基于農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的植物生長監(jiān)控施肥裝置設(shè)計*

金昕怡，宋其江，蔡周晨，張云旭，劉祉祺，劉鼎一

（東北林業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040）

隨著科技的進步，農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)的不斷發(fā)展，智慧灌溉、 智慧監(jiān)控、 智能互聯(lián)等領(lǐng)域的產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)[1]。目前，市場上的產(chǎn)品一般具有以下功能： 節(jié)水灌溉、 智慧補光、 實時監(jiān)控等，單一針對農(nóng)業(yè)耕作中的具體項目已有較好的解決方法，但是并沒有將各項技術(shù)和功能有效統(tǒng)一，沒有利用各種傳感器采集作物所處環(huán)境的信息，沒有將農(nóng)業(yè)和物聯(lián)網(wǎng)結(jié)合[2-3]來推動農(nóng)業(yè)生產(chǎn)向更加高效、 更加科學(xué)的方向發(fā)展。 針對上述問題，本文提出一種基于農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的植物生長監(jiān)控施肥裝置的設(shè)計方案。 該裝置設(shè)置有多個傳感器實時收集作物所處環(huán)境的信息，并進行分析處理與上傳，根據(jù)智能分析結(jié)果結(jié)合專家指令，對作物進行灌溉、 施肥、 補光等操作，同時會根據(jù)關(guān)于天氣、 蟲害等的預(yù)測以及各農(nóng)學(xué)機構(gòu)的最新研究成果優(yōu)化方案。 該設(shè)計在一定程度上豐富了現(xiàn)有對作物智慧灌溉方案的研究，解決了農(nóng)業(yè)從業(yè)者在耕種過程中由于專業(yè)知識缺失而遇到的部分問題。

1 基于農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的植物生長監(jiān)控施肥裝置設(shè)計

1.1 整體設(shè)計

基于農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的植物生長監(jiān)控施肥裝置主要由支架、 檢測儀、 施肥器三部分組成。 植物種植在土壤中，底部焊接有錐形腳的支架通過頂部內(nèi)側(cè)的螺紋與連接板連接。 連接板和支架之間卡接有連桿，并在其底部安裝有土質(zhì)檢測儀，連桿的另一側(cè)通過螺絲與顯示屏連接。 焊接在支架上的一組支撐架通過螺栓固定有固定板，固定板之間卡接有底部套接有導(dǎo)管的輸送管。 導(dǎo)管上安裝有控制施肥的控制閥及加料口。 安放在土壤中近根部的土質(zhì)檢測儀將測量的相關(guān)數(shù)據(jù)傳送至顯示屏，工作人員依據(jù)數(shù)據(jù)對控制閥進行調(diào)控，從而對施肥量[4]等進行控制。裝置的結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。

圖1 基于農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的植物生長監(jiān)控施肥裝置結(jié)構(gòu)示意圖

基于農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的植物生長監(jiān)控施肥裝置的主要運作方式為： STM32 系統(tǒng)與傳感器相連以獲取土壤中的相關(guān)檢測數(shù)據(jù)，并通過連接ZigBee 模塊實現(xiàn)與其他節(jié)點的通信，通過連接Wi-Fi 模塊實現(xiàn)將數(shù)據(jù)上傳至云端的功能，手機APP 從云端獲取數(shù)據(jù)，從而與用戶實現(xiàn)交互，見第97 頁圖2。 植物的土壤濕度基準(zhǔn)值與pH 基準(zhǔn)值可以通過云端與手機進行設(shè)置，并在程序開始時進行聯(lián)網(wǎng)與組網(wǎng)。 組網(wǎng)完畢后，系統(tǒng)會每5 min 對土壤濕度與土壤pH 值進行采集，以確保土壤的濕度與營養(yǎng)值在設(shè)定值附近。如果土壤的濕度低于設(shè)定值，該裝置會更改水泵電壓，使水泵工作并對土壤進行灌溉。 如果土壤的pH 值低于設(shè)定值，該裝置會對土壤進行營養(yǎng)液的補充。 通過STM32 系統(tǒng)可實現(xiàn)自動對云端、 電腦端與手機端的相關(guān)指令進行檢測及判斷，提前對各個變量進行預(yù)設(shè)，以達到節(jié)省時間的目的。 該裝置會將土壤的相關(guān)參數(shù)通過STM32 系統(tǒng)存放在云端，能夠?qū)崟r監(jiān)控系統(tǒng)的狀態(tài)，快速反應(yīng)，并能夠根據(jù)用戶個人對植物的喜好調(diào)節(jié)參數(shù)的基準(zhǔn)值，具有可操控性。

