[基于环境参数的智能化施肥浇水报警管理系统] 学校智能化管理系统

　　【摘要】施肥浇水是农业生产中的重要环节，按时浇水、定量施肥是增产保收的必要措施。目前国内外的施肥浇水设备普遍体积大、价格高，且缺少对大棚或农田多种作物施肥浇水的报警管理功能。课题研制的基于环境参数的智能化施肥浇水报警管理系统，在开机状态下自动采集环境温湿度并判断报警；在待机状态下依据设定的施肥浇水时间点自动启动并报警。试用结果表明，系统功能实用，可广泛用于蔬菜花卉大棚、农场等的施肥浇水报警，市场前景广阔。
　　【关键词】农作物 自动 温湿度采集 报警 管理系统
　　
　　一、问题的提出
　　我家的阳台面积很大，打我记事起妈妈就爱养花，养了很多花。我上中学后，妈妈开始让我干些家务，包括给花施肥浇水。这下可坏了，我经常把该施肥浇水的事给忘掉，害得我们家当时有几盆花差点儿“牺牲”了。这使我想到要是有一种能根据环境温湿度对施肥浇水进行自动提醒的系统就好了，后来我又到中国农科院东门的大森林花卉市场转了转，发现并没有类似的东西。之后我就把这个想法和我的指导教师马丽霞老师进行了沟通，马老师鼓励我再认真了解一下当前这方面的实际状况。
　　通过阅读相关资料，我对农作物的施肥浇水有了全新认识。按时浇水、定量施肥是增产保收的必要措施，然而农户往往靠以往经验根据感觉进行施肥浇水，这很可能影响施肥浇水的及时性和科学性。目前国内外开发出的智能施肥浇水设备虽然在一定程度上实现了施肥管理，但普遍体积大、价格高。由于一般农户承担不起高额的费用，因此更迫切需要一种科学、简单、易操作且成本低的系统实现施肥浇水管理。
　　在此背景下，我脑海里便产生了这样的想法：设计一种智能化的施肥浇水报警管理系统。
　　二、系统功能和目标
　　本系统成本低、操控简单，可提供施肥浇水的自动报警管理服务。系统功能主要包括：
　　（1）依据自动采集到的温湿度自动报警功能；
　　（2）依据设定的时间点自动启动系统并报警功能；
　　（3）农作物、花卉数据管理功能；
　　（4）农作物、花卉数据的导入、导出功能。
　　系统功能结构总图如图1所示。
　　三、系统设计
　　（一）总体设计
　　系统的总体设计，自底向上包括硬件系统、操作系统、运行开发环境，以及应用软件：
　　1. 硬件系统
　　包括主机、单片机和温湿度采集部件。主机为软件的运行平台，选用了Intel Atom为核心的x86架构硬件平台；单片机控制部件主要提供定时监控及后续定时设置功能，本系统采用凌阳单片机；温湿度采集部件通过USB接口与主机系统连接，实现环境温湿度的自动采集，选择了北京赛亿凌科技有限公司的温湿度传感器。
　　2. 操作系统
　　采用根据应用软件需求和底层硬件配置裁剪定制后的Linux操作系统。
　　3. 运行开发环境
　　在应用软件开发方面，主要采用Python作为应用编程语言。
　　4. 应用软件
　　其核心功能是在农作物需要施肥或浇水的时候发出报警，同时提供多种信息的管理功能。
　　（二）工作原理
　　系统运行主要分为两大过程：工作状态下，实时采集环境温湿度后自动判断并报警；待机状态下，自动检测设置的报警时间点，到达后自动启动系统并报警。整个系统的工作原理如图2所示。
　　（三）详细设计
　　1. 硬件子系统
　　硬件系统结构组成如图3所示，本系统的硬件包括主板、定时器和外围设备。主板上集成了所需设备的接入接口。微处理器采用基于x86架构的Intel Atom，存储器采用DOM卡固态硬盘，输入输出设备通过I/O总线连接微处理器。定时器采用集成定时器，保证了在关机状态下仍能报警。外围设备包括交直流变压降压器、扬声器以及温湿传感器。
　　2. 应用软件
　　在逻辑结构上，整个应用软件自下而上包括“数据处理支持层”、“控制逻辑层”，以及“界面层”，每个层面具体包括的功能模块如图4所示。
　　四、设计定型
　　以硬件控制平台为基础集成了定时启动模块、VGA液晶屏幕、遥控输入设备、USB-HUB以及温湿度传感器，形成施肥报警管理硬件系统。由软件系统和硬件系统组成基于环境参数的智能化施肥报警管理系统，可依据“温湿度实时采集、显示和判断”、“农作物、花卉数据管理”实现施肥浇水报警管理的功能；依据“施肥报警设置”和“浇水报警设置”设置的报警时间，系统实现在待机状态下，到达设定时间点后自动启动并报警的功能。
　　1. 硬件部分
　　本系统以机箱为界分为内部部件和外部部件。
　　内部部件：总控制平台――清华同方易豪数字机顶盒主板，该主板包括intel CPU Atom，DOM固态硬盘；定时器设备――凌阳定时单片机；音箱，风扇，USB-HUB，液晶显示屏。
