基于ESP32的大田水肥一體化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘" 要： 為解決在傳統(tǒng)大田作物種植過程中的水肥一體化集成度低、成本高、遠(yuǎn)程監(jiān)控與管理困難的問題，設(shè)計(jì)一個(gè)能夠遠(yuǎn)程控制的水肥一體化控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)包含主控模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、執(zhí)行裝置模塊和遠(yuǎn)程控制模塊，實(shí)現(xiàn)了對(duì)水肥一體化的全面控制。通過數(shù)據(jù)采集模塊獲取EC值、肥液流量等數(shù)據(jù)，主控模塊主要進(jìn)行智能化分析，通過執(zhí)行裝置模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)水肥的自動(dòng)施用，再使用遠(yuǎn)程控制模塊對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，并允許用戶通過遠(yuǎn)程方式監(jiān)控和調(diào)整系統(tǒng)工作狀態(tài)。經(jīng)測(cè)試，該系統(tǒng)在本地控制時(shí)響應(yīng)耗時(shí)平均為16.5 ms，遠(yuǎn)程控制響應(yīng)平均耗時(shí)為1 290 ms，遠(yuǎn)程控制與本地控制所顯示的系統(tǒng)工作狀態(tài)以及傳感器數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)同步。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)為大田作物水肥一體化管理提供了一種先進(jìn)、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(yuǎn)程監(jiān)控難題。

關(guān)鍵詞： 水肥一體化； ESP32； 遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)； 大田作物； 本地控制； RS 485通信

中圖分類號(hào)： TN926?34； TP23" " " " " " " " " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A" " " " " " " " " "文章編號(hào)： 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(nóng)業(yè)生產(chǎn)中極為重要的農(nóng)業(yè)資源，而我國(guó)的水資源在時(shí)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(nóng)業(yè)灌溉用水缺口大，浪費(fèi)嚴(yán)重，亟需更加有效的水資源利用方案[1?2]。同時(shí)，我國(guó)又是世界肥料生產(chǎn)和使用大國(guó)，化肥的使用量居全球第一。然而由于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中不合理的施肥方式，使

得肥料的利用率不足50%，遠(yuǎn)低于美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家的肥料利用率。水肥一體化技術(shù)正是在此背景之下應(yīng)運(yùn)而生[3]。

水肥一體化技術(shù)是通過對(duì)灌溉以及施肥的精細(xì)化控制，依照肥隨水走的原理將兩者有機(jī)結(jié)合，以此提高大田作物的水肥利用率，減少資源浪費(fèi)，最終達(dá)到為農(nóng)民減少投入、增加收益的效果[4]。水肥一體化技術(shù)的發(fā)展起于20世紀(jì)上半葉，經(jīng)過多年發(fā)展，于20世紀(jì)60年代最早應(yīng)用于以色列，后續(xù)多個(gè)發(fā)達(dá)國(guó)家開始研制水肥一體化控制方面的相關(guān)模型。進(jìn)入21世紀(jì)，隨著物聯(lián)網(wǎng)、MCU以及智能控制技術(shù)的迅猛發(fā)展，各國(guó)水肥一體化設(shè)備逐步進(jìn)入智能化時(shí)代，例如以色列的智慧農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的知名公司Eldar?Shany所開發(fā)的肥滴佳、肥滴美等水肥一體化智能設(shè)備[5]。而國(guó)內(nèi)的水肥一體化技術(shù)起步晚、發(fā)展時(shí)間短，但發(fā)展迅速，國(guó)內(nèi)部分企業(yè)以及高校已自主研發(fā)了大量的水肥一體化設(shè)備，并向智能化方向發(fā)展。但是我國(guó)的水肥一體化設(shè)備目前多處于試驗(yàn)階段，實(shí)際應(yīng)用較少，無(wú)法滿足大田農(nóng)業(yè)的需要[6?8]。為此，本文設(shè)計(jì)一種大田水肥一體化自動(dòng)控制系統(tǒng)。

