黃東明　孫桂鴻　高婷婷　鄭詩嵐

摘要：為了提高經(jīng)濟作物產(chǎn)量和難培育植物的種植，研發(fā)了一套可通過適應環(huán)境改變的自適應澆灌車系統(tǒng)。系統(tǒng)運用了信息反饋調(diào)節(jié)和自動化的思想對農(nóng)作物的澆水，施肥、打藥，都可以做到信息化系統(tǒng)定量“精確”把關(guān)。澆灌車系統(tǒng)不僅能精準完成液體的精準澆灌，更能采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)，如：溫濕度、二氧化碳濃度、土壤含水率、土壤 PH 值等數(shù)據(jù)進行分析，決策?？蛻舳藭鶕?jù)采集回的數(shù)據(jù)進行分析計算，自動設置下次種植任務。

關(guān)鍵詞：澆灌車；自適應；智能；自動化；信息采集

中圖分類號：TP311.13 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2018）01-0174-03

目前，我國大多智慧農(nóng)業(yè)技術(shù)提供商對智慧農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的技術(shù)應用尚處在較低階段。大多采用現(xiàn)場布置光照、溫濕度、CO2等傳感器設備進行數(shù)據(jù)采集，所帶來的缺點就是布線繁瑣，裝置浪費，維護成本提高。農(nóng)業(yè)園區(qū)進行自動灌溉、自動降溫、自動進行液體肥料施肥、自動噴藥等自動化控制，但大范圍的裝置置辦，導致成本居高不下，農(nóng)業(yè)智慧化程度推進較難。所以研制一種體積小、成本低、自適應的農(nóng)作物澆灌系統(tǒng)時是迫切需要的。

自適應澆灌車系統(tǒng)，可以滿足農(nóng)作物基本的澆灌，施肥，打藥的需要；同時可采集農(nóng)作物生長環(huán)境的數(shù)據(jù)，并把現(xiàn)場各種數(shù)據(jù)傳回傳客戶端，客戶端會根據(jù)采集回的數(shù)據(jù)進行分析計算，自動設置下次的農(nóng)作物澆灌任務。該系統(tǒng)適用農(nóng)業(yè)種植工作，并且本系統(tǒng)具有良好的可擴展、易維護、靈活性強，適用面廣?？赏ㄟ^本項目的開發(fā)，在該基礎(chǔ)上繼續(xù)開發(fā)增刪其他的模塊，滿足現(xiàn)實生產(chǎn)工作需要。并有利我國在智慧農(nóng)業(yè)上的改革和提升。

1 系統(tǒng)簡介

系統(tǒng)最大的特點就是運用了信息反饋調(diào)節(jié)和自動化的思想[1]，完成農(nóng)業(yè)上的基本工作，系統(tǒng)設計以便捷，靈活為主，讓操作變得簡單，維護成本降低。如圖1所示，本系統(tǒng)包括三部分：下位機、上位機、上下位機之間的通信。

本系統(tǒng)提供操作軟件、硬件系統(tǒng)，靈活方便，通過串口ZigBee模塊與計算機進行通訊。上位機是基于.net framework 4.0平臺開發(fā)的軟件，界面友好，交互簡單，可完成對下位機需要經(jīng)過的路徑以及環(huán)境信息采集的頻率和次數(shù)的設定，并且可顯示實時的環(huán)境信息及走勢圖。下位機是基于51內(nèi)核單片機而設計的開發(fā)板和其他傳感器模塊，串口模塊等組成，用來構(gòu)成本系統(tǒng)的硬件部分。

2 下位機的設計

整個下位機是使用基于51內(nèi)核單片機自主設計的開發(fā)板，搭載各類傳感器，利用ZigBee模塊來實現(xiàn)數(shù)據(jù)、控制信號的傳輸。下位機接收到上位機發(fā)送控制信息后，進行場地內(nèi)的運動和澆灌任務，同時收集現(xiàn)場環(huán)境信息如濕度、二氧化碳濃度、土壤含水率、土壤 PH 值等數(shù)據(jù)并傳回上位機。各模塊的組合如圖2所示。

傳感器模塊主要是來采集農(nóng)作物生長環(huán)境的現(xiàn)場數(shù)據(jù)，主要有濕度傳感器、溫度傳感器、CO2傳感器、PH傳感器、EC傳感器等。傳感器和單片機的通信主要是通過I2C即Inter-Integrated Circuit（集成電路總線）來實現(xiàn)的。這種通信方式簡化了信號傳輸總線接口，多個傳感器可以連接到同一總線結(jié)構(gòu)下，同時每個傳感器都可以作為實時數(shù)據(jù)傳輸?shù)目刂圃碵2]。所有接到I2C總線設備上的串行數(shù)據(jù)SDA都接到總線的SDA上，各設備的時鐘線SCL接到總線的SCL上。使用通用I/O口來作為I2C總線接口，并由軟件控制實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳送。串行時鐘信號在系統(tǒng)中使用了P1.3，P1.2作為I2C總線的串行數(shù)據(jù)線，可在軟件控制下在時鐘的低電平期間讀取傳感器數(shù)據(jù)。

Zigbee模塊主要用于上下位機通訊，通過串口方式與單片機連接，當澆灌車處于靜止狀態(tài)時，定時器1開始作為串口通信定時器使用，Zigbee模塊通過無線傳輸?shù)姆绞綄鞲衅髯x取的數(shù)據(jù)回傳至上位機，上位機也可以發(fā)送控制命令至澆灌車。

