郭 伏，溫宗周

（西安工程大學電子信息學院，西安710048）

1 引 言

長期以來，我國農(nóng)業(yè)一直采用大水漫灌的澆灌方式，此種方式效率低，而且對水資源造成了浪費。近些年來，因工廠數(shù)量迅猛劇增，人口增多[1]，發(fā)展節(jié)水灌溉技術(shù)就顯得尤為重要。

我國很多灌溉區(qū)域都裝有微噴或滴灌設(shè)備，但是在節(jié)水方面仍然處于較低水平。國內(nèi)成套的自動灌溉系統(tǒng)還是較少，較為簡陋，大多數(shù)采用人工調(diào)控。大部分自國外引進的產(chǎn)品價格高且不適于我國現(xiàn)實國情。傳統(tǒng)的灌溉系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)多采用有線連接的方式，由上位機和下位機組成。但此類系統(tǒng)布線復(fù)雜，且不易移動。隨著自動化技術(shù)不斷發(fā)展，灌溉規(guī)模也越來越大，在檢測范圍增大、傳感器節(jié)點增多的情況下，安裝布線和移動的問題也會增加；大范圍布線也導(dǎo)致了投資成本的增加。無線通信傳輸方式有著簡單靈活的特點，用來傳輸采集的數(shù)據(jù)，可以省去復(fù)雜的布線，節(jié)點布置也變得簡單靈活，提高了便利性。

綜合以上現(xiàn)實背景，開發(fā)出一款以ESP8266 作為傳輸中轉(zhuǎn)站，STM32 作為主控制器的智灌溉遠程監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要包括感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層三個部分，三者之間通過無線路由器互相連接。利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和上位機建立環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，能夠?qū)崟r地獲取監(jiān)測地點的溫濕度，實現(xiàn)遠程采集數(shù)據(jù)的功能[2]。

2 系統(tǒng)整體方案設(shè)計

基于ESP8266 組建智能灌溉監(jiān)測系統(tǒng)，可解決監(jiān)測實時性及自適應(yīng)性的問題。方案綜合利用了計算機技術(shù)、智能控制技術(shù)和農(nóng)業(yè)節(jié)水技術(shù)[3]。系統(tǒng)對農(nóng)田信息，包括土壤水分、空氣溫濕度、光照和二氧化碳含量等數(shù)據(jù)進行精確采集，并借助于自動化控制技術(shù)智能地決定灌溉用水量。它只需要通過控制繼電器的輸出狀態(tài)即可對作物進行灌溉。

系統(tǒng)主要包括以下幾個模塊：STM32 控制模塊、傳感器采集模塊、繼電器執(zhí)行模塊、ESP8266 Wi-Fi 傳輸模塊、LCD 顯示模塊[4]。各模塊之間的關(guān)系如圖1 所示。

圖1 智能灌溉監(jiān)測系統(tǒng)框圖

此系統(tǒng)的工作原理如下：

對被控對象（灌溉區(qū)）的溫濕度、土壤水分等進行實時采集，通過傳感器將模擬量轉(zhuǎn)為數(shù)字量，再經(jīng)過無線傳輸模塊ESP8266 中轉(zhuǎn)站[5]將采集到的數(shù)據(jù)傳送到STM32 控制器中?？刂破鲗⑺杉臄?shù)據(jù)經(jīng)過模糊控制算法進行處理，再傳遞給各執(zhí)行器，即控制器驅(qū)動電磁閥或繼電器。以此實現(xiàn)為作物補水或補光、二氧化碳等。微控制器模糊控制算法根據(jù)當前采集到的數(shù)據(jù)做出處理，例如當溫度或濕度度超過或小于預(yù)先設(shè)定的作物最適生長溫濕度時，系統(tǒng)會根據(jù)當前的數(shù)據(jù)計算出偏差量，繼而為作物做出相應(yīng)的調(diào)整。通過使用無線傳輸模塊ESP8266，實現(xiàn)精確采集和實時調(diào)整，避免了作物因人力不能及時調(diào)整導(dǎo)致作物生長受限的局限性，這對于農(nóng)作物的生長有很大的幫助，在解決勞力問題的同時也提高了作物的產(chǎn)量。

