智慧農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

付少華，蘭壬庚，李 偉，熊尤煒，易林鳳

（1.重慶工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，重慶402260；2.杭州逍邦網(wǎng)絡(luò)科技有限公司，杭州310052；3.重慶海集農(nóng)業(yè)開發(fā)有限公司，重慶400039）

0 引言

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的灌溉數(shù)據(jù)分析是智慧農(nóng)業(yè)的關(guān)鍵技術(shù)之一，由于農(nóng)業(yè)土地面積廣、位置偏，人工現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)效率低［1］，采集信息滯后且有殘缺，造成生產(chǎn)險(xiǎn)情未能及時(shí)發(fā)現(xiàn)；而利用基于物聯(lián)網(wǎng)的農(nóng)業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)可以遠(yuǎn)距離采集農(nóng)業(yè)土地環(huán)境信息，從而及時(shí)掌握農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境信息并提高效率，降低人工成本，實(shí)現(xiàn)科學(xué)監(jiān)控，指導(dǎo)農(nóng)業(yè)發(fā)展[2-4]，但該監(jiān)測系統(tǒng)操作不夠方便和靈活。隨著移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，劉書倫等提出基于物聯(lián)網(wǎng)Android 平臺(tái)的遠(yuǎn)程智能節(jié)水灌溉系統(tǒng)[5]，設(shè)計(jì)了簡單的移動(dòng)端界面，主控芯片采用的是嵌入式處理器S3C6410，其功耗高、成本高、內(nèi)存小且需要外部Flash 模塊集成使用。為了解決該問題，程力等人的智能農(nóng)業(yè)大棚環(huán)境遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[6]，針對(duì)硬件功耗做了改進(jìn)，主控制器采用STM32F103 型單片機(jī)，但數(shù)據(jù)收發(fā)模塊只能使用2G 網(wǎng)絡(luò)下的GPRS，以至于實(shí)際傳輸速度較慢，數(shù)據(jù)傳輸有丟包現(xiàn)象。

隨著國家新基建的開展，目前國家建立了大量的4G、5G基站，大部分地區(qū)的有限網(wǎng)絡(luò)的WiFi 也提高到100 M 到1 000 M，即使在偏遠(yuǎn)的農(nóng)田，4G 信號(hào)也已經(jīng)覆蓋。為了改進(jìn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣群屯ㄓ嵕W(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性，本文通過WiFi和4G 通信模塊傳輸數(shù)據(jù)，采用STM32F407處理器作為主控模塊處理數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了農(nóng)場農(nóng)作物生長環(huán)境實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集監(jiān)控，并設(shè)計(jì)了智慧農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)。

1 智慧農(nóng)業(yè)遠(yuǎn)程灌溉系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

智慧農(nóng)業(yè)遠(yuǎn)程噴灌系統(tǒng)使用農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)及智能化設(shè)備，對(duì)作物生長進(jìn)行全過程監(jiān)測。通過布置在田間的各種傳感器，實(shí)時(shí)采集溫度、濕度、二氧化碳、土壤的PH 值等生長環(huán)境的各種參數(shù)，通過RS484 傳輸?shù)角度胧街骺刂破髂K，主控制模塊包括電路板、STM32F4處理器、485總線接口、觸摸屏液晶顯示、按鍵控制，把傳感器數(shù)據(jù)處理后，使用RS485 連接到帶有4G 功能的無線串口服務(wù)器，最后通過田間的WiFi上傳到云端服務(wù)器，客戶可以隨時(shí)在LED 屏幕、電腦端和手機(jī)APP 上查看農(nóng)作物的生長環(huán)境情況[7-9]，在種植的過程中還安裝了攝像頭以達(dá)到實(shí)時(shí)觀看種植地的情況，攝像頭將數(shù)據(jù)直接上傳到云端服務(wù)器上，用戶觀看時(shí)不僅可直接在移動(dòng)端查看，還能通過前端顯示的數(shù)據(jù)進(jìn)行遠(yuǎn)程作業(yè)（見圖1）。

圖1 整體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Overall system structure diagram

