環境信息采集澆灌車系統

黃東明　孫桂鴻　高婷婷　鄭詩嵐

摘要：為了提高經濟作物產量和難培育植物的種植，研發了一套可通過適應環境改變的自適應澆灌車系統。系統運用了信息反饋調節和自動化的思想對農作物的澆水，施肥、打藥，都可以做到信息化系統定量“精確”把關。澆灌車系統不僅能精準完成液體的精準澆灌，更能采集現場數據，如：溫濕度、二氧化碳濃度、土壤含水率、土壤 PH 值等數據進行分析，決策。客戶端會根據采集回的數據進行分析計算，自動設置下次種植任務。

關鍵詞：澆灌車；自適應；智能；自動化；信息采集

中圖分類號：TP311.13 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2018）01-0174-03

目前，我國大多智慧農業技術提供商對智慧農業領域的技術應用尚處在較低階段。大多采用現場布置光照、溫濕度、CO2等傳感器設備進行數據采集，所帶來的缺點就是布線繁瑣，裝置浪費，維護成本提高。農業園區進行自動灌溉、自動降溫、自動進行液體肥料施肥、自動噴藥等自動化控制，但大范圍的裝置置辦，導致成本居高不下，農業智慧化程度推進較難。所以研制一種體積小、成本低、自適應的農作物澆灌系統時是迫切需要的。

自適應澆灌車系統，可以滿足農作物基本的澆灌，施肥，打藥的需要；同時可采集農作物生長環境的數據，并把現場各種數據傳回傳客戶端，客戶端會根據采集回的數據進行分析計算，自動設置下次的農作物澆灌任務。該系統適用農業種植工作，并且本系統具有良好的可擴展、易維護、靈活性強，適用面廣。可通過本項目的開發，在該基礎上繼續開發增刪其他的模塊，滿足現實生產工作需要。并有利我國在智慧農業上的改革和提升。

1 系統簡介

系統最大的特點就是運用了信息反饋調節和自動化的思想[1]，完成農業上的基本工作，系統設計以便捷，靈活為主，讓操作變得簡單，維護成本降低。如圖1所示，本系統包括三部分：下位機、上位機、上下位機之間的通信。

本系統提供操作軟件、硬件系統，靈活方便，通過串口ZigBee模塊與計算機進行通訊。上位機是基于.net framework 4.0平臺開發的軟件，界面友好，交互簡單，可完成對下位機需要經過的路徑以及環境信息采集的頻率和次數的設定，并且可顯示實時的環境信息及走勢圖。下位機是基于51內核單片機而設計的開發板和其他傳感器模塊，串口模塊等組成，用來構成本系統的硬件部分。

2 下位機的設計

整個下位機是使用基于51內核單片機自主設計的開發板，搭載各類傳感器，利用ZigBee模塊來實現數據、控制信號的傳輸。下位機接收到上位機發送控制信息后，進行場地內的運動和澆灌任務，同時收集現場環境信息如濕度、二氧化碳濃度、土壤含水率、土壤 PH 值等數據并傳回上位機。各模塊的組合如圖2所示。

傳感器模塊主要是來采集農作物生長環境的現場數據，主要有濕度傳感器、溫度傳感器、CO2傳感器、PH傳感器、EC傳感器等。傳感器和單片機的通信主要是通過I2C即Inter-Integrated Circuit（集成電路總線）來實現的。這種通信方式簡化了信號傳輸總線接口，多個傳感器可以連接到同一總線結構下，同時每個傳感器都可以作為實時數據傳輸的控制源[2]。所有接到I2C總線設備上的串行數據SDA都接到總線的SDA上，各設備的時鐘線SCL接到總線的SCL上。使用通用I/O口來作為I2C總線接口，并由軟件控制實現數據傳送。串行時鐘信號在系統中使用了P1.3，P1.2作為I2C總線的串行數據線，可在軟件控制下在時鐘的低電平期間讀取傳感器數據。

Zigbee模塊主要用于上下位機通訊，通過串口方式與單片機連接，當澆灌車處于靜止狀態時，定時器1開始作為串口通信定時器使用，Zigbee模塊通過無線傳輸的方式將傳感器讀取的數據回傳至上位機，上位機也可以發送控制命令至澆灌車。

GPS模塊主要用于澆灌車定位及行走路徑設置。該模塊采用的命令格式為增強型AT指令。澆灌車定位時，由上位機發送定位命令：AT+GPS=1，GPS模塊開始定位工作并將定位數據回傳至上位機；關閉澆灌車定位時，由上位機發送關閉命令：AT+GPS=0，GPS模塊停止定位。這個定位開關，直接通過上位機進行控制，不需要通過單片機進行控制。任務路線設置，使用百度地圖的API接口進行導航，在地圖上設置好起點和終點。澆灌車進行實時定位，當運動到終點時停止工作。

