徐莉莎 彭家敏 周美蓉 瞿少成
摘要:針對(duì)目前照料農(nóng)作物耗費(fèi)了太多的時(shí)間和精力,以及漫灌造成水資源無(wú)法有效利用的現(xiàn)狀,闡述了基于NRF24L01的智能農(nóng)業(yè)滴灌系統(tǒng)設(shè)計(jì)。由于土壤在某些的情況下(例如缺水等)結(jié)構(gòu)松散導(dǎo)致普通傳感器測(cè)量準(zhǔn)確度不高,系統(tǒng)對(duì)傳感器的選擇加以比較并選用具有探針狀的FDR頻域型TYX-CTS2土壤濕度傳感器,對(duì)農(nóng)作物所處土壤濕度進(jìn)行測(cè)量,利用二級(jí)無(wú)線(xiàn)通信自組網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳遞,利用可視化QT界面顯示數(shù)據(jù),方便人們觀察管理,當(dāng)土壤濕度低于閾值時(shí)用繼電器控制閥門(mén)的開(kāi)關(guān)進(jìn)行自動(dòng)滴灌。
關(guān)鍵詞:TXY-CTS2;NRF24L01;QT;智能農(nóng)業(yè);滴灌;
中圖分類(lèi)號(hào):TN915 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1009-3044(2018)14-0193-04
Abstract: According to the current that taking care of the crops consumes too much time and energy, and its ineffective to use water by flood irrigation. Intelligent agriculture drip irrigation system is designed, which is based on NRF24L01. Due to the loose structure of soil in some cases(such as lack of water), the measuring accuracy of ordinary sensors is low. After comparison, the system selects the soli temperature senor of FDR domain type TYX-CTS2 which has a probe shape. We use it to measure soil moisture in crops. The transmission of data is carried out using the secondary wireless communication network. These data are displayed in QT so that its more convenient for people to observe and manage. When soil moisture is below threshold, relay is used to control the switch of value to conduct automatic drip irrigation.
Key words: TXY-CTS2; NRF24L01; QT; Intelligent agriculture; drip irrigation
1 引言
在中國(guó)共產(chǎn)黨第十九屆全國(guó)人民代表大會(huì)中,習(xí)總書(shū)記強(qiáng)調(diào)農(nóng)業(yè)農(nóng)村農(nóng)民問(wèn)題是關(guān)系國(guó)計(jì)民生的根本性問(wèn)題,必須始終把解決好“三農(nóng)”問(wèn)題作為全黨工作重中之重[1]。然而,農(nóng)作物的照料卻耗費(fèi)了人們大量的時(shí)間以及精力,據(jù)調(diào)查了解,截止到2017年6月,盡管我國(guó)的淡水資源總量較為豐富但因人口基數(shù)過(guò)大,人均擁有的淡水資源僅有2200立方米,形成了“全球13個(gè)人均水資源最貧乏的國(guó)家之一”的局面[2],因此,提高水資源的利用率勢(shì)在必行。
在市場(chǎng)上已有的農(nóng)作物管理系統(tǒng)中,大部分都選用的是普通的moisture sensor土壤濕度傳感器(所需接觸面積較大,測(cè)量不精確,無(wú)法正確地對(duì)農(nóng)作物的生長(zhǎng)環(huán)境進(jìn)行檢測(cè))。還有的設(shè)計(jì)是采用一個(gè)節(jié)點(diǎn)配置一個(gè)小型水泵的方式,水泵的啟動(dòng)和運(yùn)行將耗費(fèi)較多的電能,則需要在節(jié)點(diǎn)處配置水源和經(jīng)常更換節(jié)點(diǎn)電池,增加了成本且系統(tǒng)不太穩(wěn)定。大部分為了便捷都采用漫灌的方式對(duì)農(nóng)作物進(jìn)行澆水,這種方法的水資源利用率僅為30%-40%,造成了水資源的大量浪費(fèi)[3]。
