中圖分類號： S24 ；TP29 文獻標識碼：A 文章編號：2095-5553（2025）07-0097-07

Abstract：Integratewater-fertilizer technologyisacrucial methodforconserving water，reducing fertilizeruse，and minimizing ecological pollution. Among its core challenges，the precise detection of fertilizer liquid EC and pH value，along with the stable remote transmissionof these parameters，are keyareasofresearch in the developmentof water-fertilizer integrationequipment.Thisstudy focusedontheappiedresearchofaccuratelymonitoringfertilizer solution parameters in water-fertilizer integrationsystems.Itcarefullyconsidered the detection range andresolutionof voltage signals，and designedahighprecision voltage detectioncircuittoconvert，divide，folow，andfiltertheraw signals output by the fertilizer sensors.After the high-precision voltage detection circuit，the processed EC and pH sensor signals werethen input into thecontroller’s high-speed ADC module for dual synchronous rule sampling.This enabled the realtime conversion of analog signals to digital signal，and synchronized acquisition of EC and pH values. To balance signal filtering withreal-timeresponsiveness，anappropriate filterlength was selected toimplementasliding average filteron thedigital signal，efectively eliminating cyclicand high-frequency random noise and ensuring theaccuracy of ADC samplingresults.Theintegration of high-precision hardware voltage detectionandan eficient sensordata processing algorithm enabled accurate detection of fertilizer solution EC and pH values. The processed data， standardized in JSON format by thecontroller，were transmited via RS232 communication to a 4G DTU module，and thenremotelyuploadedtoa cloudplatformusing the MQTT protocol.Thisprovidedvaluable input foruser decision-making reference orcrop water-fertilizermodeling.Experimental validation demonstrated that the system achieved high-accuracyvoltage detection，supportedbyaflexible andefficientdata processngalgorithm.The average relative error of voltage measurement was only ，while remote communication was stable and reliable， with a data transmission and reception success rate of 99.88% ：

Keywords：waterandfertilizerintegration；remote monitoring；ferilizerparameters；dualADCsynchronoussampling；data filter

0 引言

水肥一體化是當今世界公認的一項高效節(jié)水節(jié)肥農(nóng)業(yè)新技術(shù)，被譽為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的“一號技術(shù)”，對提高水資源利用率、節(jié)約用肥、減少土壤酸化和水體環(huán)境污染意義重大[，是實現(xiàn)設(shè)施農(nóng)業(yè)精準施肥的關(guān)鍵支撐，已在設(shè)施農(nóng)業(yè)中廣泛應(yīng)用[2-5]。水肥一體機作為實施水肥一體化技術(shù)的重要執(zhí)行機構(gòu)，主要是根據(jù)土壤特性和作物生長規(guī)律，利用灌溉設(shè)備同時把水分和養(yǎng)分均勻、準確、定時定量地供應(yīng)給作物[2]。水肥一體化設(shè)備精準檢測所施肥液pH（酸堿度）、 EC （電導(dǎo)率），對不同生長期的作物施肥灌溉具有重要指導(dǎo)價值，因此，肥液pH、EC參數(shù)的準確檢測是實現(xiàn)水肥一體化精準調(diào)控的關(guān)鍵一環(huán)。隨著多源數(shù)據(jù)融合技術(shù)的發(fā)展，與作物生長發(fā)育息息相關(guān)的肥液 EC?pH 值等參數(shù)遠程監(jiān)測，穩(wěn)定傳輸至云平臺模型端，并與其他傳感器數(shù)據(jù)交叉融合決策，也是支撐精準農(nóng)業(yè)進行智慧灌溉的關(guān)鍵[6]