GPS模塊主要用于澆灌車定位及行走路徑設置。該模塊采用的命令格式為增強型AT指令。澆灌車定位時，由上位機發(fā)送定位命令：AT+GPS=1，GPS模塊開始定位工作并將定位數(shù)據(jù)回傳至上位機；關(guān)閉澆灌車定位時，由上位機發(fā)送關(guān)閉命令：AT+GPS=0，GPS模塊停止定位。這個定位開關(guān)，直接通過上位機進行控制，不需要通過單片機進行控制。任務路線設置，使用百度地圖的API接口進行導航，在地圖上設置好起點和終點。澆灌車進行實時定位，當運動到終點時停止工作。

超聲波模塊用于澆灌車運動時障礙檢測，澆灌車左右分別布置超聲波模塊，當任意一方測量距離小于20厘米時判定前方有障礙物，朝相反反向轉(zhuǎn)彎。當兩方均檢測到障礙物便先進行后退再進行右轉(zhuǎn)彎繞行。

直流減速電機用于澆灌車運動，使用電流驅(qū)動模塊驅(qū)動電機，四輪單獨驅(qū)動提高澆灌車的運動能力。利用四輪單獨驅(qū)動的優(yōu)勢，正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)的差別進行轉(zhuǎn)彎。

液晶顯示屏模塊用于顯示字符以及澆灌車的運動狀態(tài)信息。比如“Start”正在工作，“Stop”停止工作，“Temp”溫度數(shù)值單位攝氏度，“Humi”濕度數(shù)值單位相對濕度，“Time”任務倒計時單位秒。

模塊設計硬件圖如圖3所示。

3 上下位機的通訊協(xié)議設計

整個系統(tǒng)中為了使上位機可以監(jiān)視下位機運行的狀態(tài)，上下位機通信采用的是Zigbee通訊技術(shù)。ZigBee技術(shù)是一種近距離、低復雜度、低功耗、低速率、低成本的雙向無線通訊技術(shù)[3]。

上下位機均使用串口TTL電平信號轉(zhuǎn)Zigbee無線網(wǎng)絡信號。系統(tǒng)采用TTL電平信號對于計算機處理器控制的設備內(nèi)部的數(shù)據(jù)傳輸是很理想的，傳輸速度快，適合二進制數(shù)據(jù)傳輸。上下位機通訊的實質(zhì)主要是雙方要規(guī)定好傳輸?shù)臄?shù)據(jù)格式，本系統(tǒng)采用異步串行通訊格式。數(shù)據(jù)包格式為：首部，數(shù)據(jù)，尾部。1個字節(jié)為一個傳輸單位，無校驗位，1位停止位。首部為數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)，報尾為數(shù)據(jù)異或校驗碼，數(shù)據(jù)主要是控制指令和傳感器數(shù)據(jù)。整個通訊過程我們要確保上下位機時鐘同步、數(shù)據(jù)同步、操作同步。數(shù)據(jù)包格式如圖4所示。

4 上位機的設計

上位機主要用于對下位機進行監(jiān)視并控制，所以上位機采用基于.Net平臺開發(fā)。數(shù)據(jù)交互采用串口通訊方式，本地數(shù)據(jù)庫采用MySQL。數(shù)據(jù)庫用于存儲各個植物，物種的種植信息，可通過軟件進行查詢。軟件界面采用圖形化直觀的表現(xiàn)方式，如折線圖，能直觀看出數(shù)據(jù)走勢。當上位機接收到下位機實時傳遞的數(shù)據(jù)時，會自動繪出數(shù)據(jù)的折線圖，并將獲得數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)庫內(nèi)數(shù)據(jù)進行校準，根據(jù)校準值，自動安排下次的澆灌任務時間及間隔。上位機的主界面如圖5所示，定位設置界面如圖6顯示。

在Visual Studio 2017中創(chuàng)建一個窗體應用程序，拖動控件進行UI界面布局。

使用Chart控件，創(chuàng)建折線圖表，用于顯示由下位機回傳的數(shù)據(jù)。

使用SerialPort類，創(chuàng)建一個可以增刪改的串口對象，用于連接下位機。串口設置為波特率115200，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位，無奇偶校驗位。

使用Mysql.Data.MysqlClient組件來進行數(shù)據(jù)庫的操作，創(chuàng)建連接對象及賦值依次為server，user id，password，database。創(chuàng)建連接成功后便可以進行數(shù)據(jù)的增刪改查。

使用datetimepicker控件來創(chuàng)建日期選擇框，單擊可選擇年-月-日-時-分-秒，日期將作為工作時間，作為控制信息傳遞至下位機。數(shù)據(jù)庫表，如表1所示。

使用WebBrower控件創(chuàng)建地圖頁面，使用Html與JavaScript語言進行編程，百度地圖API的瀏覽器服務使用方法如下：

地圖創(chuàng)建初始化方法有：createMap（）；//創(chuàng)建地圖setMapEvent（）；//設置地圖事件addMapControl（）；//向地圖添加控件等。

5 結(jié)語

本系統(tǒng)軟硬結(jié)合，運用了信息反饋調(diào)節(jié)和自動化的思想，相對以前具有成本低、體積小、移動性強、維護方便，容易升級和擴展等優(yōu)勢。該系統(tǒng)不僅可以滿足普通農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的需要，可以作為智慧農(nóng)業(yè)的一個過渡產(chǎn)品。在該系統(tǒng)的基礎(chǔ)上繼續(xù)開發(fā)增加其他的組成模塊，以滿足日益增加的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需要，可應用在一般科學種植大棚，并有利我國在智慧農(nóng)業(yè)上的改革和提升。

參考文獻

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[4]牛寅.設施農(nóng)業(yè)精準水肥管理系統(tǒng)及其智能裝備技術(shù)的研究[D].上海大學，2016.

[5]李玲.基于數(shù)據(jù)挖掘的盆栽智能澆灌系統(tǒng)研究與實現(xiàn)[D].青島理工大學，2013.