基于嵌入式開發(fā)的智能水肥一體化監(jiān)控系統(tǒng)

郭建文，高曉婷，王玥，劉宇琪，胡孝鴻

（中國礦業(yè)大學(xué)徐海學(xué)院，江蘇徐州，221000）

0 引言

眾所周知，我國溫室和大棚蔬菜疾速發(fā)展，圍繞農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上對溫室大棚的環(huán)境治理、種類抉擇、栽培管理、均衡施肥、科學(xué)施藥和節(jié)水節(jié)能等問題得到諸多關(guān)注。在農(nóng)業(yè)栽培技術(shù)現(xiàn)代化與信息化同時發(fā)展的大歷史背景下，種植業(yè)生產(chǎn)已步入了信息化時代，水肥一體化系統(tǒng)也在大田農(nóng)作物生產(chǎn)中的應(yīng)用越來越廣泛。

本文對該系統(tǒng)進行創(chuàng)新，農(nóng)業(yè)領(lǐng)域與智能化技術(shù)相結(jié)合為背景下的一種全新工作模式——基于嵌入式開發(fā)的智能水肥一體化監(jiān)控系統(tǒng)。與傳統(tǒng)模式相比，該模式能夠節(jié)約大批人工，在減少肥料消耗量的同時減少水資源的浪費，防止因為過量施肥而造成農(nóng)作物燒根的問題。能夠模擬出農(nóng)作物成長周期中的各種生長需求，結(jié)合實際情況可以對水分、營養(yǎng)供應(yīng)量加以適當(dāng)調(diào)整，確保農(nóng)作物處于最佳營養(yǎng)狀態(tài)、水分足夠供應(yīng)的狀態(tài)下，以提高農(nóng)作物生長質(zhì)量。本文即闡述一種基于STM32模塊并聯(lián)合樹莓派的智能水肥一體化監(jiān)控系統(tǒng)，就系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵內(nèi)容進行分解與探討。

1 系統(tǒng)總體方案

整個基于嵌入式開發(fā)的智能水肥一體化監(jiān)控系統(tǒng)從構(gòu)造上來看，能夠分為四個部分，第一是電氣部分，第二是核心控制器設(shè)計部分，第三是數(shù)據(jù)處理部分，第四是灌溉施肥管理結(jié)構(gòu)部分?；谇度胧介_發(fā)的智能水肥一體化監(jiān)控系統(tǒng)以STM32為主控芯片，應(yīng)用PID算法，通過WiFi無線技術(shù)進行通信，實現(xiàn)對傳感器溫度、濕度、酸堿度、光照強度的監(jiān)測，通過STM32對傳感器收集的數(shù)據(jù)，最后樹莓派對數(shù)據(jù)的處理和分析，進行和數(shù)據(jù)庫進行比對根據(jù)作物的施肥比例制定施水、施肥的方案，通過無線網(wǎng)把數(shù)據(jù)上傳到用戶端，用戶可以隨時查看土壤、灌溉和施肥情況，也可以通過手機控制灌溉和施肥的量，當(dāng)化肥量不足時會通知用戶及時添加。樹莓派通過施肥量、光照強度等數(shù)據(jù)，可以模擬農(nóng)作物的生長情況，并將數(shù)據(jù)傳輸給用戶。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框圖

1.1 系統(tǒng)模擬

在研究農(nóng)作物產(chǎn)量等問題上，首先得了解不同農(nóng)作物在不同生長周期的生長需求以及最佳生長速度。農(nóng)作物的生長周期都比較長，不適宜直接拿實際的農(nóng)作物進行研究。因此我們首先采用WOFOST軟件對種植農(nóng)作物進行生長模擬，本軟件根據(jù)往年該地的氣候情況，選擇種植的農(nóng)作物后，得出農(nóng)作物在無災(zāi)害，水肥、陽光充足下的模擬情況。我們可以根據(jù)數(shù)據(jù)估計出該農(nóng)作物產(chǎn)量多少、最佳施肥時間。我們將其各種數(shù)據(jù)存儲在數(shù)據(jù)庫中，作為后續(xù)種植用戶監(jiān)控農(nóng)作物生長周期的參照。

在種植農(nóng)作物之前，首先需要對土壤進行施加肥料。在農(nóng)作物整個生長周期中，也需要對農(nóng)作物不斷進行肥料供給，可以先采用試驗小區(qū)施肥量計算器得到最合適的肥料基追比。

