基于ESP32的大田水肥一體化控制系統設計

摘" 要： 為解決在傳統大田作物種植過程中的水肥一體化集成度低、成本高、遠程監控與管理困難的問題，設計一個能夠遠程控制的水肥一體化控制系統。該系統包含主控模塊、數據采集模塊、執行裝置模塊和遠程控制模塊，實現了對水肥一體化的全面控制。通過數據采集模塊獲取EC值、肥液流量等數據，主控模塊主要進行智能化分析，通過執行裝置模塊實現對水肥的自動施用，再使用遠程控制模塊對數據進行存儲，并允許用戶通過遠程方式監控和調整系統工作狀態。經測試，該系統在本地控制時響應耗時平均為16.5 ms，遠程控制響應平均耗時為1 290 ms，遠程控制與本地控制所顯示的系統工作狀態以及傳感器數據實時同步。該系統設計為大田作物水肥一體化管理提供了一種先進、高效的解決方案，提高了水肥一體化的集成度，降低了成本，并解決了遠程監控難題。

關鍵詞： 水肥一體化； ESP32； 遠程控制系統； 大田作物； 本地控制； RS 485通信

中圖分類號： TN926?34； TP23" " " " " " " " " " " " 文獻標識碼： A" " " " " " " " " "文章編號： 1004?373X（2024）14?0103?05

Design of integrated field water and fertilizer control system based on ESP32

MAO Bowen1， LI Yongke1， 2， 3， WANG Lei1， 2， 3， SUN Huajian1， ZHOU Wenyi1

（1. School of Computer and Information Engineering， Xinjiang Agricultural University， Urumqi 830052， China;

2. Intelligent Agriculture Engineering Research Center of the Ministry of Education， Urumqi 830052， China;

3. Xinjiang Agricultural Informatization Engineering Technology Research Center， Urumqi 830052， China）

Abstract： In order to solve the problems of low integration， high cost and difficult remote monitoring and management of water and fertilizer integration in the process of traditional field crop planting， a water and fertilizer integration control system that can be remotely controlled is designed. The system includes main control module， data acquisition module， actuator module and remote control module， which can realize the comprehensive control of water and fertilizer integration. The EC value， fertilizer flow rate and other data are obtained by means of the data collection module， while the main control module is used to mainly conduct intelligent analysis and automatically application water and fertilizer by means of the execution device module. The remote control module is then used to store the data and allow users to remotely monitor and adjust the system's working status. After testing， the average response time of the system during local control is 16.5 ms， and the average response time for remote control is 1 290 ms. The system's working status and sensor data displayed by remote control and local control are synchronized in real time. The designed system can provide an advanced and efficient solution for integrated management of water and fertilizer in field crops， which can improve the integration degree of water and fertilizer integration， reduce costs， and solve the problem of remote monitoring.

Keywords： water and fertilizer integration; ESP32; remote control system; field crops; local control; RS 485 communication

0" 引" 言

水肥資源是農業生產中極為重要的農業資源，而我國的水資源在時空分布中不盡合理，人均水資源更是只有世界人均水平的[13]。其中農業灌溉用水缺口大，浪費嚴重，亟需更加有效的水資源利用方案[1?2]。同時，我國又是世界肥料生產和使用大國，化肥的使用量居全球第一。然而由于農業生產過程中不合理的施肥方式，使

得肥料的利用率不足50%，遠低于美國等發達國家的肥料利用率。水肥一體化技術正是在此背景之下應運而生[3]。

水肥一體化技術是通過對灌溉以及施肥的精細化控制，依照肥隨水走的原理將兩者有機結合，以此提高大田作物的水肥利用率，減少資源浪費，最終達到為農民減少投入、增加收益的效果[4]。水肥一體化技術的發展起于20世紀上半葉，經過多年發展，于20世紀60年代最早應用于以色列，后續多個發達國家開始研制水肥一體化控制方面的相關模型。進入21世紀，隨著物聯網、MCU以及智能控制技術的迅猛發展，各國水肥一體化設備逐步進入智能化時代，例如以色列的智慧農業領域的知名公司Eldar?Shany所開發的肥滴佳、肥滴美等水肥一體化智能設備[5]。而國內的水肥一體化技術起步晚、發展時間短，但發展迅速，國內部分企業以及高校已自主研發了大量的水肥一體化設備，并向智能化方向發展。但是我國的水肥一體化設備目前多處于試驗階段，實際應用較少，無法滿足大田農業的需要[6?8]。為此，本文設計一種大田水肥一體化自動控制系統。

1" 大田水肥一體化自動控制系統構成

大田水肥一體化自動控制系統主要包含主控模塊、數據采集模塊、執行裝置模塊、遠程控制模塊，系統總體結構如圖1所示。

系統的數據處理以及決策功能由主控模塊完成，該模塊負責接收由數據采集模塊收集的系統運行狀態信息和傳感器數據，再依照用戶制定的灌溉施肥規則做出決策，將指令信息下發至執行裝置模塊，達到實時控制[9]。而用戶擁有兩種方式獲取系統運行狀態并依次制定灌溉施肥規則：第一種采用本地控制，使用HMI觸控屏直接實現人機交互；第二種采用遠程控制，使用微信小程序實現對系統的監測與控制。HMI觸控屏是主控模塊的一部分，通過UART與主控模塊中的ESP32控制器進行數據傳輸，實現控制指令下發以及狀態信息更新[10]。遠程控制模塊通過云平臺接口下發指令，使用MQTT協議傳輸至主控模塊，實現對執行模塊的遠程控制。