為了節(jié)省人們的精力和珍貴的水資源,及更好的照顧農(nóng)作物的生長(zhǎng),設(shè)計(jì)了基于NRF24L01的智能農(nóng)業(yè)滴灌系統(tǒng)。利用高精度的TYX-CTS2頻域型傳感器將植物生長(zhǎng)環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行采集,并在土壤濕度低于閾值時(shí)開(kāi)啟水泵和閥門(mén)進(jìn)行自動(dòng)滴灌,達(dá)到閾值時(shí)關(guān)閉閥門(mén)停止滴灌,溫度高于閾值時(shí)進(jìn)行報(bào)警。系統(tǒng)具有高測(cè)量精度,節(jié)約水資源,省時(shí)省力,有效提高農(nóng)作物存活率等優(yōu)點(diǎn)。
2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
智能農(nóng)業(yè)滴管系統(tǒng)各模塊如圖1所示。系統(tǒng)采用了TYX-CTS2的高精度FDR頻域探針型傳感器,利用二級(jí)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò),通過(guò)低功耗的STC12LE5A60S2單片機(jī)和外圍電路作為節(jié)點(diǎn)控制器進(jìn)行環(huán)境溫度,土壤濕度和電源電量的數(shù)據(jù)采集,經(jīng)NRF24L01將多個(gè)子節(jié)點(diǎn)和分站協(xié)調(diào)器進(jìn)行組網(wǎng),將采集的數(shù)據(jù)無(wú)線(xiàn)傳輸給分站協(xié)調(diào)器,每一個(gè)分站協(xié)調(diào)器都將其所分管的子節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)均值傳遞給主站協(xié)調(diào)器。主站協(xié)調(diào)器通過(guò)異步串口的方式將數(shù)據(jù)傳輸給ARM平臺(tái)進(jìn)行處理,將采集到的土壤濕度數(shù)據(jù)與設(shè)定的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較,當(dāng)分站協(xié)調(diào)器的數(shù)據(jù)低于設(shè)定數(shù)據(jù)時(shí),開(kāi)啟水泵和對(duì)應(yīng)的閥門(mén)進(jìn)行澆水,達(dá)到閾值時(shí)停止?jié)菜?,從而?shí)現(xiàn)自動(dòng)澆灌。通過(guò)QT界面可以進(jìn)行閾值的設(shè)定,將數(shù)據(jù)以數(shù)字、圖表的方式顯示。
3 硬件電路設(shè)計(jì)
3.1 子節(jié)點(diǎn)電路
子節(jié)點(diǎn)由微處理器控制部分、按鍵檢測(cè)、電源管理、蜂鳴器、NRF24L01射頻模塊、TYX-CTS2土壤濕度傳感器、DHT11溫度傳感器部分組成。主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集、上傳及報(bào)警。如圖3所示
3.1.1微處理器的選擇
系統(tǒng)選用的是STC12C5A60S2單片機(jī)。它是一種具有高速度,極低功耗以及具有極強(qiáng)的抗干擾性能的新一代的單片機(jī)[4]。與普通的單片機(jī)相比較,在相同的晶振的情況下,它的速度是普通51單片機(jī)的8~12倍。這種單片機(jī)不僅可以和8051指令、管腳完全兼容,而且單片機(jī)內(nèi)部自帶60K的FLASHROM,1K內(nèi)部擴(kuò)展RAM[5]。因此更滿(mǎn)足本系統(tǒng)需求的存儲(chǔ)量大,速度快,以及功耗低,有抗干擾性的要求。
3.1.2土壤濕度傳感器
普通的土壤濕度傳感器moisture sensor如圖4所示,其長(zhǎng)度為64mm,寬度為24mm,檢測(cè)深度37mm,其每一瓣檢測(cè)面積約為280mm2。而在與土壤接觸的過(guò)程中,由于有時(shí)土壤結(jié)構(gòu)在較為松散,會(huì)與傳感器之間產(chǎn)生許多空隙,導(dǎo)致測(cè)量精度下降,農(nóng)作物所處的土壤環(huán)境濕度無(wú)法得到準(zhǔn)確的測(cè)量。當(dāng)測(cè)量的結(jié)果比實(shí)際濕度相差過(guò)低時(shí),由于系統(tǒng)設(shè)計(jì)會(huì)自動(dòng)澆水,使得農(nóng)作物可能由于水分過(guò)多而不能正常生長(zhǎng)甚至死亡。