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

（1）主控制器模塊設(shè)計(jì)。本文采用STM32F407 芯片作為本系統(tǒng)的主控制器模塊芯片，相比常見的STM32F103 核心芯片主頻更高，數(shù)據(jù)精度更高，內(nèi)存RAM 增加了3 倍，AD 采樣的通道更多，采樣速度從1μs提高到了0.4μs。在主控制器模塊上設(shè)計(jì)有按鍵、串口、網(wǎng)口等多個(gè)外設(shè)來實(shí)現(xiàn)其他控制功能，除此之外，在電路板上還設(shè)計(jì)有數(shù)字信號(hào)和模擬信號(hào)輸入端各5路，以接收檢測到的各種數(shù)據(jù)，做到農(nóng)業(yè)種植地環(huán)境的全面監(jiān)測。為了使該模塊長時(shí)間穩(wěn)定的處于工作狀態(tài)，還在電路板上集成了電壓轉(zhuǎn)換功能，以便適應(yīng)種植地的電源條件[10]，具體電路板如圖2所示。

圖2 主控制器模塊電路板Fig.2 Main controller module circuit board

（2）數(shù)據(jù)采集傳感器模塊。數(shù)據(jù)采集端主要對(duì)農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)環(huán)境信息進(jìn)行采集，本項(xiàng)目中設(shè)計(jì)了土壤溫濕度、土壤pH值、空氣溫濕度、視頻等多個(gè)監(jiān)測因子。

土壤溫濕度傳感器模塊：土壤的溫濕度會(huì)直接影響農(nóng)作物的生長情況，傳統(tǒng)的土壤溫濕度傳感器和土壤溫濕度控制模塊分離使用，控制模塊電路板容易潮濕進(jìn)水引起電路板損壞等情況。對(duì)此，本項(xiàng)目采用485 型土壤濕度傳感器集成模塊，材料采用防腐特制電極，不易被土壤侵蝕。在試驗(yàn)時(shí)，避開石塊等堅(jiān)硬物體，垂直向下挖直徑大約20~25 cm 的土坑，將傳感器探針?biāo)讲迦胪量觾?nèi)，將土坑內(nèi)填埋壓實(shí)，待測試數(shù)據(jù)穩(wěn)定后，可以使用測量和記錄的數(shù)據(jù)。

土壤pH 值：每種農(nóng)作物生長對(duì)土壤的pH 值都有一定的范圍要求，比如玉米的pH 值為6.0~7.0，項(xiàng)目采用高精度土壤儀，其金屬探頭能夠更快更準(zhǔn)的測試土壤的pH，安裝時(shí)，金屬探頭要和土壤充分接觸，對(duì)于實(shí)際測定點(diǎn)的土壤太干燥或者因施肥過多而無法測土壤的酸堿度時(shí)，可以在測定點(diǎn)位置上先潑點(diǎn)水，等待30 min后再測定[11]。

視頻：為了能夠遠(yuǎn)程觀察種植地的灌溉情況，采用海康威視的攝像頭作為視頻輸入接口，安裝成功之后即可使用，由于廠家提供二次開發(fā)的SDK，所以后臺(tái)及手機(jī)端開發(fā)可以直接調(diào)用第三方服務(wù)器接口，開發(fā)應(yīng)用程序。經(jīng)過試驗(yàn)，比用獨(dú)立的OV7725、OV7670 型攝像頭模塊采集視頻效果更清晰。

（3）ZigBee 數(shù)據(jù)傳輸模塊設(shè)計(jì)。該模塊的主要作用是將采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)街骺刂破髂K，其型號(hào)采用E72-2G4M05S1A。該模塊是以TI 公司生產(chǎn)的CC2630 為核心處理器的貼片型ZigBee 無線模塊， 對(duì)比傳統(tǒng)CC2530 處理器模塊，其最大發(fā)射功率可以達(dá)到100 MW ，具備傳輸距離可以達(dá)到500 到1 500 m，采用24 MHz 工業(yè)級(jí)高精度低溫漂有源晶振等優(yōu)點(diǎn)?？山M網(wǎng)的數(shù)量大，更加適合應(yīng)用在本系統(tǒng)中[12]。