為提高農(nóng)業(yè)灌溉等領(lǐng)域中對EC、pH值的智能監(jiān)控，朱德蘭等為檢測水肥一體機肥液電導(dǎo)率并將其控制在合理范圍內(nèi)，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計了遠程肥液參數(shù)控制系統(tǒng)。王鳳花等8設(shè)計開發(fā)測量 pH 和EC值的農(nóng)田信息采集儀，在探討儀器測量原理和軟硬件設(shè)計的基礎(chǔ)上，采用校正法和配比標準溶液法對采集儀的 ΔpH 值和EC值測量進行標定試驗。宋慶恒等9設(shè)計了一種便攜式土壤 pH 值、電導(dǎo)率測試儀，可實現(xiàn)對土壤pH值、電導(dǎo)率、溫度、測試地點經(jīng)緯度、海拔等參數(shù)的采集和存儲。楊衛(wèi)國1°針對水溶液電導(dǎo)率檢測需求，設(shè)計了一套水溶液電導(dǎo)率測量系統(tǒng)，通過合理選取激勵信號源頻率，可實現(xiàn)較小的測量誤差。但目前研究也面臨著肥液監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計成本較高、系統(tǒng)可擴展性不強、測量精準度及遠程數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定性方面有所欠缺的問題。

基于此，面向水肥一體化系統(tǒng)中肥液參數(shù)的精準檢測和穩(wěn)定遠程數(shù)據(jù)傳輸，本文提出一種基于嵌入式技術(shù)、低成本肥液參數(shù)精準監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用設(shè)計，詳細開展從底層硬件電壓檢測電路設(shè)計到應(yīng)用層傳感器軟件檢測算法的研究，并進行肥液參數(shù)的遠程通信傳輸設(shè)計，為進一步提升肥液參數(shù)的穩(wěn)定遠程精準監(jiān)測，提供一種高效靈活解決方案。

1肥液參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)

肥液參數(shù)遠程監(jiān)測系統(tǒng)如圖1所示。監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)分為本地端和遠程端，本地端負責肥液EC、pH參數(shù)的精準檢測，遠程端負責接收本地端采集的肥液數(shù)據(jù)，并給用戶使用端或作物水肥模型端提供決策參考。本地端部件主要包括控制器、4GDTU遠程通信模塊、EC、pH檢測傳感器，遠程端部件主要包括云端服務(wù)器、開發(fā)服務(wù)端及用戶使用端等，通過4GDTU遠程通信模塊搭建的網(wǎng)絡(luò)，是實現(xiàn)本地端和遠程端溝通的“橋梁”。

傳感器檢測模塊負責將檢測的肥液EC、pH對應(yīng)電壓，經(jīng)硬件電壓采集電路后，輸人至控制器的ADC采集模塊進行數(shù)據(jù)采集并緩存，對緩存的采集數(shù)據(jù)進行軟件濾波并按公式轉(zhuǎn)化為肥液對應(yīng)參數(shù)，將計算出的肥液參數(shù)按JSON格式整合數(shù)據(jù)，將規(guī)格化的數(shù)據(jù)通過4GDTU通信模塊遠程傳輸至云平臺端[，以實現(xiàn)對肥液參數(shù)的遠程監(jiān)測。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 主控芯片

結(jié)合肥液參數(shù)遠程監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計需求，主控芯片MCU選用工業(yè)級芯片STM32F407ZGT6，其是一款32bitCortex一M4F內(nèi)核架構(gòu)的微控制器，最大時鐘頻率可達 168MHz ，供電電壓為 3.3V 。內(nèi)部FLASH和RAM存儲容量分別為1MB、192KB，可充分為復(fù)雜程序設(shè)計提供存儲空間，片內(nèi)集成有多路串口通信，可為遠程數(shù)據(jù)交互提供硬件支撐，多達3路12bit多通道SARADC模塊，具有19個轉(zhuǎn)換通道，可測量16個外部信號源，可為傳感器數(shù)據(jù)采集提供便利，總之，豐富的片上集成資源，能有效降低設(shè)計復(fù)雜度和縮短研發(fā)周期。

2.2電壓采集電路設(shè)計

水肥一體化系統(tǒng)中， EC 和 pH 值為衡量肥液的重要參數(shù)指標。對肥液的 EC?pH 進行檢測，所選EC傳感器型號為S一EC—B2LT，信號輸出為 4～20mA ，測量范圍為 0～5000us/cm ，溫度補償為自動。所選 pH 傳感器型號為 S-PH-A1LT ，信號輸出為 4～ 20mA ，測量范圍為 0～14 ，溫度補償為自動。

肥液傳感器所檢測肥液參數(shù)與其輸出電壓之間存在一定關(guān)系，基于此，設(shè)計肥液參數(shù)電壓采集電路。雙路肥液參數(shù)電壓采集電路如圖2所示。

