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基于安卓系统和MCU智能灌溉系统设计 白皓然 陈晓旭 马擎枭 师宇岐 张 凯 青岛农业大学机电工程学院 山东青岛 66 摘 要 为解决农业灌溉中智能化监测与远程控制问题 提高农业灌溉效率与智能灌溉的可靠性 设计了基于安 卓系统与 CU的智能灌溉系统 系统主要包括上位机 nd oid手机 PP 下位机单片机 以及云服务平台 部 分 上位机采用HT CSS J v Sc ipt在 P Cloud Studio环境下实现的移动应用程序 下位机采用ST F 处理器作为智能灌溉系统的核心CPU 借助物联网云平台实现上位机与下位机的通讯 并通过PW 控制薄膜泵 灌溉速度 用户通过手机即可实时监测环境信息和作物生长状态 设置灌溉模式 控制灌溉开启及灌溉速度 试验表明 系统各方面运行正常可靠 在农业远程智能监测和灌溉方面有一定的实用价值 关键词 智能灌溉 远程遥控 安卓系统 PW 中图分类号 S274 2 文献标识码 A文章编号 1003 188X 2021 03 0146 06 0 引言 目前 我国大部分地区还在使用最原始的人力灌 溉 方式单一 而国外发达地区智能灌溉系统已经相 当成熟 在系统的研发上更趋向于智能 农业机械化 是发展现代农业的有效工具 近几年 国外更是在 研发的智能灌溉系统里加入了模糊控制 神经网络等 新技术 实现了更智能的灌溉决策 其中 以色 列研发了现代诊断式控制器 能够捕捉到以前无法采 集的信息 通过计算机的模型处理 以inte net网或 GS 作为数据传输的媒介 可及时做出灌溉计划 物联网作为世界信息产业的第三次浪潮 被看 作信息资源领域又一次重大的变革机遇 6 已上升到 我国战略性新兴产业中的第二位 随着物联网时 代的到来 人与物的连接已逐渐成为可能 物联网 技术进入我国农业领域始于 世纪 年代 虽然 开始时间比较晚 但在农业机器人的研究方面也取得 了很不错的成绩 如草莓采摘机器人 黄瓜采摘机器 人及智能喷药机等 农业科技人员乃至普通农民 都可以应用物联网随时随地获取各种科技信息 管理 信息 市场供求信息 气象和土壤信息 作物和病虫 收稿日期 基金项目 山东省重点研发计划项目 C C GC 山东省研究生教育质量提升计划项目 SD 6 山东省农机装备创新计划项目 6 山东省 高等学校国家级大学生创新创业训练计划项目 青岛农业大学创新创业训练项目 作者简介 白皓然 6 男 山东青岛人 副教授 硕士生导师 m il b i o n 6 com 害信息等 物联网技术为实现智能化灌溉提供了基础平台 可解决传统灌溉设备无法解决的连接管理问题 为 了提高现代先进信息技术在农业精准智能灌溉上的 聚合性 笔者利用物联网技术 云平台 嵌入式系统和 自动化技术 设计了一套针对小批量 大范围的精准 灌溉调控及环境监测系统 以期提高农业灌溉智能化 和网络化的水平 1 系统总体架构设计 以上位机 云平台 传输层和下位机组成的系统 整体架构如图 所示 图 系统总设计图 Fig T e gene l system design d wing 上位机 使用 P Cloud开发移动手机 PP并 6 年 月 农机化研究 第 期 使其连接至Fog云服务器 以实现环境信息的显示并 控制下位机 云平台 选择FogCloud作为该设计的云平台 在特定的氛围环境下 利用其提供安全高效的接入 数据存储 数据分析等平台级服务进行数据交互 以 及负责向上 下层提供数据服务 传输层 前端采集控制系统通过无线传感网络 连接 采集的环境参数通过 QTT协议与数据服务器 交互 下位机 通过 icokit 6 处理器采集并处理灌 溉系统的环境因子 主要包括土壤温湿度 土壤盐浓 度 水流速度 光照强度 水流压强 同时通过PW 控 制策略来实现水泵流量的精准调控 系统整体运行流程按照自上而下的模式 上位机 PP通过 QTT协议连接FogCloud 再与 icokit 6 模块进行通信 并在 6 模块上连接各路传感器 可 以有效地对各环境因子进行检测 同时 在 ico kit 6 设备端通过自由端口协议利用串口转 模 块连接电机驱动模块 进而实现水泵电机的启停 各 路模块通过电压转换模块进行直流供电 保证各路模 块电源稳定工作 2 硬件 软件的系统设计 2 1 系统硬件电路设计 下位机系统硬件包括核心ST F 主CPU及 通讯WiFi模块 W 6 外接温湿度传感器与水流 量传感器 直流薄膜泵 以及直流电机驱动模块等 2 1 1 主控设备及无线模块 下位机 icokit 6 设备端是基于ST 的 CU 设计 设备内部具有 W 6 低功耗嵌入式WiFi模 块 WiFi模块可通过串口通信 与 CU相连 按照既 定的通讯协议 可使 CU的数据经串口直接发送到 WiFi模块串口 继而通过WiFi模块的射频发送到云 端去处理 设计中 WiFi模块的内部集成了一个无线射频芯 片和型号为ST F C 的Co tex 微控制器 设 备自带独一无二的 self osted WiFi网络函数库及应 用组件 W 6 模块的硬件框架图如图 