环境信息采集浇灌车系统

黄东明　孙桂鸿　高婷婷　郑诗岚

摘要：为了提高经济作物产量和难培育植物的种植，研发了一套可通过适应环境改变的自适应浇灌车系统。系统运用了信息反馈调节和自动化的思想对农作物的浇水，施肥、打药，都可以做到信息化系统定量“精确”把关。浇灌车系统不仅能精准完成液体的精准浇灌，更能采集现场数据，如：温湿度、二氧化碳浓度、土壤含水率、土壤 PH 值等数据进行分析，决策。客户端会根据采集回的数据进行分析计算，自动设置下次种植任务。

关键词：浇灌车；自适应；智能；自动化；信息采集

中图分类号：TP311.13 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2018）01-0174-03

目前，我国大多智慧农业技术提供商对智慧农业领域的技术应用尚处在较低阶段。大多采用现场布置光照、温湿度、CO2等传感器设备进行数据采集，所带来的缺点就是布线繁琐，装置浪费，维护成本提高。农业园区进行自动灌溉、自动降温、自动进行液体肥料施肥、自动喷药等自动化控制，但大范围的装置置办，导致成本居高不下，农业智慧化程度推进较难。所以研制一种体积小、成本低、自适应的农作物浇灌系统时是迫切需要的。

自适应浇灌车系统，可以满足农作物基本的浇灌，施肥，打药的需要；同时可采集农作物生长环境的数据，并把现场各种数据传回传客户端，客户端会根据采集回的数据进行分析计算，自动设置下次的农作物浇灌任务。该系统适用农业种植工作，并且本系统具有良好的可扩展、易维护、灵活性强，适用面广。可通过本项目的开发，在该基础上继续开发增删其他的模块，满足现实生产工作需要。并有利我国在智慧农业上的改革和提升。

1 系统简介

系统最大的特点就是运用了信息反馈调节和自动化的思想[1]，完成农业上的基本工作，系统设计以便捷，灵活为主，让操作变得简单，维护成本降低。如图1所示，本系统包括三部分：下位机、上位机、上下位机之间的通信。

本系统提供操作软件、硬件系统，灵活方便，通过串口ZigBee模块与计算机进行通讯。上位机是基于.net framework 4.0平台开发的软件，界面友好，交互简单，可完成对下位机需要经过的路径以及环境信息采集的频率和次数的设定，并且可显示实时的环境信息及走势图。下位机是基于51内核单片机而设计的开发板和其他传感器模块，串口模块等组成，用来构成本系统的硬件部分。

2 下位机的设计

整个下位机是使用基于51内核单片机自主设计的开发板，搭载各类传感器，利用ZigBee模塊来实现数据、控制信号的传输。下位机接收到上位机发送控制信息后，进行场地内的运动和浇灌任务，同时收集现场环境信息如湿度、二氧化碳浓度、土壤含水率、土壤 PH 值等数据并传回上位机。各模块的组合如图2所示。

传感器模块主要是来采集农作物生长环境的现场数据，主要有湿度传感器、温度传感器、CO2传感器、PH传感器、EC传感器等。传感器和单片机的通信主要是通过I2C即Inter-Integrated Circuit（集成电路总线）来实现的。这种通信方式简化了信号传输总线接口，多个传感器可以连接到同一总线结构下，同时每个传感器都可以作为实时数据传输的控制源[2]。所有接到I2C总线设备上的串行数据SDA都接到总线的SDA上，各设备的时钟线SCL接到总线的SCL上。使用通用I/O口来作为I2C总线接口，并由软件控制实现数据传送。串行时钟信号在系统中使用了P1.3，P1.2作为I2C总线的串行数据线，可在软件控制下在时钟的低电平期间读取传感器数据。

Zigbee模块主要用于上下位机通讯，通过串口方式与单片机连接，当浇灌车处于静止状态时，定时器1开始作为串口通信定时器使用，Zigbee模块通过无线传输的方式将传感器读取的数据回传至上位机，上位机也可以发送控制命令至浇灌车。

GPS模块主要用于浇灌车定位及行走路径设置。该模块采用的命令格式为增强型AT指令。浇灌车定位时，由上位机发送定位命令：AT+GPS=1，GPS模块开始定位工作并将定位数据回传至上位机；关闭浇灌车定位时，由上位机发送关闭命令：AT+GPS=0，GPS模块停止定位。这个定位开关，直接通过上位机进行控制，不需要通过单片机进行控制。任务路线设置，使用百度地图的API接口进行导航，在地图上设置好起点和终点。浇灌车进行实时定位，当运动到终点时停止工作。

