基于无线通信精准灌溉智能控制系统设计

徐烨辉,孙祚轩,王建强,郑荣杰,刘 暐,时志国

(1.河北水利电力学院,河北 沧州 061001;2.沧州瑞格雷德电子科技有限公司,河北 沧州 061001)

0 引言

现阶段,我国淡水资源可持续供应能力不足,北方地区尤为严重。传统粗放式灌溉方式使水资源浪费巨大,极大限制了我国农业的开发[1],也加剧了水资源的紧张程度。据统计,有1.35亿hm2农田的灌溉水利用率仅有52%[2],研究农田精准灌溉对解决这一问题具有非常积极的现实意义。

我国引入以色列农田精准灌溉技术,但受到中国农业地形复杂等因素制约,造成其节水效率不高,仅比漫灌提高15%～30%,且成本较高,因此推广效果不佳。为了提高水资源利用率,设计一套通过算法控制植物灌溉水流量,达到精确灌溉的实时控制。该系统能够实现自动控制与远程监视,节约水资源的同时还能方便农户管理作物。通过分析研究国内外对植物精准灌溉技术的实际需求,结合我国农业灌溉系统现状,研发了适合我国农业生产的精准灌溉智能控制系统。

1 系统总体结构设计

通过对系统需求进行分析,设计了一款精准灌溉智能控制系统,遵循设计原则,采用上、下位机结构。其中,上位机由触模屏与Arduino Mega 2560构成,主要负责接收系统参数、记录和显示系统数据、监控系统运行状态和传送数据至云端等。下位机以ESP32-WROOM为主,主要负责传感器数据采集、数据发送和控制执行机构。

精准灌溉智能控制系统的总体结构如图1所示。该系统由上位机总机和各分节点构成,每个节点都配有相应的检测模块和驱动机构。上位机总机和各分节点之间通过ESP32-WROOM模块进行信号传输,节点之间采用ESPNOW技术传输数据。检测模块主要用于对作物进行基本情况检测,并将所检测到的数据发送到分节点。各分节点将数据信息通过打包发送到上位机总机,经过总机整理后再发送到云端服务器[3-4]。总机结合各节点作物情况和Wi-Fi模块发送的网络预测天气情况,利用算法做出智慧决策,从而确定灌溉时间和灌溉地块。

图1 系统总体结构

系统检测到作物需要灌溉时,首先确定需要灌溉的节点,然后再精确到每个节点对应的地块。系统根据控制器输出的控制指令打开相应的驱动机构(如继电器、电磁阀等),通过灌溉支路将水溶液输送到指定地块进行精准灌溉,根据控制器输入的灌溉时间来完成作物灌溉,系统同时将作物信息反馈到云端服务器。

2 系统硬件设计

控制系统硬件主要分为主机与从机,由于从机可为多个且设计内容一致,所以用从机n表示各从机,其中从机主要包括传感器模块与执行机构模块。

系统硬件结构模块如图2所示。在各节点传感器与单片机之间利用ESPNOW技术通讯,实现节点间无线互联通信。再通过ESPNOW技术联通主机单片机(Arduino Mega 2560)与触模显示屏,在云端主机上的用户通过登录相应账户也可以看到信息提示,从而进行网络远程监测。

图2 系统硬件结构模块图

2.1 主机单片机Arduino Mega 2560

Arduino Mega 2560是一款基于ATmega 2560微控制器的开发板,具有54个数字输入/输出引脚(其中15个可用作PWM输出)、16个模拟输入、4个UART(硬件串行端口)、一个16 MHz晶振、一个USB连接、一个电源插座、一个ICSP头和一个复位按钮,适合需要大量I/O接口的设计。使用Arduino Mega 2560可降低成本,实现多处组网。

2.2 触摸显示屏 MCGS TPC7062TX

在控制器模块中系统采用MCGS TPC7062TX触摸屏,上位机触摸屏采集的数据仅临时存储在寄存器中。为了实现MCU与触摸屏之间的信息交互,必须实现MCU与触摸屏之间的通信。本文采用MODBUS进行通信,其读写引脚不能直接连接到触摸屏上,因此需要一个从TTL到RS485的电平互换模块(图3)。在现场控制系统时,可以直接利用触摸屏设置和调整不同温湿度数值,通过人工控制该系统的运行,以此提高效率。添加触摸屏使系统更便于农户使用,在主控制面板中,可以控制棚内的所有设备活动,通过触摸屏触发操作。

