基于安卓系統(tǒng)和MCU智能灌溉系統(tǒng)設計 白皓然 陳曉旭 馬擎梟 師宇岐 張 凱 青島農業(yè)大學機電工程學院 山東青島 66 摘 要 為解決農業(yè)灌溉中智能化監(jiān)測與遠程控制問題 提高農業(yè)灌溉效率與智能灌溉的可靠性 設計了基于安 卓系統(tǒng)與 CU的智能灌溉系統(tǒng) 系統(tǒng)主要包括上位機 nd oid手機 PP 下位機單片機 以及云服務平臺 部 分 上位機采用HT CSS J v Sc ipt在 P Cloud Studio環(huán)境下實現的移動應用程序 下位機采用ST F 處理器作為智能灌溉系統(tǒng)的核心CPU 借助物聯(lián)網云平臺實現上位機與下位機的通訊 并通過PW 控制薄膜泵 灌溉速度 用戶通過手機即可實時監(jiān)測環(huán)境信息和作物生長狀態(tài) 設置灌溉模式 控制灌溉開啟及灌溉速度 試驗表明 系統(tǒng)各方面運行正?？煽?在農業(yè)遠程智能監(jiān)測和灌溉方面有一定的實用價值 關鍵詞 智能灌溉 遠程遙控 安卓系統(tǒng) PW 中圖分類號 S274 2 文獻標識碼 A文章編號 1003 188X 2021 03 0146 06 0 引言 目前 我國大部分地區(qū)還在使用最原始的人力灌 溉 方式單一 而國外發(fā)達地區(qū)智能灌溉系統(tǒng)已經相 當成熟 在系統(tǒng)的研發(fā)上更趨向于智能 農業(yè)機械化 是發(fā)展現代農業(yè)的有效工具 近幾年 國外更是在 研發(fā)的智能灌溉系統(tǒng)里加入了模糊控制 神經網絡等 新技術 實現了更智能的灌溉決策 其中 以色 列研發(fā)了現代診斷式控制器 能夠捕捉到以前無法采 集的信息 通過計算機的模型處理 以inte net網或 GS 作為數據傳輸的媒介 可及時做出灌溉計劃 物聯(lián)網作為世界信息產業(yè)的第三次浪潮 被看 作信息資源領域又一次重大的變革機遇 6 已上升到 我國戰(zhàn)略性新興產業(yè)中的第二位 隨著物聯(lián)網時 代的到來 人與物的連接已逐漸成為可能 物聯(lián)網 技術進入我國農業(yè)領域始于 世紀 年代 雖然 開始時間比較晚 但在農業(yè)機器人的研究方面也取得 了很不錯的成績 如草莓采摘機器人 黃瓜采摘機器 人及智能噴藥機等 農業(yè)科技人員乃至普通農民 都可以應用物聯(lián)網隨時隨地獲取各種科技信息 管理 信息 市場供求信息 氣象和土壤信息 作物和病蟲 收稿日期 基金項目 山東省重點研發(fā)計劃項目 C C GC 山東省研究生教育質量提升計劃項目 SD 6 山東省農機裝備創(chuàng)新計劃項目 6 山東省 高等學校國家級大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目 青島農業(yè)大學創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練項目 作者簡介 白皓然 6 男 山東青島人 副教授 碩士生導師 m il b i o n 6 com 害信息等 物聯(lián)網技術為實現智能化灌溉提供了基礎平臺 可解決傳統(tǒng)灌溉設備無法解決的連接管理問題 為 了提高現代先進信息技術在農業(yè)精準智能灌溉上的 聚合性 筆者利用物聯(lián)網技術 云平臺 嵌入式系統(tǒng)和 自動化技術 設計了一套針對小批量 大范圍的精準 灌溉調控及環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng) 以期提高農業(yè)灌溉智能化 和網絡化的水平 1 系統(tǒng)總體架構設計 以上位機 云平臺 傳輸層和下位機組成的系統(tǒng) 整體架構如圖 所示 圖 系統(tǒng)總設計圖 Fig T e gene l system design d wing 上位機 使用 P Cloud開發(fā)移動手機 PP并 6 年 月 農機化研究 第 期 使其連接至Fog云服務器 以實現環(huán)境信息的顯示并 控制下位機 云平臺 選擇FogCloud作為該設計的云平臺 在特定的氛圍環(huán)境下 利用其提供安全高效的接入 數據存儲 數據分析等平臺級服務進行數據交互 以 及負責向上 下層提供數據服務 傳輸層 前端采集控制系統(tǒng)通過無線傳感網絡 連接 采集的環(huán)境參數通過 QTT協(xié)議與數據服務器 