3 硬件設(shè)計

3.1 采集與控制

處理器采用的是ARM 芯片STM32F103。其主要作用是將傳感器采集來的數(shù)據(jù)顯示在LCD 屏并通過ESP8266 Wi-Fi 模塊上傳給上位機，以及對被控量做出處理并輸出一個控制信號給執(zhí)行機構(gòu)。

TH-FDR2000 土壤水分傳感器是一款基于時域反射原理，利用高頻電子技術(shù)制造的高精度、高靈敏度的測量土壤水分的傳感器[6]?？捎脕頊y量田間土壤的介電常數(shù)，從而反映出土壤的水分含量[7]。測量時，傳感器產(chǎn)生的高頻電磁波沿傳輸線進行傳播，傳輸線的終端和周邊物質(zhì)的不連續(xù)會使傳輸中的部分能量通過傳輸線反射回來，就如同一束光沿著一個管道傳播，在管的終端被鏡子反射回來。通過測量電磁脈沖沿傳輸線傳送所需要的時間差即可測出土壤的介電常數(shù)，從而測出土壤的含水量。THFDR2000 土壤水分傳感器可測量土壤水分的體積百分比，是目前國際上最流行的土壤水分測量方法，適用于農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉、花卉、牧場、土壤速測、溫室大棚、植物培養(yǎng)等領(lǐng)域。TH-FDR2000 的供電電壓為7～24V DC，可以輸出電壓，電流，數(shù)字信號。在此選擇5V 供電，0～2.5V 電壓信號輸出。

DATA 接到STM32 的PA0 接口，用于微處理器與DHT11 之間的通訊和同步，采用單總線數(shù)據(jù)格式。TH-FDR2000 具體接線方法如圖2 所示。

3.2 ESP8266 Wi-Fi 傳輸模塊

選用ESP8266 芯片作為Wi-Fi 無線傳輸模塊。ESP8266 是一款超低功耗的UART Wi-Fi 透傳模塊，可將智能設(shè)備連接到無線網(wǎng)絡(luò)上，進行網(wǎng)絡(luò)通信，實現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)功能。該模塊支持串口轉(zhuǎn)Wi-Fi STA、串口轉(zhuǎn)AP 和Wi-Fi STA+Wi-Fi AP 的模式，可通過AT 指令對系統(tǒng)參數(shù)進行更改設(shè)置，從而建立串口-Wi-Fi 數(shù)據(jù)傳輸方案，做到設(shè)備通過互聯(lián)網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)。例如以“AT+CWMODE=3 ”設(shè)置模塊Wi-Fi 模式為AP+STA 模式。

相關(guān)的兩個重要函數(shù)包括：

一、atk_8266_send_cmd 函數(shù)。該函數(shù)用于向ATK_ESP8266 模塊發(fā)送AT 指令。它帶有3 個參數(shù)，cmd 表示要發(fā)送的指令字符串，ack 表示發(fā)送指令后期待得到的應(yīng)答字符串，waittime 表示等待應(yīng)答的時間（單位：10ms）。

如：atk_8288_send_cmd ("AT+RST"，"OK"，20);表示發(fā)送指令：AT+RST 到Wi-Fi 模塊，重啟模塊；期待的應(yīng)答為：OK；等待時間為200ms。

