吳霞+王世榮+王長(zhǎng)軍+羅昀

摘要： 溫室中的溫度和濕度是決定農(nóng)作物生長(zhǎng)的關(guān)鍵因素之一，利用噴霧設(shè)備進(jìn)行噴霧是目前進(jìn)行溫室降溫和加濕的主要方式，目前溫室噴霧大多采用人工控制的方式，不但精確度不高且浪費(fèi)人力，最主要還會(huì)出現(xiàn)噴霧不及時(shí)導(dǎo)致作物減產(chǎn)的問題。針對(duì)溫室固定式噴霧設(shè)備設(shè)計(jì)定時(shí)輪流自動(dòng)噴霧控制系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)溫室分區(qū)域定時(shí)輪流自動(dòng)噴霧，控制系統(tǒng)帶有自主設(shè)定功能，用戶可根據(jù)不同作物需求、不同季節(jié)調(diào)整噴霧用水量和休息間隔，達(dá)到精確控制溫室溫濕度的目的，實(shí)現(xiàn)溫室作物增產(chǎn)增效的目的。

關(guān)鍵詞： 溫室；定時(shí)輪流噴霧；控制系統(tǒng)；單片機(jī)

中圖分類號(hào)： S24；TP273 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號(hào)：1002-1302（2016）03-0404-03

寧夏地處中國(guó)西北內(nèi)陸干旱地區(qū)，屬于重度缺水區(qū)。隨著寧夏經(jīng)濟(jì)持續(xù)快速發(fā)展，水資源供需矛盾日趨突出[1-2]。2007年，寧夏把發(fā)展設(shè)施農(nóng)業(yè)和現(xiàn)代農(nóng)業(yè)作為農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整的主攻方向，目前寧夏設(shè)施農(nóng)業(yè)總面積已超過80萬(wàn) hm2。隨著設(shè)施農(nóng)業(yè)的迅猛發(fā)展，對(duì)溫室智能化監(jiān)控與自動(dòng)化管理的要求日益迫切，研究開發(fā)并推廣使用性能優(yōu)越、運(yùn)行可靠的溫室智能控制系統(tǒng)將是溫室生產(chǎn)走向產(chǎn)業(yè)化和高效化的必由之路[3-5]。

設(shè)施溫室中作物需水完全靠人工灌溉補(bǔ)給，可控性較強(qiáng)，因此智能化灌溉控制系統(tǒng)是目前研究的重點(diǎn)，溫室噴霧就是其中一個(gè)研究方向，近些年已經(jīng)涌現(xiàn)出很多研發(fā)成果。張俊雄等研發(fā)了溫室內(nèi)移動(dòng)對(duì)靶噴霧系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)籬架型植物以0.2 m×0.2 m區(qū)域?yàn)榘袠?biāo)的精準(zhǔn)噴霧[6]。石建業(yè)等研制了智能遙控拉移動(dòng)式溫室專用噴霧機(jī)，為溫室生產(chǎn)者提供了一種無需人工背負(fù)、施藥效率高、價(jià)格低廉、使用方便的農(nóng)藥噴霧工具[7]。梁謙等研究表明，小型行走式噴霧系統(tǒng)對(duì)塑料大棚雙孢菇土壤含水量、噴灑均勻度、雙孢菇產(chǎn)量都有積極的影響[8]。玄子玉等研發(fā)了基于單片機(jī)的變量噴霧控制器，可根據(jù)需要自動(dòng)調(diào)節(jié)噴霧量[9]?，F(xiàn)有研究成果雖然能夠滿足溫室溫濕度控制精確度的需要，但是存在成本高、操作復(fù)雜、運(yùn)行維護(hù)不便等問題，難以大量推廣使用。

近幾年，寧夏多個(gè)農(nóng)業(yè)科技示范園區(qū)采用了自動(dòng)化的溫室控制設(shè)備和系統(tǒng)，包括溫度、濕度、CO2濃度、光照等數(shù)據(jù)采集設(shè)備、水肥一體化智能灌溉施肥系統(tǒng)等[10-12]，這些設(shè)備和系統(tǒng)的核心控制部件均由北京、上海、南京等發(fā)達(dá)地區(qū)研究和開發(fā)，部分尖端設(shè)備是從日本、美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家引進(jìn)[13-14]。引進(jìn)設(shè)備和系統(tǒng)功能完善、性能優(yōu)越、控制精度高，可準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)和控制溫室環(huán)境，提高溫室作物產(chǎn)量與品質(zhì)，但運(yùn)行維護(hù)成本較高，難以長(zhǎng)期使用。而寧夏在設(shè)施溫室環(huán)境監(jiān)測(cè)和自動(dòng)化控制方面的研究落后且進(jìn)展緩慢，缺乏實(shí)用的研究成果和掌握核心技術(shù)的科技人員，制約了寧夏設(shè)施農(nóng)業(yè)的現(xiàn)代化發(fā)展[15-16]。

