智能温室大棚灌溉系统的设计与应用

2021-07-24卜少波郭文霞

广东蚕业 2021年6期

卜少波郭文霞

（内蒙古工业大学内蒙古呼和浩特 010051）

随着科学技术的发展，农业生产逐步向着智能化、信息化的方向转变。在农业生产中，越来越多的计算机系统得以应用，尤其是在农作物生产过程中进行监控和数据采集，并根据数据采集的结果来调整农作物的生产环境。智能化温室的建设，尤其是结合测控软硬件的应用，对温室大棚中空气的温度和湿度、二氧化碳含量以及光照强度等多个因素进行实时监控，可以优化温室大棚生产环境，从而促进农作物高效快速生长。温室大棚在实际建造时可以根据不同地区、不同农作物的需要来合理地调节生产环境，这对于提升农作物的生产质量发挥了非常重要的作用。本文针对智能灌溉系统的设计进行研究，在对系统进行概述的基础上提出各个部分设计的具体方案。

1 系统总体设计及原理

1.1 系统总体构成

温室大棚的控制系统主要是对整个大棚内的温度、湿度进行检测，尤其是检测整体的湿度并及时进行补水浇灌[1]。整个浇灌系统基于单片机技术、数据融合等技术，结合相应的传感设备来检测各项参数，在保证数据采集准确的基础上可以及时进行监测以及显示，并采取自动和手动两种控制方式，通过水泵来进行节水灌溉控制。

温室大棚灌溉系统的总体设计主要是基于控制单元进行整体控制，并结合传感器采集数据，最终由控制系统来进行数据的处理，并采取相应的措施。在整个系统当中，控制系统是单片机，其他的模块则包括传感模块、终端模块、预警模块以及作业模块，系统可以实现对大棚环境的监测检控。传感模块主要是进行环境参数的监测，可以通过传感器设备来进行数据的收集，并实现整个大棚区域内所有监测数据的监测。终端模块，主要是终端智能的控制系统，这是完成整个大棚区域内自动灌溉以及自动开关的重要模块，在温室大棚灌溉系统中可以自动进行喷药、开启风机并完成液体肥料的施肥工作，这可以有效地解放人力，提升整体的工作效率。预警模块主要是进行远程的预警，结合声光报警系统以及语音报警系统来引起人们的注意，从而达到报警的目的。多数系统设计中使用的是蜂鸣器以及LED 灯，如果系统检测到相应的数据不符合预设的要求，预警系统将会报警。作业模块也是中央控制室，主要是对温室大棚灌溉系统的整个区域参数进行控制，以此来完成相应的工作。

1.2 系统总体设计原理

整个控制系统，将单片机作为核心，结合指示灯、报警器、显示器、电路传感器以及按键等多个模块来进行相应参数的采集、显示以及智能化控制。在整个系统运行过程中，需要了解大棚的各项数据，因此各个采集设备需要统一的数据接口，根据不同检测器获得的数据要求来确定合适的格式，从而为数据的准确收集传输以及利用创造有利的条件[2]。

当数据收集到后，需要在处理中心进行统一分析，并根据分析的结果明确农作物灌溉提出的要求，将这些要求形成量化数据之后，可以进行精确的滴灌，并对数据进行及时的存储。因此，在整个控制系统实际应用中，为了保证数据的实时传输，可以通过有线、无线等多种方式来搭建物联网传输网络，在保证整个系统实时性、可靠性的基础上，确保整个网络安全可靠并形成智能化的灌溉系统，提升温室大棚农业种植全过程的监测预警以及灌溉的精确性。

节水灌溉这一控制系统主要包括硬件系统以及软件系统两个方面，下文将进行详细研究。

2 系统硬件设计

2.1 单片机

在整个系统中，单片系统属于核心，可以进行信息的处理，负责部分控制业务，满足系统要求。本项目选择STEM32 单片机作为主控板，从而实现电机的启动、制度检测以及喷头升降等多项功能。这一单片机可以实现指令系统和引脚兼容，具有低能耗、在线编程的性能，在具体应用中可以发挥非常重要的作用。

