張子財，張勝田，佟向坤

（廣東東軟學院 計算機學院，廣東 佛山 528225）

0 引 言

近年來隨著經(jīng)濟與科技的發(fā)展，農(nóng)業(yè)發(fā)展也趨向機械化，尤其是大型農(nóng)場在灌溉方面實現(xiàn)自動化、數(shù)據(jù)實時化和防漏水是必不可少的趨勢，對農(nóng)業(yè)機械化發(fā)展十分重要。目前市面上傳統(tǒng)灌溉系統(tǒng)多數(shù)是統(tǒng)一的灌溉模式，無法對個別缺水土壤進行針對性灌溉，且灌溉模塊長時間使用會出現(xiàn)滴水甚至漏水的情況，仍有不少改進空間。本項目采用ESP32為主控采集多個土壤濕度計檢測模塊的濕度的平均值，若土壤濕度低于閾值則ESP32會發(fā)送數(shù)據(jù)開啟水閥和執(zhí)行灌溉，同時可在云端實時監(jiān)控數(shù)據(jù)和控制灌溉，有利于減少人力物力的浪費。

1 系統(tǒng)的執(zhí)行與組成

1.1 系統(tǒng)執(zhí)行框架

本系統(tǒng)包含了主控芯片ESP32、一體電磁閥流量計、電容式土壤濕度計檢測傳感器、電機驅(qū)動、水泵和Blinker云平臺。主要設(shè)計思路是首先通過ESP32采集多個土壤濕度計檢測模塊的數(shù)據(jù)后取平均值，若濕度低于閾值，則ESP32會發(fā)送數(shù)據(jù)給控制一體電磁閥流量計的ESP32使其打開總水閥和打開灌溉模塊進行自動灌溉，直到濕度大于閾值。用戶可在Blinker云平臺上實時監(jiān)控各項數(shù)據(jù)，可以主動在Blinker發(fā)送數(shù)據(jù)執(zhí)行主動灌溉。此外，在執(zhí)行發(fā)生灌溉的情況下，水流量計數(shù)值增加則判斷發(fā)生漏水，ESP32會關(guān)閉總水閥的電磁閥從而斷水，可在云平臺上打開或者下次執(zhí)行自動灌溉時自動打開。整體設(shè)計圖如圖1所示。

圖1 基于ESP32的農(nóng)業(yè)定點灌溉系統(tǒng)

1.2 系統(tǒng)組成

基于ESP32的農(nóng)業(yè)定點灌溉節(jié)水系統(tǒng)主要由三部分組成：

（1）由ESP32、灌溉模塊、A4950電機驅(qū)動模塊、MK011169電容式土壤溫濕度檢測模塊組成；對土壤濕度進行檢測、植物進行澆灌、ESP32發(fā)送和接收數(shù)據(jù)包，與云端和水閥端ESP32進行交互。

（2）由ESP32、繼電器和一體電磁閥流量計組成；檢測水流量，若沒有發(fā)生澆灌的情況下水流量計數(shù)增加則自動關(guān)閉水閥，與云端和檢測端ESP32進行交互。

（3）Blinker云平臺；在APP上實時監(jiān)測相關(guān)數(shù)據(jù)，遠程控制澆灌與水閥總開關(guān)。

使得整個系統(tǒng)有實時監(jiān)控和較為及時的控制系統(tǒng)等功能。硬件流程圖如圖2所示。

圖2 定點灌溉系統(tǒng)硬件流程圖

2 硬件組成和設(shè)計

2.1 通訊模塊設(shè)計

上位機與下位機和下位機與下位機的通訊采用是WI-FI通信。上位機采用的是Blinker APP實現(xiàn)快速搭建應(yīng)用層，實現(xiàn)數(shù)據(jù)實時化；下位機采用ESP32自帶的無線網(wǎng)絡(luò)模塊，免去傳統(tǒng)MCU需要額外增加通訊模塊的不便，有效降低成本，且控制方便。雖然ESP8266具有價格優(yōu)勢但ESP32是雙核80 MHz至240 MHz CPU，而ESP8266是單核CPU，運行頻率僅80 MHz，且ESP32有更快的Wi-Fi，可更精準、快速地進行控制和數(shù)據(jù)傳輸。

