基于嵌入式水肥药一体化系统的研究

张志明，张维杰，韩文智

（山西东远科技有限公司，山西 太原 030000）

近年来，为了提高水资源、肥料和农药的利用率，需要将灌溉技术、施肥和喷洒技术相结合，研究出基于嵌入式水肥药一体化系统，进而节省人力财力、提高水肥药灌溉利用率，增加作物产量，提高农民收入。该装置以STM32 为核心，是基于云端传输技术研发的一套水肥药一体化系统，可以实现自动与手动切换，在自动控制模式下，可以通过监测系统中土壤温湿度传感器、pH传感器、EC传感器等将相关信号传输到控制系统中与人机交互系统中专家设定的数据进行对比分析，从而控制相应的输出达到自动灌溉、施肥和喷药的目的；手动控制既可以根据需求人为设置时间和灌溉量增加系统灵活性，又可以实现系统冗余配置；通过设定农作物生长不同时期科学合理的配比灌溉所需水量、肥料及药物，满足农作物生长需求。

2 系统功能

基于嵌入式水肥药一体化系统主要实现灌溉、施肥和喷药3 个功能。本系统所要解决的技术问题为将灌溉系统与施肥和喷药技术进行融合，通过器件、功能和控制方式的优化，设计出一套水肥药一体化自动控制系统，利用科学、适量、按需分配的水、肥、药，精准、合理地对作物进行灌溉、施肥、喷药，为满足作物生长提供了最优的条件，同时适应国内农业生产需求，提高劳动生产力，降低劳动成本。水肥药一体化自动化控制系统具体流程结构示意图，如图1 所示。

3 系统组成

水肥药一体化自动化控制系统，包括监控系统、人机交互系统、作业系统。

监控系统包括监测系统和控制系统，监测系统用于各类传感器的数据采集；控制系统通过采集到的数据与设定或历史曲线数据进行比较，控制执行单元。人机交互系统包括显示模块和系统输入模块，显示模块用于显示所采集的数据及相应执行单元的动作状态，系统输入模块用于输入所需参数的数值；作业系统，包括灌溉系统、肥料溶液混合系统、药物混合系统，可以实现手动和自动控制，并将灌水、施肥和喷药集中到一个作业平台上，通过控制器实现精准控制，降低了成本，减小了深层流失，提高了灌溉施肥的效率。

3.1 控制系统设计

3.1.1 硬件系统设计

水肥药一体化自动化中的监控系统是由监测系统和控制系统组成，监测系统主要包括采集土壤的温度和湿度、水溶肥料的EC值和pH值及药物中的pH值等。监测系统可以通过有线（RS485）、无线（Zigbee）的方式得到传感器采集数据信息，并将采集的信息按照Modbus协议发送给控制系统的接收模块后送入微控制器进行运算处理。

（1）微控制器。控制系统中的微控制器采用ST公司生产的基于Cortex-M3 内核的STM32 系列控制器STM32F107VCT6。它具有丰富的I/O端口，同时成本和功耗相对较低、性能高、扩展和移植性好等优点，可以满足水肥药一体化自动化控制的要求。

（2）接收模块。控制系统中的接收模块采用标准的通信接口，通过MAX485 芯片实现电平转换，实现对土壤温度、湿度、EC值、pH值的采集，保证通信数据的稳定可靠，其相应的电路如图3 所示。

（3）执行模块。控制系统中的执行模块可以根据执行机构中不同的供电方式（直流和交流）进行选择，但由于执行机构和微控制器易受环境因素等干扰，避免引起误动作，因此在控制执行模块的设计过程中采用信号隔离技术，来提高系统工作的稳定性。本系统中采用光电隔离，具体如图4 所示。

（4）人机交互。人机交互部分采用常用的工业串口屏，支持图形对象、多数据库、TFT显示驱动、高存储容量及多种组态控件等优点，通过串口实现触摸屏与STM32 之间的交互，主要完成对系统工作状态、当前采集的数据及用户参数设置等。

3.1.2 软件设计

软件设计主要包括STM32 嵌入式软件设计和上位机软件设计。

（1）STM32 嵌入式软件设计。基于STM32 嵌入式软件设计在MDK5 的开发平台，采用C语言进行模块化编程，并将其通过JTAG接口下载到微控制器内，该软件主要通过检测农田的水分、肥料及药物等参数与人机交互输入参考值进行对比分析，控制相应的电磁阀开关从而实现自动灌溉、施肥及喷药。

（2）上位机软件。上位机软件用来远程实现操作者与控制系统之间的信息交互作用，本设计在VisualStudio2015 的开发平台，采用C#语言进行编程，并将其安装在PC机上进行远程监控，其水肥药一体化系统中的各项数据通过DTU模块发送至云端并通过互联网将数据解析到数据库中进行远程监控。其界面如图5 所示。

3.2 作业系统设计

作业系统，包括灌溉系统、肥料溶液混合系统、药物混合系统，其系统框图如图6 所示。

3.2.1 灌溉系统

在灌溉系统中主要包括电磁阀、过滤器、电控水泵、流量传感器、逆止阀、主灌溉管道、溶液混合罐、稳压阀。在灌溉系统中，过滤器可以时刻保证整个管道的畅通，稳压阀可以时刻稳定管道中的压力平衡，电磁阀安装在管道上，用来控制开启和关断，逆止阀安装在管道上，防止回流。

3.2.2 肥料溶液混合系统

肥料溶液混合系统包括各种肥料、酸液、肥料罐、比例施肥器、电磁阀、PH值传感器、EC传感器、溶液混合罐、肥料管道。此系统的电磁阀用来控制肥料管道的通断；种类传感器用来检测溶液混合罐中溶液的电导率和酸碱度；肥料溶液混合系统中，比例施肥器将肥料溶液或酸液注入到肥料罐，并通过电控水泵进行其注入到溶液混合罐进行充分混合。

3.2.3 药物混合系统

药物混合系统包括药物、电磁阀、pH值传感器、EC传感器、溶液混合罐、药物管道。药物混合系统中的电磁阀用来控制药物管道的通断；种类传感器用来检测药物混合罐中溶液的电导率和酸碱度；药物混合系统中，将药物注入到药物罐，并通过电控水泵进行其注入到溶液混合罐进行充分混合

4 结束语

水肥药一体化自动化控制系统，可以实现对作物的手动和自动灌溉，可以根据肥和药不同的灌溉方式选择微滴和喷洒不同的管道；同时在自动灌溉过程中控制器通过采集作物土壤温湿度传感器、pH传感器和EC传感器所对应的值与相应不同时期所需的灌水量、施肥量和药物量进行比较，进而实现精准灌溉、施肥，并对不同时期农作物出现的症状进行实时喷药，同时记录往年农作物各时期出现的症状、所需灌水量和施肥量曲线，将其作为灌溉、施肥和喷药的依据，解决了传统灌溉、施肥及喷药自动化程度低、人力成本高、浪费严重等问题，具有实质性特点和进步，满足农作物各时期生长时需要的水肥药，促进作物生长的目的。