超聲波模塊用于澆灌車運動時障礙檢測，澆灌車左右分別布置超聲波模塊，當任意一方測量距離小于20厘米時判定前方有障礙物，朝相反反向轉彎。當兩方均檢測到障礙物便先進行后退再進行右轉彎繞行。

直流減速電機用于澆灌車運動，使用電流驅動模塊驅動電機，四輪單獨驅動提高澆灌車的運動能力。利用四輪單獨驅動的優勢，正轉和反轉的差別進行轉彎。

液晶顯示屏模塊用于顯示字符以及澆灌車的運動狀態信息。比如“Start”正在工作，“Stop”停止工作，“Temp”溫度數值單位攝氏度，“Humi”濕度數值單位相對濕度，“Time”任務倒計時單位秒。

模塊設計硬件圖如圖3所示。

3 上下位機的通訊協議設計

整個系統中為了使上位機可以監視下位機運行的狀態，上下位機通信采用的是Zigbee通訊技術。ZigBee技術是一種近距離、低復雜度、低功耗、低速率、低成本的雙向無線通訊技術[3]。

上下位機均使用串口TTL電平信號轉Zigbee無線網絡信號。系統采用TTL電平信號對于計算機處理器控制的設備內部的數據傳輸是很理想的，傳輸速度快，適合二進制數據傳輸。上下位機通訊的實質主要是雙方要規定好傳輸的數據格式，本系統采用異步串行通訊格式。數據包格式為：首部，數據，尾部。1個字節為一個傳輸單位，無校驗位，1位停止位。首部為數據字節數，報尾為數據異或校驗碼，數據主要是控制指令和傳感器數據。整個通訊過程我們要確保上下位機時鐘同步、數據同步、操作同步。數據包格式如圖4所示。

4 上位機的設計

上位機主要用于對下位機進行監視并控制，所以上位機采用基于.Net平臺開發。數據交互采用串口通訊方式，本地數據庫采用MySQL。數據庫用于存儲各個植物，物種的種植信息，可通過軟件進行查詢。軟件界面采用圖形化直觀的表現方式，如折線圖，能直觀看出數據走勢。當上位機接收到下位機實時傳遞的數據時，會自動繪出數據的折線圖，并將獲得數據與數據庫內數據進行校準，根據校準值，自動安排下次的澆灌任務時間及間隔。上位機的主界面如圖5所示，定位設置界面如圖6顯示。

在Visual Studio 2017中創建一個窗體應用程序，拖動控件進行UI界面布局。

使用Chart控件，創建折線圖表，用于顯示由下位機回傳的數據。

使用SerialPort類，創建一個可以增刪改的串口對象，用于連接下位機。串口設置為波特率115200，8位數據位，1位停止位，無奇偶校驗位。

使用Mysql.Data.MysqlClient組件來進行數據庫的操作，創建連接對象及賦值依次為server，user id，password，database。創建連接成功后便可以進行數據的增刪改查。

使用datetimepicker控件來創建日期選擇框，單擊可選擇年-月-日-時-分-秒，日期將作為工作時間，作為控制信息傳遞至下位機。數據庫表，如表1所示。

使用WebBrower控件創建地圖頁面，使用Html與JavaScript語言進行編程，百度地圖API的瀏覽器服務使用方法如下：

地圖創建初始化方法有：createMap（）；//創建地圖setMapEvent（）；//設置地圖事件addMapControl（）；//向地圖添加控件等。

5 結語

本系統軟硬結合，運用了信息反饋調節和自動化的思想，相對以前具有成本低、體積小、移動性強、維護方便，容易升級和擴展等優勢。該系統不僅可以滿足普通農業生產的需要，可以作為智慧農業的一個過渡產品。在該系統的基礎上繼續開發增加其他的組成模塊，以滿足日益增加的農業生產需要，可應用在一般科學種植大棚，并有利我國在智慧農業上的改革和提升。

參考文獻

[1]李月潔.基于單片機的自動澆花器的設計[J].科技展望，2017，27（26）：142-143+145.

[2]宋寶林.基于單片機的水箱水位及溫度控制系統[J].自動化應用，2017，（02）：35-36+56.

[3]王青.單片機與PC機通信的設計與仿真[J].實驗室研究與探索，2016，35（12）：100-103.

[4]牛寅.設施農業精準水肥管理系統及其智能裝備技術的研究[D].上海大學，2016.

[5]李玲.基于數據挖掘的盆栽智能澆灌系統研究與實現[D].青島理工大學，2013.