交互 下位機 通過 icokit 6 處理器采集并處理灌 溉系統(tǒng)的環(huán)境因子 主要包括土壤溫濕度 土壤鹽濃 度 水流速度 光照強度 水流壓強 同時通過PW 控 制策略來實現水泵流量的精準調控 系統(tǒng)整體運行流程按照自上而下的模式 上位機 PP通過 QTT協(xié)議連接FogCloud 再與 icokit 6 模塊進行通信 并在 6 模塊上連接各路傳感器 可 以有效地對各環(huán)境因子進行檢測 同時 在 ico kit 6 設備端通過自由端口協(xié)議利用串口轉 模 塊連接電機驅動模塊 進而實現水泵電機的啟停 各 路模塊通過電壓轉換模塊進行直流供電 保證各路模 塊電源穩(wěn)定工作 2 硬件 軟件的系統(tǒng)設計 2 1 系統(tǒng)硬件電路設計 下位機系統(tǒng)硬件包括核心ST F 主CPU及 通訊WiFi模塊 W 6 外接溫濕度傳感器與水流 量傳感器 直流薄膜泵 以及直流電機驅動模塊等 2 1 1 主控設備及無線模塊 下位機 icokit 6 設備端是基于ST 的 CU 設計 設備內部具有 W 6 低功耗嵌入式WiFi模 塊 WiFi模塊可通過串口通信 與 CU相連 按照既 定的通訊協(xié)議 可使 CU的數據經串口直接發(fā)送到 WiFi模塊串口 繼而通過WiFi模塊的射頻發(fā)送到云 端去處理 設計中 WiFi模塊的內部集成了一個無線射頻芯 片和型號為ST F C 的Co tex 微控制器 設 備自帶獨一無二的 self osted WiFi網絡函數庫及應 用組件 W 6 模塊的硬件框架圖如圖 所示 Co tex 通過SD O接口與WiFi模塊進行連接 通信 SD O接口在SD接口的基礎上發(fā)展而來 除了 SD內存卡最基礎的功能 SD O接口還可以用于連接 WiFi 調制廣播和以太網等 2 1 2 外設傳感器模塊 下位機傳感器節(jié)點配置了各類傳感器設備 構成 了一個分布式傳感網絡 能夠對系統(tǒng)附近的環(huán)境進行 實時監(jiān)測 環(huán)境參數通過無線傳感網絡上傳至手機 PP端 以清晰直觀的方式呈現給用戶 圖 W 6 模塊硬件框架圖 Fig H dw e f me di g m of W 6 module 設計中 溫濕度傳感器采用 工業(yè)級測溫防水 高精度溫濕度計 檢測穩(wěn)定 可靠性高 采用 直流 電源供電 將黃色信號線連接 O P 端口 將藍色 信號線連接 O P 端口后 可以輸出RS 信號 最遠可通信 m 標準的modbus協(xié)議 該溫濕度傳感器接線方式如表 所示 表 溫濕度傳感器接線方式 T ble Wi ing met ods of tempe tu e nd umidity senso s 線色說明 電源 棕色電源正 DC 黑色電源負 通信 黃色 藍色 B 采用 F S 水流量傳感器 供電 將黃色信 號線連接 O PB 端口 該傳感器主要由塑料閥體 水流轉子組件和霍爾傳感器組成 用于檢測進水流量 當水通過水流轉子組件時 磁性轉子轉動且轉速隨著 流量變化而變化 霍爾傳感器輸出相應脈沖信號 反饋 給主控中心 進而傳達給手機 PP 由用戶進行調控 水流量傳感器接線方式如表 所示 2 1 3 直流電機及驅動模塊 水泵采用微型薄膜泵 吸程可達 m 揚程可達 6 m 可以更好地為農作物實施灌溉 電機轉速理論 上可達 min 流量理論值可達6 min 內部大 功率直流電機可以保證電機保持在 W的額定功率 年 月 農機化研究 第 期 但由于為 供電 即電路中電流高達 過大的 電流數值導致本系統(tǒng)不能使用最常用的電機驅動 如 驅動模塊的額定電流僅有 表 水流量傳感器接線方式 T ble Wi ing met ods of w te flow senso 線色說明 電源 紅色電源正 DC 黑色電源負 通信黃色信號輸出線 采用6 工業(yè)級雙路大功率電機驅動模塊 模塊 采用 高速光耦對輸入信號進行隔離 保證了信號 的單向傳遞 在電氣端隔離了干擾信號 雙H橋的存 在 使模塊可以同時驅動兩臺直流電機 為后續(xù)組件的 添加提供了可能 為物聯(lián)網網絡的集成建設提供了前 提 H橋驅動電路原理圖如圖 所示 圖 H橋電路驅動原理圖 Fig Sc em tic di g m of H b idge ci cuit d ive 通過雙H橋驅動 采用PW 占空比的方式控制 電機的通斷時間 控制灌溉的水流量及水流速度 該 驅動控制 臺電機時的接口信號邏輯如表 所示 表 