圖2 WOFOST軟件結(jié)果分析圖

圖3 試驗小區(qū)施肥量計算器計算結(jié)果

1.2 智能水肥一體化監(jiān)控系統(tǒng)主體功能研究設(shè)計

基于嵌入式開發(fā)的智能水肥一體化監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計可以分為傳感器層、控制層和傳輸層。通過各層間的相互作用，以實現(xiàn)主要功能：

（1）傳感器層：傳感器層采用不同的傳感器與STM32相連，通過各種傳感器測量的數(shù)據(jù)發(fā)送到STM32。傳感器時刻監(jiān)測土壤的濕度、酸堿度、溫度以及光照強度。

（2）控制層：STM32將接收到的數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送到樹莓派里，通過進一步分析數(shù)據(jù)，可以得出農(nóng)作物的生長情況。通過與數(shù)據(jù)庫里的數(shù)據(jù)對比，可以對農(nóng)作物進行適宜的操作，確保農(nóng)作物處于最佳水分和養(yǎng)分。

（3）傳輸層：通過無線網(wǎng)把數(shù)據(jù)上傳到用戶端，用戶可以隨時查看土壤、灌溉和施肥情況，施肥灌溉方案可以系統(tǒng)智能控制或者用戶通過手機進行控制。

該系統(tǒng)實現(xiàn)這些功能的前提是采用太陽能進行供電，電池作為備用電源；該系統(tǒng)設(shè)有防水、防室外各種惡劣天氣的保護套，可以延長系統(tǒng)使用壽命。

2 系統(tǒng)各功能模塊簡介

STM32處理器將接收到多組傳感器的數(shù)據(jù)，經(jīng)過處理之后發(fā)送到樹莓派中，樹莓派通過這些數(shù)據(jù)計算可以得出相對應(yīng)的施肥量。

系統(tǒng)的主要硬件組成：STM32最小系統(tǒng)板、樹莓派、土壤PH值檢測模塊、溫濕度檢測模塊、土壤濕度檢測模塊、二氧化碳檢測模塊、OLED顯示模塊、無線傳輸模塊等系統(tǒng)模塊。

2.1 STM32F103主控芯片

本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)監(jiān)測和數(shù)據(jù)處理使用STM32F103處理器作為主控芯片，控制所有的傳感器采集數(shù)據(jù)并將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到用戶手機端和樹莓派進行下一步數(shù)據(jù)處理。STM32F103處理器使用ARM公司高性能“Cortex-M3”內(nèi)核的F103系列，可以連接和控制多個外設(shè)，工作頻率達(dá)到72MHz，1.25DMIPS/MHz。擁 有us級 的12位A/D轉(zhuǎn) 換通道，測量范圍0～3.6V，最大造成的誤差為1/9192，因此STM32采集出來的數(shù)據(jù)誤差就會很低，并且具有雙采樣和保持能力。STM32F103通過外掛ESP8266WiFi模塊，連接物聯(lián)網(wǎng)平臺，將傳感器采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送給用戶，用戶可以通過APP進行遠(yuǎn)程監(jiān)控。

2.2 樹莓派

樹莓派一款基于ARM的微型電腦主板，具備PC所有的基本功能，能運行多種操作系統(tǒng)。施肥量算法在樹莓派運行，用戶只需要樹莓派輸入種植的農(nóng)產(chǎn)品類型，樹莓派會把輸入的數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)庫進行對比，然后結(jié)合STM32發(fā)送過來的傳感器采集到的數(shù)據(jù)進行運算，保持農(nóng)作物最佳的施肥量和灌溉量。

2.3 DHT11溫濕度檢測模塊

在環(huán)境溫濕度檢測系統(tǒng)中使用的是復(fù)合式數(shù)字傳感器DHT11溫濕度傳感器。DHT11數(shù)字溫濕度檢測模塊包括一個NTC測溫元器件和一個電容式感濕元器件，并與一個高性能的8位單片機相連接。DHT11與單片機的通信采用單總線數(shù)據(jù)格式，進行一次通信時間4ms左右，數(shù)據(jù)分為小數(shù)部分和整數(shù)部分。

當(dāng)DHT11接收到開始信號后，會從低功耗模式轉(zhuǎn)到高速模式，發(fā)送40bit的數(shù)據(jù)，用戶能夠自行選擇讀取數(shù)據(jù)。DHT11發(fā)送的每1bit數(shù)據(jù)都以50μs低電平開始，高電平的長短決定數(shù)據(jù)位是0還是1。

