崔海嵩 田靜靜 林嘯嘯 張仕遠(yuǎn) 倪冰倩

摘 要：隨著智能農(nóng)業(yè)技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)灌溉技術(shù)存在著明顯不足，尤其是在人力勞動(dòng)方面太過(guò)依賴。目前智能化灌溉方式通常需要人為管理和調(diào)整且通常存在著許多未知問(wèn)題。為了避免問(wèn)題出現(xiàn)的同時(shí)無(wú)法及時(shí)得知以及相同問(wèn)題無(wú)法自動(dòng)執(zhí)行解決方案，以此開(kāi)發(fā)了一種分布式物聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)對(duì)原有的智能化灌溉設(shè)備進(jìn)行改進(jìn)。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；單片機(jī)；灌溉系統(tǒng)

一、研究背景

當(dāng)前，智能灌溉模型是通過(guò)使用單片機(jī)和相應(yīng)的傳感器對(duì)農(nóng)林狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)。通過(guò)單片機(jī)對(duì)當(dāng)前環(huán)境的監(jiān)控和初試設(shè)定值的比較，得到當(dāng)前應(yīng)該執(zhí)行的固定動(dòng)作。以此形成的自動(dòng)化灌溉系統(tǒng)無(wú)法靈活運(yùn)用到各種農(nóng)作物之間，對(duì)于環(huán)境的檢測(cè)十分有限，不利于拓展和維護(hù)。為解決這一問(wèn)題，對(duì)單片機(jī)進(jìn)行了改進(jìn)，加入通信模塊和更多傳感器。

二、研究意義

通過(guò)對(duì)智能灌溉系統(tǒng)的優(yōu)化，能夠大幅度提升該系統(tǒng)的適應(yīng)能力。使耕種可以從體力勞動(dòng)變成腦力勞動(dòng)，對(duì)于同一種問(wèn)題實(shí)現(xiàn)一種可靈活變化的解決方案。即開(kāi)發(fā)出一種能夠拋出異常的灌溉模式，當(dāng)出現(xiàn)未知農(nóng)業(yè)環(huán)境或錯(cuò)誤時(shí)，能夠及時(shí)上報(bào)并嘗試采用備用解決方案。以此提升我國(guó)糧食參量和農(nóng)業(yè)種植效率，更有利于水資源的有效利用，對(duì)水的循環(huán)使用提供了一定幫助。

異常問(wèn)題處理是系統(tǒng)的一大研究?jī)?nèi)容，對(duì)于無(wú)法解決的異常，當(dāng)存在大面積種植時(shí)，人工現(xiàn)場(chǎng)處理非常耗時(shí)耗力，效率極低，使用遠(yuǎn)程微控系統(tǒng)與智能灌溉系統(tǒng)結(jié)果，達(dá)到遠(yuǎn)程實(shí)體操控的目的，為農(nóng)林灌溉和異常處理提供了極大方便，通過(guò)對(duì)于惡劣環(huán)境的應(yīng)對(duì)能力也得到了提升。

三、研究方案

設(shè)計(jì)相應(yīng)電路模型，模擬電路運(yùn)行。確保關(guān)鍵電路無(wú)故障，驅(qū)動(dòng)相應(yīng)主板位置正常后可嘗試對(duì)主控板安裝、部署。主控制板可采用相應(yīng)模擬器實(shí)現(xiàn)程序模擬，通過(guò)對(duì)聯(lián)網(wǎng)模塊、溫度檢測(cè)、異常處理、遠(yuǎn)程控制之間信號(hào)傳輸及相關(guān)問(wèn)題處理，得到相應(yīng)的解決方案。設(shè)計(jì)不同錯(cuò)誤對(duì)應(yīng)的解決方案以及代碼，設(shè)計(jì)相應(yīng)的錯(cuò)誤解決方案和默認(rèn)錯(cuò)誤解決方案，對(duì)設(shè)計(jì)程序進(jìn)行整體規(guī)劃，必要之處做出相應(yīng)的解釋，最終得到系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，確定出智能灌溉系統(tǒng)的升級(jí)方案。