2.2 湿度传感器

湿度传感电路主要是针对温室大棚的空气湿度进行测量以及监测。其作为湿度检测模块，发挥着非常重要的作用。本项目选择线电压输出式集成湿度传感器，具有可靠性、稳定性强等多项特点[3]。湿度传感器作为感应元件，具有两根导线，通过转换器连接到单片机上。湿度传感器将收集到的信息，通过模拟量传回，而转换器则可以将其转换为数字量，从而由控制系统进行数据处理。湿度传感器采取的结构形式是采样数据比较器，通过双数据输出的方式避免数据误差，提升整体的转换速度，保证软件管理更加便捷。

2.3 控制驱动电路

控制驱动电路主要包括三极管、指示灯、继电器、潜水泵、相应的线路以及其他的配套水管。如果传感器检测到土壤的湿度低于其所需范围的下限时，那么单片机则会发出相应的信号，并将其传输给控制驱动模块，进而在电磁阀开启之后实现自动浇水。如果当湿度达到农作物生长所需的上限时，那么控制驱动模块则会停止灌溉。因此，在整个系统驱动模块中，继电器以及驱动电路两部分是非常重要的。为了满足驱动电流的要求，整个系统采取三极管的方式来进行驱动。

同时，在本项目当中涉及喷头转动的控制需求，需要满足喷头升降、水泵开关具体业务需要，这都涉及主控板运转。在本项目中喷头的设计也是十分必要的，喷头主要是结合升降式喷头以及雾化微喷头来对室内进行加温，通过升降来调节出水的面积，这种喷头具有较强的均匀性以及可控性，能够满足温室大棚的节水灌溉需求。同时输水主要是通过PPR 水管来进行，这种水管的强度高，具有耐热耐冷性，能够结合水泵加压并且有效地输送。

2.4 人机交互电路

人机交换电路主要包括显示器和报警器。显示电路可以显示传感器检测到的温度以及整个系统的实时状态。液晶显示器则属于广泛使用的显示模块，通过直接和间接控制两种不同的方式来进行工作，而在液晶显示器中为了实现较高的字符清晰度，可通过加装电位器的方式进行调节，这是人际交互的重要模块电路，可以显示测量的温度以及湿度等多项数据。报警器则是在发生特殊情况时通过蜂鸣器发出警报声，从而提醒操作人员及时注意到相应的问题，并对异常情况进行及时处理。

2.5 其他硬件设备

由于智能温室大棚灌溉系统在具体应用中大多数是处于郊区以及开发区，因此在应用中通常会出现电网不稳定、供电质量较低的问题。即使在系统中配备了UPS 电源，也无法完全解决这一问题。智能记录控制器的应用则可以有效地解决供电不稳定的问题。智能记录控制器主要是在主控微机关闭的情况下，完成数据采集控制等各项工作。它可以利用内置数据存储器来存储较长时间的数据，并显示测量的结果，进行脱机运行。在智能记录控制器工作时，主控微机则可以运行其他的软件，进行文字处理等工作，也可以处于完全关闭的状态，达到有效节约成本的目的。

3 系统软件设计

整个系统应用了智能灌溉系统软件，包括电机控制室、温度控制等多个不同的模块。在实际运行中为了提高编程的可读性，需要采取C 语言编写，并结合AD 转换等多个可调节的子程序来运行。这可以满足植物生长周期的要求，将传感器读入的湿度值与湿度范围进行比较，并结合内部控制算法来实现电磁阀的操作。整个系统可以将得到的湿度、温度等信息进行显示并发出相应的警报，其中单片机的主要工作流程如下图所示。

图1 单片机工作流程

4 智能温室大棚灌溉系统的应用

本项目在经过实际测量之后，可以得到系统测量的温度以及湿度误差均在5%以内，达到了设计的要求。同时，在具体应用中本项目具有高效率、较强的可靠性和实用性等特点，将电机水泵以及机械结构结合在一起，设计出智能灌溉系统。这一灌溉系统具有自主检测等多项功能，可以对温室大棚进行灌溉以及检测，满足各项种植需求。同时，智能灌溉检测系统结合传感器来对温室大棚内部进行监测，当出现异常情况时，第一时间发出警报，并在进行简单的操作以及控制之后达到灌溉的需求。

同时，在实际应用中可以发现这一灌溉系统具有较强的创新之处，可以结合电机以及机械结构的应用来达到喷头升降的目的，满足温室大棚整体的灌溉要求。这一系统的各个灌溉组成部分都可以进行拆卸连接，方便后期的更换以及维修，结构的整体设计较为合理，在引入信息化辅助后，整体智能水平得到大幅度提升。水泵结合加压处理，增加了喷灌的范围，提高了性能。