EC、pH傳感器分別接圖2中電壓采集電路的AI1、AI2模擬電壓輸入端，由于EC、pH傳感器均為4～20mA 電流信號輸出，故要使用如圖2所示的電壓采集電路，需將電流信號轉(zhuǎn)化為電壓信號。在EC、pH傳感器的信號輸出 （+） 和信號輸出（一）兩端并聯(lián)精度為 1‰ 的 500Ω 精密電阻，將兩個傳感器的信號輸出范圍轉(zhuǎn)化為 2～10V^[11，12] 。EC、 pH 傳感器輸出電壓經(jīng)電壓采集電路轉(zhuǎn)化為 AI-1，AI-2 點電壓后與MCUADC模塊相關(guān)采集通道相連。

如EC傳感器接入AI1模擬電壓采集電路所示，EC傳感器輸出電壓信號經(jīng)RJ1、RJ6精密電阻分壓及電容C39初步濾波后，輸入LM2902運算放大器進行跟隨，并經(jīng)電容C4O濾波后送入控制器ADC模塊進行數(shù)據(jù)采集。其中LM2902為4通道運算放大器，具有單位增益穩(wěn)定、高差分輸入電壓和短路保護輸出等特性。此電壓采集電路因應(yīng)用跟隨放大器和阻容件組合濾波，具有抑制噪聲顯著、防止采集信號衰減和實用性強的特點[13]。

由電壓采集電路可知，信號放大增益為1，則EC傳感器輸出電壓滿足式（1）。

式中： V_ec 1 EC傳感器輸出電壓， ΔV

V_out 經(jīng)運算放大器跟隨及濾波后輸入到控制器電壓，即 AI-1 點電壓， ΔV ：

精密分壓電阻，精度為 1‰ ，阻值分 別為 10kΩ 和 30kΩ 。

采樣參考電壓是MCUADC模塊進行電壓采集的基準參考，采樣參考電壓的合理設(shè)計，是實現(xiàn)精確測量傳感器輸出電壓的關(guān)鍵。一般STM32ADC模塊的參考電壓多選用與MCU供電電壓相同的 3.3V ，在兼容檢測肥液傳感器輸出電壓全量程的條件下，為提高ADC模塊的電壓變化分辨力，降低參考電壓是一個途徑，基于此，設(shè)計2.5V的基準參考電壓電路。如圖3所示為ADC采集模塊基準參考電壓電路。

圖3ADC采集模塊基準參考電壓電路 Fig.3ADC acquisition module reference voltage circuit

如圖3所示，應(yīng)用 LM2596 降壓開關(guān)型集成穩(wěn)壓芯片，將輸入電壓VDD穩(wěn)壓轉(zhuǎn)換為 5V ，其中VDD為12V 外部輸入電壓， LM2596 是能輸出3A驅(qū)動電流的穩(wěn)壓芯片，具有良好的線性和負載調(diào)節(jié)特性，可精準穩(wěn)定地輸出 5V 電壓。由LM2596集成穩(wěn)壓芯片輸出的5V電壓，輸入至REF3025串聯(lián)（帶隙）精密電壓基準芯片管腳1進行穩(wěn)壓轉(zhuǎn)換，通過管腳2輸出 2.5V 并輸人至STM32F407ZGT6的 ΔV_ref+ 管腳，以供ADC模塊進行基準電壓參考，其中REF3025選用低壓降電壓基準芯片，具有高精度、低功耗及微型封裝的特性。

由于STM32F407ZGT6的ADC模塊采樣分辨率為12bit，采樣參考電壓為 2.5V ，故 V_out 計算如式（2）所示。

式中： D1 —ADC1模塊轉(zhuǎn)換輸出數(shù)據(jù)，數(shù)值范圍為0～212。

由式（2）可知，MCU的ADC模塊能分辨出0.61mV 的電壓變化，對肥液傳感器輸出電壓的微小變化有很好的分辨能力。

聯(lián)合式（1）和式（2）整理，可得 V_ec 與 D1 之間的關(guān)系如式（3）所示。

由式（3）可知，設(shè)計的電壓采集電路能采集的電壓量程范圍為 0～10V ，正好能覆蓋檢測肥液傳感器的輸出電壓范圍（ 2～10V） ，并且在滿足檢測肥液傳感器輸出電壓全量程的條件下，可實現(xiàn)微小的電壓變化分辨力 （0.61mV） 。