針對(duì)上述問題，本研究選擇寧夏設(shè)施溫室需求較大的溫室噴霧控制設(shè)備為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)了溫室定時(shí)輪流噴霧控制系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)溫室分區(qū)域定時(shí)輪流自動(dòng)噴霧，提高溫室溫濕度控制精度。該控制系統(tǒng)功能簡(jiǎn)單、操作方便、成本低廉，可滿足更多農(nóng)戶的需求。

1 溫室定時(shí)輪流噴霧控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

溫室噴霧由于噴霧面積過大水壓不足的問題，經(jīng)常影響噴霧效果[17]。針對(duì)固定式噴霧系統(tǒng)水壓不穩(wěn)定的問題，設(shè)計(jì)了分區(qū)域定時(shí)輪流自動(dòng)噴霧控制系統(tǒng)。首先根據(jù)溫室大小和作物噴霧需求將溫室劃分為若干個(gè)不同區(qū)域，然后各區(qū)域分別安裝噴霧管道和電磁閥，最后由主管道將各站連接在一起，并安裝噴霧控制器、水量計(jì)數(shù)器、壓力罐、水泵等，形成一個(gè)噴霧系統(tǒng)。整個(gè)噴霧系統(tǒng)由控制器自動(dòng)控制，根據(jù)程序設(shè)定的噴霧時(shí)間和間隔，依次啟動(dòng)和關(guān)閉各站的電磁閥，實(shí)現(xiàn)整個(gè)溫室定時(shí)輪流自動(dòng)噴霧；同時(shí)通過水泵和壓力罐保證噴霧水量和壓力的持續(xù)穩(wěn)定。溫室定時(shí)輪流自動(dòng)噴霧系統(tǒng)如圖1所示。

1.1 分區(qū)域噴霧管道布設(shè)

為了保證溫室噴霧水量及水壓充足穩(wěn)定，本控制系統(tǒng)采用了分區(qū)域輪流噴霧的方式，即將大型溫室分為若干小區(qū)域，每個(gè)區(qū)域安裝若干條噴霧管道，每條管道安裝若干個(gè)噴頭，形成噴霧管網(wǎng)；每個(gè)區(qū)域輪流進(jìn)行噴霧，可保證每個(gè)區(qū)域有充足的水量和穩(wěn)定的水壓，提高噴霧效果。具體溫室噴霧管道可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行布設(shè)，例如：1個(gè)8 m×80 m的溫室可為8個(gè)區(qū)域，主管道用20 mm的鋁塑管，支管道用20 mm的PE管，噴霧頭密度1.5 m×2 m。

1.2 噴霧控制器設(shè)計(jì)

噴霧控制器是整個(gè)系統(tǒng)的核心，用于控制噴霧系統(tǒng)自動(dòng)噴霧。為了達(dá)到簡(jiǎn)單易用、穩(wěn)定可靠、低成本的需求，在滿足

所需功能的基礎(chǔ)上控制器盡可能采用較少的電子元件，主要包括核心單片機(jī)、LCD顯示屏、操作按鈕、繼電器輸出等部件?？刂破靼惭b于主管道與與壓力罐之間，控制器上的繼電器與各站的電磁閥一一對(duì)應(yīng)連接，控制器可通過繼電器控制電磁閥的開關(guān)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)輪流噴霧。

1.3 噴霧水壓處理

噴霧水量及水壓的持續(xù)穩(wěn)定是保證噴霧效果的關(guān)鍵，該控制系統(tǒng)即通過分區(qū)域噴霧降低單次噴霧用水量及水壓，同時(shí)也通過安裝水泵和壓力罐來穩(wěn)定噴霧水壓，起到平衡水量及壓力的作用。正常情況下，水泵可在無人控制的情況下工作，并可根據(jù)用水量的變化，自行調(diào)整水泵開停次數(shù)與工作時(shí)間，保證向噴霧管道連續(xù)穩(wěn)定供水。水泵和壓力罐一般可根據(jù)溫室具體情況選定。