（4）通訊單元設(shè)計(jì)。傳感器采集端的數(shù)據(jù)經(jīng)過嵌入式主控制器模塊上的MCU 中的算法處理后，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)酱诜?wù)器(DTU)，該服務(wù)器有wifi 功能版和4G 版，測試采用農(nóng)場里安裝的WiFi進(jìn)行，但距離過遠(yuǎn)時(shí)則采用4G 版本。DTU 服務(wù)器具有自動(dòng)緩存數(shù)據(jù)包功能，當(dāng)Socket鏈路異常斷開時(shí)，設(shè)備自動(dòng)緩存數(shù)據(jù)包，最大緩存10 K 字節(jié)數(shù)據(jù)。選用DTU 服務(wù)器有以下優(yōu)點(diǎn)：最大支持24 路TCP 連接，RS485 單次收發(fā)最大可支持300 kbps，最高支持230400 串口波特率，雙向連續(xù)收發(fā)，可實(shí)現(xiàn)文件、圖片遠(yuǎn)程傳輸；支持串口數(shù)據(jù)打包時(shí)間、打包長度可配置，可便利的在本地、遠(yuǎn)程獲取設(shè)備當(dāng)前的位置信息；支持標(biāo)準(zhǔn)ModBus RTU 與ModBus TCP 協(xié)議自適應(yīng)相互轉(zhuǎn)換；支持串口、短信發(fā)送AT指令的讀取。

主控制器模塊根據(jù)農(nóng)場控制策略，將采集的農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)發(fā)送至控制中心，其通信單元傳輸鏈路圖如圖3所示。DTU通信模塊內(nèi)部含有射頻功能以及外圍接口[13]。

圖3 通信單元傳輸鏈路圖Fig.3 Communication unit transmission link diagram

（5）灌溉執(zhí)行模塊單元。當(dāng)傳感器采集土壤濕度低于農(nóng)作物生長對(duì)水分的需求值時(shí)，采集值會(huì)自動(dòng)上傳到云端，系統(tǒng)自動(dòng)或者手動(dòng)啟動(dòng)灌溉指令，指令下傳到DTU 服務(wù)器，觸發(fā)繼電器，繼電器吸合后控制灌溉電磁閥打開，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)灌溉功能。

為保障灌溉單元的穩(wěn)定運(yùn)行，本實(shí)驗(yàn)選用開靈全銅常閉，與傳統(tǒng)相比，該電磁閥靈敏度高，可連接繼電器控制模塊進(jìn)行遠(yuǎn)程控制噴灌。電壓選配DC24V，流量孔徑選配35 mm，使用流體沾粘滯度20CST 以下，工作壓力范圍在0.10～1.04 MPa之間，流量范圍在0.45～50 m3/h，工作溫度：NBR：-5～80 ℃，適應(yīng)環(huán)境能力極強(qiáng)，灌溉使用伸縮式給水栓PVC 管，耐腐蝕性好，維修方便。

3 上位機(jī)管理軟件設(shè)計(jì)

（1）上位機(jī)管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)。上位機(jī)運(yùn)營平臺(tái)采用B/S 模式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，由于嵌入式設(shè)備網(wǎng)絡(luò)環(huán)境不穩(wěn)定且很多情況下屬于弱網(wǎng)狀態(tài)，平臺(tái)采用比TCP協(xié)議報(bào)文更短的MQTT協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，設(shè)計(jì)心跳機(jī)制，方便設(shè)備意外下線及時(shí)處理，MQTT 消息隊(duì)列作為中間件與嵌入式進(jìn)行數(shù)據(jù)通信交互，服務(wù)端采用JAVA 語言實(shí)現(xiàn)，開發(fā)速度快，系統(tǒng)性能好，實(shí)時(shí)性優(yōu)越。由于客戶端涉及多個(gè)終端，HTTP 服務(wù)采用RESTful API風(fēng)格設(shè)計(jì)，根據(jù)權(quán)限在瀏覽器上使用監(jiān)控平臺(tái)查看系統(tǒng)各個(gè)模塊，客戶端不需要裝軟件，方便用戶使用。手機(jī)客戶端采用原生態(tài)開發(fā)兼容Android4.0+，采用JAVA 語言實(shí)現(xiàn)，通過RESTful API 與服務(wù)器通信，實(shí)時(shí)查看各傳感器數(shù)據(jù)。IOS 系統(tǒng)采用原生態(tài)開發(fā)兼容IOS8.0+。操作界面為中文，簡單、易學(xué)、語音提示友好，系統(tǒng)可自動(dòng)運(yùn)行，維護(hù)量小且簡單方便，模塊化設(shè)計(jì)使系統(tǒng)的擴(kuò)容極為方便[14,15]。

