的程序算出番茄的蒸发蒸腾量ET0。当电磁阀打开时，水通过变频控制器，电磁阀，流量计流入支管进行滴灌，当满足设定值之后，关闭电磁阀，停止灌溉。系统通过滴灌管的流量，滴灌管的间距以及蒸腾量来进行定时定量的灌溉控制。设计了一组对照试验，实际蒸散量以烧杯中的水量为准，实际蒸散量为 。每隔30 min检测一次蒸腾量，要求对每次的数据读3次，然后取平均值，作为最终的读数。

4.2 结果分析

4.2.1 番茄在不同生育期蒸腾量的日变化

番茄在不同的生育期的需水量不同[21]，其蒸腾量也不同，如图6所示，对苗期，开花期和结果期的各时期的某12天进行测量，通过实验可以发现，番茄每天的蒸腾的失水量分别为：结果期>开花期>苗期。在苗期因为太阳的净辐射的强度不高，叶片少而小，蒸腾量就少，开花期，天气逐渐变暖，番茄的生长速度加快，蒸腾的需水量增加，到了结果期，太阳辐射大于前期，为了保证果实的水分，蒸腾速度加快，其需水量也大大增加。

图6 番茄在不同生育期蒸腾量的日变化Fig.6 Diurnal variation of transpiration in different growth stages of Tomato

通过图6可以看出，ET1和ET0的变化趋势一致，在阴雨天气，蒸发的较少，晴天较为平稳。由分析可知，由Penman-Monteith公式能够稳定的测量番茄的蒸发蒸腾量，并且与实际的蒸发蒸腾量的变化趋势基本一致，因此，修正后的Penman-Monteith公式可以用作作物的灌溉理论依据。

4.2.2 滴灌时间和灌溉量的分析

通过Penman-Monteith方程，计算出作物的蒸散量，通过其单次灌溉的时间模型，可以计算出其灌溉量和灌溉时间，表2是在开花期选择的两天进行试验，计算其实际与模拟的滴灌时间和灌溉量。其中4月30日是晴天，5月5日是阴雨天。

表2 4月30日和5月5日实际与模拟的滴灌时间和滴灌量Tab.2 Actual and simulated drip irrigation time and drip irrigation in April 30th and May 5th

5 结 语

本智能灌溉系统综合运用自动检测技术、传感器技术和无线通信技术等，对滑盖温室环境参数进行实时采集和管理，根据番茄生长蒸发蒸腾量的模型确定灌溉量和灌溉时间。与传统的温室大棚相比，本系统具有以下优点：

(1)系统操作方便，具有人机交互界面，对于不懂专业知识的工作人员也能操作，同时通过GPRS技术与手机客户端连接，能够对温室大棚的环境进行远程操作。

(2)在实验过程中，修正后的Penman-Monteith公式计算的值和对比试验的值的变化趋势基本一致，有很好的相关性。实验结果表明，修正后的Penman-Monteith公式模型能够精准地测量出蒸发蒸腾量，及时补充作物散失的水分，实现补给式精准灌溉，可以将其作为作物的滴灌模型。

(3)数据可以保存在数据库中，当出现灌溉故障时，方便查找和分析。

[1] 李建明．温室番茄甜瓜水肥技术研究[M]．北京：中国科学技术出版社，2015:1-52．

[2] 雷宏军，张振华．水气耦合高效灌溉理论与技术[M] ．北京：科学出版社，2016:1-9．

[3] 丁炀超，牛 寅，张侃谕．基于STM32的单体大棚温室群控系统的设计[J]．自动化与仪表，2013，(3)：25-27,31．

[4] 张长利，李 佼，董守田．基于STM32的灌溉远程监控系统研究[J]．东北农业大学学报，2013，(8)：105-109．

[5] Harmanto．Water requirement of drip irrigated tomatoes grown in greenhouse in tropical environment[J]．Agricultural Water Management, 2005,71:225-242．

[6] Kirda C C, evik B.A simple method to estimate the irrigation water requirement of greenhouse grown tomato[J]. Acta Hort. (ISHS), 1994,366:373-380．

[7] 刘 浩，孙景生，梁媛媛，等．滴灌条件下温室番茄需水量估算模型[J]．应用生态学报，2011，(5)：201-1 206．

[8] 吕薇薇，罗新兰，李 霞，等．日光温室番茄不同生育期的蒸腾作用及模拟研究[J]．东北农业大学学报，2011，(10)：57-61．

[9] 冶永新，彭致功，韦 东．新疆吐鲁番地区日光温室番茄需耗水规律试验研究[J]．新疆水利，2013，(5)：1-6,45．

[10] 李卫民，周凌云．水肥(氮)对小麦生理生态的影响 (Ⅰ)水肥 (氮 )条件对小麦光合蒸腾与水分利用的影响[J]．土壤通报，2004，(2)：136-142．

[11] 陈 磊．基于CAN总线和Linux的微灌监控系统研发[D]．陕西杨凌：西北农林科技大学，2014．

[12] 张 祎，汪小旵，李 聪，等．基于作物蒸散量模型的智能化滴灌控制系统研究[J]．节水灌溉，2011，(12)：33-36．

[13] 陈新明，蔡焕杰，李红星，等．温室内作物腾发量计算与验证[J]．水科学进展，2007，16(6)：812-815．

[14] 汪晓旵，丁为民．长江中下游地区夏季温室黄瓜冠层温度模拟与分析研究[J]．农业工程学报，2007，23(4)：196-200．

[15] 王丹丹，宗振海，陈慧珊，蹇兴亮．基于STM32的智能温室远程控制系统的设计[J]．浙江农业学报，2014，(3)：791-796．

[16] 刘火良，杨 森．STM32库开发实战指南[M]．北京:机械工业出版社，2013:1-17．

[17] 蔡新岗，陈红勋．基于STM32的智能水泵控制器设计[J]．仪表技术，2009，(4)：53-54,57．

[18] 彭章权，牛 寅，张侃谕．基于STM32的连栋温室精准灌溉控制系统[J]．工业控制计算机，2014，(3)：107-108,110．

[19] 姚 宏，陈跃威，李家春．GPRS智能灌溉系统实验设计[J]．贵州工程应用技术学院学报，2015，(1)：135-139．

[20] Farid Touati,Mohammed Al-Hitmi．A fuzzy logic based irrigation system enhanced with wireless data logging applied to the state of Qatar[J]．Computers and Electronics in Agriculture.Volume 98，October 2013:233-241．

[21] 李天来．设施蔬菜栽培学[M]．北京：中国农业出版社，2011:124-164．