1" 大田水肥一體化自動(dòng)控制系統(tǒng)構(gòu)成

大田水肥一體化自動(dòng)控制系統(tǒng)主要包含主控模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、執(zhí)行裝置模塊、遠(yuǎn)程控制模塊，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理以及決策功能由主控模塊完成，該模塊負(fù)責(zé)接收由數(shù)據(jù)采集模塊收集的系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)信息和傳感器數(shù)據(jù)，再依照用戶制定的灌溉施肥規(guī)則做出決策，將指令信息下發(fā)至執(zhí)行裝置模塊，達(dá)到實(shí)時(shí)控制[9]。而用戶擁有兩種方式獲取系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)并依次制定灌溉施肥規(guī)則：第一種采用本地控制，使用HMI觸控屏直接實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互；第二種采用遠(yuǎn)程控制，使用微信小程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)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(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)現(xiàn)控制指令下發(fā)以及狀態(tài)信息更新[10]。遠(yuǎn)程控制模塊通過云平臺(tái)接口下發(fā)指令，使用MQTT協(xié)議傳輸至主控模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)執(zhí)行模塊的遠(yuǎn)程控制。

1.1" 主控模塊

主控模塊是整個(gè)系統(tǒng)的核心，由ESP32微控制器、HMI觸控屏構(gòu)成，使用ESP32微控制器接收并處理數(shù)據(jù)采集模塊所采集的水肥機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)，將其同步顯示在HMI觸控屏以及遠(yuǎn)程手機(jī)小程序中，并接收這兩個(gè)控制模塊所下發(fā)的控制指令，更改執(zhí)行裝置模塊的工作狀態(tài)[11]。

1.2" 數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊是大田水肥一體化自動(dòng)控制系統(tǒng)運(yùn)行的基石，該模塊由多個(gè)傳感器構(gòu)成，監(jiān)測(cè)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(tǒng)運(yùn)行過程中各類傳感器、執(zhí)行裝置的狀態(tài)采用RS 485協(xié)議與主控模塊進(jìn)行通信，完成數(shù)據(jù)上報(bào)。

1.3" 執(zhí)行裝置模塊

執(zhí)行裝置模塊是系統(tǒng)的硬件主體部分，包含輸肥管道、離心泵、變頻器、電磁閥等設(shè)備。

1.4" 遠(yuǎn)程控制模塊

系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制模塊包含云服務(wù)器以及微信小程序。云服務(wù)器使用Tlink物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，小程序通過云服務(wù)器與主控模塊實(shí)現(xiàn)信息交互。

2" 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1" 主控模塊

主控模塊在系統(tǒng)中主要承擔(dān)數(shù)據(jù)處理、分析、展示以及數(shù)據(jù)下發(fā)的功能，故處理器選用ESP32?woom?32UE微處理器，數(shù)據(jù)展示選用淘晶馳X5系列HMI觸控屏。

ESP32?woom?32UE是樂鑫科技研發(fā)的一款I(lǐng)oT模組，該模組內(nèi)置ESP32?D0WD?V3芯片，時(shí)鐘頻率高達(dá)240 MHz，擁有4 MB FLASH存儲(chǔ)，支持UART、SPI、SDIO、I2C、IR、DAC等多種接口，內(nèi)置WiFi功能，滿足該系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(shí)鐘頻率為200 MHz，并擁有120 MB FLASH存儲(chǔ)，支持圖片、視頻、文件等操作。

2.2" 數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊中的數(shù)據(jù)主要由出水口壓力、輸肥通道流量、肥液桶液位等構(gòu)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(shù)據(jù)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(yīng)原理，使用惠斯通電橋電路進(jìn)行測(cè)量?；菟雇姌螂娐啡鐖D2所示，該電路由4個(gè)橋臂電阻Ra、Rb、Rc、Rd構(gòu)成，電源供電一般采用恒流源供電。

圖2中Ra、Rc受到外力時(shí)阻值增大，Rb、Rd受到外力時(shí)阻值減小，輸出一個(gè)對(duì)應(yīng)壓力變化的電信號(hào)Vout，表達(dá)式如下：

[Vout=VinRbRa+Rb+RcRc+Rd] （1）

常規(guī)情況下4個(gè)電阻阻值相同，均為R，4個(gè)橋臂電阻的阻值發(fā)生變化并且阻值變化相同，故其關(guān)系為：

[Vout=ΔRRVin=ΔRIin] （2）

由公式（2）可知，電壓信號(hào)在通過一定的放大電路以及線性矯正電路的補(bǔ)償后，產(chǎn)生與輸入電流成線性對(duì)應(yīng)關(guān)系的電壓信號(hào)，通過對(duì)電壓信號(hào)的測(cè)量來(lái)完成對(duì)壓力數(shù)據(jù)測(cè)量，再通過液體高度與壓力之間的線性關(guān)系得出高度數(shù)據(jù)。傳感器具體參數(shù)如表1所示。

