基于嵌入式開發的智能水肥一體化監控系統

郭建文，高曉婷，王玥，劉宇琪，胡孝鴻

（中國礦業大學徐海學院，江蘇徐州，221000）

0 引言

眾所周知，我國溫室和大棚蔬菜疾速發展，圍繞農業生產上對溫室大棚的環境治理、種類抉擇、栽培管理、均衡施肥、科學施藥和節水節能等問題得到諸多關注。在農業栽培技術現代化與信息化同時發展的大歷史背景下，種植業生產已步入了信息化時代，水肥一體化系統也在大田農作物生產中的應用越來越廣泛。

本文對該系統進行創新，農業領域與智能化技術相結合為背景下的一種全新工作模式——基于嵌入式開發的智能水肥一體化監控系統。與傳統模式相比，該模式能夠節約大批人工，在減少肥料消耗量的同時減少水資源的浪費，防止因為過量施肥而造成農作物燒根的問題。能夠模擬出農作物成長周期中的各種生長需求，結合實際情況可以對水分、營養供應量加以適當調整，確保農作物處于最佳營養狀態、水分足夠供應的狀態下，以提高農作物生長質量。本文即闡述一種基于STM32模塊并聯合樹莓派的智能水肥一體化監控系統，就系統設計的關鍵內容進行分解與探討。

1 系統總體方案

整個基于嵌入式開發的智能水肥一體化監控系統從構造上來看，能夠分為四個部分，第一是電氣部分，第二是核心控制器設計部分，第三是數據處理部分，第四是灌溉施肥管理結構部分。基于嵌入式開發的智能水肥一體化監控系統以STM32為主控芯片，應用PID算法，通過WiFi無線技術進行通信，實現對傳感器溫度、濕度、酸堿度、光照強度的監測，通過STM32對傳感器收集的數據，最后樹莓派對數據的處理和分析，進行和數據庫進行比對根據作物的施肥比例制定施水、施肥的方案，通過無線網把數據上傳到用戶端，用戶可以隨時查看土壤、灌溉和施肥情況，也可以通過手機控制灌溉和施肥的量，當化肥量不足時會通知用戶及時添加。樹莓派通過施肥量、光照強度等數據，可以模擬農作物的生長情況，并將數據傳輸給用戶。系統框圖如圖1所示。

圖1 系統框圖

1.1 系統模擬

在研究農作物產量等問題上，首先得了解不同農作物在不同生長周期的生長需求以及最佳生長速度。農作物的生長周期都比較長，不適宜直接拿實際的農作物進行研究。因此我們首先采用WOFOST軟件對種植農作物進行生長模擬，本軟件根據往年該地的氣候情況，選擇種植的農作物后，得出農作物在無災害，水肥、陽光充足下的模擬情況。我們可以根據數據估計出該農作物產量多少、最佳施肥時間。我們將其各種數據存儲在數據庫中，作為后續種植用戶監控農作物生長周期的參照。

在種植農作物之前，首先需要對土壤進行施加肥料。在農作物整個生長周期中，也需要對農作物不斷進行肥料供給，可以先采用試驗小區施肥量計算器得到最合適的肥料基追比。

圖2 WOFOST軟件結果分析圖

圖3 試驗小區施肥量計算器計算結果

1.2 智能水肥一體化監控系統主體功能研究設計

基于嵌入式開發的智能水肥一體化監控系統的設計可以分為傳感器層、控制層和傳輸層。通過各層間的相互作用，以實現主要功能：

（1）傳感器層：傳感器層采用不同的傳感器與STM32相連，通過各種傳感器測量的數據發送到STM32。傳感器時刻監測土壤的濕度、酸堿度、溫度以及光照強度。

（2）控制層：STM32將接收到的數據通過串口發送到樹莓派里，通過進一步分析數據，可以得出農作物的生長情況。通過與數據庫里的數據對比，可以對農作物進行適宜的操作，確保農作物處于最佳水分和養分。

（3）傳輸層：通過無線網把數據上傳到用戶端，用戶可以隨時查看土壤、灌溉和施肥情況，施肥灌溉方案可以系統智能控制或者用戶通過手機進行控制。

該系統實現這些功能的前提是采用太陽能進行供電，電池作為備用電源；該系統設有防水、防室外各種惡劣天氣的保護套，可以延長系統使用壽命。

2 系統各功能模塊簡介

STM32處理器將接收到多組傳感器的數據，經過處理之后發送到樹莓派中，樹莓派通過這些數據計算可以得出相對應的施肥量。

系統的主要硬件組成：STM32最小系統板、樹莓派、土壤PH值檢測模塊、溫濕度檢測模塊、土壤濕度檢測模塊、二氧化碳檢測模塊、OLED顯示模塊、無線傳輸模塊等系統模塊。