接口信號邏輯 T ble Sign l logic of t e inte f ce 輸出 剎車 懸空 PW 正轉調速 PW 反轉調速 全速正轉 全速反轉 2 2 軟件系統(tǒng)的設計與實現 智能化水肥灌溉主要是通過手機端 PP控制主 CU實現功能的 主控 CU基于ST 的 ico kit 6 設備 WiFi模塊可以直接連接至FogCloud 手 機端 PP采用 P Cloud進行 PP的開發(fā) 手機端與 icokit端通過FogCloud連接 通過 QTT協(xié)議進行數 據傳輸 icokit端與云平臺的通訊采用modbous協(xié) 議 2 2 1 遠程控制系統(tǒng) 遠程控制系統(tǒng)所使用的FogCloud云平臺 提供了 包括 PP推送 遠程數據傳輸 短信服務 數據分析和 歷史數據查詢等云端服務 以及與微信硬件云 阿里 智能云 京東智能云 中移動云等廠商的對接方案 通過遠程控制系統(tǒng)與上位機 PP軟件的數據通 信 開發(fā)者可以根據前端系統(tǒng)反饋的數據實現灌溉系 統(tǒng)網絡智能化 利用WiFi網絡連接手機 利用 icokit 通過 總線實現與 R 通信 控制驅動模塊來啟 動或控制電機 實現水肥灌溉 icokit 6 處理器與用戶端通過FogCloud進行 消息通信 通信協(xié)議采用 QTT協(xié)議 設備和 PP作 為 QTT客戶端 FogCloud作為 QTT服務器端 通訊等級設置為QoS 通訊消息類型設置為 PUB CK 即發(fā)布確認 與消息等級QoS 對應 2 2 2 上位機軟件 PP設計 手機 PP設計基于非原生開發(fā)SDK包 利用 P Cloud進行開發(fā)可以實現用戶注冊 設備狀態(tài)顯示 設 備數據顯示和控制設備等功能 使用的FogCloud通過對控制臺的管理使產品 D 和 icokit設備綁定 相互綁定后 icokit設備端和 PP端通過HTTPS協(xié)議進行數據傳輸 二者分別采用 QTT協(xié)議和T S協(xié)議接收數據 進行 PP制作時 需在網站控制臺添加fog 模 塊 便于 icokit設備與 PP端正常的上下行通信 在 P Cloud新建項目后 在config xml文件中填寫自 己注冊產品的設備 D 在HT 中初步進行 PP的 前臺框架搭建時 通過實時預覽進行調試 編寫前臺 時 應盡量使代碼簡潔易懂 將大部分代碼放在css中 以實現合理的布局 采用J v Sc ipt編寫主要功能函數 通過前臺的調 用實現與下位機的通信 主要函數包含有 son數據 格式的發(fā)送與解析 設備與FogCloud的訪問接入 賬 號的注冊與登錄等 在img中插入圖片 插入完成后 通過調用即可實現在 PP中的顯示 PP的名稱和 起始頁面可以經由過程控制臺添加 在完成編寫項目后 可以同步到S 云端 且可 以通過對端設置進行圖標狀態(tài)欄和啟動頁顯示的修 年 月 農機化研究 第 期 改 證書選項中可以選擇 nd oid或 OS系統(tǒng) 創(chuàng)建完安卓證書后 即可生成正式版 PP 當設 置 顯示 P Cloud所上傳更新的數據 和 添加fog 模塊和F Sc nne 模塊 二維碼 后 PP即具備設 備端通信和二維碼掃描下載功能 此時 進行云編譯 生成二維碼 通過瀏覽器掃描下載安裝到手機即可使 用 2 2 3 下位機 CO軟件設計 下位機程序通過 Code 軟件開發(fā) 可以通過電 腦連接USB口進行供電工作 通過ST ink工具進行 程序的下載 溫濕度傳感器采用 odbus RTU通訊規(guī)約 通訊 回路遵照主從方式 數據楨格式定義如表 和表 所 示 表 請求幀格式定義 T ble Fo m t definition of equest f mes 地址碼功能碼寄存器地址寄存器長度校驗碼低位校驗碼高位 字節(jié) 字節(jié) 字節(jié) 字節(jié) 字節(jié) 字節(jié) 表 應答幀格式定義 T ble Fo m t definition of esponse f mes 地址碼功能碼有效字節(jié)數數據一區(qū)數據二區(qū)校驗碼 字節(jié) 字節(jié) 字節(jié) 字節(jié) 字節(jié) 字節(jié) 地址碼 傳感器的地址 使用 x 功能碼 使用 x 來讀取數據 數據區(qū) 進行數據傳輸 6bits高字節(jié)在前 設計中 發(fā)送 C B即可 通過 在 ico端進行公式處理即可顯示到 