智慧農業灌溉系統的設計與實現

付少華，蘭壬庚，李 偉，熊尤煒，易林鳳

（1.重慶工程職業技術學院，重慶402260；2.杭州逍邦網絡科技有限公司，杭州310052；3.重慶海集農業開發有限公司，重慶400039）

0 引言

農業生產的灌溉數據分析是智慧農業的關鍵技術之一，由于農業土地面積廣、位置偏，人工現場采集數據效率低［1］，采集信息滯后且有殘缺，造成生產險情未能及時發現；而利用基于物聯網的農業監控系統可以遠距離采集農業土地環境信息，從而及時掌握農業生產環境信息并提高效率，降低人工成本，實現科學監控，指導農業發展[2-4]，但該監測系統操作不夠方便和靈活。隨著移動網絡的發展，劉書倫等提出基于物聯網Android 平臺的遠程智能節水灌溉系統[5]，設計了簡單的移動端界面，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，程力等人的智能農業大棚環境遠程監控系統的設計與實現[6]，針對硬件功耗做了改進，主控制器采用STM32F103 型單片機，但數據收發模塊只能使用2G 網絡下的GPRS，以至于實際傳輸速度較慢，數據傳輸有丟包現象。

隨著國家新基建的開展，目前國家建立了大量的4G、5G基站，大部分地區的有限網絡的WiFi 也提高到100 M 到1 000 M，即使在偏遠的農田，4G 信號也已經覆蓋。為了改進數據傳輸的速度和通訊網絡的穩定性，本文通過WiFi和4G 通信模塊傳輸數據，采用STM32F407處理器作為主控模塊處理數據，實現了農場農作物生長環境實時數據采集監控，并設計了智慧農業灌溉系統。

1 智慧農業遠程灌溉系統整體結構

智慧農業遠程噴灌系統使用農業物聯網及智能化設備，對作物生長進行全過程監測。通過布置在田間的各種傳感器，實時采集溫度、濕度、二氧化碳、土壤的PH 值等生長環境的各種參數，通過RS484 傳輸到嵌入式主控制器模塊，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，把傳感器數據處理后，使用RS485 連接到帶有4G 功能的無線串口服務器，最后通過田間的WiFi上傳到云端服務器，客戶可以隨時在LED 屏幕、電腦端和手機APP 上查看農作物的生長環境情況[7-9]，在種植的過程中還安裝了攝像頭以達到實時觀看種植地的情況，攝像頭將數據直接上傳到云端服務器上，用戶觀看時不僅可直接在移動端查看，還能通過前端顯示的數據進行遠程作業（見圖1）。

圖1 整體系統結構圖Fig.1 Overall system structure diagram

2 系統硬件設計

（1）主控制器模塊設計。本文采用STM32F407 芯片作為本系統的主控制器模塊芯片，相比常見的STM32F103 核心芯片主頻更高，數據精度更高，內存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計有按鍵、串口、網口等多個外設來實現其他控制功能，除此之外，在電路板上還設計有數字信號和模擬信號輸入端各5路，以接收檢測到的各種數據，做到農業種植地環境的全面監測。為了使該模塊長時間穩定的處于工作狀態，還在電路板上集成了電壓轉換功能，以便適應種植地的電源條件[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）數據采集傳感器模塊。數據采集端主要對農業的生產環境信息進行采集，本項目中設計了土壤溫濕度、土壤pH值、空氣溫濕度、視頻等多個監測因子。

土壤溫濕度傳感器模塊：土壤的溫濕度會直接影響農作物的生長情況，傳統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水引起電路板損壞等情況。對此，本項目采用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。在試驗時，避開石塊等堅硬物體，垂直向下挖直徑大約20~25 cm 的土坑，將傳感器探針水平插入土坑內，將土坑內填埋壓實，待測試數據穩定后，可以使用測量和記錄的數據。

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

視頻：為了能夠遠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的SDK，所以后臺及手機端開發可以直接調用第三方服務器接口，開發應用程序。經過試驗，比用獨立的OV7725、OV7670 型攝像頭模塊采集視頻效果更清晰。

（3）ZigBee 數據傳輸模塊設計。該模塊的主要作用是將采集到的數據傳輸到主控制器模塊，其型號采用E72-2G4M05S1A。該模塊是以TI 公司生產的CC2630 為核心處理器的貼片型ZigBee 無線模塊， 對比傳統CC2530 處理器模塊，其最大發射功率可以達到100 MW ，具備傳輸距離可以達到500 到1 500 m，采用24 MHz 工業級高精度低溫漂有源晶振等優點。可組網的數量大，更加適合應用在本系統中[12]。