與EC傳感器電壓采集計算方法類似，pH傳感器輸出電壓計算如式（4）所示。

式中： V_pH （24號 pH傳感器輸出電壓， ΔV ：

D 2——ADC2模塊轉(zhuǎn)換輸出數(shù)據(jù)，數(shù)值范圍為0～2¹² 。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

肥液參數(shù)精準監(jiān)測系統(tǒng)軟件設(shè)計，包括傳感器采集數(shù)據(jù)計算和遠程通信設(shè)計。

3.1傳感器采集數(shù)據(jù)計算

肥液相關(guān)傳感器經(jīng)電壓采集電路后，輸人MCUADC模塊進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，為濾除周期性及高頻噪聲等信號，對獲取到的ADC轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)需進行濾波處理及相關(guān)轉(zhuǎn)換計算，以最終得到準確傳感器物理數(shù)值。

3.1.1雙重ADC模式軟件設(shè)置

ADC可以使用獨立模式或雙重模式，采用單ADC獨立模式采集多通道信號，有采樣率低及通道間數(shù)據(jù)錯位且數(shù)據(jù)波動較大弊端。雙重ADC同步規(guī)則模式，具有提高采樣率及高采樣精度的優(yōu)點，且能對多傳感器采集數(shù)據(jù)要求時序同步提供實現(xiàn)途徑[14]。

為高精度采集2路肥液參數(shù)及提高采樣效率，本系統(tǒng)對MCU自帶的ADC模塊軟件設(shè)置為雙重ADC同步規(guī)則采樣模式，并結(jié)合使用DMA模塊進行采集數(shù)據(jù)緩存，以減少MCU數(shù)據(jù)處理負擔。在雙重ADC同步規(guī)則模式下，ADC1和ADC2同時對EC、pH傳感器電壓進行采集，以實現(xiàn)兩個傳感器采集數(shù)據(jù)時序同步及提高采樣率、精準度，此方法可對水肥調(diào)控模型、EC/pH 濃度控制算法提供準確的傳感器數(shù)據(jù)反饋參考。具體為軟件設(shè)置ADC1為主采集模塊，ADC2為從采集模塊，選擇定時器2捕獲比較通道作為外部觸發(fā)ADC1采樣轉(zhuǎn)換，ADC2采樣轉(zhuǎn)換采用軟件觸發(fā)，ADC采樣轉(zhuǎn)換結(jié)果由DMA存取流方式存儲至外設(shè)存儲器，AI一1點電壓輸入至ADC1模塊通道1，AI-2 點電壓輸入至ADC2模塊通道2。雙重ADC同步采樣模式架構(gòu)如圖4所示。

雙重ADC同步規(guī)則模式使用中，需要對ADC模擬輸入管腳初始化、ADC工作參數(shù)初始化、DMA及觸發(fā)源初始化，在此模式下，寄存器ADC_CDR的低16位和高16位分別保存ADC1、ADC2的采樣轉(zhuǎn)換結(jié)果。

3.1.2 采樣數(shù)據(jù)軟件濾波計算

數(shù)字濾波算法是系統(tǒng)測控的一個重要組成部分，具有實時性強、無須其他硬件開支和多輸人通道共用一個濾波算法等優(yōu)點[15]。由式（3）和式（4）可知，肥液傳感器的輸出電壓值僅與ADC模塊轉(zhuǎn)換輸出數(shù)據(jù)有關(guān)，為有效抑制肥液傳感器噪聲，消除由干擾引起的隨機測量誤差，提高采樣精度[16]，可對ADC轉(zhuǎn)換輸出數(shù)據(jù)實行滑動平均濾波算法，滑動平均濾波算法如式（5）所示。