根據(jù)方案進(jìn)行系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)。首先設(shè)計(jì)服務(wù)端測(cè)試系統(tǒng)，用于接收客戶端發(fā)來(lái)的一系列程序參數(shù)和錯(cuò)誤代碼，并將其展示輸出?？蛻舳讼到y(tǒng)使用C++語(yǔ)言設(shè)計(jì)，通信模塊使用ESP8266網(wǎng)絡(luò)通信模塊對(duì)服務(wù)器發(fā)送信息，服務(wù)器擁有固定IP地址用于和客戶端形成穩(wěn)定通信。數(shù)據(jù)加工處理是在單片機(jī)和Arduino結(jié)合下實(shí)現(xiàn)的功能，Arduino作為主管理器，充當(dāng)系統(tǒng)管理器，操控并命令單片機(jī)執(zhí)行長(zhǎng)時(shí)間工作，單片機(jī)也充當(dāng)多線程服務(wù)中的子線程。單片機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控單個(gè)功能模塊的變化和實(shí)現(xiàn)對(duì)單個(gè)功能的操控，Arduino獲取單片機(jī)返回的信息，并對(duì)其進(jìn)行加工處理后決定下發(fā)指令。對(duì)于異常處理Arduino發(fā)送錯(cuò)誤代碼到ESP8266模塊，此時(shí)ESP8266模塊充當(dāng)網(wǎng)絡(luò)代理，作為Arduino無(wú)線網(wǎng)卡，將其發(fā)送來(lái)的指令進(jìn)一步加工或是不加工，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)上傳到服務(wù)器端，服務(wù)器端獲得相應(yīng)指令后執(zhí)行相應(yīng)的異常處理方案，通過(guò)將錯(cuò)誤異常保存在系統(tǒng)日志中。

異常處理是服務(wù)端主動(dòng)向客戶端發(fā)出的特殊指令，服務(wù)端下發(fā)監(jiān)控程序，此時(shí)客戶端分配自動(dòng)與服務(wù)端建立的端口，用于視頻流傳輸，服務(wù)端開(kāi)始對(duì)客戶端發(fā)出的視頻流進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控刷新。對(duì)于遠(yuǎn)程微控服務(wù)指令，客戶端會(huì)匹配本地微控系統(tǒng)，啟動(dòng)系統(tǒng)后，微控系統(tǒng)與客戶端ESP8266連接，此時(shí)ESP8266不再直接與Arduino形成網(wǎng)絡(luò)代理，而是作為微控系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制網(wǎng)卡，遠(yuǎn)程微控時(shí)客戶端和服務(wù)端會(huì)建立穩(wěn)定連接，服務(wù)端監(jiān)聽(tīng)微控狀態(tài)，客戶端同樣實(shí)時(shí)監(jiān)控自身行為狀態(tài)，隨時(shí)準(zhǔn)備處理服務(wù)端發(fā)來(lái)的控制指令。微控系統(tǒng)接收到客戶端指令后通過(guò)執(zhí)行相應(yīng)動(dòng)作模擬人為控制，嘗試在人為控制下解決未知異常。

智能灌溉系統(tǒng)通常不發(fā)生未知異常，需要面臨的問(wèn)題還有對(duì)于多種環(huán)境的監(jiān)控和管理。系統(tǒng)會(huì)根據(jù)當(dāng)前客戶端信息匹配相應(yīng)的灌溉方案和異常指令，指令和解決方案均可在遠(yuǎn)程服務(wù)端進(jìn)行操作，客戶端獲取灌溉方案是在客戶端與服務(wù)端建立連接成功后發(fā)生的，當(dāng)客戶端啟動(dòng)成功后會(huì)首先向服務(wù)器發(fā)送自身信息，此時(shí)服務(wù)端在對(duì)客戶端信息完成驗(yàn)證后隨后下發(fā)系統(tǒng)配置，客戶端根據(jù)接收到的系統(tǒng)配置對(duì)內(nèi)部參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，實(shí)現(xiàn)多功能環(huán)境下的培育種植。