　　外部部件：交直流变压降压器，温湿度传感器。
　　2. 软件部分
　　系统软件采用清华同方易豪公司适配好的一个定制版本Linux操作系统，用于管理系统资源和控制应用软件，其上有Python语言运行支撑环境，应用软件使用Python语言编写。
　　五、实施步骤
　　（一）准备阶段
　　1. 部件购置
　　先是联系了位于北三环安贞桥东北角企发大厦的清华同方易豪公司，购买1台数字机顶盒。之后网购了一台凌阳单片机。接下来在中关村新中发电子商城找到了5.6英寸液晶显示屏，因为暂时先用标准显示器调试即可，就先没有买。同日定购了温湿度传感器。
　　2. 开发环境搭建
　　在1台Lenovo X200笔记本上安装Linux桌面系统作为宿主机开发系统，其中包括一整套完整的应用开发环境；在数字机顶盒上安装了配套的定制版Linux操作系统，作为目标机系统，即最终应用软件的运行平台，其中Python运行支撑环境。
　　3. 编程语言学习
　　学习了Python编译语言及其应用开发。
　　（二）开发、调试阶段
　　1. 开发阶段
　　（1）主界面设计及相关代码编写（图5）
　　（2）硬件集成。在应用软件编制基本完成时，到新中发电子市场购买了5.6英寸液晶显示屏、音箱、USB-HUB、风扇。依据各个部件尺寸，设计了机箱的样式，然后在老中发市场找一个柜台进行了委托加工。
　　（3）软硬件系统集成。将编制完成的应用软件通过U盘拷贝到上述硬件中。
　　2. 调试阶段
　　由于笔记本电脑的显示屏幕为16∶9的宽屏，而施肥报警系统所依赖的液晶屏幕为4∶3，因此在对应用软件进行初步迁移后，界面有些变形。在进行了有针对性的调试后，界面大小符合试用需求。
　　3. 实验阶段
　　（1）实验材料
　　供试土壤：北京一零一中学实验田土壤（pH 7.03～7.12）；
　　种子来源：中国农科院种子销售部；
　　供试花卉：蝴蝶兰、栀叶竹芋、青苹果；
　　花卉来源：购置于北京大森林花卉市场；
　　肥料来源：北京一零一中学生态园蚯蚓粪浸提液，蚯蚓粪肥。
　　（2）实验一
　　实验组：蝴蝶兰、栀叶竹芋、青苹果各8盆，采用课题研制的基于环境参数的智能化施肥浇水报警系统进行施肥浇水管理；
　　对照组：蝴蝶兰、栀叶竹芋、青苹果各1盆，按传统方式凭经验施肥浇水。每个月为一对比周期，连续3个月对比。
　　（3）实验二
　　将一零一中学大棚中的20余种作物、花卉施肥浇水特性信息输入本系统，试用系统的数据库功能，多种、批量作物的施肥浇水报警管理功能。
　　六、实验结果分析
　　1. 实验一结果分析
　　两组实验中作物长势不同，采用报警系统的长势明显优于不采用者，见表1。
　　2. 实验二结果分析
　　施肥浇水报警系统从2009年8月初在北京一零一中学实验到现在，体现出移动方便、操控简单、功能实用的特点；基于实时采集的环境温湿度，自动判断并播放音频报警，具有人性化的特点；大棚中20余种农作物、花卉的施肥浇水、特性等信息通过本系统进行了有效管理，充分验证了系统的数据库功能，多种、批量作物施肥浇水报警管理功能的实用性。
　　七、研制结论
　　目前，面向农作物的自动施肥浇水控制系统在业界已进行了相当的研制工作，并出现了相应产品，而施肥浇水管理方面的系统还没有，课题研制成果填补了国内外在这方面的空白。
　　（1）本智能化施肥报警系统可应用于蔬菜、花卉大棚、农场等的施肥浇水报警管理。
　　（2）可合理管理施肥浇水，降低对从业者的要求，进而降低施肥浇水管理的成本。
　　
　　【参考文献】
　　［1］宋妮等，基于Access的灌溉信息管理系统[J]，节水灌溉，2007（2）
　　［2］谭静芳等，温室环境智能测控系统的设计[J]，农业装备技术，2008（01）
　　［3］李锐等，单片机实现自动灌溉及施肥系统[J]，计算机应用，2001（z1） P219-221
　　［4］余文君等，远程智能灌溉及施肥系统[P]，中国，200610025010.6
　　［5］郭秋智等，远程智能灌溉及施肥系统[P]，中国，89203736.9
　　
　　专家点评
　　自控施肥浇水系统在温室栽培中已有实施，但多为集约化生产。本系统根据环境参数对多种农作物和花卉需要施肥浇水时自动音乐报警，既可根据环境参数自动报警，又可设定时间报警。其特点是体积小移动方便，操作简单便于使用，成本低易于接受推广，适于多种经营或更换品种。建议增设一个限定报警时间后的记忆功能系统，当工作人员不在现场，防止报警不停，或能够在停后显示与查找；该系统施肥是生长期需肥量为参数，浇水是环境温湿度为参数报警，若能根据当时作物或花卉的生长发育状况（即长势）为参数智能化施肥浇水是研究的难点，对初中生可能困难较大。ＫＪ