式中： N T 濾波器長度；

一 第 k 次、第 k-N 次ADC采樣值；

y（k），y（k-1） 一 第 k 次、第 k-1 次濾波結(jié)果輸出值。

綜合兼顧信號濾波效果及實時響應(yīng)速度，選取滑動平均濾波器長度 N 為20，對2路肥液傳感器ADC采樣值進行數(shù)字濾波，具體數(shù)字濾波設(shè)計步驟：（1）將各通道連續(xù)采集到的20個肥液相關(guān)ADC采樣值緩存到一個隊列RAM中；（2）當采集到新數(shù)據(jù)時存入隊列RAM的尾部，并丟掉隊列RAM中首部的數(shù)據(jù)；（3）分別對2路隊列肥液相關(guān)ADC采集數(shù)據(jù)進行加和均值運算，即可獲得濾波結(jié)果。

將得到的ADC采樣值濾波結(jié)果分別代入式（3）和式（4），即可計算出電壓 V_ec，V_pH ，依據(jù)肥液傳感器電壓與 EC?pH 值之間的公式，計算出肥液的 EC，pH 值。

3.2 遠程通信設(shè)計

經(jīng)本地端檢測到肥液的EC、pH參數(shù)后，需要將此信息遠程傳輸?shù)皆品?wù)器端，以下發(fā)給使用者或作物水肥調(diào)控模型端，進行施肥決策參考。

MQTT（Message Queuing Telemetry Transport）是一個基于客戶端一服務(wù)器的消息發(fā)布/訂閱傳輸協(xié)議，具有輕量、簡單、開放和易于實現(xiàn)的特點，在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域有著舉足輕重的地位，是一款輕量級但可靠性很高的通信協(xié)議，能在較小帶寬上穩(wěn)定運行，目前被廣泛應(yīng)用在工農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的智能裝備中進行遠程數(shù)據(jù)交互，且相較于采用傳統(tǒng)的TCP或者HTTP協(xié)議更有優(yōu)勢[17，18]。MQTT通信協(xié)議的數(shù)據(jù)遠程交互收發(fā)流程示意圖如圖5所示。

圖5MQTT通信協(xié)議收發(fā)流程示意圖 Fig. 5MQTT communication protocol of sending and receiving flow diagram

遠程通信系統(tǒng)設(shè)計采用MQTT通信協(xié)議，進行傳感器采集數(shù)據(jù)遠程傳輸。4GDTU模塊作為溝通本地端和遠程端的重要硬件載體，選型通信穩(wěn)定的模塊至關(guān)重要。大多數(shù)4GDTU模塊多采用外置物聯(lián)網(wǎng)卡插入通信卡槽方式通信，但設(shè)備運行所帶來的震動往往引起物聯(lián)網(wǎng)卡與通信模塊接觸不良，從而導(dǎo)致通信不穩(wěn)定問題。為避免通信模塊物聯(lián)網(wǎng)卡接觸不良弊端，本設(shè)計選型工業(yè)級穩(wěn)定可靠的內(nèi)置eSIM卡4GDTU模塊，所選4GDTU模塊型號為USR一G805，無線傳輸速率為 150Mbps ，供電電壓為DC 9～24V 。

為保證通信數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩裕h程肥液參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計采用搭建私有MQTT服務(wù)器。4GDTU通信模塊根據(jù)私有IP地址和對應(yīng)端口號登錄到搭建好的服務(wù)器，設(shè)置肥液采集系統(tǒng)的DTU通信模塊發(fā)布主題為JAAS_FertilM，即可實現(xiàn)肥液采集數(shù)據(jù)遠程發(fā)送至云平臺端。遠程通信傳輸模式采用主動上傳方式，主動上傳周期為5s，控制板檢測到的肥液參數(shù)與4GDTU通信模塊之間的數(shù)據(jù)交互采用串口透傳模式。

JSON（JavaScriptObjectNotation）是一種輕量級的數(shù)據(jù)交換格式，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)由鍵值對組成，常用于將數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)化的傳輸和存儲，易于編碼和便于機器解析，已成為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備之間數(shù)據(jù)交換和通信的主流格式[19]，肥液相關(guān)檢測參數(shù)的遠程發(fā)送采用JSON數(shù)據(jù)格式：{\"EC”：valuel，“pH”：value2}。其中，value1表示檢測的肥液 EC 值， μS/cm;value2 表示檢測的肥液pH 值，取值范圍為 0～14 。