2 溫室定時(shí)輪流噴霧控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

控制器是整個(gè)定時(shí)輪流噴霧控制系統(tǒng)的關(guān)鍵，而決定控制器性能和成本的關(guān)鍵就是微處理器，相對(duì)于工業(yè)級(jí)控制器相言，溫室自動(dòng)控制系統(tǒng)對(duì)微處理器速度要求不高，故選擇一般的8位微處理器即可滿足要求，而且可以節(jié)約控制器研發(fā)成本。本控制器核心微處理器選用STC12C5A60S2單片機(jī)，其他相關(guān)硬件構(gòu)成有12864LCD顯示電路、水量計(jì)數(shù)器控制電路、操作按鈕電路、繼電器輸出LED指示燈電路、MAX232串口通訊電路等，控制器硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.1 核心處理器

本控制器采用STC12C5A60S2單片機(jī)，該單片機(jī)是高速、低功耗、超強(qiáng)抗干擾的新一代8051單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051，但速度快8～12倍[18]。該單片機(jī)有4組8位 I/O口，3個(gè)定時(shí)計(jì)數(shù)器，1個(gè)全雙工串行口，具有6個(gè)中斷源，3個(gè)定時(shí)計(jì)數(shù)器中斷，2個(gè)外部中斷，1個(gè)串口中斷。內(nèi)部帶有1 kb靜態(tài)非易失性EEPROM和看門狗，利用該芯片的 EEPROM 存儲(chǔ)數(shù)據(jù)可防止掉電丟失[19]。使用該芯片既可以滿足噴霧系統(tǒng)處理速度要求，又具有簡(jiǎn)單的記憶存儲(chǔ)功能，以免掉電數(shù)據(jù)丟失，避免重復(fù)設(shè)置的麻煩，而且價(jià)格低廉，滿足控制器低成本要求。

2.2 水量計(jì)數(shù)器

本控制器的水量計(jì)數(shù)器采用霍爾流量傳感器，主要由塑料閥體 、水流轉(zhuǎn)子組件和霍爾傳感器組成。將它裝在噴霧系統(tǒng)主管道上，當(dāng)水通過水流轉(zhuǎn)子組件時(shí)，磁性轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)并且轉(zhuǎn)速隨著流量變化而變化，霍爾傳感器輸出相應(yīng)脈沖信號(hào)，反饋給控制器，由控制器判斷水流量的大小。它具有反映靈敏、壽命長(zhǎng)、動(dòng)作迅速、安全可靠、連接方便等優(yōu)點(diǎn)。霍爾流量傳感器輸出的脈沖信號(hào)通過放大電路與單片機(jī)外部中斷引腳相連接，通過對(duì)脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)來計(jì)量噴霧用水量。

2.3 LCD顯示

本控制器采用XY12864G LCD顯示屏，用于顯示相關(guān)數(shù)據(jù)以及各操作過程和狀態(tài)，操作簡(jiǎn)單，智能化程度高。該顯示屏帶有1個(gè)16×16的點(diǎn)陣液晶顯示模塊，可顯示4行漢字，每行可顯示8個(gè)漢字或16個(gè)英文字符或數(shù)字，也可顯示圖形，藍(lán)底白字，清晰美觀[20]。LCD顯示屏采用并口工作方式與單片機(jī)相連，并連接1個(gè)10 kΩ電位器用于調(diào)節(jié)顯示屏亮度，以便根據(jù)不同光照條件進(jìn)行亮度調(diào)節(jié)，使顯示更加清晰。

2.4 操作按鈕電路

本控制器設(shè)計(jì)了6個(gè)操作按鈕，包括1個(gè)復(fù)位按鈕，1個(gè)手動(dòng)/自動(dòng)工作模式轉(zhuǎn)換按鈕，4個(gè)系統(tǒng)設(shè)置及加減操作按鈕。

2.5 繼電器輸出及LED指示燈電路

本控制器設(shè)計(jì)了8個(gè)輸出控制繼電器，最多可支持8站輪流噴霧，每個(gè)繼電器帶有1個(gè)LED指示燈，用以指示繼電器工作狀態(tài)。每個(gè)繼電器通過功率放大驅(qū)動(dòng)與1個(gè)電磁閥連接，單片機(jī)通過控制繼電器的閉合帶動(dòng)電磁閥的打開與關(guān)閉，實(shí)現(xiàn)對(duì)噴霧系統(tǒng)的自動(dòng)控制。