所示 Co tex 通过SD O接口与WiFi模块进行连接 通信 SD O接口在SD接口的基础上发展而来 除了 SD内存卡最基础的功能 SD O接口还可以用于连接 WiFi 调制广播和以太网等 2 1 2 外设传感器模块 下位机传感器节点配置了各类传感器设备 构成 了一个分布式传感网络 能够对系统附近的环境进行 实时监测 环境参数通过无线传感网络上传至手机 PP端 以清晰直观的方式呈现给用户 图 W 6 模块硬件框架图 Fig H dw e f me di g m of W 6 module 设计中 温湿度传感器采用 工业级测温防水 高精度温湿度计 检测稳定 可靠性高 采用 直流 电源供电 将黄色信号线连接 O P 端口 将蓝色 信号线连接 O P 端口后 可以输出RS 信号 最远可通信 m 标准的modbus协议 该温湿度传感器接线方式如表 所示 表 温湿度传感器接线方式 T ble Wi ing met ods of tempe tu e nd umidity senso s 线色说明 电源 棕色电源正 DC 黑色电源负 通信 黄色 蓝色 B 采用 F S 水流量传感器 供电 将黄色信 号线连接 O PB 端口 该传感器主要由塑料阀体 水流转子组件和霍尔传感器组成 用于检测进水流量 当水通过水流转子组件时 磁性转子转动且转速随着 流量变化而变化 霍尔传感器输出相应脉冲信号 反馈 给主控中心 进而传达给手机 PP 由用户进行调控 水流量传感器接线方式如表 所示 2 1 3 直流电机及驱动模块 水泵采用微型薄膜泵 吸程可达 m 扬程可达 6 m 可以更好地为农作物实施灌溉 电机转速理论 上可达 min 流量理论值可达6 min 内部大 功率直流电机可以保证电机保持在 W的额定功率 年 月 农机化研究 第 期 但由于为 供电 即电路中电流高达 过大的 电流数值导致本系统不能使用最常用的电机驱动 如 驱动模块的额定电流仅有 表 水流量传感器接线方式 T ble Wi ing met ods of w te flow senso 线色说明 电源 红色电源正 DC 黑色电源负 通信黄色信号输出线 采用6 工业级双路大功率电机驱动模块 模块 采用 高速光耦对输入信号进行隔离 保证了信号 的单向传递 在电气端隔离了干扰信号 双H桥的存 在 使模块可以同时驱动两台直流电机 为后续组件的 添加提供了可能 为物联网网络的集成建设提供了前 提 H桥驱动电路原理图如图 所示 图 H桥电路驱动原理图 Fig Sc em tic di g m of H b idge ci cuit d ive 通过双H桥驱动 采用PW 占空比的方式控制 电机的通断时间 控制灌溉的水流量及水流速度 该 驱动控制 台电机时的接口信号逻辑如表 所示 表 接口信号逻辑 T ble Sign l logic of t e inte f ce 输出 刹车 悬空 PW 正转调速 PW 反转调速 全速正转 全速反转 2 2 软件系统的设计与实现 智能化水肥灌溉主要是通过手机端 PP控制主 CU实现功能的 主控 CU基于ST 的 ico kit 6 设备 WiFi模块可以直接连接至FogCloud 手 机端 PP采用 P Cloud进行 PP的开发 手机端与 icokit端通过FogCloud连接 通过 QTT协议进行数 据传输 icokit端与云平台的通讯采用modbous协 议 2 2 1 远程控制系统 远程控制系统所使用的FogCloud云平台 提供了 包括 PP推送 远程数据传输 短信服务 数据分析和 历史数据查询等云端服务 以及与微信硬件云 阿里 智能云 京东智能云 中移动云等厂商的对接方案 通过远程控制系统与上位机 PP软件的数据通 信 开发者可以根据前端系统反馈的数据实现灌溉系 统网络智能化 利用WiFi网络连接手机 利用 icokit 通过 总线实现与 R 通信 控制驱动模块来启 动或控制电机 实现水肥灌溉 icokit 6 处理器与用户端通过FogCloud进行 消息通信 通信协议采用 QTT协议 设备和 PP作 为 QTT客户端 FogCloud作为 QTT服务器端 通讯等级设置为QoS 通讯消息类型设置为 PUB CK 即发布确认 与消息等级QoS 对应 2 2 2 上位机软件 PP设计 手机 PP设计基于非原生开发SDK包 利用 P Cloud进行开发可以实现用户注册 设备状态显示 设 备数据显示和控制设备等功能 使用的FogCloud通过对控制台的管理使产品 D 和 icokit设备绑定 相互绑定后 icokit设备端和 PP端通过HTTPS协议进行数据传输 二者分别采用 QTT协议和T S协议接收数据 进行 PP制作时 需在网站控制台添加fog 模 块 便于 icokit设备与 PP端正常的上下行通信 在 P Cloud新建项目后 在config xml文件中填写自 己注册产品的设备 D 在HT 中初步进行 PP的 前台框架搭建时 通过实时预览进行调试 编写前台 时 应尽量使代码简洁易懂 将大部分代码放在css中 以实现合理的布局 采用J v Sc ipt编写主要功能函数 通过前台的调 