為了避免這種情況,系統(tǒng)采用TYX-CTS2型土壤濕度傳感器。它采用了FDR頻域測(cè)量技術(shù)原理,可以高精度地測(cè)量土壤和其他多孔介質(zhì)體積中的含水量。它的探針式結(jié)構(gòu)使得與土壤的接觸面積很小,極大可能地減小了由于土壤結(jié)構(gòu)松散而導(dǎo)致的誤差且分辨率達(dá)到0.1%[6]。它是以中央探針為中心,圍繞中央探針的直徑為7cm、高為7cm的圓柱體,其測(cè)量體積可達(dá)到269.3cm3,相比普通的moisture sensor來(lái)說(shuō)大許多倍。其外部用工程塑料和環(huán)氧樹(shù)脂純膠體封裝,有極好的密封性,避免被土壤腐蝕,并且使用電流環(huán)傳送技術(shù)使得其抗干擾能力極強(qiáng),保證了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度[7]。它響應(yīng)速度快,價(jià)格低廉,成本較低。
3.1.3溫度傳感器模塊
溫度傳感器采用了DHT11。DHT11測(cè)量空氣中的溫度精度可達(dá)到±2℃,范圍在0-50℃,成本較為低廉,適合系統(tǒng)的需求。
3.1.4電源管理模塊
系統(tǒng)采用的是鋰電池供電。相較其他的電池,鋰電池釋放的能量較高,能夠提供充足的能量且其平均壽命較長(zhǎng),在壽命范圍內(nèi)基本不必進(jìn)行維修[8]。它可以進(jìn)行快速的充電和放電,滿(mǎn)足系統(tǒng)的需求。鋰電池的效率高功率大,但通常提供的是3.7V電壓。系統(tǒng)為了帶動(dòng)單片機(jī),需要5V電壓。因此還需要進(jìn)行升壓操作。設(shè)計(jì)用TP5400對(duì)鋰電池進(jìn)行充電升壓。
3.1.5 NRF24L01無(wú)線(xiàn)射頻模塊
NRF24L01工作2.4GHz~2.5GHz ISM頻段, 可自由調(diào)節(jié)輸出功率及信道。它的模塊功耗低, 在掉電模式和待機(jī)模式下效果更為顯著[9]。它可通過(guò)無(wú)線(xiàn)射頻來(lái)傳輸數(shù)據(jù),且范圍極廣(可達(dá)到500m左右)適用于農(nóng)田中節(jié)點(diǎn)的通信。
3.1.6 蜂鳴器報(bào)警系統(tǒng)
蜂鳴器電路主要是發(fā)出聲音信號(hào),當(dāng)溫度超過(guò)設(shè)定的閾值時(shí),蜂鳴器就會(huì)以一定的頻率發(fā)出聲音信號(hào)。在通過(guò)ARM主控平臺(tái)對(duì)相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行閾值設(shè)定時(shí),節(jié)點(diǎn)收到命令后,蜂鳴器會(huì)響一聲,說(shuō)明相應(yīng)的閾值設(shè)置成功。
3.2 協(xié)調(diào)器部分
協(xié)調(diào)器分為一個(gè)主站協(xié)調(diào)器和若干個(gè)分站協(xié)調(diào)器。主站協(xié)調(diào)器由微處理器和NRF24L01無(wú)線(xiàn)射頻模塊組成,分站協(xié)調(diào)器由微處理器,NRF24L01射頻模塊,繼電器,電源管理部分組成。通過(guò)繼電器來(lái)控制水泵閥門(mén)的開(kāi)關(guān)進(jìn)一步控制滴灌澆水。分站協(xié)調(diào)器的功能是通過(guò)NRF24L01接收所管理的各個(gè)子節(jié)點(diǎn)傳來(lái)的數(shù)據(jù)并進(jìn)行均值計(jì)算,將計(jì)算得到的數(shù)值傳遞給主站協(xié)調(diào)器。主站協(xié)調(diào)器也將控制分站協(xié)調(diào)器進(jìn)行打開(kāi)和關(guān)閉水泵閥門(mén)的操作。
3.2.1繼電器控制部分
水泵閥門(mén)是通過(guò)分站協(xié)調(diào)器控制繼電器進(jìn)一步控制電機(jī)來(lái)進(jìn)行的。繼電器是一種用弱電控制強(qiáng)電的裝置,一方面可以利用強(qiáng)電控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)從而帶動(dòng)閥門(mén)的開(kāi)關(guān),另一方面,繼電器的隔離控制極大地減少了強(qiáng)電對(duì)弱點(diǎn)的干擾。
3.2.2水泵部分
部分農(nóng)業(yè)管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是采用一個(gè)節(jié)點(diǎn)配置一個(gè)小型水泵的方式,水泵的啟動(dòng)和運(yùn)行將耗費(fèi)較多的電能且需經(jīng)常更換節(jié)點(diǎn)電池,不僅要在節(jié)點(diǎn)處配置水源還會(huì)增加成本。系統(tǒng)使用一個(gè)大水泵進(jìn)行抽水,分站協(xié)調(diào)器控制的僅是閥門(mén)開(kāi)關(guān)。當(dāng)需要澆水時(shí),通過(guò)分站協(xié)調(diào)器控制繼電器,繼電器控制電機(jī)的運(yùn)行,來(lái)打開(kāi)閥門(mén)對(duì)農(nóng)作物進(jìn)行澆水。這樣做比無(wú)線(xiàn)的節(jié)點(diǎn)直接控制小型水泵穩(wěn)定,且功耗也低許多。