2.2.2" 電磁流量計(jì)

流量計(jì)采用德陽(yáng)新泰公司研發(fā)的LD?S緊湊型電磁流量計(jì)，供電電壓范圍在18～36 V，測(cè)量精度為±0.3%，測(cè)量范圍在0.15～22.5 m3/h。

電磁流量計(jì)工作原理是：基于法拉第電磁感應(yīng)定律，流量計(jì)工作時(shí)其內(nèi)部的勵(lì)磁線圈將會(huì)構(gòu)建垂直于導(dǎo)電流體的磁場(chǎng)，當(dāng)檢測(cè)的導(dǎo)電流體流過流量計(jì)內(nèi)部所構(gòu)建的磁場(chǎng)時(shí)，會(huì)在流量計(jì)兩側(cè)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)。流量計(jì)內(nèi)部的電極獲取到電動(dòng)勢(shì)后轉(zhuǎn)為電壓信號(hào)，在其他物理?xiàng)l件已知的情況下即可得到所在管道內(nèi)部的瞬時(shí)體積流量。

2.2.3" 電導(dǎo)率傳感器

電導(dǎo)率傳感器分為電導(dǎo)電極與主機(jī)兩部分。電導(dǎo)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(shù)為1.0，測(cè)量范圍為0～70 ms/cm，檢測(cè)精度為±1%FS/24 h。主機(jī)選用工業(yè)電導(dǎo)率主機(jī)，具備最重要的自動(dòng)溫度補(bǔ)償，可以使用NTC10K電極。數(shù)據(jù)通信采用RS 485。

電導(dǎo)率傳感器的測(cè)量原理是基于電解液導(dǎo)電原理，采用電阻測(cè)量法測(cè)量溶液。具有精度高、響應(yīng)快、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造方便的電極型電導(dǎo)率傳感器已在生產(chǎn)生活等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用[12]。

2.2.4" RS 485通信模塊

考慮到大田環(huán)境干擾以及性價(jià)比等因素，數(shù)據(jù)采集模塊中選用的傳感器數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議為ModBus?RTU通信協(xié)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(zhí)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(jí)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(jìn)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(zhì)，口徑大小選用32 mm。執(zhí)行裝置結(jié)構(gòu)如圖4所示。

3" 軟件設(shè)計(jì)方案

3.1" 主控模塊軟件設(shè)計(jì)

主控中的軟件設(shè)計(jì)分為ESP32主控軟件與HMI觸控屏軟件兩部分。ESP32軟件設(shè)計(jì)通過微軟旗下的VS Code文本編輯器+Platform IO插件接入Arduino平臺(tái)，進(jìn)行軟件開發(fā)環(huán)境搭建，程序采用C++語(yǔ)言編寫[13]。HMI觸控屏軟件設(shè)計(jì)使用淘晶馳研發(fā)的USART HMI上位機(jī)軟件環(huán)境，程序采用組態(tài)化設(shè)計(jì)，使用上位機(jī)內(nèi)部語(yǔ)言編寫。

ESP32控制程序包含系統(tǒng)初始化、數(shù)據(jù)采集、HMI觸控屏數(shù)據(jù)通信、云服務(wù)器數(shù)據(jù)通信、執(zhí)行器控制等。

程序在上電后重置繼電器狀態(tài)，初始化執(zhí)行裝置模塊，通過ESP32帶有的WiFi功能實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)連接，通過MQTT協(xié)議與遠(yuǎn)程控制模塊中的云服務(wù)器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。為保證數(shù)據(jù)通信鏈路正常，若發(fā)生通信失敗則立刻重啟網(wǎng)絡(luò)連接，重構(gòu)數(shù)據(jù)通道[14]。數(shù)據(jù)采集子程序通過RS 485總線，按照ModBus數(shù)據(jù)幀格式依次獲取數(shù)據(jù)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(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，以及執(zhí)行裝置模塊中變頻器、水泵、電磁閥的運(yùn)行狀態(tài)，時(shí)間間隔為5 s；接收數(shù)據(jù)并按照數(shù)據(jù)處理規(guī)則解析完成后轉(zhuǎn)送至HMI觸控屏；在觸控屏中刷新顯示，轉(zhuǎn)送至云服務(wù)器中進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)并同步小程序數(shù)據(jù)顯示。