2.2 土壤濕度計檢測模塊

檢測土壤濕度的模塊采用的是MK011169電容式土壤濕度計檢測模塊，供電范圍為3.3 V ~ 5 V DC，這款電容式土壤濕度傳感器區(qū)別于市面上大部分的電阻式傳感器，采用電容感應(yīng)原理來檢測土壤濕度。

檢測模塊的輸出值為0 ~ 300% RH是干土壤，300%～700% RH是濕土壤，300%～950% RH則為水。

其原理為：由于板件周圍濕度條件改變，使得板件聚合物外膜相對介電常數(shù)與電容量變化。

避免了電阻式傳感器易被腐蝕的問題，延長工作壽命，降低因傳感器腐蝕導致的數(shù)據(jù)偏差而發(fā)生的誤操作概率。

土壤濕度計檢測模塊PCB圖如圖3所示。

圖3 土壤濕度計檢測模塊電路圖

2.3 電機驅(qū)動模塊

電機驅(qū)動采用的是A4950，輸出電壓可達12 V，保證灌溉模塊正常運行。相較于L298N模塊體積更小、更便捷、能耗低高性能。灌溉模塊是小型水泵，通過控制ESP32的IO口輸出的PWM調(diào)節(jié)電機驅(qū)動輸出電壓，從而控制水泵水流大小，滿足不同的灌溉需求，若采用繼電器則無法控制水流大小。A4950電路PCB圖如圖4所示。

圖4 A4950模塊PCB圖

2.4 電源模塊設(shè)計

電源采用12V大容量鋰電池作為系統(tǒng)電源，電源為直流電，其中ESP32的供電是通過LM2596S DC-DC降壓模塊將12 V電壓降壓到5 V電壓保證ESP32正常工作。防止不同電源的不同功率、電流對整個系統(tǒng)的影響，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。電源模塊的電路原理圖如圖5所示。

圖5 電源模塊原理圖

2.5 數(shù)據(jù)采集

土壤濕度計檢測模塊和一體電磁閥流量計的數(shù)據(jù)采集用ESP32外設(shè)的DMA模式，該模式可在不中斷主函數(shù)正常運行的情況下獲取濕度數(shù)據(jù)和水流量計數(shù)。不采用中斷模式是防止不斷中斷主函數(shù)導致云平臺控制延遲等不良影響，優(yōu)化系統(tǒng)效率。一體化電磁閥流量計PCB圖如圖6所示。

圖6 電源模塊原理圖

2.6 主控模組

主控模組采用的是ESP-WROOM-32，芯片核心是ESP32-D0WDQ6，ESP32具有雙核CPU高性能，是—款通用型Wi-Fi+BT+BLE MCU模組，功能強大，用途廣，用于低功耗傳感器網(wǎng)絡(luò)，具有可擴展、自適應(yīng)的特點。兩個CPU核可被單獨控制或上電。時鐘頻率調(diào)節(jié)范圍為80至240 MHz。用戶可切斷CPU電源，利用低功耗協(xié)處理器來監(jiān)測外設(shè)狀態(tài)變化或某些模擬量是否超出閾值。ESP32集成了豐富的外設(shè)，包括高速SDIO/SPI、UART、I2C、I2S、DAM、DS卡界面、以太網(wǎng)接口、電容式觸摸傳感器、霍爾傳感器、低噪聲傳感放大傳感器等外設(shè)。該模組有多種復位保護措施，較強的移植以及拓展性。綜上，該模組完全滿足本系統(tǒng)的需求，因此選擇了這款模組。

ESP32的Wi-Fi模塊有三種工作模式：

（1）STA（Station）模式：配置函數(shù)為WiFi.mode（WIFI_STA），ESP32連接到接入點，通過路由器或熱點鏈接到互聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)移動端或PC端對模組的遠程控制與監(jiān)控。

（2）AP（Access Point）模式配置函數(shù)為WiFi.mode（WIFI_AP），ESP32作為模組作為熱點，接受設(shè)備連接，組建局域網(wǎng)，實現(xiàn)多個設(shè)備之間的通訊；