4試驗結(jié)果與分析

4.1 電壓檢測精度試驗

EC、pH傳感器檢測肥液參數(shù)準確度，直接受設(shè)計系統(tǒng)檢測電壓精度影響?；诖?，對由電壓采集電路、雙重ADC同步規(guī)則模式以及滑動平均濾波算法組成的電壓檢測系統(tǒng)，進行電壓檢測精度試驗。

試驗環(huán)境由精密可調(diào)直流電源、USB轉(zhuǎn)RS232串口線、電路板供電電源、控制電路板和上位機組成。其中精密可調(diào)電源型號為TOPLIAX08P3010，額定輸出電壓、電流為 0～32V，0～10 A，電壓設(shè)置精度 ?0.1% ；電路板供電電源選用直流電源適配器，輸出電壓/電流為 DC12V/1 A；USB轉(zhuǎn)RS232串口線選用帶屏蔽層的UGREEN綠聯(lián)CR104、DB9接口；控制電路板內(nèi)集成高精度電壓采集電路，以及RS232串口收發(fā)電路，供電電壓為DC12V；上位機為依托電腦的串口數(shù)據(jù)收發(fā)調(diào)試軟件，用于接收串口數(shù)據(jù)并顯示在電腦屏幕上。

編寫電壓采集精度試驗程序，試驗程序包括雙重ADC同步規(guī)則采樣結(jié)合滑動平均濾波算法的電壓檢測程序，以及控制電路板串口打印數(shù)據(jù)程序，用于串口傳輸ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果、電壓計算結(jié)果至上位機顯示，其中串口打印程序1.5s輸出一組數(shù)據(jù)，打印數(shù)據(jù)串口設(shè)置波特率： 115200bps ，數(shù)據(jù)位：8，停止位：1，奇偶校驗：無。

精密可調(diào)直流電源電壓輸出端連接控制電路板兩路模擬輸人端，即ADC1和ADC2同時采集精密可調(diào)直流電源輸出電壓；控制電路板RS232串口通過USB轉(zhuǎn)串口線連接至電腦USB端口，將編寫好的電壓采集精度試驗程序通過JTAG仿真器載入控制電路板。以 為起始測量電壓，0.5V為步進遞增設(shè)置量， 10V 為終止測量電壓，進行手動調(diào)節(jié)精密可調(diào)直流電源輸出電壓，精密可調(diào)直流電源電壓設(shè)置到預(yù)期值后，為確保直流電源電壓輸出穩(wěn)定，等待2s后，再進行統(tǒng)計每次測量電壓的連續(xù)10次ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果平均值和電壓計算結(jié)果平均值。

記錄試驗過程中ADC1和ADC2測量電壓相關(guān)平均數(shù)據(jù)，結(jié)果如表1所示。ADC1轉(zhuǎn)換電壓的平均相對誤差為 2.03‰ ，ADC2轉(zhuǎn)換電壓的平均相對誤差為 ，轉(zhuǎn)換電壓的綜合平均相對誤差為 。設(shè)計的電壓檢測系統(tǒng)可精準測量電壓，能實現(xiàn)EC、 pH 傳感器精準測量肥液 EC?pH 值。

表1ADC1和ADC2測量電壓數(shù)據(jù)Tab.1ADCl and ADC2 measure voltage data

4.2肥液參數(shù)遠程監(jiān)測測試

基于所述高精度硬件電壓檢測電路、雙重ADC同步規(guī)則采樣、采集數(shù)據(jù)濾波處理和遠程通信設(shè)計，本監(jiān)測系統(tǒng)已部署應(yīng)用在江蘇省農(nóng)業(yè)科學院設(shè)施果蔬生產(chǎn)基地的水肥一體機上，肥液遠程監(jiān)測系統(tǒng)試驗環(huán)境如圖6所示。