1.1" 主控模塊

主控模塊是整個系統的核心，由ESP32微控制器、HMI觸控屏構成，使用ESP32微控制器接收并處理數據采集模塊所采集的水肥機運行數據，將其同步顯示在HMI觸控屏以及遠程手機小程序中，并接收這兩個控制模塊所下發的控制指令，更改執行裝置模塊的工作狀態[11]。

1.2" 數據采集模塊

數據采集模塊是大田水肥一體化自動控制系統運行的基石，該模塊由多個傳感器構成，監測出水口壓力、水肥混合液中的EC值、肥液桶液位以及吸肥通道流量等。系統運行過程中各類傳感器、執行裝置的狀態采用RS 485協議與主控模塊進行通信，完成數據上報。

1.3" 執行裝置模塊

執行裝置模塊是系統的硬件主體部分，包含輸肥管道、離心泵、變頻器、電磁閥等設備。

1.4" 遠程控制模塊

系統的遠程控制模塊包含云服務器以及微信小程序。云服務器使用Tlink物聯網平臺，小程序通過云服務器與主控模塊實現信息交互。

2" 系統硬件結構設計

2.1" 主控模塊

主控模塊在系統中主要承擔數據處理、分析、展示以及數據下發的功能，故處理器選用ESP32?woom?32UE微處理器，數據展示選用淘晶馳X5系列HMI觸控屏。

ESP32?woom?32UE是樂鑫科技研發的一款IoT模組，該模組內置ESP32?D0WD?V3芯片，時鐘頻率高達240 MHz，擁有4 MB FLASH存儲，支持UART、SPI、SDIO、I2C、IR、DAC等多種接口，內置WiFi功能，滿足該系統設計需求。

HMI觸控屏選用淘晶馳X5系列，該觸摸屏大小為5寸，分辨率為800×480，基于ARM9芯片，時鐘頻率為200 MHz，并擁有120 MB FLASH存儲，支持圖片、視頻、文件等操作。

2.2" 數據采集模塊

數據采集模塊中的數據主要由出水口壓力、輸肥通道流量、肥液桶液位等構成。所有傳感器通過RS 485總線傳輸至主控模塊，電源供電采用外部電源24 V供電。

2.2.1" 壓力與液位傳感器

壓力數據采集選用美控公司的MIK?P300壓力變送器，液位傳感器選用菲爾斯特公司的投入式液位變送器。兩者均采用壓阻效應原理，使用惠斯通電橋電路進行測量。惠斯通電橋電路如圖2所示，該電路由4個橋臂電阻Ra、Rb、Rc、Rd構成，電源供電一般采用恒流源供電。

圖2中Ra、Rc受到外力時阻值增大，Rb、Rd受到外力時阻值減小，輸出一個對應壓力變化的電信號Vout，表達式如下：

[Vout=VinRbRa+Rb+RcRc+Rd] （1）

常規情況下4個電阻阻值相同，均為R，4個橋臂電阻的阻值發生變化并且阻值變化相同，故其關系為：

[Vout=ΔRRVin=ΔRIin] （2）

由公式（2）可知，電壓信號在通過一定的放大電路以及線性矯正電路的補償后，產生與輸入電流成線性對應關系的電壓信號，通過對電壓信號的測量來完成對壓力數據測量，再通過液體高度與壓力之間的線性關系得出高度數據。傳感器具體參數如表1所示。

2.2.2" 電磁流量計

流量計采用德陽新泰公司研發的LD?S緊湊型電磁流量計，供電電壓范圍在18～36 V，測量精度為±0.3%，測量范圍在0.15～22.5 m3/h。

電磁流量計工作原理是：基于法拉第電磁感應定律，流量計工作時其內部的勵磁線圈將會構建垂直于導電流體的磁場，當檢測的導電流體流過流量計內部所構建的磁場時，會在流量計兩側產生電動勢。流量計內部的電極獲取到電動勢后轉為電壓信號，在其他物理條件已知的情況下即可得到所在管道內部的瞬時體積流量。

2.2.3" 電導率傳感器

電導率傳感器分為電導電極與主機兩部分。電導電極選用二極石墨電極，耐溫范圍為0～80 ℃，耐壓范圍為0～0.3 MPa，電極常數為1.0，測量范圍為0～70 ms/cm，檢測精度為±1%FS/24 h。主機選用工業電導率主機，具備最重要的自動溫度補償，可以使用NTC10K電極。數據通信采用RS 485。