2.1 STM32F103主控芯片

本系統的數據監測和數據處理使用STM32F103處理器作為主控芯片，控制所有的傳感器采集數據并將采集到的數據發送到用戶手機端和樹莓派進行下一步數據處理。STM32F103處理器使用ARM公司高性能“Cortex-M3”內核的F103系列，可以連接和控制多個外設，工作頻率達到72MHz，1.25DMIPS/MHz。擁 有us級 的12位A/D轉 換通道，測量范圍0～3.6V，最大造成的誤差為1/9192，因此STM32采集出來的數據誤差就會很低，并且具有雙采樣和保持能力。STM32F103通過外掛ESP8266WiFi模塊，連接物聯網平臺，將傳感器采集到的數據發送給用戶，用戶可以通過APP進行遠程監控。

2.2 樹莓派

樹莓派一款基于ARM的微型電腦主板，具備PC所有的基本功能，能運行多種操作系統。施肥量算法在樹莓派運行，用戶只需要樹莓派輸入種植的農產品類型，樹莓派會把輸入的數據與數據庫進行對比，然后結合STM32發送過來的傳感器采集到的數據進行運算，保持農作物最佳的施肥量和灌溉量。

2.3 DHT11溫濕度檢測模塊

在環境溫濕度檢測系統中使用的是復合式數字傳感器DHT11溫濕度傳感器。DHT11數字溫濕度檢測模塊包括一個NTC測溫元器件和一個電容式感濕元器件，并與一個高性能的8位單片機相連接。DHT11與單片機的通信采用單總線數據格式，進行一次通信時間4ms左右，數據分為小數部分和整數部分。

當DHT11接收到開始信號后，會從低功耗模式轉到高速模式，發送40bit的數據，用戶能夠自行選擇讀取數據。DHT11發送的每1bit數據都以50μs低電平開始，高電平的長短決定數據位是0還是1。

2.4 PH傳感器模塊

PH傳感器主要監測土壤的酸堿性，每種農作物對土壤的酸堿性要求都不一樣，當土壤過酸或者過堿是進行調節，使達到農作物最佳的生長狀態。本設計的PH傳感器模塊是通過BNC接口與PH復合電極進行相連接，而且搭配DS18B20溫度傳感器進行組合使用。

DS18B20溫度傳感器是為了方便進行軟件溫度補償而設計，使用電位器進行放大倍數的調節。PH傳感器是用于檢測被測物體中氫離子濃度并且轉換成相對應的可輸出信號的傳感器，PH測量屬于原電池系統，將化學能轉換成電能，兩端電壓被稱為電極電位，由兩個電池構成，其中一個稱為測量電極，另外一個為參比電極，并且遵循能斯特方程。

氧化還原體系：

如果是對于金屬電極，還原態是純金屬，其活度是常數，

圖4 PH傳感器模塊電路圖

定為1，則式子可以寫為：

公式中：E—電極電位、E0—電極的標準電壓、R—氣體常數、T—開式絕對溫度、F—法拉第常數、n—被測離子的化合價、aMe—離子活躍度。

能斯特公式：

2.5 土壤濕度傳感器模塊

土壤濕度傳感器主要用來測量土壤容積的含水量，該模塊采用FDR型，具備快速精確、寬量程、少定標等優點。當土壤較為干燥的時候，土壤電阻趨于無窮大，濕潤時相反。

土壤濕度傳感器依據土壤電阻的變化輸出不同的模擬信號值，從而檢測土壤濕度的變化，可以使用電位器來設置土壤濕度閾值。

圖5 土壤濕度傳感器模塊電路圖

2.6 二氧化碳檢測模塊

二氧化碳檢測模塊采用MH-Z16小型傳感器，采用非色散紅外（NDIR）吸收法進行檢測空氣中二氧化碳濃度，內部有溫度傳感器，具有溫度補償性能，檢測精度高，使用串口進行數據的輸出，在使用該模塊時需要先預熱180s。二氧化碳濃度會隨季節性的變化而產生變化，當二氧化碳濃度低時，光合作用減少，需要給農作物適量的添加肥料。

