毛 敏

(陜西國(guó)防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 西安710300)

0 引言

隨著社會(huì)生產(chǎn)力的提升，我國(guó)農(nóng)業(yè)得到較大的發(fā)展，對(duì)水資源的需求量逐步上升，我國(guó)農(nóng)業(yè)用水量約占全國(guó)總用水量的70%，但農(nóng)業(yè)灌溉用水的利用率比較低下，用水方式不當(dāng)造成農(nóng)業(yè)用水緊張，農(nóng)業(yè)灌溉方式直接影響農(nóng)業(yè)發(fā)展。因而，在灌溉系統(tǒng)合理地使用智能控制系統(tǒng)可以緩解水資源的緊缺，新型的灌溉技術(shù)能夠提升水資源的利用率，并且可以降低農(nóng)產(chǎn)品的生產(chǎn)成本[1-2]。

本文以Web服務(wù)器、Arduino Uno微處理器為核心，利用Wi-Fi模塊、土壤濕度傳感器設(shè)計(jì)了一種智能灌溉系統(tǒng)，Arduino Uno微處理器實(shí)時(shí)對(duì)土壤濕度傳感器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，當(dāng)土壤水分小于設(shè)定的閾值時(shí)，自動(dòng)開(kāi)啟灌溉設(shè)備，對(duì)土壤水分進(jìn)行智能調(diào)節(jié)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)中，在PC機(jī)上搭建Web服務(wù)器，采用TOMCAT作為服務(wù)器軟件，Web服務(wù)器的后臺(tái)程序通過(guò)Wi-Fi模塊和Arduino Uno微處理器相連接，向Arduino Uno微處理器發(fā)送指令來(lái)采集土壤濕度數(shù)據(jù)[3]。

Arduino Uno微處理器把采集到的土壤濕度數(shù)據(jù)通過(guò)Wi-Fi模塊傳輸?shù)絎eb服務(wù)器，在Web服務(wù)器上部署的JSP接口程序接收到數(shù)據(jù)后，進(jìn)行分析處理，并通過(guò)JS圖形化接口顯示在網(wǎng)頁(yè)上，用戶(hù)可以通過(guò)電腦或手機(jī)隨時(shí)查看由Web服務(wù)器發(fā)送的土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)。當(dāng)測(cè)量數(shù)據(jù)小于設(shè)定的閾值時(shí)，Arduino Uno微處理器自動(dòng)開(kāi)啟澆灌設(shè)備，對(duì)土壤水分進(jìn)行調(diào)節(jié)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 System structure

1.1 硬件設(shè)計(jì)

土壤濕度傳感器和Arduino Uno微處理器構(gòu)成硬件平臺(tái)，Arduino Uno微處理器通過(guò)Wi-Fi模塊實(shí)現(xiàn)與Web服務(wù)器(由PC機(jī)搭建)的連接。

土壤濕度數(shù)據(jù)經(jīng)Arduino Uno微處理器采集后，通過(guò)Wi-Fi模塊傳送到Web服務(wù)器，Web服務(wù)器上的Java程序?qū)@些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，通過(guò)JSP頁(yè)面實(shí)時(shí)顯示土壤濕度數(shù)值。Arduino Uno微處理器對(duì)采集的水分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行分析，當(dāng)測(cè)量數(shù)據(jù)小于設(shè)定閾值時(shí)，Arduino Uno微處理器自動(dòng)開(kāi)啟灌溉設(shè)備，對(duì)土壤濕度進(jìn)行智能調(diào)節(jié)。

1.1.1土壤濕度傳感器

土壤濕度傳感器由不銹鋼探針和防水探頭構(gòu)成，土壤的電阻值因土壤中水分含量而不同，通過(guò)測(cè)量?jī)筛结樦g的電阻得到土壤中的水分含量，可長(zhǎng)期埋設(shè)于土壤內(nèi)，對(duì)土壤墑情進(jìn)行測(cè)量。

