基于STM32的植株缺素水肥调节系统设计与试验

李澍源，郭巧惠，林 真，郑志聪，练开明

(福建农林大学金山学院，福建 福州 350002)

0 引言

水肥一体化技术相比原有的灌溉技术有着革命性的变化，它是将肥料与水进行一定的配比后，直接将混合后的肥料浇灌到植株根系，使得养分可以充分地被植株吸收。这一方式可以极大地提升肥料的利用率、减少肥料在土壤中的流失。随着水肥一体化技术的不断发展和得到重视，加上科学技术的不断突破，智能化种植技术正逐步取代人工作业。如何能精准地实现水肥调节一直是我国农业发展过程中探索的问题，若过度施肥则会对植株造成损害，抑制叶绿素的合成，同时也会造成肥料的浪费；而若施肥不足则会影响植物生长，导致其生长缓慢、抑制其有效成分的积累。精准的水肥调节，不仅可以使植株得到其相对较适合的养分供给以提高产量，更能增加经济效益[1-6]。

本文设计一套基于STM32的水肥调节系统，通过控制氮、磷、钾及微量元素和水的调节阀开度，可以实现对不同植株较好的精准施肥。以生菜为研究对象，以生菜最适水肥配比为标准，保证氮、磷、微量元素在标准水肥配比的前提下，控制调节阀不同开度使钾肥分别为5个浓度梯度时对5组生菜样本进行施肥浇灌。对不同钾肥浓度下生长的生菜叶片进行图像采集，对比研究不同钾肥浓度与生菜叶片面积和植株高度的关系，得到控制系统对电磁阀开度控制所对应的钾肥配比调整策略，从而实现水肥配比的精准调节。

1 系统组成架构

基于STM32的水肥调节控制系统是通过控制不同调节阀开度来实现对生菜的精准施肥灌溉。系统组成架构如图1所示，根据生菜生长培养液配方，在保证氮肥、磷肥、其他微量元素及水的配比为生菜生长标准水肥配比浓度时，调节钾肥阀为不同开度，使钾肥浓度为标准浓度的0%、25%、50%、75%、100%。各种液体肥料阀打开后，液体统一汇入肥料罐，均匀混合后通过管道输送到植物根部。

图1 系统组成结构Fig.1 Schematic diagram of system structure

2 水肥调节控制系统

2.1 STM32控制系统

采用的MCU是以STM32为核心的控制板，相比于51单片机，其拥有更多可用的IO接口，可满足系统连接多台控制设备的需求以及后期增加设备的可能；同时STM32拥有更强大的内核，在整体控制速度及效率上也相比较51单片机快很多[7-8]。STM32目前已经广泛应用在诸多的嵌入式控制领域，可靠性也得到了验证。STM32控制核心部分电路原理如图2所示，STM32核心控制板模块实物如图3所示。

2.2 电磁阀模块及控制

水肥调节系统中采用电磁阀作为不同管道的开关，通过控制水阀、氮肥阀、磷肥阀、钾肥阀、其他微量元素阀，以及1～5号培养箱对应的电磁阀来实现对生菜水肥配比的调节。德力西电磁阀如图4所示，采用的型号是2W025-08，12V供电。

电磁阀控制是通过其打开时间的长短来实现开度不同的调整，当在标准浓度下进行配比时导通时间为T100表示开度为100%，若要得到25%标准浓度即(电磁阀开度25%)的水肥配比就是让对应肥料阀导通时间为T25，T25与T100的比值即为所表示的开度，如式(1)所示。

图2 STM32控制系统核心部分原理Fig.2 Schematic diagram of core part of STM32 control system

图3 STM32核心控制板模块实物Fig.3 Physical module of STM32 core control board

图4 电磁阀实物Fig.4 Physical drawing of solenoid valve

(1)

根据水肥配比的要求，分别控制水阀、氮肥阀、磷肥阀、钾肥阀、其他微量元素阀的开通时间，通过开通时间的不同实现对应阀门流入肥料罐的水肥配比为所需的配比浓度。每次肥料罐中存有配比好后的水肥液后，打开1～5号培养箱其中一个的电磁阀，使得该培养箱植株获得所需浓度的肥料液。