2.4 PH傳感器模塊

PH傳感器主要監(jiān)測土壤的酸堿性，每種農(nóng)作物對土壤的酸堿性要求都不一樣，當(dāng)土壤過酸或者過堿是進行調(diào)節(jié)，使達(dá)到農(nóng)作物最佳的生長狀態(tài)。本設(shè)計的PH傳感器模塊是通過BNC接口與PH復(fù)合電極進行相連接，而且搭配DS18B20溫度傳感器進行組合使用。

DS18B20溫度傳感器是為了方便進行軟件溫度補償而設(shè)計，使用電位器進行放大倍數(shù)的調(diào)節(jié)。PH傳感器是用于檢測被測物體中氫離子濃度并且轉(zhuǎn)換成相對應(yīng)的可輸出信號的傳感器，PH測量屬于原電池系統(tǒng)，將化學(xué)能轉(zhuǎn)換成電能，兩端電壓被稱為電極電位，由兩個電池構(gòu)成，其中一個稱為測量電極，另外一個為參比電極，并且遵循能斯特方程。

氧化還原體系：

如果是對于金屬電極，還原態(tài)是純金屬，其活度是常數(shù)，

圖4 PH傳感器模塊電路圖

定為1，則式子可以寫為：

公式中：E—電極電位、E0—電極的標(biāo)準(zhǔn)電壓、R—氣體常數(shù)、T—開式絕對溫度、F—法拉第常數(shù)、n—被測離子的化合價、aMe—離子活躍度。

能斯特公式：

2.5 土壤濕度傳感器模塊

土壤濕度傳感器主要用來測量土壤容積的含水量，該模塊采用FDR型，具備快速精確、寬量程、少定標(biāo)等優(yōu)點。當(dāng)土壤較為干燥的時候，土壤電阻趨于無窮大，濕潤時相反。

土壤濕度傳感器依據(jù)土壤電阻的變化輸出不同的模擬信號值，從而檢測土壤濕度的變化，可以使用電位器來設(shè)置土壤濕度閾值。

圖5 土壤濕度傳感器模塊電路圖

2.6 二氧化碳檢測模塊

二氧化碳檢測模塊采用MH-Z16小型傳感器，采用非色散紅外（NDIR）吸收法進行檢測空氣中二氧化碳濃度，內(nèi)部有溫度傳感器，具有溫度補償性能，檢測精度高，使用串口進行數(shù)據(jù)的輸出，在使用該模塊時需要先預(yù)熱180s。二氧化碳濃度會隨季節(jié)性的變化而產(chǎn)生變化，當(dāng)二氧化碳濃度低時，光合作用減少，需要給農(nóng)作物適量的添加肥料。

2.7 ESP8266通信模塊

運用的無線通信模塊是ALIENTEK推出的一款高性能的UART-WiFi模塊，內(nèi)部嵌有TCP/IP協(xié)議棧，內(nèi)部可以進行串口與WiFi之間的轉(zhuǎn)換，而且支持LVTTL串口，可以很好地兼容3.3V和5V的單片機系統(tǒng)。ESP8266通信模塊支持WiFi STA+WiFi IAP、串口轉(zhuǎn)WiFi STA和串口轉(zhuǎn)WiFi AP的模式，從而能夠方便快速地建立串口-WiFi的數(shù)據(jù)傳輸方案，可以使設(shè)施愈加方便地運用互聯(lián)網(wǎng)，將數(shù)據(jù)傳送給上位機。

本系統(tǒng)ESP8266通信模塊連接上機智云物聯(lián)網(wǎng)云服務(wù)平臺，需要下載機智云APP，就可以連接上ESP8266通信模塊，通過手機進行遠(yuǎn)程的查看數(shù)據(jù)或者手動施肥。

圖6 ESP8266通信模塊

2.8 顯示模塊

該系統(tǒng)還搭配一塊0.96寸OLDE屏幕進行數(shù)據(jù)的查看，OLED 屏幕顯示模式通過有機發(fā)光二極管發(fā)光顯示，使用SSD1306作為驅(qū)動IC，內(nèi)部具有升壓功能，所以電路設(shè)計的時候不需要再額外設(shè)計升壓電路。OLED屏幕有五種接口連接單片機，分別為6800、8080兩種并行連接模式、經(jīng)過四線或者三線的串行SPI連接，或者利用I2C連接方式。