PP中 需要注意 的是溫度和濕度計算必須除 如果溫度低于 則采 用補碼形式 溫度計算 FFF H 十六進制 十進制 濕度計算 H 十六進制 6 十進制 6 RH ico模塊中傳感器發(fā)送程序如下 請求幀的校驗 碼由CRC校驗調試工具計算得出 如圖 所示 溫濕度發(fā)送 void test t e d mico t e d g t g w ile fog v is ve supe use t ue 如果設備端口連接手機成功 mico t e d msleep const uint t cmd x x x x x x xc x b 溫濕度發(fā)送數據幀 mico t e d msleep t send CO U RT cmd mico t e d msleep exit mico tos delete t e d U 圖 CRC校驗調試軟件計算請求幀校驗碼 Fig T e c eck code of equest f me c lcul ted by CRC c eck debugging softw e 水流量傳感器選用數字量脈沖計數方式調控 在 icokit程序中 初始化 O端口PB 設置為上升沿觸 發(fā) 設定定時 ms讀取脈沖計數值 通過測量實驗得 知當計數值脈沖達到 次時水量為 通過公式 m ic ong m ic ong 即可算出每分鐘 水流速度 部分程序如下 脈沖中斷函數 void button i q nde void g if icoGpio nputGet CO GP O 當 CO GP O 為高電平 else m ic ong 水流量傳感器脈沖計數 void is u mico t e d g t g w ile mico t e d msleep z u nyi m ic ong m ic ong 年 月 農機化研究 第 期 m ic ong ku yue m ic ong z u nyi m ic ong 傳感器數據 適配脈沖傳感器 用的是 son格式 數據結構 3 系統(tǒng)實現 3 1 操作介紹 通過 P Cloud云編譯生成 PP二維碼 下載安 裝后注冊賬號 登錄進入設備列表界面 見圖 開始 配網 與位于同一局域網下的設備進行連接 到此 完 成 pp端的連接操作 可以實現數據檢測和下位機的 控制操作 圖 設備控制界面 Fig T e cont ol inte f ce of equipment det ils 3 2 系統(tǒng)實際效果 當完成 PP和設備端的連接操作后 在控制界面 可以顯示傳感器檢測到的數據 室內溫濕度 土壤溫 濕度 土壤水分 土壤pH 當點擊水泵按鈕后 可以 看到水流平緩 可控的流出 且可以直接通過手機按 鍵進行對水流的控制 3 3 試驗結果及討論 可以通過設置不同的PW 占空比改變灌溉的輸 出流量 在 mm的水管試驗條件下 利用水流量 傳感器可以對該系統(tǒng)的排水量進行檢測 設PW 脈 沖占空比為D 理論每分鐘排水量為Q min 實際 每分鐘排水量為Q min 設實際水流量相對于理 論水流量的百分比為K 則 K Q Q 圖6為設備理論與實際水流量隨PW 脈沖占空 比的變化 圖6 水流量隨PW 的變化 Fig 6 i tion of w te flow te wit PW 由圖6可以發(fā)現 當占空比為不同數值時 雖然有 著一定的誤差 但總體PW 脈沖占空比與水泵水流 量之間基本呈線性關系 經計算可得 電壓為額定電 壓時 實際水流量約為理論水流量的 通過與水泵廠家的溝通 實際水流量在6 左右 屬于正?，F象 因此 選用較大水管 進水口與機身 處于相同高度可以適當提高 4 結論 以載有ST F 芯片的 icokit微控制單元作 為下位機 該微控制單元載有的 W 6 WiFi模塊 可以直連FogCloud云平臺 通過云平臺連接用戶手機 PP 通過 PP控制界面可以查看傳感器檢測到的 各個數據 溫度 濕度 水流速流量等 且通過 PP 可以改變水泵的狀態(tài) 實現水泵的開啟或關閉 只要 用戶手機處于聯(lián)網狀態(tài) 可以隨時隨地地控制灌溉系 統(tǒng)且實時接收環(huán)境信息 便于及時了解作物的生長狀 態(tài) 為其提供適宜生長的環(huán)境 系統(tǒng)可以通過手機端 發(fā)出指令 通過PW 調控直流電機 實現小批量 大 范圍的精準灌溉調控及環(huán)境監(jiān)測 以實現 在任何時 間 任何地點 人 機 物互聯(lián)互通 的物聯(lián)網理念 參考文獻 鄒寶玲 