ESP32微控制器使用多線程實(shí)時(shí)接收外部的控制信息，當(dāng)用戶使用HMI觸控屏或者遠(yuǎn)程控制模塊對(duì)執(zhí)行模塊下發(fā)控制指令時(shí)，ESP32會(huì)根據(jù)歷史控制記錄來(lái)確認(rèn)此次指令的合理性，完成對(duì)執(zhí)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(jī)交互界面（UI）組件構(gòu)成，添加按鈕組件實(shí)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行參數(shù)設(shè)置以及控制指令下發(fā)；添加文本與數(shù)字組件展示水肥一體化自動(dòng)控制系統(tǒng)中執(zhí)行裝置模塊中的設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，以及傳感器所監(jiān)測(cè)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。

用戶可以使用按鈕組件控制執(zhí)行裝置的運(yùn)行狀態(tài)；可以設(shè)定水肥一體化系統(tǒng)執(zhí)行狀態(tài)為手動(dòng)或者自動(dòng)控制，同時(shí)為用戶提供參數(shù)設(shè)置界面；可設(shè)定施肥時(shí)間、施肥流量等參數(shù)以達(dá)到定時(shí)控制的效果。HMI觸控屏程序設(shè)計(jì)頁(yè)面如圖6所示。

3.2" 遠(yuǎn)程控制模塊軟件設(shè)計(jì)

遠(yuǎn)程控制模塊采用微信小程序設(shè)計(jì)，通過獲取云平臺(tái)中的數(shù)據(jù)更新狀態(tài)信息。邏輯交互基于Promise的異步請(qǐng)求方式，更好地保證數(shù)據(jù)通信的穩(wěn)定性、安全性[15]。小程序攜帶當(dāng)前用戶的Token身份認(rèn)證，經(jīng)過TP?LINK平臺(tái)的身份驗(yàn)證，獲取到對(duì)應(yīng)用戶帳戶綁定的設(shè)備信息；再根據(jù)平臺(tái)對(duì)外提供的API接口實(shí)現(xiàn)對(duì)特定設(shè)備的控制，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)水肥一體化全過程的控制。微信小程序設(shè)計(jì)如圖7所示。

4" 系統(tǒng)測(cè)試

根據(jù)搭建完成的水肥一體化自動(dòng)控制系統(tǒng)，采用本地控制以及遠(yuǎn)程控制兩種方式對(duì)控制指令數(shù)據(jù)包從下發(fā)到控制的通信實(shí)時(shí)性進(jìn)行測(cè)試。本次測(cè)試持續(xù)7 h，數(shù)據(jù)包理論下發(fā)間隔為30 s，共測(cè)試800次，其中本地控制與遠(yuǎn)程控制各400次。本地控制指令下發(fā)測(cè)試結(jié)果如表2所示，通信最大延遲為63 ms。

遠(yuǎn)程控制指令下發(fā)測(cè)試結(jié)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(fā)后，遠(yuǎn)程控制端與本地控制端的狀態(tài)顯示同時(shí)改變并保持一致，且無(wú)丟包，達(dá)到了工業(yè)使用的需求標(biāo)準(zhǔn)。

5 結(jié)" 語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)一種本地HMI觸控屏與遠(yuǎn)程微信小程序控制的水肥一體化智能控制系統(tǒng)，基于ESP32控制，旨在實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)田灌溉施肥過程的本地和遠(yuǎn)程雙重智能化控制。系統(tǒng)能夠有效監(jiān)控肥液的EC值、輸肥通道流量、肥液桶液位等數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)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(shí)現(xiàn)控制指令的下發(fā)，完成執(zhí)行裝置的控制。

注：本文通訊作者為李永可。

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[15] 李航，董安明，禹繼國(guó)，等.基于前后端分離架構(gòu)的智慧農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2022，45（14）：63?68.