圖2 基于農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的植物生長監(jiān)控施肥裝置的組件示意圖

1.2 機械結(jié)構(gòu)及硬件的設(shè)計

1.2.1 支架

支架是整個裝置的主體結(jié)構(gòu)，主要作用是連接土壤檢測儀以及顯示屏與施肥器等。 支架底部焊接有錐形腳，頂部通過內(nèi)側(cè)螺絲連接有連接板，連接板與支架間連接有連桿，用于安裝整個設(shè)計中最核心的傳感器——土質(zhì)檢測儀，并通過連桿一側(cè)上部的螺絲與顯示器相連接。 支架頂部焊接有支撐架，支撐架通過螺栓將固定板固定。 固定板的作用在于可以在一組固定板之間固定輸送管，輸送管可用于后續(xù)對施肥器進行控制。 除此之外，支架一側(cè)內(nèi)部螺栓固定有連接座以及C 字型結(jié)構(gòu)的固定夾板，用于對后續(xù)施肥進行控制。

1.2.2 檢測儀

檢測儀部分的核心是安裝于連桿底部的土質(zhì)檢測儀，土質(zhì)檢測儀安裝于植物的根系附近，從而可以提高檢測的準(zhǔn)確性。 土質(zhì)檢測儀測量土壤的相關(guān)數(shù)據(jù)與參數(shù)，可實時將土壤中的營養(yǎng)物質(zhì)含量、 含水量傳輸至同樣安裝在連桿上的顯示屏并顯示，方便工作人員進行觀察記錄。

1.2.3 施肥器

支架的一側(cè)內(nèi)部螺栓固定連接座，連接座一端螺栓固定C 字形結(jié)構(gòu)的夾板，導(dǎo)管卡接在夾板與連接座之間。 焊接在支架頂部支撐架上下端的螺栓固定兩個C 字形固定板，并在固定板之間卡接輸送管。 安裝有控制閥及加料口的導(dǎo)管一端套接于輸送管底部，另一端延伸至土壤內(nèi)部植物的根系附近，其作用是控制肥料的添加及水的澆灌。 若單株植物缺少某一養(yǎng)分時，可通過加料口單獨添加[5-6]。

1.2.4 土壤濕度檢測電路

土壤濕度檢測單元中，主控芯片采用NE555，可實現(xiàn)只需簡單的電阻器和電容器便可以完成振蕩延時的功能。 土壤濕度傳感器采用的是頻域反射（Frequency Domain Ref1ectometer，F(xiàn)DR） 原理，它利用電磁脈沖原理，根據(jù)電磁波在介質(zhì)中的傳播頻率來測量土壤的表觀介電常數(shù)，從而產(chǎn)生電容的變化。 把電容值的變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，就可以對濕度進行監(jiān)測。 當(dāng)環(huán)境濕度發(fā)生改變時，濕敏電容的介電常數(shù)發(fā)生變化，使其電容量也發(fā)生變化，其電容變化量與相對濕度成正比。

土壤濕度檢測電路輸出端的供給電流較大，可直接推動多種自動控制的負(fù)載，并且其計時精度高、 溫度穩(wěn)定性好。 土壤濕度檢測電路見圖3。

圖3 土壤濕度檢測電路示意圖

1.3 程序設(shè)計

1.3.1 主節(jié)點設(shè)計

程序主節(jié)點的流程見第98 頁圖4。 首先對ZigBee 協(xié)調(diào)器以及Wi-Fi 模塊進行初始化； 接著設(shè)置主節(jié)點ID 值，等待其他節(jié)點的加入，判斷是否接收到組網(wǎng)的請求，如果接收到該請求，則建立組網(wǎng)，并顯示連接情況，如果建立失敗，也將顯示此時的連接情況； 然后進入匹配模式，并發(fā)送確認(rèn)幀（ACK）； 最后判斷節(jié)點是否全部連接，如果節(jié)點未能全部接入，則返回繼續(xù)執(zhí)行等待其他節(jié)點加入到程序循環(huán)中。