電導率傳感器的測量原理是基于電解液導電原理，采用電阻測量法測量溶液。具有精度高、響應快、結構簡單、制造方便的電極型電導率傳感器已在生產生活等領域廣泛應用[12]。

2.2.4" RS 485通信模塊

考慮到大田環境干擾以及性價比等因素，數據采集模塊中選用的傳感器數據傳輸協議為ModBus?RTU通信協議。該通信模塊按照需求選用MAX13487芯片，電路原理圖如圖3所示。

2.3" 執行裝置模塊

該模塊包含有施肥管路、施肥泵、電磁閥以及文丘里吸肥器等部件，施肥管路采用管徑為32 mm的UPVC管道。施肥泵采用功率為2.2 kW的多級離心泵，額定量程為65 m，流量為４m3/h。電磁閥選用直流24 V供電的不銹鋼電磁閥，工作壓力在0～6 bar，進出口口徑為32 mm。輸肥管路中的文丘里吸肥器、過濾器、止回閥等器件均選用UPVC材質，口徑大小選用32 mm。執行裝置結構如圖4所示。

3" 軟件設計方案

3.1" 主控模塊軟件設計

主控中的軟件設計分為ESP32主控軟件與HMI觸控屏軟件兩部分。ESP32軟件設計通過微軟旗下的VS Code文本編輯器+Platform IO插件接入Arduino平臺，進行軟件開發環境搭建，程序采用C++語言編寫[13]。HMI觸控屏軟件設計使用淘晶馳研發的USART HMI上位機軟件環境，程序采用組態化設計，使用上位機內部語言編寫。

ESP32控制程序包含系統初始化、數據采集、HMI觸控屏數據通信、云服務器數據通信、執行器控制等。

程序在上電后重置繼電器狀態，初始化執行裝置模塊，通過ESP32帶有的WiFi功能實現網絡連接，通過MQTT協議與遠程控制模塊中的云服務器實現數據通信。為保證數據通信鏈路正常，若發生通信失敗則立刻重啟網絡連接，重構數據通道[14]。數據采集子程序通過RS 485總線，按照ModBus數據幀格式依次獲取數據采集模塊中出水口壓力、輸肥通道流量、肥液桶液位等傳感器的實時數據，以及執行裝置模塊中變頻器、水泵、電磁閥的運行狀態，時間間隔為5 s；接收數據并按照數據處理規則解析完成后轉送至HMI觸控屏；在觸控屏中刷新顯示，轉送至云服務器中進行數據存儲并同步小程序數據顯示。

ESP32微控制器使用多線程實時接收外部的控制信息，當用戶使用HMI觸控屏或者遠程控制模塊對執行模塊下發控制指令時，ESP32會根據歷史控制記錄來確認此次指令的合理性，完成對執行裝置的控制。ESP32控制程序流程如圖5所示。

HMI觸控屏軟件主要由人機交互界面（UI）組件構成，添加按鈕組件實現設備運行參數設置以及控制指令下發；添加文本與數字組件展示水肥一體化自動控制系統中執行裝置模塊中的設備運行狀態，以及傳感器所監測的實時數據。

用戶可以使用按鈕組件控制執行裝置的運行狀態；可以設定水肥一體化系統執行狀態為手動或者自動控制，同時為用戶提供參數設置界面；可設定施肥時間、施肥流量等參數以達到定時控制的效果。HMI觸控屏程序設計頁面如圖6所示。

3.2" 遠程控制模塊軟件設計

遠程控制模塊采用微信小程序設計，通過獲取云平臺中的數據更新狀態信息。邏輯交互基于Promise的異步請求方式，更好地保證數據通信的穩定性、安全性[15]。小程序攜帶當前用戶的Token身份認證，經過TP?LINK平臺的身份驗證，獲取到對應用戶帳戶綁定的設備信息；再根據平臺對外提供的API接口實現對特定設備的控制，從而實現對整個水肥一體化全過程的控制。微信小程序設計如圖7所示。

4" 系統測試

根據搭建完成的水肥一體化自動控制系統，采用本地控制以及遠程控制兩種方式對控制指令數據包從下發到控制的通信實時性進行測試。本次測試持續7 h，數據包理論下發間隔為30 s，共測試800次，其中本地控制與遠程控制各400次。本地控制指令下發測試結果如表2所示，通信最大延遲為63 ms。

遠程控制指令下發測試結果如表3所示，通信最大

延遲為1 815 ms，平均延遲最大為1 363 ms。每次控制指令下發后，遠程控制端與本地控制端的狀態顯示同時改變并保持一致，且無丟包，達到了工業使用的需求標準。

5 結" 語

本文設計一種本地HMI觸控屏與遠程微信小程序控制的水肥一體化智能控制系統，基于ESP32控制，旨在實現對農田灌溉施肥過程的本地和遠程雙重智能化控制。系統能夠有效監控肥液的EC值、輸肥通道流量、肥液桶液位等數據，并將數據傳輸至HMI屏以及微信小程序中刷新、顯示；用戶同樣可以使用這兩種控制方式實現控制指令的下發，完成執行裝置的控制。

注：本文通訊作者為李永可。

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