MQTTX是一款開源的跨平臺MQTT協(xié)議桌面測試客戶端，支持在macOS、Linux、Windows操作系統(tǒng)上運行，完整兼容MQTTv3.1.1以及MQTTv5.0協(xié)議，支持多種Payload格式如Hex、Base64、JSON、Plaintext，可快速測試MQTT通信的連接/發(fā)布/訂閱功能。設(shè)置DTU主動上傳數(shù)據(jù)周期為5s，應(yīng)用MQTTX軟件對DTU在 2.5h 內(nèi)收取的數(shù)據(jù)流進行監(jiān)控，接收到的理論數(shù)據(jù)流應(yīng)為1800條，統(tǒng)計實際接收數(shù)據(jù)流為1798條，數(shù)據(jù)流接收成功率為 99.88% ，通信傳輸穩(wěn)定。

對水肥一體化系統(tǒng)設(shè)置為純水灌溉模式，并啟動運行，灌溉用水來源為生活可用的自來水。應(yīng)用通信軟件MQTTX監(jiān)測灌溉過程中遠程通信數(shù)據(jù)流以進行分析。

從通信數(shù)據(jù)流可以分析出，監(jiān)測到的數(shù)據(jù)流發(fā)布主題為JAAS_FertilM，發(fā)布主題數(shù)據(jù)流的通信周期，由相鄰消息數(shù)據(jù)的時間戳信息計算為5S，監(jiān)測到的消息數(shù)據(jù)為JSON數(shù)據(jù)格式，且均與遠程通信設(shè)計章節(jié)里設(shè)置的一致。由遠程傳輸上來的監(jiān)測數(shù)據(jù)流分析可知，EC與pH檢測數(shù)據(jù)波動較小，檢測數(shù)據(jù)較穩(wěn)定，且所測數(shù)值與自來水的水質(zhì)標準范圍相符合[20]。

水肥一體機遠程控制監(jiān)測應(yīng)用平臺如圖7所示。此平臺可實現(xiàn)對水肥一體機肥液參數(shù)的實時遠程監(jiān)測，負責將本地端水肥一體機檢測的肥液參數(shù)進行顯示記錄，并能統(tǒng)計展示各灌區(qū)灌溉的水肥量等信息。

5結(jié)論

1）通過選取精密分壓電阻阻值和傳感器精密并聯(lián)電阻阻值，兼容設(shè)計電壓檢測電路測量量程及參考電壓，在滿足檢測肥液傳感器輸出電壓全量程的條件下，可實現(xiàn)微小的電壓變化分辨力 （0.61mV ），設(shè)計出的高精度電壓跟隨濾波檢測電路，能夠準確檢測電壓及抗外部干擾。

2）采用雙重ADC同步規(guī)則采樣模式，以及結(jié)合滑動平均濾波算法對ADC采樣結(jié)果進行處理，能實現(xiàn)多傳感器采集數(shù)據(jù)時序同步，以及獲取采集數(shù)據(jù)的快速實時性、準確性和消除隨機測量誤差。

3）雙路電壓采集電路和傳感器數(shù)據(jù)檢測算法的有效融合設(shè)計，采集電壓綜合平均相對誤差為 ，能實現(xiàn)高精度檢測電壓，可對精準檢測肥液EC?pH 值提供實現(xiàn)途徑。

4）應(yīng)用輕量化且穩(wěn)定性高的MQTT協(xié)議，選用可靠性高的內(nèi)置eSIM卡DTU模塊，遠程傳輸通用化JSON數(shù)據(jù)格式的肥液參數(shù)至私有服務(wù)器端，通信數(shù)據(jù)收發(fā)成功率達 99.88% ，具有通信穩(wěn)定安全可靠的特性，精準檢測的肥液參數(shù)遠程傳輸至平臺端，對使用者或作物水肥模型端可提供有價值的決策參考。

設(shè)計的肥液參數(shù)精準監(jiān)測系統(tǒng)具有測量精度高、通信穩(wěn)定可靠、抗干擾和實用性強的優(yōu)點，可為作物水肥模型及EC濃度控制算法提供精準的傳感器測量值，具有較低的設(shè)計成本及一定的應(yīng)用參考價值。

在未來的研究工作中，將針對實際應(yīng)用場景使用時間較長的肥液傳感器內(nèi)部敏感電子元器件特性變化及傳感器檢測探頭受到污染等因素，造成零點漂移等問題，進行肥液傳感器測量區(qū)間分段校正擬合試驗，以提高老舊傳感器測量準確度和可靠性。

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