圖4 主節(jié)點流程圖

1.3.2 中斷服務(wù)程序設(shè)計

各中斷服務(wù)程序流程見第98 頁圖5。

圖5 各中斷服務(wù)程序流程圖

中斷服務(wù)程序1 用于傳感器檢測，并檢查是否低于設(shè)定值。 進入中斷服務(wù)程序1 后，查詢各傳感器的采集值，將其與設(shè)定值進行比較，如果低于設(shè)定值將會返回環(huán)境狀態(tài)代碼，將傳感器采集的數(shù)據(jù)返回，并從中斷中返回到主程序中繼續(xù)執(zhí)行。

中斷服務(wù)程序2 是在測量值低的時候使控制系統(tǒng)工作。 進入中斷服務(wù)程序2，執(zhí)行程序，查詢并檢查環(huán)境狀態(tài)代碼，從而控制對應(yīng)的驅(qū)動模塊進行工作，實現(xiàn)對植物科學(xué)有效地施肥與灌溉。

中斷服務(wù)程序3 的功能是發(fā)送云端傳感器的數(shù)據(jù)。 首先查詢數(shù)據(jù)和環(huán)境狀態(tài)代碼，如果有異常狀態(tài)，則發(fā)送報警至云端，如果沒有發(fā)生該類問題，則判斷數(shù)據(jù)是否發(fā)生改變，如果發(fā)生改變即將數(shù)據(jù)發(fā)送至云端，跳出中斷，返回主程序。

2 基于農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的植物生長監(jiān)控施肥裝置效果

基于農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的植物生長監(jiān)控施肥裝置解決了現(xiàn)有技術(shù)不能實時了解植物獲取營養(yǎng)物質(zhì)情況的問題，可以時刻監(jiān)測土壤中的微量元素、 營養(yǎng)物質(zhì)含量、 水含量、 酸堿度，進而了解植物生長的土壤環(huán)境，直觀地觀測植物在生長過程中缺乏的營養(yǎng)物質(zhì)，降低培育難度。 該裝置可以實時將數(shù)據(jù)顯示于顯示屏上，工作人員通過數(shù)據(jù)確定對植物施肥灌溉的用量與種類。 此外，該裝置可以通過設(shè)定，將肥料施加于加料口，通過控制導(dǎo)管上的控制閥實現(xiàn)自動對植物進行施肥與灌溉[7-8]。 灌溉及施肥均直接注入土壤內(nèi)部，既能節(jié)約水資源，又能提高施肥準(zhǔn)確度和施肥效率。

3 結(jié)束語

隨著物聯(lián)網(wǎng)的廣泛應(yīng)用，粗獷化的農(nóng)業(yè)逐漸向現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)發(fā)展。 對植物所處的土壤環(huán)境進行檢測可以直觀地了解到植物生長過程中缺乏的營養(yǎng)物質(zhì)，降低培育難度，也可以科學(xué)地進行灌溉與施肥。 通過將水及肥料直接注入土壤內(nèi)部，可以節(jié)約水資源，提高施肥準(zhǔn)確度和施肥效率，對于我國這樣一個水資源匱乏、 良好耕地資源緊張的國家來說是十分重要的。 本文設(shè)計的基于農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的植物生長監(jiān)控施肥裝置經(jīng)過實踐與調(diào)試產(chǎn)生了原型樣機，完美實現(xiàn)了本文所提及的功能。 該裝置通過使用物聯(lián)網(wǎng)等進一步推動了新型農(nóng)業(yè)的發(fā)展，通過農(nóng)業(yè)和物聯(lián)網(wǎng)的結(jié)合，使農(nóng)業(yè)生產(chǎn)更加高效科學(xué)，以生產(chǎn)出更好的產(chǎn)品服務(wù)人民。