二、atk_rm04_quit_trans 函數(shù)。其作用是退出透傳模式，進入AT 指令模式。

另有三個查詢函數(shù)：

atk_8266_consta_check 函數(shù)，用于檢查當前連接（TCP/UDP）是否建立（或存在）；

atk_8266_get_wanip 函數(shù)，用于獲取模塊STA模式或者AP 模式下的IP 地址及MAC 地址；

atk_8266_get_ip 函數(shù)，用于獲取模塊AP+STA模式下的IP 地址及MAC 地址。

ESP8266 Wi-Fi 傳輸模塊原理圖如圖3。

圖3 ESP8266 Wi-Fi 傳輸模塊原理圖

4 軟件設(shè)計

4.1 PID 控制算法

PID 算法包括比例、積分、微分三個部分[8]。

比例算法表達式為：

其中，Ep為當前誤差值，Kp為比例系數(shù)，Outp為常數(shù)，POUT即為比例作用下的輸出。算法實施的條件是當前狀態(tài)下系統(tǒng)有偏差。它的優(yōu)點是在系統(tǒng)有偏差的條件下能立即做出調(diào)整；缺點是不能使被控對象穩(wěn)定在某個狀態(tài)。

積分算法表達式為：

其中，Ei為積分偏差，Ti為積分時間常數(shù)，Kp為比例系數(shù)，Outi為常數(shù)，IOUT即為積分作用下的輸出。此算法主要是利用從系統(tǒng)開機以來所有時間段內(nèi)的偏差情況來輸出一個控制信號。它的優(yōu)點是：若從系統(tǒng)開機以來沒有偏差，則會輸出一個控制信號用以維持當前值；缺點是：若從開機以來存有偏差，而當前值快接近設(shè)定值，則會輸出一個控制信號來阻礙當前值趨近于設(shè)定值。

微分算法表達式為：

其中，Ed為微分偏差，Td為微分時間常數(shù)，Kp為比例系數(shù)，Outd為常數(shù)，DOUT即為微分作用下的輸出。此算法利用最近幾次偏差的變化率，計算出最近對控制對象的變化趨勢。它的優(yōu)點是能盡早抑制控制對象的變化；缺點是不能單獨作為一則控制算法使用，它只考慮偏差變化的速度，不關(guān)心系統(tǒng)是否有偏差。

將這三種控制算法綜合起來用于同一個控制系統(tǒng)中，令三者優(yōu)勢互補，形成一個最佳PID 控制算法，即：

將各項的Out 常數(shù)歸并為一，整理后得：

4.2 PID 算法在單片機中的應(yīng)用

PID 算法應(yīng)用于單片機時，對積分和微分項可以作近似變換。

積分項可改寫成：

即用過去一段時間的采樣點的偏差值的代數(shù)和來代替積分。式中，T 是采樣周期，即控制周期，每隔T 時間進行一次PID 計算。

微分項可改寫成：

其中Ek是本次偏差，Ek-1是上一次的偏差值。如此改寫后，即得出單片機中PID 算法表達式：

系統(tǒng)以土壤濕度作為被控對象，將傳感器采集來的數(shù)據(jù)作為輸入，經(jīng)PID 算法處理后，輸出一個相應(yīng)的PWM 波從而使繼電器驅(qū)動水泵相應(yīng)的工作狀態(tài)（0 功率、半功率等），從而實現(xiàn)快速精準灌溉，使作物處于最佳生長條件，同時有利于減少資源浪費。本系統(tǒng)PID 實現(xiàn)部分程序如下：

5 系統(tǒng)測試

首先進行采集模塊調(diào)試，上電以后顯示屏需要手動進行校準，校準完成后要把程序下載到控制器中運行，觀察顯示屏是否能顯示采集到的相應(yīng)數(shù)據(jù)。屏顯效果如圖4 所示。

圖4 TFT-LCD 效果圖

由圖可見，顯示屏上面顯示有空氣濕度、溫度以及土壤濕度（水分含量）的相關(guān)數(shù)據(jù)，可見此時數(shù)據(jù)采集模塊與顯示模塊是可以正常工作的。