土壤濕度傳感器獲取濕度信息的方式如下。

從傳感器的DO引腳：土壤濕度大于某個(gè)閾值，則DO輸出0，否則輸出1。

從傳感器的AO引腳：獲取到模擬量，更加精確。土壤濕度越大，獲取的模擬量值越大。

土壤濕度用質(zhì)量百分?jǐn)?shù)即土壤中水的質(zhì)量占其干土質(zhì)量的百分?jǐn)?shù)(%)來(lái)表示。

1.1.2Arduino Uno微處理器

Arduino Uno是基于A(yíng)Tmega328P的Arduino開(kāi)發(fā)板，有14個(gè)數(shù)字輸入/輸出引腳、6個(gè)模擬輸入引腳、1個(gè)16 MHz的晶體振蕩器、1個(gè)USB接口、1個(gè)DC接口、1個(gè)ICSP接口和1個(gè)復(fù)位按鈕，可簡(jiǎn)單地與傳感器、各式各樣的電子元件連接[4-5]。Arduino Uno包括硬件(Arduino開(kāi)發(fā)板)和軟件(Arduino IDE)兩部分，在A(yíng)rduino開(kāi)發(fā)板上搭建硬件電路，Arduino IDE中編寫(xiě)程序代碼，開(kāi)發(fā)語(yǔ)言和開(kāi)發(fā)環(huán)境都非常簡(jiǎn)單、易理解。

1.1.3Web服務(wù)器

Web服務(wù)器在PC機(jī)上搭建，TOMCAT作為服務(wù)器軟件，采用Java語(yǔ)言編寫(xiě)后臺(tái)程序，使用TCP協(xié)議和Arduino微處理器連接的Wi-Fi模塊進(jìn)行通信。

Web服務(wù)器后臺(tái)程序?qū)rduino微處理器發(fā)送指令來(lái)獲取土壤濕度數(shù)據(jù)，并對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，利用Web服務(wù)器上的前臺(tái)JSP程序來(lái)進(jìn)行土壤濕度數(shù)值顯示。

1.1.4Wi-Fi模塊

Wi-Fi模塊ESP8266是一款超低功耗的UART-Wi-Fi透?jìng)髂K，擁有業(yè)內(nèi)極富競(jìng)爭(zhēng)力的封裝尺寸和超低能耗技術(shù)，專(zhuān)為移動(dòng)設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用設(shè)計(jì)，可將用戶(hù)的物理設(shè)備連接到Wi-Fi無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)上，進(jìn)行互聯(lián)網(wǎng)或局域網(wǎng)通信，實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)功能[6-7]。

1.1.5硬件連接

Wi-Fi模塊通過(guò)擴(kuò)展板與Arduino Uno控制板相連接，給Wi-Fi模塊配置一個(gè)網(wǎng)絡(luò)地址(10.10.1.1)，通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)與計(jì)算機(jī)連接，將計(jì)算機(jī)的網(wǎng)絡(luò)地址配置成10.10.1.3，Wi-Fi模塊與計(jì)算機(jī)組成獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

土壤濕度傳感器的DO端接入Arduino Uno板的數(shù)字端口7中，AO端接入Arduino Uno板的模擬端口A(yíng)O中，電源線(xiàn)接入Arduino Uno板上的+5 V電壓端口，地線(xiàn)接入Arduino Uno板上的GND端口。

1.2 Wi-Fi室內(nèi)定位算法

Wi-Fi室內(nèi)定位算法通常采用基于RSSI(Received Signal Strength Indication，接收信號(hào)強(qiáng)度)的指紋定位算法，分為兩個(gè)階段[8]。