（2） 數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)。本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫采用MySQL 與MongoDB 數(shù)據(jù)庫保存農(nóng)場中的各項(xiàng)生產(chǎn)環(huán)境數(shù)據(jù)、區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)、日志、采集數(shù)據(jù)等文檔類資料，對(duì)于視頻數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)觀看采用NGINX 轉(zhuǎn)發(fā)攝像頭Onvif協(xié)議數(shù)據(jù)流。為了項(xiàng)目的完整性，采用權(quán)限控制，來控制不同用戶進(jìn)入系統(tǒng)的操作權(quán)限，保證數(shù)據(jù)完整性，關(guān)鍵記錄操作日志，在數(shù)據(jù)庫中創(chuàng)建36 個(gè)表，每個(gè)表都有名稱、數(shù)據(jù)類型、主要及注釋等字段，如表1所示。

表1 監(jiān)控氣象數(shù)據(jù)記錄（部分）Tab.1 Monitoring meteorological data record

4 分析與討論

4.1 現(xiàn)場環(huán)境測試

該項(xiàng)目實(shí)施方重慶海集農(nóng)業(yè)開發(fā)有限公司在重慶市沙坪壩中梁鎮(zhèn)有開心農(nóng)場1000 多畝，現(xiàn)場開啟系統(tǒng)測試，智慧農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)遠(yuǎn)程測試數(shù)據(jù)如表2所示。從表2可知采集時(shí)間從8∶00至18∶00隨機(jī)采集8次數(shù)據(jù)，當(dāng)土壤濕度低于所設(shè)定的閾值（52%RH） 時(shí)，灌溉執(zhí)行單元自動(dòng)開啟，反之自動(dòng)關(guān)閉。

表2 智慧農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)遠(yuǎn)程測試數(shù)據(jù)Tab.2 Remote test data of smart agriculture irrigation system

4.2 系統(tǒng)響應(yīng)測試

在該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)刷新測試結(jié)果如圖4所示，執(zhí)行單元響應(yīng)時(shí)間測試結(jié)果如圖5所示，系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定、響應(yīng)時(shí)間短、傳輸速度快，在4G 模塊下數(shù)據(jù)刷新所用時(shí)間更短，灌溉執(zhí)行單元的響應(yīng)速度提高了近1倍。

圖4 數(shù)據(jù)刷新時(shí)間圖Fig.4 Data refresh time diagram

圖5 執(zhí)行單元響應(yīng)時(shí)間圖Fig.5 Execution unit response time diagram

4.3 移動(dòng)端測試

在移動(dòng)端上能夠直觀的查看現(xiàn)場環(huán)境以及各檢測的參數(shù)值，農(nóng)作物的視頻數(shù)據(jù)上傳有2~4 s 的滯后現(xiàn)象，使用APP 點(diǎn)擊灌溉按鈕，農(nóng)田的噴灌系統(tǒng)正常，具體效果如圖6所示。

圖6 移動(dòng)端實(shí)景Fig.6 Mobile real scene

5 結(jié)論

本文以智慧農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)測與管理為目的，按照節(jié)約水資源，提高生產(chǎn)效率為起點(diǎn)，提出的智慧農(nóng)業(yè)遠(yuǎn)程監(jiān)控控制系統(tǒng)，經(jīng)測試表明，該系統(tǒng)在種植地安放的各種傳感器能夠正常工作，可以實(shí)時(shí)對(duì)現(xiàn)場的情況進(jìn)行檢測，并能通過移動(dòng)設(shè)備讀取到檢測的信息，用戶可以使用移動(dòng)設(shè)備手動(dòng)進(jìn)行灌溉，也可以按照系統(tǒng)自動(dòng)設(shè)定的程序執(zhí)行。提高了水資源利用率、減少了人力資源。