再進行ESP8266 Wi-Fi 模塊測試。在測試中使用手機網(wǎng)絡(luò)調(diào)試助手與模塊之間進行數(shù)據(jù)傳輸。串口無線接入點網(wǎng)絡(luò)連接方式選為ATK-ESP8266 模塊（Wi-Fi AP）和智能手機（Wi-Fi STA）[9]。即模塊通過Wi-Fi 連接智能手機。在Wi-Fi 測試主界面下，按KEY_UP，即可進入串口無線AP（COM-AP）工作模式選擇界面，共有三個工作模式可供選擇：TCP服務(wù)器、TCP 客戶端、UDP。選擇TCP 服務(wù)器，按KEY_UP 按鍵，進入TCP 服務(wù)器測試，此時，程序會配置模塊為Wi-Fi AP 模式。例如：SSID 為ATKESP8266；加密方式選擇wpawpa2_aes[10]；密碼設(shè)為12345678。模塊IP 地址（TCP 服務(wù)器IP 地址）設(shè)為192.168.4.1[11]；端口設(shè)為8086。按如上配置好后，進入TCP 服務(wù)器測試界面，如圖5 所示。

圖5 TCP 服務(wù)器測試界面

此時，模塊的TCP 服務(wù)器已經(jīng)開啟，IP 地址為192.168.4.1[12]；端口號為8086。由于沒有TCP Client來連接，當前狀態(tài)顯示：連接失敗。此時只需打開手機的Wi-Fi 功能，找到名為ATK-ESP8266 的網(wǎng)絡(luò)SSID，選取該網(wǎng)絡(luò)，輸入密碼：12345678，再點擊連接，即可連接到模塊，如圖6 所示。

圖6 手機連接ESP8266-WIFI 網(wǎng)絡(luò)

幾秒后，手機連接到ATK-ESP8266 模塊。由圖所示，模塊給手機分配的IP 地址為：192.168.4.2。此時可在手機上運行網(wǎng)絡(luò)調(diào)試助手，依次設(shè)置[13-15]：

1.進入TCP Client；2.點擊增加圖標；3.輸入服務(wù)器IP 和端口號；4.按增加按鈕；5.連接建立。

經(jīng)過如上設(shè)置以后，手機和模塊就建立了TCP連接，此時開發(fā)板屏顯狀態(tài)將會變?yōu)椋哼B接成功。此時如果輸入了錯誤的IP 端口號，右側(cè)圖片將不會顯示端口號，而會顯示“ disconnect”。在連接成功建立后，通過按鍵KEY-Y0 即可向手機發(fā)送采集數(shù)據(jù)以及繼電器的狀態(tài)以實現(xiàn)監(jiān)測的目的，如圖7 所示。

圖7 手機端接收采集數(shù)據(jù)

從圖中可見，此時手機接收到兩次數(shù)據(jù)：第一次為溫度23℃、空氣濕度30%、土壤濕度40%，繼電器關(guān)；第二次為溫度25℃、空氣濕度30%、土壤濕度10%，繼電器開?？梢?，通過Wi-Fi 模塊與手機連接，實現(xiàn)了土壤環(huán)境信息即時地發(fā)送到智能終端。

6 結(jié) 束 語

經(jīng)多次測試驗證，設(shè)計的基于ESP8266 的智能灌溉監(jiān)測系統(tǒng)可正常運行，完成當前環(huán)境下土壤濕度的采集，并經(jīng)微處理器處理，驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)相應(yīng)動作，通過上位機遠程實時監(jiān)測當前植被所處環(huán)境下各項參數(shù)。系統(tǒng)方便用戶及時了解環(huán)境情況，在某種突發(fā)情況下可人工操作介入。系統(tǒng)操作簡單、高效，易于推廣。由于Wi-Fi 無線網(wǎng)絡(luò)傳送數(shù)據(jù)時會有延遲，個別情況下在上位機端讀取到的數(shù)據(jù)信息可能與LCD 顯示屏的信息不同步，在下一步的研究工作中將會針對這一問題加以改進。