劉佛良 張震邦 等 山地果園機械化 發(fā)展瓶頸 與國外經驗借鑒 J 農機化研究 6 李金 基于物聯(lián)網的農田灌溉系統(tǒng)設計 D 淮南 安徽 年 月 農機化研究 第 期 理工大學 宋艷 黃留鎖 農業(yè)土壤含水率監(jiān)測及灌溉系統(tǒng)研究 基于物聯(lián)網模式 J 農機化研究 張兵 袁壽其 成立 節(jié)水灌溉自動化技術的發(fā)展及趨勢 J 排灌機械 劉強 崔莉 陳海明 物聯(lián)網關鍵技術與應用 J 計算機 科學 6 6 孫其博 劉杰 黎羴 等 物聯(lián)網 概念 架構與關鍵技術研 究綜述 J 北京郵電大學學報 寧煥生 徐群玉 全球物聯(lián)網發(fā)展及中國物聯(lián)網建設若干 思考 J 電子報 吳萌 物聯(lián)網技術倫理問題研究 D 長沙 湖南大學 蘇美文 物聯(lián)網產業(yè)發(fā)展的理論分析與對策研究 D 長 春 吉林大學 易中懿 胡志超 農業(yè)機器人概況與發(fā)展 J 江蘇農業(yè) 科學 張烈平 楊帆 基于 igBee的溫室監(jiān)測系統(tǒng)設計 J 中 國農機化學報 6 謝楊 基于云計算的現代農業(yè)物聯(lián)網監(jiān)控系統(tǒng) D 成 都 西南交通大學 Design of Intelligent Irrigation System Based on Android System and MCU B i H o n C en i oxu Qingxi o S i uqi ng K i College of nginee ing Qingd o g icultu l Unive sity Qingd o 66 C in Abstract ntelligent i ig tion is one of t e m in w ys to imp ove t e efficiency of g icultu l i ig tion n intelligent i ig tion system b sed on nd oid system nd CU w s designed to solve t e p oblems of intelligent monito ing nd e mote cont ol in g icultu l i ig tion in t is p pe T e system w s m inly included t e uppe compute nd oid mobile PP t e lowe compute nd t e cloud se vice pl tfo m T e uppe compute w s dopted HT CSS J v Sc ipt to implement t e mobile pplic tion in t e P Cloud Studio envi onment T e lowe compute w s pplied t e ST F p ocesso s t e co e CPU of t e intelligent i ig tion system T e oT cloud pl tfo m w s used to e lize t e communic tion between t e uppe compute nd t e lowe compute nd t e speed of t e memb ne pump i ig tion w s cont olled by Pulse Widt odul tion Use s could monito envi onment l info m tion nd c op g owt st tus in e l time t oug mo bile p ones set i ig tion mode nd cont ol i ig tion st t up nd speed t c n be s own t oug system tests t t t e system is ope ted no m lly nd eli bly nd s ce t in p ctic l v lue in g icultu l emote intelligent monito ing nd i ig tion Key words intelligent i ig tion emote cont ol nd oid OS PW 年 月 農機化研究 第 期