2.6 MAX232串口通訊電路

采用MAX232CPE芯片設(shè)計(jì)，主要作用是將單片機(jī)輸出的TTL電平信號(hào)轉(zhuǎn)換成PC機(jī)能接收的RS232電平信號(hào)或?qū)C機(jī)輸出的RS232電平信號(hào)轉(zhuǎn)換成單片機(jī)能接收的TTL電平信號(hào)，以此實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與PC機(jī)的通訊。用于通過PC機(jī)向單片機(jī)寫入程序和通過PC機(jī)（上位機(jī)）控制噴霧系統(tǒng)。

3 溫室定時(shí)輪流噴霧控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

定時(shí)輪流噴霧系統(tǒng)的控制程序采用C語(yǔ)言編寫，利用Keil uVision4進(jìn)行編寫并編譯生成Hex文件，再燒錄到單片機(jī)內(nèi)?？刂瞥绦虻墓ぷ鬟^程為：當(dāng)系統(tǒng)接通電源或按下復(fù)位按鈕后，首先進(jìn)行初始化工作，包括I/O口初始化、時(shí)鐘初始化、LCD顯示屏初始化等；初始化完成后讀取單片機(jī)EEPROM中存儲(chǔ)的參數(shù)開始工作，控制器默認(rèn)進(jìn)入自動(dòng)工作方式，首先啟動(dòng)第1站繼電器開始噴霧，同時(shí)水量計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)，達(dá)到系統(tǒng)設(shè)定的噴霧水量后關(guān)閉繼電器停止噴霧，緊接著啟動(dòng)第2站進(jìn)行噴霧，依次類推，直至所有站點(diǎn)全部噴霧完成；然后系統(tǒng)進(jìn)入停止階段，直到設(shè)定的休息時(shí)間結(jié)束再次啟動(dòng)噴霧繼電器進(jìn)行輪流噴霧。在噴霧的同時(shí)程序每隔 100 ms進(jìn)行按鍵掃描，如有按鍵操作則停止噴霧，進(jìn)入相關(guān)的參數(shù)設(shè)定程序。

另外，系統(tǒng)還設(shè)計(jì)了手動(dòng)控制方式，可通過自動(dòng)/手動(dòng)按鈕進(jìn)行工作方式的切換。手動(dòng)控制方式工作過程為：首先由操作人員按加減按鈕選擇要噴霧的站點(diǎn)，然后按下開始按鈕進(jìn)行噴霧，停止噴霧時(shí)按下停止按鈕即可。在整個(gè)程序運(yùn)行過程中，LCD顯示屏和LED指示燈實(shí)時(shí)顯示各項(xiàng)操作過程和系統(tǒng)狀態(tài)，方便用戶清晰直觀地了解噴霧系統(tǒng)運(yùn)行狀況。程序流程如圖3所示。

部分C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)的代碼如下：

init（）；//系統(tǒng)初始化

while（welcome_sec>0）

display_welcome（）；

while（1）

{

keyscan（）； //按鍵掃描

if（status_control==0）

{

if（set==0）

{

display（）；//LCD顯示

auto（）； //自動(dòng)控制

}

}

if（status_control==1）

{

if（set==0）

{

display（）；//LCD顯示

manual（）；//手動(dòng)控制

}

}

}

4 系統(tǒng)應(yīng)用情況

本控制系統(tǒng)已經(jīng)于2014年5月份在寧夏園林場(chǎng)枸杞育苗溫室進(jìn)行了初步試驗(yàn)，該溫室寬8 m、長(zhǎng)60 m，主要進(jìn)行枸杞扦插育苗。根據(jù)枸杞育苗需要，按長(zhǎng)度將溫室劃分為6個(gè)區(qū)域，即6站，每站長(zhǎng)9 m。首先沿溫室長(zhǎng)度方向布設(shè)噴霧主管道，然后各站中每隔1.5 m布設(shè)1條支管道，最后支管上每隔1.5 m安裝1個(gè)噴霧頭，即每站控制30個(gè)噴霧頭。水泵和壓力罐安裝在溫室靠近水源的地方，控制器安裝在溫室操作間，控制器通過信號(hào)線與水泵、各站電磁閥相連，形成一個(gè)整體噴霧系統(tǒng)。經(jīng)過半年多的試驗(yàn)，定時(shí)輪流噴霧系統(tǒng)可以根據(jù)用戶的設(shè)定準(zhǔn)確進(jìn)行噴霧，保證溫室內(nèi)的溫度和濕度符合枸杞育苗需求，使得枸杞扦插育苗的成活率有較大提高，而且大大降低了人工成本。同時(shí)，在寧夏永寧縣2座種植蘑菇的溫室安裝了定時(shí)輪流噴霧控制器。該溫室已經(jīng)有噴霧管道，而且已經(jīng)按不同蘑菇生長(zhǎng)狀況進(jìn)行了分區(qū)，平時(shí)主要靠人工操作，常常因控制不準(zhǔn)確影響蘑菇的生長(zhǎng)。安裝了控制器以后，不但節(jié)省了人力且控制精度大大提高，受到用戶的歡迎。另外，本系統(tǒng)操作簡(jiǎn)便、成本低廉，且易于安裝維護(hù)，可滿足一般溫室噴霧需求。