图3 RS485接线图

2.3 从机传感器模块

传感器模块由温度传感器、湿度传感器、压力传感器、液位传感器等组成。检测模块检测的参数为空气温湿度、土壤温湿度和水泵压力等[3],系统传感器模块包括土壤温湿度传感器、数字温湿度传感器DHT11、液位传感器SLDTB801/V以及压力传感器MLK-P300,可敏锐察觉土壤内环境变化、水流量变化以及外界温湿度情况。其中,无线联网模块与分节点硬件接线情况如图4、图5所示。

图4 无线联网模块接线图

图5 分节点硬件接线图

2.4 系统执行机构模块

系统执行机构模块使用单片机连接继电器以实现控制,继电器带动电机,电机带动恒压水泵。通过对主控单片机发出命令,控制对应的电机或水泵,当检测到的作物环境值与人为设定的温湿度需求值不一样时,单片机所控制的继电器会发生响应,至此实现主控单片机对各节点子单片机的控制,实现控制操作一对多,由于该项技术较为成熟且易于实现,不做过多赘述[4]。

3 系统软件设计

精准灌溉智能控制系统的软件部分采用模块化设计,包含主程序、环境参数采样子程序、ESP32-WROOM收发子程序、控制子程序等模块。其中,主程序作为系统的核心,控制各个子程序的运行和控制器的操作。

程序设计上,该系统采用Arduino IDE进行编程设计。传感器包括温湿度传感器、液位传感器、管道压力传感器等,需要预先设定好初值,然后使用传感器采集到的参数与设定的初值进行比较,通过比较结果来控制继电器。继电器连接到终端设备,包括可控制电机、加压水泵和电磁阀门的接触器,从而实现自动灌溉[5]。

该系统单片机程序主要流程如图6所示。系统接通电源后,等待初始化完成,并检测环境温度、湿度和压力数据。系统对这些数据进行处理,并分析是否满足用户设置的系统温湿度,最后判断是否需要进行灌溉,同时进行水位检测并将数据上传至云端并准备进行下一次循环。

图6 单片机程序

近程操作时,用户可以通过触摸屏对系统进行自主控制。触摸屏将各监测单元所测数据一一显示,用户通过操作触摸屏设置各作物所需的温湿度条件,从而实现系统的智能控制[6]。

远程操作时,Arduino Mega 2560通过ESP32-WROOM模块将采样数据发送到手机端,用户登录网站进行控制。远程操作的便利性提高了系统的实用性和操作性,使用户更加方便地控制和监测系统的运行状态[7]。

4 系统运行与试验分析

本文主要对精准灌溉智能控制系统进行设计和试验,为了验证系统运行稳定性和精准灌溉控制方法的适用性,在沧州市农牧局试验站进行了精准灌溉智能控制系统的测试。

该系统可实时监测温室内空气和土壤温湿度变化,提供远程可视化操作,具有较高的应用价值,具体运行情况如图7、图8所示。试验结果表明:该系统具有精准的温湿度控制、灌溉控制和数据采集功能,系统监测情况良好,数据稳定,测得数据均符合实际要求,能够满足农业生产需求。

图7 温度变化曲线图

图8 湿度变化曲线图

5 结论

针对农业生产灌溉施肥存在的水资源浪费、利用率低等问题,设计了一套提高灌溉精度和控制效率的精准灌溉智能控制系统。该系统以Arduino Mega 2560单片机作为主控单片机,实现传感器对管道压力、水流量、空气及土壤温湿度的信息采集和上传、接收主控单片机发送的控制命令,控制各执行机构完成相应动作。

该系统采用触摸显示屏实现良好的人机交互功能,应用RS485通讯方式与Arduino Mega 2560单片机进行通讯,完成触摸屏对系统状态的实时监测和手动/自动控制。除此之外,该系统还应用了传感器模块,包括温度传感器、湿度传感器、压力传感器和液位传感器,用于检测空气温湿度、土壤温湿度和水泵压力等参数,为精准灌溉提供了有力的支持。执行机构模块采用单片机连接继电器,对电机和水泵等设备进行控制,实现精准灌溉,解决水资源利用率低、人工成本较高等问题,满足农业生产需求。