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日光温室滴灌模式下土壤含水量自动监测的应用
摘 要：日光温室内所种植的农作物,土壤含水量会直接影响到作物的生长情况,本文主要针对土壤含水量自动监测系统结构设计进行探讨,以番茄种植日光温室为实验对象,对自动监测系统运行中的土壤水分含量进行监测,设计的蔬菜日光温室温湿度和土壤水分自动智能管理系统,能够自动获取日光温室内不同区域的空气温湿度和土壤含水率信息.从而判断滴灌系统在自动监管控制中的功能实现情况,从而帮助达到最佳生长控制效果.
关键词：日光温室；土壤含水量；自动监测系统；滴灌作用
一、系统设计与工作原理
1.系统设计.日光温室中土壤含水量影响种植农作物的生长及果实产量,对日光温室进行土壤含水量监测,根据农作物生长需求自动调节,有助于农作物的生长.当日光温室面积较大时,由于灌溉系统压力变化等原因,使处于灌溉系统末端的区域供水量减小,导致土壤含水量产生小区域差异性,系统设计中需要采取多点布置探测器的方法来实现对日光温室整体区域的土壤含水量的监测.完善的监测系统设计,是通过数据探测以及反馈来实现监测效果的,系统设计组成结构见图1.
系统的组成主要包括排放系统（有效调节日光温室内的空气含水量,达到调控土壤含水量的作用）、温湿度控制以及水分监测节点,根据日光温室内的具体面积需求对节点数量进行布置,从而达到最佳设计效果,这样的系统更具有灵活性,能够根据系统内部需求来自动调整,从而达到最佳控制效果.系统中还设有提示功能,当土壤中的含水量低于管理人员所设置的标准时,则会自动发出警报,方便管理人员发现后及时灌溉补充日光温室中的水分.
2. 自动监测系统工作原理.节点的布置位置和数量会直接影响监测的精度.系统中所设置的各个节点安装探测器,对土壤中的水分含量进行实时探测,所感应到的含水量变化会通过脉冲电流的形式传输到控制中心,控制系统通过分析将含水量的变化情况转换成具体的数据,无线传输网络将数据传输到管理中心,并存储在数据管理系统中.
数据管理系统将实时监测数据与预先存储的或之前的传输并存储的土壤含水量进行比较得出差异性,与额定标准数据比较得出实时土壤含水量与标准的差异,主机部分便会发出控制功能,系统在控制执行下完成滴灌系统的灌溉任务,从而确保土壤中的含水量始终处于农作物生长需要的标准中.这些实时监测数据根据管理工作需要保存的系统数据库或将数据打印成纸质档案,生成报表后用于数据分析.
二、监控系统的硬件组成
1. 无线串口模块.为方便高效地处理监测数据,核心处理器采用STM32F103,该处理器为32 位,运算速度快,实时监测数据传输时间至最小范围内,通过减小时间间隔来解决控制误差.监测硬件部分的工作频率达到78MHz,内部存储量达到256 字节,能够在短时间内完成处理任务,维持日常运行功能的同时在功能上也会有明显的效率提升,这一点更符合设备运行使用规定.考虑日光温室内的环境特征,在硬件控制模块接口上,共设置4 个不同的接口,分别为3 个USART 接口与一个USB 接口.电池电源的供电电压保持在2.0V—3.6V,系统能够根据电池的剩余电量来自动调节,从而实现有效监测时间的延长,硬件平台结构见图2.
对于面积较大的日光温室,由于传输的距离增大和环境更加复杂,需要提升信息传输质量,从而降低数据传输过程中产生的风险差异性几率,提高最大信息发射功率,无线串口部分的模块可以达到这一效果.当系统无信息传输时,会自动断开停止传输,从而达到监管控制效果,实现对土壤中含水量的实时监测.
