基于農業物聯網的植物生長監控施肥裝置設計*

金昕怡，宋其江，蔡周晨，張云旭，劉祉祺，劉鼎一

（東北林業大學機電工程學院，黑龍江 哈爾濱 150040）

隨著科技的進步，農業物聯網相關技術的不斷發展，智慧灌溉、 智慧監控、 智能互聯等領域的產品不斷涌現[1]。目前，市場上的產品一般具有以下功能： 節水灌溉、 智慧補光、 實時監控等，單一針對農業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和功能有效統一，沒有利用各種傳感器采集作物所處環境的信息，沒有將農業和物聯網結合[2-3]來推動農業生產向更加高效、 更加科學的方向發展。 針對上述問題，本文提出一種基于農業物聯網的植物生長監控施肥裝置的設計方案。 該裝置設置有多個傳感器實時收集作物所處環境的信息，并進行分析處理與上傳，根據智能分析結果結合專家指令，對作物進行灌溉、 施肥、 補光等操作，同時會根據關于天氣、 蟲害等的預測以及各農學機構的最新研究成果優化方案。 該設計在一定程度上豐富了現有對作物智慧灌溉方案的研究，解決了農業從業者在耕種過程中由于專業知識缺失而遇到的部分問題。

1 基于農業物聯網的植物生長監控施肥裝置設計

1.1 整體設計

基于農業物聯網的植物生長監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側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檢測儀，連桿的另一側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管的輸送管。 導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檢測儀將測量的相關數據傳送至顯示屏，工作人員依據數據對控制閥進行調控，從而對施肥量[4]等進行控制。裝置的結構示意圖見圖1。

圖1 基于農業物聯網的植物生長監控施肥裝置結構示意圖

基于農業物聯網的植物生長監控施肥裝置的主要運作方式為： STM32 系統與傳感器相連以獲取土壤中的相關檢測數據，并通過連接ZigBee 模塊實現與其他節點的通信，通過連接Wi-Fi 模塊實現將數據上傳至云端的功能，手機APP 從云端獲取數據，從而與用戶實現交互，見第97 頁圖2。 植物的土壤濕度基準值與pH 基準值可以通過云端與手機進行設置，并在程序開始時進行聯網與組網。 組網完畢后，系統會每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值在設定值附近。如果土壤的濕度低于設定值，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 值低于設定值，該裝置會對土壤進行營養液的補充。 通過STM32 系統可實現自動對云端、 電腦端與手機端的相關指令進行檢測及判斷，提前對各個變量進行預設，以達到節省時間的目的。 該裝置會將土壤的相關參數通過STM32 系統存放在云端，能夠實時監控系統的狀態，快速反應，并能夠根據用戶個人對植物的喜好調節參數的基準值，具有可操控性。

圖2 基于農業物聯網的植物生長監控施肥裝置的組件示意圖

1.2 機械結構及硬件的設計

1.2.1 支架

支架是整個裝置的主體結構，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，頂部通過內側螺絲連接有連接板，連接板與支架間連接有連桿，用于安裝整個設計中最核心的傳感器——土質檢測儀，并通過連桿一側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，輸送管可用于后續對施肥器進行控制。 除此之外，支架一側內部螺栓固定有連接座以及C 字型結構的固定夾板，用于對后續施肥進行控制。

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檢測儀，土質檢測儀安裝于植物的根系附近，從而可以提高檢測的準確性。 土質檢測儀測量土壤的相關數據與參數，可實時將土壤中的營養物質含量、 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

支架的一側內部螺栓固定連接座，連接座一端螺栓固定C 字形結構的夾板，導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管一端套接于輸送管底部，另一端延伸至土壤內部植物的根系附近，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，FDR） 原理，它利用電磁脈沖原理，根據電磁波在介質中的傳播頻率來測量土壤的表觀介電常數，從而產生電容的變化。 把電容值的變化轉變為電信號，就可以對濕度進行監測。 當環境濕度發生改變時，濕敏電容的介電常數發生變化，使其電容量也發生變化，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載，并且其計時精度高、 溫度穩定性好。 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 程序設計

1.3.1 主節點設計

程序主節點的流程見第98 頁圖4。 首先對ZigBee 協調器以及Wi-Fi 模塊進行初始化； 接著設置主節點ID 值，等待其他節點的加入，判斷是否接收到組網的請求，如果接收到該請求，則建立組網，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，并發送確認幀（ACK）； 最后判斷節點是否全部連接，如果節點未能全部接入，則返回繼續執行等待其他節點加入到程序循環中。

圖4 主節點流程圖

1.3.2 中斷服務程序設計

各中斷服務程序流程見第98 頁圖5。

圖5 各中斷服務程序流程圖

中斷服務程序1 用于傳感器檢測，并檢查是否低于設定值。 進入中斷服務程序1 后，查詢各傳感器的采集值，將其與設定值進行比較，如果低于設定值將會返回環境狀態代碼，將傳感器采集的數據返回，并從中斷中返回到主程序中繼續執行。

中斷服務程序2 是在測量值低的時候使控制系統工作。 進入中斷服務程序2，執行程序，查詢并檢查環境狀態代碼，從而控制對應的驅動模塊進行工作，實現對植物科學有效地施肥與灌溉。

中斷服務程序3 的功能是發送云端傳感器的數據。 首先查詢數據和環境狀態代碼，如果有異常狀態，則發送報警至云端，如果沒有發生該類問題，則判斷數據是否發生改變，如果發生改變即將數據發送至云端，跳出中斷，返回主程序。

2 基于農業物聯網的植物生長監控施肥裝置效果

基于農業物聯網的植物生長監控施肥裝置解決了現有技術不能實時了解植物獲取營養物質情況的問題，可以時刻監測土壤中的微量元素、 營養物質含量、 水含量、 酸堿度，進而了解植物生長的土壤環境，直觀地觀測植物在生長過程中缺乏的營養物質，降低培育難度。 該裝置可以實時將數據顯示于顯示屏上，工作人員通過數據確定對植物施肥灌溉的用量與種類。 此外，該裝置可以通過設定，將肥料施加于加料口，通過控制導管上的控制閥實現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部，既能節約水資源，又能提高施肥準確度和施肥效率。

3 結束語

隨著物聯網的廣泛應用，粗獷化的農業逐漸向現代化農業發展。 對植物所處的土壤環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物質，降低培育難度，也可以科學地進行灌溉與施肥。 通過將水及肥料直接注入土壤內部，可以節約水資源，提高施肥準確度和施肥效率，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。 本文設計的基于農業物聯網的植物生長監控施肥裝置經過實踐與調試產生了原型樣機，完美實現了本文所提及的功能。 該裝置通過使用物聯網等進一步推動了新型農業的發展，通過農業和物聯網的結合，使農業生產更加高效科學，以生產出更好的產品服務人民。