超声波模块用于浇灌车运动时障碍检测，浇灌车左右分别布置超声波模块，当任意一方测量距离小于20厘米时判定前方有障碍物，朝相反反向转弯。当两方均检测到障碍物便先进行后退再进行右转弯绕行。

直流减速电机用于浇灌车运动，使用电流驱动模块驱动电机，四轮单独驱动提高浇灌车的运动能力。利用四轮单独驱动的优势，正转和反转的差别进行转弯。

液晶显示屏模块用于显示字符以及浇灌车的运动状态信息。比如“Start”正在工作，“Stop”停止工作，“Temp”温度数值单位摄氏度，“Humi”湿度数值单位相对湿度，“Time”任务倒计时单位秒。

模块设计硬件图如图3所示。

3 上下位机的通讯协议设计

整个系统中为了使上位机可以监视下位机运行的状态，上下位机通信采用的是Zigbee通讯技术。ZigBee技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本的双向无线通讯技术[3]。

上下位机均使用串口TTL电平信号转Zigbee无线网络信号。系统采用TTL电平信号对于计算机处理器控制的设备内部的数据传输是很理想的，传输速度快，适合二进制数据传输。上下位机通讯的实质主要是双方要规定好传输的数据格式，本系统采用异步串行通讯格式。数据包格式为：首部，数据，尾部。1个字节为一个传输单位，无校验位，1位停止位。首部为数据字节数，报尾为数据异或校验码，数据主要是控制指令和传感器数据。整个通讯过程我们要确保上下位机时钟同步、数据同步、操作同步。数据包格式如图4所示。

4 上位机的设计

上位机主要用于对下位机进行监视并控制，所以上位机采用基于.Net平台开发。数据交互采用串口通讯方式，本地数据库采用MySQL。数据库用于存储各个植物，物种的种植信息，可通过软件进行查询。软件界面采用图形化直观的表现方式，如折线图，能直观看出数据走势。当上位机接收到下位机实时传递的数据时，会自动绘出数据的折线图，并将获得数据与数据库内数据进行校准，根据校准值，自动安排下次的浇灌任务时间及间隔。上位机的主界面如图5所示，定位设置界面如图6显示。

在Visual Studio 2017中创建一个窗体应用程序，拖动控件进行UI界面布局。

使用Chart控件，创建折线图表，用于显示由下位机回传的数据。

使用SerialPort类，创建一个可以增删改的串口对象，用于连接下位机。串口设置为波特率115200，8位数据位，1位停止位，无奇偶校验位。

使用Mysql.Data.MysqlClient组件来进行数据库的操作，创建连接对象及赋值依次为server，user id，password，database。创建连接成功后便可以进行数据的增删改查。

使用datetimepicker控件来创建日期选择框，单击可选择年-月-日-时-分-秒，日期将作为工作时间，作为控制信息传递至下位机。数据库表，如表1所示。

使用WebBrower控件创建地图頁面，使用Html与JavaScript语言进行编程，百度地图API的浏览器服务使用方法如下：

地图创建初始化方法有：createMap（）；//创建地图setMapEvent（）；//设置地图事件addMapControl（）；//向地图添加控件等。

5 结语

本系统软硬结合，运用了信息反馈调节和自动化的思想，相对以前具有成本低、体积小、移动性强、维护方便，容易升级和扩展等优势。该系统不仅可以满足普通农业生产的需要，可以作为智慧农业的一个过渡产品。在该系统的基础上继续开发增加其他的组成模块，以满足日益增加的农业生产需要，可应用在一般科学种植大棚，并有利我国在智慧农业上的改革和提升。

参考文献

[1]李月洁.基于单片机的自动浇花器的设计[J].科技展望，2017，27（26）：142-143+145.

[2]宋宝林.基于单片机的水箱水位及温度控制系统[J].自动化应用，2017，（02）：35-36+56.

[3]王青.单片机与PC机通信的设计与仿真[J].实验室研究与探索，2016，35（12）：100-103.

[4]牛寅.设施农业精准水肥管理系统及其智能装备技术的研究[D].上海大学，2016.

[5]李玲.基于数据挖掘的盆栽智能浇灌系统研究与实现[D].青岛理工大学，2013.