智能水肥一体化系统设计研究

2018-01-10李合菊马伟顺宋文敏

海峡科技与产业 2017年11期

关键词：肥液水肥串口

李合菊马伟顺宋文敏

莱芜职业技术学院山东莱芜 271100

智能水肥一体化系统设计研究

李合菊马伟顺宋文敏

莱芜职业技术学院山东莱芜 271100

本文提出了一种智能化的水肥一体化系统，对该系统的关键设计问题进行了研究与论述，在引入STM32模块的基础之上，重点就核心控制器模块的硬软件设计要点进行分析与总结，望能够引起各方人员的高度关注与重视。

水肥一体化系统；智能技术；STM32模块；设计

图1 智能水肥一体化系统总体结构示意图

众所周知，水肥一体化系统是近年来农业领域与智能化技术相结合背景下一种全新的耕作方式。与传统意义上先撤肥后灌溉的耕作模式相比，应用水肥一体化系统技术能够节约大量人工，在降低肥料耗用量的同时减少浪费，避免因过量施肥而出现农作物烧根的问题，也可根据农作物的生长需求，对水分、养分供应量加以合理调整，确保作物始终处于养分、水分充足供应的状态下，以提高作物生长质量。本文即论述一种以STM32模块为基础的智能水肥一体化系统，就系统设计的关键内容进行分析与研究。

1 总体设计方案

在栽培技术以及信息技术同步发展的背景下，农业已经进入信息化时代，水肥一体化系统在大田农业生产中的应用日益广泛。整个智能水肥一体化系统从结构构成上来看主要可划分为三大部分，第一是电气部分，第二是核心控制器设计部分，第三是灌溉施肥管理结构设计部分。智能水肥一体化系统主要是借助于土壤原位EC计、土壤水分传感器等相关装置实时性监测作物根系土壤间水肥情况，然后反馈至控制中心，由PLC控制器软件平台系统根据所获取参数判断是否需要对农田进行灌溉施肥处理。图1所示即为智能水肥一体化系统的总体结构示意图。

2 控制器硬件设计

在智能水肥一体化系统中，以核心控制器设计为整个系统设计的重点。核心控制器所涉及到的主要模块包括SD卡储存、人机交互、以太网接口拓展、AI接口、以及DO接口等。其中，SD卡储存模块主要用于对系统所覆盖范围内灌区历史数据以及概貌历史数据的收集，覆盖区间为近5年；人机交互模块选用工业串口屏，基于RS232接口实现屏幕与控制器的数据交互；以太网接口拓展模块可实现基于Web的参数显示以及系统设置等相关功能；AI接口主要负责肥液EC、PH参数检测、管道压力检测等工作；DO接口主要负责对继电器组的控制，控制对象包括电磁阀以及灌溉泵等。

本系统所选用控制器为STM32系列微控制器，设备型号为STM32 F207VGT6，工作频率为120MHz，处理字节为1M，外设丰富，完全可满足系统需求。系统选用USART1串口外设设计串口屏工作接口，以RS485接口作为调试操作接口，系统AI输入功能基于SPI接口控制ADC采集芯片的方式实现，SD卡利用SDIO接口连接，以支持系统数据储存功能的实现，DO功能则采用ULN2803A功率驱动模块与GPIO配合的方式实现对继电器工作模块的控制。

在人机交互接口模块中，选用工业串口屏，核心控制器与触摸屏交互功能依托RS232工作接口实现，主要功能包括数据显示、用户参数设置、系统状态显示等。接口通过引入MAX232电平转换模块的方式实现。

在AI接口模块中，该模块主要负责对各种模拟量参数的采集，如肥液EC、PH参数检测、管道压力参数等。正常运行状态下，该模块可检测电压信号单位在1V~5V区间，可检测电流信号单位在4～20mA区间。

在DO接口模块中，该模块主要负责提供相应数字控制信号，与水肥一体化系统中电气部分功率继电器装置进行连接，以实现控制执行机构的目的。本操作系统中，DO模块下主要控制对象包括肥液通道电磁阀以及混肥灌溉泵这两个部分。硬件结构设计中小功率继电器应用ULN2803功率驱动器提供驱动作用，开关信号扩展至端子，与电气部分进行连接，以实现通过弱电对强电进行控制的目的。

3 控制器软件设计

在智能水肥一体化系统中，核心控制器模块需要实现的最主要功能是支持用户对控制参数的输入，并根据所输出参数自动执行灌溉以及施肥等一系列指令，同时储存灌区以及概貌历史数据，为用户提供查询支持。在核心控制器软件设计中的关键要点如下：

在人机交互模块中，软件设计的重点是对RS232串口数据交互问题的处理，依托于核心控制器与串口交互的方式，完成对显示数据、用户设置参数的交互处理。软件部分设计中，经由UART模块使核心控制器中断接收触摸屏所返回的各种参数指令，搭载串口将需显示数据发送至触摸屏。

在灌溉控制模块中，基于智能化的水肥一体化系统灌溉控制应当提供两种模式供用户选择，第一是定时控制模式，第二是周时钟控制模式。对于前者而言，水肥一体化系统中面向覆盖灌区提供8个定时器以供选择，由用户根据灌溉、施肥需求激活相应定时器，并设置启动时间即可；对于后者而言，水肥一体化系统中可以周为单位由用户独立进行灌溉启动时间、启动次数、间隔时间、是否激活施肥等先关参数的设置工作。在本模块运行过程中，首先应由核心控制器根据用户设置模式选择相对应的控制策略，在此基础之上激活相应控制。若当天激活施肥指令，则同步生成关键控制参数，参数自动并入施肥控制链表中，以方便施肥控制模块进行相应处理。

在配肥算法模块中，水肥一体化系统允许用户设置包括肥液配方号、肥液通道配置方案、EC控制激活、EC设定值、EC设置上限值、EC设置下限值、以及肥液比例等关键参数，并自动生成4个不同配方。在覆盖灌区中，用户需选择该灌区所对应的灌溉控制模式，指定灌区相应配方号。在系统执行灌溉算法的过程中可根据用户所设置灌溉策略以及是否激活施肥指令，以自动生成相应控制参数，启动施肥控制功能，并搭载开环或闭环控制方式运行。