參考文獻(xiàn)：

[1]閆曉紅，段漢明，吳 斐. 寧夏水資源現(xiàn)狀、問題及對(duì)策[J]. 地下水，2011，33（1）：117-118.

[2]王志良，楊 婷. 寧夏水資源可持續(xù)利用的理性思考[J]. 水土保持研究，2006，13（6）：278-281.

[3]康 義. 寧夏設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀及對(duì)策[J]. 寧夏農(nóng)林科技，2012，53（5）：56-57，67.

[4]張耀武. 寧夏設(shè)施農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展研究[J]. 農(nóng)業(yè)科學(xué)研究，2011，32（4）：54-59.

[5]溫學(xué)萍，俞鳳娟，張 翔，等. 農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在寧夏設(shè)施農(nóng)業(yè)中推廣應(yīng)用初探[J]. 寧夏農(nóng)林科技，2014（5）：13-14，28.

[6]張俊雄，曹崢勇，耿長(zhǎng)興，等. 溫室精準(zhǔn)對(duì)靶噴霧機(jī)器人研制[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2009，25（增刊2）：70-73.

[7]石建業(yè)，任生蘭，馬彥霞，等. 智能遙控拉移動(dòng)式溫室專用噴霧機(jī)的研制[J]. 農(nóng)業(yè)科技與裝備，2014（7）：26-27.

[8]梁 謙，賈生海，安進(jìn)強(qiáng). 塑料大棚雙孢菇小型行走式噴霧系統(tǒng)

灌溉研究[J]. 山西農(nóng)業(yè)科學(xué)，2011，39（8）：869-871.

[9]玄子玉，張玉峰，張玲玉. 基于STC單片機(jī)的變量噴霧控制器設(shè)計(jì)[J]. 林業(yè)機(jī)械與木工設(shè)備，2011（9）：43-45.

[10]郭正禮，張耀武，吳靈捷. 寧夏設(shè)施農(nóng)業(yè)市場(chǎng)問題研究[J]. 寧夏社會(huì)科學(xué)，2008（6）：62-66.

[11]張衛(wèi)東，劉書林，張偉亮，等. 西北地區(qū)日光溫室環(huán)境調(diào)控技術(shù)[J]. 北方園藝，2012（20）：34-35.

[12]李萍萍，王紀(jì)章. 溫室環(huán)境信息智能化管理研究進(jìn)展[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2014，45（4）：236-243.

[13]Qi R，Qin L L，Xue M S，et al. The design and application of a greenhouse control system based on CAN[J]. Industrial Instrumentation&Automation，2005（3）：17-20.

[14]Gomez-Melendez D，Lopez-Lambrano A，Herrera-Ruiz G，et al. Fuzzy irrigation greenhouse control system based on a field programmable gate array[J]. African Journal of Agricultural Research，2011，6（11）：2544-2557.

[15]吳小偉，史志中，鐘志堂，等. 國(guó)內(nèi)溫室環(huán)境在線控制系統(tǒng)的研究進(jìn)展[J]. 農(nóng)機(jī)化研究，2013（4）：1-7，18.

[16]杜尚豐，李迎霞，馬承偉，等. 中國(guó)溫室環(huán)境控制硬件系統(tǒng)研究進(jìn)展[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2004，20（1）：7-12.

[17]趙德菱，高崇義，梁 建. 溫室內(nèi)高壓噴霧系統(tǒng)降溫效果初探[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2000，16（1）：87-89.

[18]王 鑫，崔忠林，劉 建. 基于STC12C5A16S2的溫度采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J]. 微型機(jī)與應(yīng)用，2012，31（20）：24-26，29.

[19]魏超全，孫長(zhǎng)勝，陳家果，等. 基于STC12C5 A60S2的礦用多參數(shù)傳感器硬件電路設(shè)計(jì)[J]. 煤礦機(jī)電，2014（2）：34-38，41.

[20]李金群. 基于51單片機(jī)的12864液晶圖文顯示研究[J]. 機(jī)電信息，2010（36）：139-140.