用实现与下位机的通信 主要函数包含有 son数据 格式的发送与解析 设备与FogCloud的访问接入 账 号的注册与登录等 在img中插入图片 插入完成后 通过调用即可实现在 PP中的显示 PP的名称和 起始页面可以经由过程控制台添加 在完成编写项目后 可以同步到S 云端 且可 以通过对端设置进行图标状态栏和启动页显示的修 年 月 农机化研究 第 期 改 证书选项中可以选择 nd oid或 OS系统 创建完安卓证书后 即可生成正式版 PP 当设 置 显示 P Cloud所上传更新的数据 和 添加fog 模块和F Sc nne 模块 二维码 后 PP即具备设 备端通信和二维码扫描下载功能 此时 进行云编译 生成二维码 通过浏览器扫描下载安装到手机即可使 用 2 2 3 下位机 CO软件设计 下位机程序通过 Code 软件开发 可以通过电 脑连接USB口进行供电工作 通过ST ink工具进行 程序的下载 温湿度传感器采用 odbus RTU通讯规约 通讯 回路遵照主从方式 数据桢格式定义如表 和表 所 示 表 请求帧格式定义 T ble Fo m t definition of equest f mes 地址码功能码寄存器地址寄存器长度校验码低位校验码高位 字节 字节 字节 字节 字节 字节 表 应答帧格式定义 T ble Fo m t definition of esponse f mes 地址码功能码有效字节数数据一区数据二区校验码 字节 字节 字节 字节 字节 字节 地址码 传感器的地址 使用 x 功能码 使用 x 来读取数据 数据区 进行数据传输 6bits高字节在前 设计中 发送 C B即可 通过 在 ico端进行公式处理即可显示到 PP中 需要注意 的是温度和湿度计算必须除 如果温度低于 则采 用补码形式 温度计算 FFF H 十六进制 十进制 湿度计算 H 十六进制 6 十进制 6 RH ico模块中传感器发送程序如下 请求帧的校验 码由CRC校验调试工具计算得出 如图 所示 温湿度发送 void test t e d mico t e d g t g w ile fog v is ve supe use t ue 如果设备端口连接手机成功 mico t e d msleep const uint t x x x x x x xc x b 温湿度发送数据帧 mico t e d msleep t send CO U RT mico t e d msleep exit mico tos delete t e d U 图 CRC校验调试软件计算请求帧校验码 Fig T e c eck code of equest f me c lcul ted by CRC c eck debugging softw e 水流量传感器选用数字量脉冲计数方式调控 在 icokit程序中 初始化 O端口PB 设置为上升沿触 发 设定定时 ms读取脉冲计数值 通过测量实验得 知当计数值脉冲达到 次时水量为 通过公式 m ic ong m ic ong 即可算出每分钟 水流速度 部分程序如下 脉冲中断函数 void button i q nde void g if icoGpio nputGet CO GP O 当 CO GP O 为高电平 else m ic ong 水流量传感器脉冲计数 void is u mico t e d g t g w ile mico t e d msleep z u nyi m ic ong m ic ong 年 月 农机化研究 第 期 m ic ong ku yue m ic ong z u nyi m ic ong 传感器数据 适配脉冲传感器 用的是 son格式 数据结构 3 系统实现 3 1 操作介绍 通过 P Cloud云编译生成 PP二维码 下载安 装后注册账号 登录进入设备列表界面 见图 开始 配网 与位于同一局域网下的设备进行连接 到此 完 成 pp端的连接操作 可以实现数据检测和下位机的 控制操作 图 设备控制界面 Fig T e cont ol inte f ce of equipment det ils 3 2 系统实际效果 当完成 PP和设备端的连接操作后 在控制界面 可以显示传感器检测到的数据 室内温湿度 土壤温 湿度 土壤水分 土壤pH 当点击水泵按钮后 可以 看到水流平缓 可控的流出 且可以直接通过手机按 键进行对水流的控制 3 3 试验结果及讨论 可以通过设置不同的PW 占空比改变灌溉的输 出流量 在 mm的水管试验条件下 利用水流量 传感器可以对该系统的排水量进行检测 设PW 脉 冲占空比为D 理论每分钟排水量为Q min 实际 每分钟排水量为Q min 设实际水流量相对于理 论水流量的百分比为K 则 K Q Q 图6为设备理论与实际水流量随PW 脉冲占空 比的变化 图6 水流量随PW 的变化 Fig 6 i tion of w te flow te wit PW 由图6可以发现 当占空比为不同数值时 虽然有 着一定的误差 但总体PW 脉冲占空比与水泵水流 量之间基本呈线性关系 经计算可得 电压为额定电 压时 实际水流量约为理论水流量的 