OLED屏幕顯示各傳感器采集到數(shù)據(jù)，不僅可以通過手機查看數(shù)，也可以通過系統(tǒng)搭配的屏幕查看數(shù)據(jù)變化。

3 軟件設(shè)計

3.1 通信

ESP8266與上位機通信模式是串口轉(zhuǎn)WiFi STA，使用無線局域網(wǎng)絡(luò)制定的802.11協(xié)議簇。在STA和AP之間傳送數(shù)據(jù)之前，需要三個階段才能完成接入：掃描、認(rèn)證和關(guān)聯(lián)。在軟件通信過程中：

STA偵聽beacon幀或者發(fā)送probe request幀給AP。

STA和AP提供身份信息。

STA和AP信息通信關(guān)系建立，進行數(shù)據(jù)收發(fā)通信。

表1

3.2 數(shù)據(jù)處理

樹莓派將接收到數(shù)據(jù)存儲到sqlite3數(shù)據(jù)庫中，進行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計和分析。在灌溉施肥系統(tǒng)中允許用戶設(shè)置肥液配方、肥液通道配置方案以及肥液比例等關(guān)鍵參數(shù)。在系統(tǒng)執(zhí)行灌溉施肥算法時，系統(tǒng)會根據(jù)用戶設(shè)置的灌溉策略以及系統(tǒng)分析采集的數(shù)據(jù)自動生成更加高效地控制參數(shù)，啟動施肥控制功能，下面我們將以土豆作為示例進行分析。

4 灌溉施肥管理結(jié)構(gòu)

智能水肥一體化系統(tǒng)首先是要實現(xiàn)系統(tǒng)自主決策，就是讓系統(tǒng)對農(nóng)作物生長周邊環(huán)境和生長狀況進行數(shù)據(jù)采集和智能分析，由系統(tǒng)核心做出合適的水肥決策。系統(tǒng)需要根據(jù)作物需水、需肥規(guī)律、土壤保水、保肥能力、土壤供肥、保肥特性以及肥料效應(yīng)，在灌溉的基礎(chǔ)上，合理調(diào)配主要營養(yǎng)素（氮、磷、鉀）的用量比例。本系統(tǒng)為滴灌澆灌方式，需要實行少量多次灌溉的原則。采用天氣、土壤和作物長勢實時數(shù)據(jù)，把作物灌溉用肥料按灌水時間和次數(shù)進行分配，充分利用灌溉系統(tǒng)進行施肥，適當(dāng)增加施肥數(shù)量和次數(shù)，實現(xiàn)少量多次，精準(zhǔn)用肥，提高養(yǎng)分利用率。

圖7

具體地說，通過物聯(lián)網(wǎng)傳感系統(tǒng)，采集當(dāng)?shù)貧庀髷?shù)據(jù)，提供當(dāng)?shù)?、?dāng)時生長環(huán)境參數(shù)，它采用作物生長，根系生長，土壤水分大數(shù)據(jù)分析和智能決策數(shù)學(xué)模型，引擎融入知識學(xué)習(xí)、機器學(xué)習(xí)等人工智能技術(shù)，并預(yù)測未來氣象的發(fā)展?fàn)顟B(tài)，根據(jù)預(yù)測并深度分析作物生長的關(guān)鍵數(shù)據(jù)給出決策方案。它是通過土壤水分傳感器數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)分析，找出作物的ETc和Kc動態(tài)變化的數(shù)值。引擎會自動通過傳感器數(shù)據(jù)分析ET墑與T墑在根系層的主要分布位置，動態(tài)感應(yīng)農(nóng)作物吸水活躍根系和最大吸水、吸肥根系深度位置，提出并實現(xiàn)基于作物根系層分布密度進行分層精確灌溉的方法。

5 結(jié)語

本論文設(shè)計的是基于STM32與樹莓派的聯(lián)調(diào)與通信，模塊化的設(shè)計，通過不同模塊之間的數(shù)據(jù)通信來實現(xiàn)整個系統(tǒng)的功能。實現(xiàn)基于WiFi的與上位機的無線信息通訊，使用傳感器采集相關(guān)數(shù)據(jù)后，通過串口發(fā)送到樹莓派上進行水肥比例方案制作，再向STM32發(fā)送數(shù)據(jù)，控制水和肥料的閥門，減輕農(nóng)民的工作量。該系統(tǒng)有比較大的開發(fā)意義，特別是如今我國淡水資源嚴(yán)重短缺，能夠節(jié)省水資源，降低化肥的使用，減少污染，同時人們的健康得到了保障。