（3）STA+AP（Station+Access Point）式：配置函數(shù)為WiFi.mode（WIFI_STA_AP），模組作為接入點和連接到另一個接入點的站點，STA模式和AP模式共同運行，實現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)和局域網(wǎng)的無縫切換，提高系統(tǒng)工作效率。ESP32的PCB圖如圖7所示。

圖7 ESP32的PCB圖

2.7 Blinker云平臺

使用Blinker作為物聯(lián)網(wǎng)接入方案。Blinker在上位機端提供了APP、網(wǎng)頁端支持，可進行云服務(wù)數(shù)據(jù)傳輸；在下位機端提供相關(guān)函數(shù)庫。ESP32屬于Arduino生態(tài)的一部分，而Blinker提供Arduino庫函數(shù)，使用便捷。用戶可在Blinker APP上遠程實時監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)，且可以實現(xiàn)遠程操作。監(jiān)控步驟：主ESP32采集土壤濕度與數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)包上傳到云端和控制總水閥的次級ESP32、云端接收到數(shù)據(jù)包和ESP32接收數(shù)據(jù)后進行判斷是否開閥、云端和次級ESP32反饋數(shù)據(jù)包回到主ESP32。Bliker APP軟件端界面如圖8所示。

圖8 Blinker APP端界面

3 項目基本應(yīng)用場景

可安置在農(nóng)場、果園、家庭等植物需要澆灌的場所。對缺水的植物進行自動澆水，在Blinker APP上實時監(jiān)測數(shù)據(jù)、遠程控制澆水和開啟總水閥，自動和主動澆水兩個模式保證了系統(tǒng)穩(wěn)定性，當自動澆水模式失效時，可使用主動模式進行輔助，防止植物因系統(tǒng)失效而缺水。系統(tǒng)初步實物圖如圖9所示。

圖9 初步實物圖

4 項目的科學性與實用性

4.1 預防性與定點性

以ESP32模組為核心實現(xiàn)對土壤濕度的監(jiān)測與定點性灌溉。當某部分土壤濕度低于閾值時則對該區(qū)域執(zhí)行針對性、定點性灌溉。若在沒有發(fā)生灌溉的情況下流量計計數(shù)值增加則自動關(guān)閉總水閥，預防漏水。當自動灌溉模式失效時可使用APP端遠程控制進行主動灌溉。

4.2 云端交互控制與實時性

用戶在云端APP上實時監(jiān)控相關(guān)數(shù)據(jù)，可遠程對灌溉模塊與水閥開關(guān)進行控制；

5 項目的應(yīng)用價值與轉(zhuǎn)化前景

在農(nóng)場上經(jīng)常出現(xiàn)不同區(qū)域的植物有著不同的灌溉需求，但目前市面上的農(nóng)業(yè)機械化系統(tǒng)絕大多數(shù)都是執(zhí)行統(tǒng)一灌溉的模式，無法對特定的區(qū)域進行針對性灌溉，致使植物無法獲得更優(yōu)良的生長環(huán)境，同時會造成人力物力的浪費。本項目提出采用多個灌溉端ESP32和一個水閥端ESP32組合的系統(tǒng)連接在Blinker APP上，實現(xiàn)實時監(jiān)控各個區(qū)域的土壤情況、遠程控制不同區(qū)域的灌溉和系統(tǒng)自動灌溉。解決了傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)機械化系統(tǒng)統(tǒng)一灌溉模式痛點。

6 結(jié) 論

本項目為針對農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的設(shè)計，提供了關(guān)于農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)采集相關(guān)傳感器、電機驅(qū)動模塊等模塊選

型和物聯(lián)網(wǎng)感知層的構(gòu)建，以ESP32的無線網(wǎng)絡(luò)模塊為信息傳輸層，使用Blinker云平臺為核心的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用層部署的完整解決方案。通過基于Blinker云平臺的農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)與農(nóng)業(yè)設(shè)備的交互實現(xiàn)遠程控制，實現(xiàn)從采集到控制的閉環(huán)管理和數(shù)據(jù)可視化。本項目符合科技振興鄉(xiāng)村的發(fā)展目標，為農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用、機械化農(nóng)業(yè)、定點化灌溉的研究提供新思路。