节点监测器的工作,首先进行系统各功能模块的初始化,然后将无线通信模块的设置在接收数据模式,等待主节点发送的数据.当接收主节点发送的数据时,提取主节点的发送目标地址编码,并与自身的地址编码进行匹配.根据主节点的对应指令进行处理,处理完毕后将通信模块设置为发送数据模式.为了节能,最后再把通信模式设置为接收模式.信号传输中为避免遮挡等障碍因素造成影响,采用多种通信波形共同传输的方法,从而达到最佳控制效果.该系统使用中即使面对复杂的传输问题,也同样能够通过多频率接收来解决.
2. 土壤含水量传感器监测功能实现.将含水的土壤总量设置为m2,烘干后的土壤总量为m1,土壤中含有的自由水量为（m2 - m1）,经过计算得出如下公式：
根据公式计算的V 表示所测量的土壤含水率,土壤中含水率监测传感器采用2802M,长期掩埋在土壤中不容易损坏,传感器在实时监测的同时会形成输出电流,输出电流I与土壤中的含水率呈如下关系：
在传感器的连接线路中加入一个10Ω 大小的电阻,将电流信号转变成为电压信号,直接传输到中心处理器中,系统中会自动完成输出电流与土壤含水率之间的关系计算,根据所得到的结果进行自动分析,得到最终土壤含水量,确定日光温室中的含水量是否处于合理阶段,根据监测结果来进行滴灌水分补偿.
3. 节点土壤含水量监测软件流程.软件按照图3 的流程来进行,农作物生长过程中会从土壤中吸收水分,此外还会因为水分蒸发造成一定的损耗,随着日光温室内的温度与湿度环境变化,土壤中水分蒸发情况也会产生变化,因此软件运行中的数据感应与传输功能是反复进行的,设置间隔时间后便会在这一时间范围内来自动更新,确保数据结果与实际情况之间保持一致.通信信息数据会自动生成备份,便于管理人员查询和管理.管理主机通过USB 接口直接与无线模块相连,接收来自各从节点的数据,并可下发控制指令.
系统刚投入使用时,需要逐个添加从节点,并对每个接入系统的节点进行配置,包括节点命名、节点分类、串口波特率、无线频率、地址编码、数据的采集周期和报警上下限值等.节点被加入系统后,会在现实界面统一出现其运行状态和采集到的数据值,还会进行自动滚动显示.在显示界面处选中节点,双击或者单击右键会弹出对话框,对话框里包括了该节点的所有参数,可以对其进行配置,显示该从节点所有配置参数,还有该节点的采集到的实时数据曲线; 通过修改显示的日期时间段,会自动调用数据库数据,让历史数据再现,绘制出每天的均值、最大值和最小值的曲线图,并可生成月报打印输出.
三、土壤含水量自动监测系统滴灌作用数据分析
表1 为1-4 号节点的观测数据,观察上表可以发现,对番茄种植日光温室进行土壤含水率自动化监测,系统监测中发现土壤中的含水量低于常规标准,会自动启动滴灌系统进行土壤中的水分补偿,经过9:00—17:00 时间段内的含水率监测,发现土壤的湿度始终处于均衡状态下,并没有发出缺水警报,与常规的人工监测方法相比较,效率上有明显提升,通过技术人员对系统内部数据的设置,探测器监测得到的结果直接控制滴灌开关,从而帮助营造出更适合番茄生长湿度的土壤.在滴灌作用数据分析结果下,确定该系统功能更适合全面推广使用,是解决日光温室土壤含水率管理问题的有效措施.
四、结语
设计的蔬菜日光温室温湿度和土壤水分自动智能管理系统,能够自动获取日光温室内不同区域的空气温湿度和土壤含水率信息.管理主机以轮询查询方式实现了节点间的可靠通信,达到了超低功耗的效果.同时,从节点与主节点的通信距离能够达到1800m,根据作物的生长期进行分段管理,能自动智能调节环境参数.通过对番茄日光温室内8 个从节点的实验表明: 系统工作稳定可靠,实现了数据实时显示、统计分析、数据存储和自动智能调节等功能,对于促进作物增产增收及推进农业智能化进程具有极为重要的意义,系统设计中可以根据不同区域的使用需求来进行自动化调节,优化系统对土壤中水分含量的监测模式,从而达到最佳运行使用效果.
模式论文范文结:
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