（4）通訊單元設計。傳感器采集端的數據經過嵌入式主控制器模塊上的MCU 中的算法處理后，將數據傳輸到串口服務器(DTU)，該服務器有wifi 功能版和4G 版，測試采用農場里安裝的WiFi進行，但距離過遠時則采用4G 版本。DTU 服務器具有自動緩存數據包功能，當Socket鏈路異常斷開時，設備自動緩存數據包，最大緩存10 K 字節數據。選用DTU 服務器有以下優點：最大支持24 路TCP 連接，RS485 單次收發最大可支持300 kbps，最高支持230400 串口波特率，雙向連續收發，可實現文件、圖片遠程傳輸；支持串口數據打包時間、打包長度可配置，可便利的在本地、遠程獲取設備當前的位置信息；支持標準ModBus RTU 與ModBus TCP 協議自適應相互轉換；支持串口、短信發送AT指令的讀取。

主控制器模塊根據農場控制策略，將采集的農業數據發送至控制中心，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）灌溉執行模塊單元。當傳感器采集土壤濕度低于農作物生長對水分的需求值時，采集值會自動上傳到云端，系統自動或者手動啟動灌溉指令，指令下傳到DTU 服務器，觸發繼電器，繼電器吸合后控制灌溉電磁閥打開，實現自動灌溉功能。

為保障灌溉單元的穩定運行，本實驗選用開靈全銅常閉，與傳統相比，該電磁閥靈敏度高，可連接繼電器控制模塊進行遠程控制噴灌。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 ℃，適應環境能力極強，灌溉使用伸縮式給水栓PVC 管，耐腐蝕性好，維修方便。

3 上位機管理軟件設計

（1）上位機管理系統設計。上位機運營平臺采用B/S 模式結構設計，由于嵌入式設備網絡環境不穩定且很多情況下屬于弱網狀態，平臺采用比TCP協議報文更短的MQTT協議進行數據交互，設計心跳機制，方便設備意外下線及時處理，MQTT 消息隊列作為中間件與嵌入式進行數據通信交互，服務端采用JAVA 語言實現，開發速度快，系統性能好，實時性優越。由于客戶端涉及多個終端，HTTP 服務采用RESTful API風格設計，根據權限在瀏覽器上使用監控平臺查看系統各個模塊，客戶端不需要裝軟件，方便用戶使用。手機客戶端采用原生態開發兼容Android4.0+，采用JAVA 語言實現，通過RESTful API 與服務器通信，實時查看各傳感器數據。IOS 系統采用原生態開發兼容IOS8.0+。操作界面為中文，簡單、易學、語音提示友好，系統可自動運行，維護量小且簡單方便，模塊化設計使系統的擴容極為方便[14,15]。

（2） 數據庫設計。本系統的數據庫采用MySQL 與MongoDB 數據庫保存農場中的各項生產環境數據、區塊鏈數據、日志、采集數據等文檔類資料，對于視頻數據的實時觀看采用NGINX 轉發攝像頭Onvif協議數據流。為了項目的完整性，采用權限控制，來控制不同用戶進入系統的操作權限，保證數據完整性，關鍵記錄操作日志，在數據庫中創建36 個表，每個表都有名稱、數據類型、主要及注釋等字段，如表1所示。

表1 監控氣象數據記錄（部分）Tab.1 Monitoring meteorological data record

4 分析與討論

4.1 現場環境測試

該項目實施方重慶海集農業開發有限公司在重慶市沙坪壩中梁鎮有開心農場1000 多畝，現場開啟系統測試，智慧農業灌溉系統遠程測試數據如表2所示。從表2可知采集時間從8∶00至18∶00隨機采集8次數據，當土壤濕度低于所設定的閾值（52%RH） 時，灌溉執行單元自動開啟，反之自動關閉。

表2 智慧農業灌溉系統遠程測試數據Tab.2 Remote test data of smart agriculture irrigation system

4.2 系統響應測試

在該系統的數據刷新測試結果如圖4所示，執行單元響應時間測試結果如圖5所示，系統網絡穩定、響應時間短、傳輸速度快，在4G 模塊下數據刷新所用時間更短，灌溉執行單元的響應速度提高了近1倍。

圖4 數據刷新時間圖Fig.4 Data refresh time diagram

圖5 執行單元響應時間圖Fig.5 Execution unit response time diagram

4.3 移動端測試

在移動端上能夠直觀的查看現場環境以及各檢測的參數值，農作物的視頻數據上傳有2~4 s 的滯后現象，使用APP 點擊灌溉按鈕，農田的噴灌系統正常，具體效果如圖6所示。

圖6 移動端實景Fig.6 Mobile real scene

5 結論

本文以智慧農業灌溉系統實時遠程監測與管理為目的，按照節約水資源，提高生產效率為起點，提出的智慧農業遠程監控控制系統，經測試表明，該系統在種植地安放的各種傳感器能夠正常工作，可以實時對現場的情況進行檢測，并能通過移動設備讀取到檢測的信息，用戶可以使用移動設備手動進行灌溉，也可以按照系統自動設定的程序執行。提高了水資源利用率、減少了人力資源。