2.7 ESP8266通信模塊

運用的無線通信模塊是ALIENTEK推出的一款高性能的UART-WiFi模塊，內部嵌有TCP/IP協議棧，內部可以進行串口與WiFi之間的轉換，而且支持LVTTL串口，可以很好地兼容3.3V和5V的單片機系統。ESP8266通信模塊支持WiFi STA+WiFi IAP、串口轉WiFi STA和串口轉WiFi AP的模式，從而能夠方便快速地建立串口-WiFi的數據傳輸方案，可以使設施愈加方便地運用互聯網，將數據傳送給上位機。

本系統ESP8266通信模塊連接上機智云物聯網云服務平臺，需要下載機智云APP，就可以連接上ESP8266通信模塊，通過手機進行遠程的查看數據或者手動施肥。

圖6 ESP8266通信模塊

2.8 顯示模塊

該系統還搭配一塊0.96寸OLDE屏幕進行數據的查看，OLED 屏幕顯示模式通過有機發光二極管發光顯示，使用SSD1306作為驅動IC，內部具有升壓功能，所以電路設計的時候不需要再額外設計升壓電路。OLED屏幕有五種接口連接單片機，分別為6800、8080兩種并行連接模式、經過四線或者三線的串行SPI連接，或者利用I2C連接方式。

OLED屏幕顯示各傳感器采集到數據，不僅可以通過手機查看數，也可以通過系統搭配的屏幕查看數據變化。

3 軟件設計

3.1 通信

ESP8266與上位機通信模式是串口轉WiFi STA，使用無線局域網絡制定的802.11協議簇。在STA和AP之間傳送數據之前，需要三個階段才能完成接入：掃描、認證和關聯。在軟件通信過程中：

STA偵聽beacon幀或者發送probe request幀給AP。

STA和AP提供身份信息。

STA和AP信息通信關系建立，進行數據收發通信。

表1

3.2 數據處理

樹莓派將接收到數據存儲到sqlite3數據庫中，進行數據的統計和分析。在灌溉施肥系統中允許用戶設置肥液配方、肥液通道配置方案以及肥液比例等關鍵參數。在系統執行灌溉施肥算法時，系統會根據用戶設置的灌溉策略以及系統分析采集的數據自動生成更加高效地控制參數，啟動施肥控制功能，下面我們將以土豆作為示例進行分析。

4 灌溉施肥管理結構

智能水肥一體化系統首先是要實現系統自主決策，就是讓系統對農作物生長周邊環境和生長狀況進行數據采集和智能分析，由系統核心做出合適的水肥決策。系統需要根據作物需水、需肥規律、土壤保水、保肥能力、土壤供肥、保肥特性以及肥料效應，在灌溉的基礎上，合理調配主要營養素（氮、磷、鉀）的用量比例。本系統為滴灌澆灌方式，需要實行少量多次灌溉的原則。采用天氣、土壤和作物長勢實時數據，把作物灌溉用肥料按灌水時間和次數進行分配，充分利用灌溉系統進行施肥，適當增加施肥數量和次數，實現少量多次，精準用肥，提高養分利用率。

圖7

具體地說，通過物聯網傳感系統，采集當地氣象數據，提供當地、當時生長環境參數，它采用作物生長，根系生長，土壤水分大數據分析和智能決策數學模型，引擎融入知識學習、機器學習等人工智能技術，并預測未來氣象的發展狀態，根據預測并深度分析作物生長的關鍵數據給出決策方案。它是通過土壤水分傳感器數據進行數據分析，找出作物的ETc和Kc動態變化的數值。引擎會自動通過傳感器數據分析ET墑與T墑在根系層的主要分布位置，動態感應農作物吸水活躍根系和最大吸水、吸肥根系深度位置，提出并實現基于作物根系層分布密度進行分層精確灌溉的方法。

5 結語

本論文設計的是基于STM32與樹莓派的聯調與通信，模塊化的設計，通過不同模塊之間的數據通信來實現整個系統的功能。實現基于WiFi的與上位機的無線信息通訊，使用傳感器采集相關數據后，通過串口發送到樹莓派上進行水肥比例方案制作，再向STM32發送數據，控制水和肥料的閥門，減輕農民的工作量。該系統有比較大的開發意義，特別是如今我國淡水資源嚴重短缺，能夠節省水資源，降低化肥的使用，減少污染，同時人們的健康得到了保障。