便攜式植物生長(zhǎng)水分脅迫檢測(cè)儀的設(shè)計(jì)

考文斌+++關(guān)蓓蓓+++陳昊+++魏路明+++劉一暢+++楊巧娜

摘 要：文章提出一種便攜式植物生長(zhǎng)水分脅迫檢測(cè)儀，用于檢測(cè)植物生長(zhǎng)過(guò)程中的水分脅迫信息，為精準(zhǔn)灌溉的實(shí)施提供理論依據(jù)。系統(tǒng)采用嵌入式與傳感器技術(shù)對(duì)植物生長(zhǎng)過(guò)程中引起水分狀況變化的各項(xiàng)環(huán)境因子指標(biāo)（葉層溫濕度、冠層溫度、CO2濃度、土壤水勢(shì)等）進(jìn)行采集、存儲(chǔ)與處理，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)分析得出植物水分脅迫信息，從而指導(dǎo)節(jié)水灌溉。

關(guān)鍵詞：水分脅迫；嵌入式；傳感器技術(shù)；環(huán)境因子

1 概述

隨著傳感器檢測(cè)技術(shù)、無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸?shù)燃夹g(shù)的不斷發(fā)展，用于農(nóng)田信息采集的技術(shù)與設(shè)備也日趨完善，同時(shí)由于各種原因?qū)е碌乃Y源短缺問(wèn)題不斷加劇，利用植物生長(zhǎng)過(guò)程中的缺水信息來(lái)指導(dǎo)實(shí)施精準(zhǔn)灌溉，已經(jīng)成為了精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)發(fā)展中的一項(xiàng)重要內(nèi)容。

1981年，Idso等人通過(guò)研究影響植物冠層溫度變化的主要環(huán)境因子空氣濕度，提出了植物水分脅迫指數(shù)[1]（Crop Water Stress Index，簡(jiǎn)稱CWSI），定義如下：

目前，基于植物冠層溫度來(lái)測(cè)定植物生長(zhǎng)過(guò)程中的水分狀況的研究在國(guó)內(nèi)外已經(jīng)得到了廣泛的研究，并有了實(shí)際的應(yīng)用[2]。

針對(duì)水資源的日益短缺，實(shí)現(xiàn)植物生長(zhǎng)過(guò)程中的精準(zhǔn)灌溉越來(lái)越重要。本文提出一種便攜式植物生長(zhǎng)水分脅迫檢測(cè)儀，采用嵌入式微處理器（STM32）和嵌入式操作系統(tǒng)（μC/OS-II）構(gòu)建的軟硬件平臺(tái)，如圖1所示。按照人機(jī)交互的需要，系統(tǒng)配置4.3寸觸摸屏，并在GUI-Builder等開(kāi)發(fā)軟件的支持下，設(shè)計(jì)人機(jī)交互界面（GUI）管理程序；同時(shí)根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊?，配置短距離無(wú)線模塊接口、RS-485通信接口、SD卡接口，制定數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議并開(kāi)發(fā)相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序等。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)便攜式植物生長(zhǎng)水分脅迫檢測(cè)儀的設(shè)計(jì)，主要包含ARM處理器模塊、多種傳感器、觸摸顯示模塊、無(wú)線通信模塊、SD卡數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊以及電源模塊等，其硬件設(shè)計(jì)原理圖如圖2所示：

針對(duì)系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)的功能，以ARM微處理器STM32為核心，搭配多種傳感器，以此測(cè)量影響植物生長(zhǎng)過(guò)程中水分狀況變化的多個(gè)參數(shù)，其中植物葉層溫濕度通過(guò)8路模擬開(kāi)關(guān)連接，采用I2C通信方式測(cè)量；冠層溫度采用SPI通信方式測(cè)量；植物生長(zhǎng)環(huán)境土壤溫度、土壤水分，由于輸出的是模擬電壓信號(hào)，直接與STM32處理器的12位A/D轉(zhuǎn)換器相連完成數(shù)據(jù)的采集。

2.1 處理器模塊

本便攜式水分脅迫檢測(cè)儀的處理器模塊采用嵌入式ARM STM32處理器：STM32F103VET6，STM32系列處理器采用高性能的Cortex-M3內(nèi)核作為處理機(jī)制，工作頻率最高可達(dá)72 MHz，具有豐富的增強(qiáng)I/O 端口和外設(shè)[3]。

2.2 傳感器模塊

傳感器模塊包括植物冠層溫度傳感器、大氣環(huán)境溫濕度傳感器、光照度傳感器、土壤溫度傳感器、土壤水分傳感器等，用于采集植物生長(zhǎng)過(guò)程中的微環(huán)境參數(shù)。

2.3 無(wú)線通信ZigBee模塊

本便攜式水分脅迫檢測(cè)儀的無(wú)線通信ZigBee模塊采用ZigBee新一代無(wú)線射頻芯片CC2530，CC2530通過(guò)串口與STM32處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，具有功耗低、信號(hào)強(qiáng)度大、價(jià)格較低等特點(diǎn)[4]。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

便攜式植物生長(zhǎng)水分脅迫檢測(cè)儀包括硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩部分，兩者缺一不可，軟件系統(tǒng)建立在硬件系統(tǒng)基礎(chǔ)之上，兩者結(jié)合在一起，共同完成相應(yīng)的功能。本設(shè)計(jì)中的軟件系統(tǒng)根據(jù)硬件系統(tǒng)的配置采用模塊化的設(shè)計(jì)思想，整個(gè)軟件系統(tǒng)主要包括底層驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)、嵌入式操作系統(tǒng)μC/OS-II、嵌入式圖形系統(tǒng)μC/GUI以及應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文便攜式植物生長(zhǎng)水分脅迫檢測(cè)儀的設(shè)計(jì)，通過(guò)分析國(guó)內(nèi)外植物生長(zhǎng)缺水信息檢測(cè)技術(shù)的研究歷史和發(fā)展現(xiàn)狀，仔細(xì)分析了基于冠層溫度的植物生長(zhǎng)缺水信息檢測(cè)技術(shù)，設(shè)計(jì)并開(kāi)發(fā)了便攜式植物生長(zhǎng)水分脅迫檢測(cè)儀。論文在查閱關(guān)于植物生長(zhǎng)缺水信息檢測(cè)技術(shù)相關(guān)資料的基礎(chǔ)上，明確本系統(tǒng)的基本設(shè)計(jì)功能，首先確定了植物生長(zhǎng)缺水信息檢測(cè)系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)方案，為后續(xù)工作的開(kāi)展提供技術(shù)基礎(chǔ)支持。通過(guò)多種植物生長(zhǎng)缺水信息檢測(cè)技術(shù)的比較分析，選擇以冠層溫度為主，以大氣溫濕度、土壤溫度、土壤含水量等影響植物生長(zhǎng)水分虧缺的環(huán)境因素為輔，共同完成植物生長(zhǎng)水分狀況的檢測(cè)。

參考文獻(xiàn)

[1]肖冠云，于海業(yè)，李國(guó)臣.基于葉氣溫差的溫室作物水分脅迫指數(shù)的試驗(yàn)研究[J].西北農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)，2006，15（6）：100-103.

[2]曹元軍，王新忠.基于作物冠層溫度變化的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)灌溉系統(tǒng)的研究[J].農(nóng)機(jī)化研究，2010，9：126-129.

[3]王永虹，徐煒，等.STM32系列ARM Cortex-M3微控制器原理與實(shí)踐[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2008.

[4]龔文超，吳猛猛，劉雙雙.基于CC2530的無(wú)線監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電子測(cè)量技術(shù)，2012，12.