針對(duì)植物變化周期培育方式，本系統(tǒng)設(shè)置了客戶端系統(tǒng)重啟指令，該指令在解決客戶端啟動(dòng)問(wèn)題同時(shí)也可以應(yīng)用在不同周期種植方式不同的植物培養(yǎng)環(huán)境中，當(dāng)植物處于不同生長(zhǎng)周期時(shí)，服務(wù)端對(duì)客戶端發(fā)送重啟命令，對(duì)客戶端重新下發(fā)初試配置，客戶端得到初試配置后重新對(duì)內(nèi)部參數(shù)進(jìn)行微調(diào)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)當(dāng)前種植環(huán)境的模式改變。

四、研究成果

客戶端使用C++程序?qū)rduino和ESP8266進(jìn)行燒錄，單片機(jī)采用C語(yǔ)言編程，微控程序采用Arduino及舵機(jī)結(jié)合，與ESP8266建立連接，攝像模塊與ESP8266連接實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)傳輸。

服務(wù)端采用JAVA、Python結(jié)合，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信及數(shù)據(jù)呈現(xiàn)，搭建出用戶微調(diào)界面和系統(tǒng)狀態(tài)檢測(cè)見(jiàn)面，其中JAVA程序用于實(shí)現(xiàn)客戶端與服務(wù)端的通信及異常處理，負(fù)責(zé)將狀態(tài)數(shù)據(jù)和系統(tǒng)數(shù)據(jù)存入日志文件，Python程序是服務(wù)端與管理員之間的通信工具，用于對(duì)服務(wù)端的輕微控制和客戶端系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

網(wǎng)絡(luò)通信采用互聯(lián)網(wǎng)通信、局域網(wǎng)通信聯(lián)合，實(shí)驗(yàn)時(shí)采用局域網(wǎng)進(jìn)行調(diào)試，客戶端內(nèi)部之間也采用局域網(wǎng)通信，客戶端與服務(wù)端的遠(yuǎn)程連接使用互聯(lián)網(wǎng)公網(wǎng)IP通信，滿足遠(yuǎn)程操控的需求。

通過(guò)模型試驗(yàn)，最終對(duì)植物生長(zhǎng)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)得出，相較于升級(jí)前的智能灌溉系統(tǒng)，新的智能灌溉方案擁有更強(qiáng)的適應(yīng)能力，對(duì)植物的不同生長(zhǎng)周期和系統(tǒng)穩(wěn)定性處理都具有良好的表現(xiàn)，植物生長(zhǎng)狀態(tài)更好。

五、結(jié)語(yǔ)

升級(jí)后的智能灌溉系統(tǒng)擁有更強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)能力和更穩(wěn)定的系統(tǒng)性能，支持更多的植物培養(yǎng)方案同時(shí)擁有更直觀的數(shù)據(jù)結(jié)果體現(xiàn)。針對(duì)數(shù)據(jù)系統(tǒng)的升級(jí)和通信服務(wù)的改進(jìn)，智能灌溉系統(tǒng)在實(shí)際測(cè)試中做出了更優(yōu)的表現(xiàn)。當(dāng)前農(nóng)業(yè)環(huán)境下通過(guò)智能灌溉系統(tǒng)的應(yīng)用能夠?qū)r(nóng)業(yè)種植和管理提供極大的便利，智能農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的迭代升級(jí)隨后也將考慮接入決策樹(shù)方案，使程序在多特征下能夠預(yù)測(cè)出灌溉服務(wù)標(biāo)簽，同時(shí)可將接入定位系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)更直觀的農(nóng)林狀態(tài)監(jiān)控。

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作者簡(jiǎn)介：崔海嵩，男，安徽宿州人，宿州學(xué)院管理學(xué)院2021級(jí)本科生。田靜靜，女，安徽六安人，宿州學(xué)院商學(xué)院2021級(jí)本科生。林嘯嘯，男，安徽銅陵人，宿州學(xué)院管理學(xué)院教學(xué)秘書，碩士。張仕遠(yuǎn)，男，安徽阜陽(yáng)人，宿州學(xué)院信息工程學(xué)院2020級(jí)本科生。 倪冰倩，女，安徽六安人，宿州學(xué)院信息工程學(xué)院2020級(jí)本科生。

基金項(xiàng)目：國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃（項(xiàng)目編號(hào)202310379001）；省級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃（項(xiàng)目編號(hào) S202310379142）。