3 水肥调节系统试验

3.1 试验目的和条件

为验证基于STM32的水肥调节控制系统的水肥配比调节对植株生长的影响，采用生菜作为水肥调节系统的施肥对象，生菜采用水培的方式进行种植，共分为5个水培箱，每个水培箱的水肥液都由单独一个阀门控制，每次水肥配比后肥料罐内的混合肥料液就进入其中某个打开阀门的培养箱内，每次只有其中一个培养液箱对应阀门打开[9-10]。

本试验各组的生菜幼苗是初期在同一条件下已经育好的且生长状况相同，后期将培养好的幼苗进行水培种植，放置在试验培养架上，采用合成的光源按时照射以模拟自然光源，保持室内温度处于生菜生长的最适温度18～20 ℃。定期按照不同的水肥配比，给各水培箱内注入对应浓度的水肥营养液。其中两个培养箱种植的植株场景如图5所示，白色导管是进入培养箱内肥料液的通道，由阀门打开或关断控制其肥料液进入。

3.2 试验方法

每组培养箱种植的生菜对应水肥配比是在保证该水培箱氮、磷、微量元素水肥配比为标准生菜种植浓度，让钾肥对应浓度从组1到组5分别为标准浓度的0%、25%、50%、75%、100%。这样就可以保证1～5号培养箱内的水肥配比是在其他条件不变的情况下，变量为钾肥液的浓度。每次灌溉时，让钾肥在5个不同浓度梯度下分别对应打开1号阀、2号阀、3号阀、4号阀、5号阀。使得1～5号培养箱生菜分别在不同钾肥浓度下生长。

图5 试验种植生菜场景Fig.5 Scene of experiment planting lettuce

通过一段时间的种植，可以得到不同钾肥浓度下种植的植株，本试验方法同样可以应用在当其他肥料元素浓度作为变量时的情况下。通过采集种植后期每组植株多个样本图像，得到对应样本的叶片面积和植株高度，得到不同钾肥液浓度与植株生长状态之间的关系，为水肥调节系统的精准调节提供依据[11]。如图6所示从左到右为钾肥浓度在0～100%共5个浓度梯度下叶片样本图。生菜生长后期1～5号培养箱的生菜生长实物如图7所示。

图6 不同钾肥浓度下植株叶片Fig.6 Leaves of plants at different potassium fertilizer concentrations

图7 对照组生菜生长实物Fig.7 Lettuce growth in control group

3.3 试验数据结果分析

本试验采用5个不同钾肥浓度，每个浓度对应的培养箱种植9株生菜。通过STM32控制系统，控制不同调节阀按照一定的时间和顺序进行分组调节，使得水肥调节得到较好的实施。

通过后期植株图像的采集，得到生菜叶片面积和植株高度随浓度不同产生的变化。不同钾肥浓度与叶片面积和植株高度的关系如图8所示，从总体数据变化走势来看，随着施肥浓度越接近最适浓度，生菜的叶片面积越大且植株高度也越高，说明水肥配比的浓度对于生菜的生长具有一定的影响。

图8中两个关系图曲线分别经过拟合后得到如图9所示的不同钾肥浓度与叶片面积和植株高度的关系，从拟合曲线可以得到更为准确的植株叶片面积和高度随浓度变化的总体趋势。从图上拟合后的曲线可以明显看出，浓度的变化对植株生长的影响具有显著性，浓度越接近最适浓度，植株叶片面积和高度都呈现增长趋势，所以控制好准确的水肥配比对植物生长及产量提升是至关重要的。

图8 不同钾肥浓度与叶片面积和植株高度的关系Fig.8 Relationship between different potassium fertilizer concentrations and leaf area and plant height

图9 不同钾肥浓度与叶片面积和植株高度关系拟合曲线Fig.9 Fitting curve of relation between different potassium fertilizer concentration and leaf area and plant height

4 结束语

本系统利用基于STM32的控制系统，实现了不同浓度水肥配比的调节，并通过试验得到了验证。所设计的水肥一体化调节系统是以生菜作为研究对象，进行了不同浓度钾肥的调节试验，结果表明本系统可以使生菜在生长过程中得到精确的水培配比营养液，对其生长具有明显的促进作用。本系统同样可以实现对其他不同肥料元素浓度的调节，具有精准度高、稳定性好的特点，可以很好地应用在农业大棚中来促进瓜果蔬菜植株更好地生长，具有较好的应用价值。