通过与水泵厂家的沟通 实际水流量在6 左右 属于正常现象 因此 选用较大水管 进水口与机身 处于相同高度可以适当提高 4 结论 以载有ST F 芯片的 icokit微控制单元作 为下位机 该微控制单元载有的 W 6 WiFi模块 可以直连FogCloud云平台 通过云平台连接用户手机 PP 通过 PP控制界面可以查看传感器检测到的 各个数据 温度 湿度 水流速流量等 且通过 PP 可以改变水泵的状态 实现水泵的开启或关闭 只要 用户手机处于联网状态 可以随时随地地控制灌溉系 统且实时接收环境信息 便于及时了解作物的生长状 态 为其提供适宜生长的环境 系统可以通过手机端 发出指令 通过PW 调控直流电机 实现小批量 大 范围的精准灌溉调控及环境监测 以实现 在任何时 间 任何地点 人 机 物互联互通 的物联网理念 参考文献 邹宝玲 刘佛良 张震邦 等 山地果园机械化 发展瓶颈 与国外经验借鉴 J 农机化研究 6 李金 基于物联网的农田灌溉系统设计 D 淮南 安徽 年 月 农机化研究 第 期 理工大学 宋艳 黄留锁 农业土壤含水率监测及灌溉系统研究 基于物联网模式 J 农机化研究 张兵 袁寿其 成立 节水灌溉自动化技术的发展及趋势 J 排灌机械 刘强 崔莉 陈海明 物联网关键技术与应用 J 计算机 科学 6 6 孙其博 刘杰 黎羴 等 物联网 概念 架构与关键技术研 究综述 J 北京邮电大学学报 宁焕生 徐群玉 全球物联网发展及中国物联网建设若干 思考 J 电子报 吴萌 物联网技术伦理问题研究 D 长沙 湖南大学 苏美文 物联网产业发展的理论分析与对策研究 D 长 春 吉林大学 易中懿 胡志超 农业机器人概况与发展 J 江苏农业 科学 张烈平 杨帆 基于 igBee的温室监测系统设计 J 中 国农机化学报 6 谢杨 基于云计算的现代农业物联网监控系统 D 成 都 西南交通大学 Design of Intelligent Irrigation System Based on Android System and MCU B i H o n C en i oxu Qingxi o S i uqi ng K i College of nginee ing Qingd o g icultu l Unive sity Qingd o 66 C in Abstract ntelligent i ig tion is one of t e m in w ys to imp ove t e efficiency of g icultu l i ig tion n intelligent i ig tion system b sed on nd oid system nd CU w s designed to solve t e p oblems of intelligent monito ing nd e mote cont ol in g icultu l i ig tion in t is p pe T e system w s m inly included t e uppe compute nd oid mobile PP t e lowe compute nd t e cloud se vice pl tfo m T e uppe compute w s dopted HT CSS J v Sc ipt to implement t e mobile pplic tion in t e P Cloud Studio envi onment T e lowe compute w s pplied t e ST F p ocesso s t e co e CPU of t e intelligent i ig tion system T e oT cloud pl tfo m w s used to e lize t e communic tion between t e uppe compute nd t e lowe compute nd t e speed of t e memb ne pump i ig tion w s cont olled by Pulse Widt odul tion Use s could monito envi onment l info m tion nd c op g owt st tus in e l time t oug mo bile p ones set i ig tion mode nd cont ol i ig tion st t up nd speed t c n be s own t oug system tests t t t e system is ope ted no m lly nd eli bly nd s ce t in p ctic l v lue in g icultu l emote intelligent monito ing nd i ig tion Key words intelligent i ig tion emote cont ol nd oid OS PW 年 月 农机化研究 第 期