(1)離線(xiàn)訓(xùn)練階段。將室內(nèi)區(qū)域劃分為網(wǎng)格(間距1～2 m)，利用接收設(shè)備對(duì)網(wǎng)格采樣點(diǎn)逐個(gè)進(jìn)行采樣，每個(gè)網(wǎng)格對(duì)應(yīng)一個(gè)獨(dú)特的指紋，這個(gè)指紋可以是單維或多維的，是接收信息或信號(hào)的一個(gè)特征或多個(gè)特征，通?？捎涗浽擖c(diǎn)位置、所獲取的RSSI及AP(Access Point)地址等，并對(duì)指紋數(shù)據(jù)進(jìn)行處理(濾波、均值等)，在大量的已知位置上建立一個(gè)細(xì)粒度的指紋數(shù)據(jù)庫(kù)。

(2)在線(xiàn)定位階段。用戶(hù)持移動(dòng)設(shè)備在定位區(qū)域移動(dòng)，實(shí)時(shí)獲取當(dāng)前RSSI及AP地址，將該信息上傳到服務(wù)器進(jìn)行匹配。

(1)

式中d——計(jì)算所得距離，m

RSSI——接收信號(hào)強(qiáng)度

A——發(fā)射端和接收端相隔1 m時(shí)的信號(hào)強(qiáng)度

n——環(huán)境衰減因子

1.3 軟件設(shè)計(jì)

采用Java語(yǔ)言編寫(xiě)后臺(tái)程序，利用TCP協(xié)議和Arduino微處理器連接的Wi-Fi模塊進(jìn)行通信，Web服務(wù)器發(fā)送指令給Arduino Uno微處理器，來(lái)獲取土壤濕度數(shù)據(jù)[9]。

采用Java語(yǔ)言編寫(xiě)JSP程序，在瀏覽器或手機(jī)上顯示土壤濕度實(shí)時(shí)數(shù)值[10-11]。

在A(yíng)rduino Uno微處理器嵌入程序來(lái)設(shè)置土壤水分的閾值，Arduino Uno微處理器接收Web服務(wù)器發(fā)送的指令，從傳感器的AO引腳獲取到土壤濕度數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析，當(dāng)測(cè)量數(shù)據(jù)值小于設(shè)定閾值時(shí)，Arduino Uno微處理器自動(dòng)開(kāi)啟澆灌設(shè)備，對(duì)土壤濕度進(jìn)行調(diào)節(jié)。系統(tǒng)流程如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)流程Fig.2 System flow

2 測(cè)試過(guò)程

為了驗(yàn)證系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，將土壤濕度傳感器插到比較干的土壤中，啟動(dòng)電路，設(shè)定土壤水分閾值65%，Arduino Uno微處理器采集土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)，在瀏覽器上顯示當(dāng)前土壤濕度數(shù)據(jù)。Arduino Uno微控制器對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，當(dāng)水分?jǐn)?shù)據(jù)小于設(shè)定的閾值時(shí)，灌溉系統(tǒng)工作，當(dāng)土壤水分滿(mǎn)足要求后，停止?jié)菜?，并在瀏覽器上顯示灌溉后的土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)。

3 結(jié)論

本文借助Arduino Uno開(kāi)發(fā)平臺(tái)、Web服務(wù)器、土壤濕度傳感器和Wi-Fi技術(shù)設(shè)計(jì)了一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能灌溉系統(tǒng)，Arduino Uno微處理器的開(kāi)發(fā)語(yǔ)言和開(kāi)發(fā)環(huán)境簡(jiǎn)單、易理解，Web服務(wù)器配置簡(jiǎn)便，通過(guò)JSP程序在計(jì)算機(jī)屏幕上建立圖形化的顯示面板來(lái)實(shí)時(shí)顯示土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)，設(shè)計(jì)的硬件電路簡(jiǎn)單、成本低，具有推廣價(jià)值。

經(jīng)過(guò)分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)并解決試驗(yàn)中遇到的問(wèn)題，系統(tǒng)達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，表現(xiàn)良好，具有實(shí)用性，并為接下來(lái)的研究提供了技術(shù)保障。