3.3 ARM主控平臺(tái)
主控平臺(tái)的設(shè)計(jì)是基于Linux的QT系統(tǒng)。其功能是利用AM3359處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理,該處理器穩(wěn)定性較高[10]。利用QT可視化界面設(shè)定用戶(hù)名,密碼,選擇節(jié)點(diǎn),觀測(cè)數(shù)據(jù)以及設(shè)定土壤濕度的上下臨界值。
4 軟件程序設(shè)計(jì)
系統(tǒng)采用二級(jí)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳遞。由大量的子節(jié)點(diǎn)和分站協(xié)調(diào)器與一個(gè)主站協(xié)調(diào)器組成。通信的協(xié)議以及程序是使用的以Keil uvesion4為開(kāi)發(fā)環(huán)境,利用C語(yǔ)言編寫(xiě)。由于C語(yǔ)言的優(yōu)點(diǎn)使得程序的可移植性較強(qiáng)。圖8為節(jié)點(diǎn)分配流程,圖9為系統(tǒng)運(yùn)行流程圖。
4.1 節(jié)點(diǎn)分配過(guò)程
啟動(dòng)系統(tǒng)后,采用三次握手的方式分配節(jié)點(diǎn)編號(hào)和所對(duì)應(yīng)的協(xié)調(diào)器。子節(jié)點(diǎn)發(fā)送組網(wǎng)請(qǐng)求,協(xié)調(diào)器接收到請(qǐng)求后對(duì)其響應(yīng)并分配節(jié)點(diǎn)號(hào)碼,節(jié)點(diǎn)收到編號(hào)后向協(xié)調(diào)器發(fā)送接收成功的反饋。
4.2 系統(tǒng)運(yùn)行流程
當(dāng)系統(tǒng)初始化后,子節(jié)點(diǎn)通過(guò)傳感器采集土壤濕度和環(huán)境溫度,采集到的模擬信號(hào)通過(guò)AD轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào),發(fā)送至分站協(xié)調(diào)器處理,分站協(xié)調(diào)器將計(jì)算的每一次所接受的數(shù)據(jù)均值上傳到總站協(xié)調(diào)器??傉緟f(xié)調(diào)器通過(guò)異步串口的方式發(fā)送給ARM主控平臺(tái),將值與閾值進(jìn)行比較。當(dāng)土壤濕度數(shù)值高于上界或低于下界時(shí),ARM平臺(tái)傳遞指令至主站協(xié)調(diào)器再至分站協(xié)調(diào)器,對(duì)所管理的繼電器進(jìn)行控制繼而控制水泵的開(kāi)與關(guān),實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)作物的澆水。
5 滴灌設(shè)計(jì)
由于傳統(tǒng)方式的灌溉方式例如漫灌,水資源利用率僅達(dá)到20~30%造成了水資源的大量浪費(fèi),所以系統(tǒng)采用水資源高利用率的滴灌模式,水資源利用率可達(dá)到95%以上,有針對(duì)性地對(duì)農(nóng)作物進(jìn)行澆水。設(shè)計(jì)如圖10。設(shè)計(jì)的滴灌部分由水泵,閥門(mén),電機(jī),輸水管(主管、支管)組成。其功能是被分站協(xié)調(diào)器控制而對(duì)農(nóng)作物澆水。
6 結(jié)語(yǔ)
系統(tǒng)以STC12C5A60S2為控制器,利用NRF24L01構(gòu)建二級(jí)無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò),用Linux的QT系統(tǒng)設(shè)計(jì)主控平臺(tái),用滴灌的方式構(gòu)建了一個(gè)智能農(nóng)業(yè)滴灌系統(tǒng)。和現(xiàn)在的農(nóng)業(yè)系統(tǒng)相比,既可以節(jié)省人力,更有效的測(cè)量農(nóng)作物的生長(zhǎng)環(huán)境數(shù)值,又可以節(jié)約寶貴的水資源,并自動(dòng)對(duì)農(nóng)作物進(jìn)行滴灌。系統(tǒng)穩(wěn)定性高,抗干擾能力強(qiáng),可以更好地對(duì)農(nóng)作物的生長(zhǎng)環(huán)境進(jìn)行掌握,提高農(nóng)作物的產(chǎn)量,具有市場(chǎng)推廣價(jià)值。
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