便携式植物生长水分胁迫检测仪的设计

考文斌+++关蓓蓓+++陈昊+++魏路明+++刘一畅+++杨巧娜

摘 要：文章提出一种便携式植物生长水分胁迫检测仪，用于检测植物生长过程中的水分胁迫信息，为精准灌溉的实施提供理论依据。系统采用嵌入式与传感器技术对植物生长过程中引起水分状况变化的各项环境因子指标（叶层温湿度、冠层温度、CO2浓度、土壤水势等）进行采集、存储与处理，经过数据分析得出植物水分胁迫信息，从而指导节水灌溉。

关键词：水分胁迫；嵌入式；传感器技术；环境因子

1 概述

随着传感器检测技术、无线数据传输等技术的不断发展，用于农田信息采集的技术与设备也日趋完善，同时由于各种原因导致的水资源短缺问题不断加剧，利用植物生长过程中的缺水信息来指导实施精准灌溉，已经成为了精准农业发展中的一项重要内容。

1981年，Idso等人通过研究影响植物冠层温度变化的主要环境因子空气湿度，提出了植物水分胁迫指数[1]（Crop Water Stress Index，简称CWSI），定义如下：

目前，基于植物冠层温度来测定植物生长过程中的水分状况的研究在国内外已经得到了广泛的研究，并有了实际的应用[2]。

针对水资源的日益短缺，实现植物生长过程中的精准灌溉越来越重要。本文提出一种便携式植物生长水分胁迫检测仪，采用嵌入式微处理器（STM32）和嵌入式操作系统（μC/OS-II）构建的软硬件平台，如图1所示。按照人机交互的需要，系统配置4.3寸触摸屏，并在GUI-Builder等开发软件的支持下，设计人机交互界面（GUI）管理程序；同时根据数据传输的要求，配置短距离无线模块接口、RS-485通信接口、SD卡接口，制定数据传输协议并开发相应的驱动程序等。

2 系统硬件设计

本系统的硬件设计实现便携式植物生长水分胁迫检测仪的设计，主要包含ARM处理器模块、多种传感器、触摸显示模块、无线通信模块、SD卡数据存储模块以及电源模块等，其硬件设计原理图如图2所示：

针对系统要实现的功能，以ARM微处理器STM32为核心，搭配多种传感器，以此测量影响植物生长过程中水分状况变化的多个参数，其中植物叶层温湿度通过8路模拟开关连接，采用I2C通信方式测量；冠层温度采用SPI通信方式测量；植物生长环境土壤温度、土壤水分，由于输出的是模拟电压信号，直接与STM32处理器的12位A/D转换器相连完成数据的采集。

2.1 处理器模块

本便携式水分胁迫检测仪的处理器模块采用嵌入式ARM STM32处理器：STM32F103VET6，STM32系列处理器采用高性能的Cortex-M3内核作为处理机制，工作频率最高可达72 MHz，具有丰富的增强I/O 端口和外设[3]。

2.2 传感器模块

传感器模块包括植物冠层温度传感器、大气环境温湿度传感器、光照度传感器、土壤温度传感器、土壤水分传感器等，用于采集植物生长过程中的微环境参数。

2.3 无线通信ZigBee模块

本便携式水分胁迫检测仪的无线通信ZigBee模块采用ZigBee新一代无线射频芯片CC2530，CC2530通过串口与STM32处理器进行数据传输，具有功耗低、信号强度大、价格较低等特点[4]。

3 系统软件设计

便携式植物生长水分胁迫检测仪包括硬件系统和软件系统两部分，两者缺一不可，软件系统建立在硬件系统基础之上，两者结合在一起，共同完成相应的功能。本设计中的软件系统根据硬件系统的配置采用模块化的设计思想，整个软件系统主要包括底层驱动的设计、嵌入式操作系统μC/OS-II、嵌入式图形系统μC/GUI以及应用程序的设计。

4 结束语

本文便携式植物生长水分胁迫检测仪的设计，通过分析国内外植物生长缺水信息检测技术的研究历史和发展现状，仔细分析了基于冠层温度的植物生长缺水信息检测技术，设计并开发了便携式植物生长水分胁迫检测仪。论文在查阅关于植物生长缺水信息检测技术相关资料的基础上，明确本系统的基本设计功能，首先确定了植物生长缺水信息检测系统的整体设计方案，为后续工作的开展提供技术基础支持。通过多种植物生长缺水信息检测技术的比较分析，选择以冠层温度为主，以大气温湿度、土壤温度、土壤含水量等影响植物生长水分亏缺的环境因素为辅，共同完成植物生长水分状况的检测。

参考文献

[1]肖冠云，于海业，李国臣.基于叶气温差的温室作物水分胁迫指数的试验研究[J].西北农业学报，2006，15（6）：100-103.

[2]曹元军，王新忠.基于作物冠层温度变化的无线传感器网络灌溉系统的研究[J].農机化研究，2010，9：126-129.

[3]王永虹，徐炜，等.STM32系列ARM Cortex-M3微控制器原理与实践[M].北京：北京航空航天大学出版社，2008.

[4]龚文超，吴猛猛，刘双双.基于CC2530的无线监控系统设计与实现[J].电子测量技术，2012，12.