基于嵌入式开发的智能水肥一体化监控系统

郭建文，高晓婷，王玥，刘宇琪，胡孝鸿

（中国矿业大学徐海学院，江苏徐州，221000）

0 引言

众所周知，我国温室和大棚蔬菜疾速发展，围绕农业生产上对温室大棚的环境治理、种类抉择、栽培管理、均衡施肥、科学施药和节水节能等问题得到诸多关注。在农业栽培技术现代化与信息化同时发展的大历史背景下，种植业生产已步入了信息化时代，水肥一体化系统也在大田农作物生产中的应用越来越广泛。

本文对该系统进行创新，农业领域与智能化技术相结合为背景下的一种全新工作模式——基于嵌入式开发的智能水肥一体化监控系统。与传统模式相比，该模式能够节约大批人工，在减少肥料消耗量的同时减少水资源的浪费，防止因为过量施肥而造成农作物烧根的问题。能够模拟出农作物成长周期中的各种生长需求，结合实际情况可以对水分、营养供应量加以适当调整，确保农作物处于最佳营养状态、水分足够供应的状态下，以提高农作物生长质量。本文即阐述一种基于STM32模块并联合树莓派的智能水肥一体化监控系统，就系统设计的关键内容进行分解与探讨。

1 系统总体方案

整个基于嵌入式开发的智能水肥一体化监控系统从构造上来看，能够分为四个部分，第一是电气部分，第二是核心控制器设计部分，第三是数据处理部分，第四是灌溉施肥管理结构部分。基于嵌入式开发的智能水肥一体化监控系统以STM32为主控芯片，应用PID算法，通过WiFi无线技术进行通信，实现对传感器温度、湿度、酸碱度、光照强度的监测，通过STM32对传感器收集的数据，最后树莓派对数据的处理和分析，进行和数据库进行比对根据作物的施肥比例制定施水、施肥的方案，通过无线网把数据上传到用户端，用户可以随时查看土壤、灌溉和施肥情况，也可以通过手机控制灌溉和施肥的量，当化肥量不足时会通知用户及时添加。树莓派通过施肥量、光照强度等数据，可以模拟农作物的生长情况，并将数据传输给用户。系统框图如图1所示。

图1 系统框图

1.1 系统模拟

在研究农作物产量等问题上，首先得了解不同农作物在不同生长周期的生长需求以及最佳生长速度。农作物的生长周期都比较长，不适宜直接拿实际的农作物进行研究。因此我们首先采用WOFOST软件对种植农作物进行生长模拟，本软件根据往年该地的气候情况，选择种植的农作物后，得出农作物在无灾害，水肥、阳光充足下的模拟情况。我们可以根据数据估计出该农作物产量多少、最佳施肥时间。我们将其各种数据存储在数据库中，作为后续种植用户监控农作物生长周期的参照。

在种植农作物之前，首先需要对土壤进行施加肥料。在农作物整个生长周期中，也需要对农作物不断进行肥料供给，可以先采用试验小区施肥量计算器得到最合适的肥料基追比。

图2 WOFOST软件结果分析图

图3 试验小区施肥量计算器计算结果

1.2 智能水肥一体化监控系统主体功能研究设计

基于嵌入式开发的智能水肥一体化监控系统的设计可以分为传感器层、控制层和传输层。通过各层间的相互作用，以实现主要功能：

（1）传感器层：传感器层采用不同的传感器与STM32相连，通过各种传感器测量的数据发送到STM32。传感器时刻监测土壤的湿度、酸碱度、温度以及光照强度。

（2）控制层：STM32将接收到的数据通过串口发送到树莓派里，通过进一步分析数据，可以得出农作物的生长情况。通过与数据库里的数据对比，可以对农作物进行适宜的操作，确保农作物处于最佳水分和养分。

（3）传输层：通过无线网把数据上传到用户端，用户可以随时查看土壤、灌溉和施肥情况，施肥灌溉方案可以系统智能控制或者用户通过手机进行控制。

该系统实现这些功能的前提是采用太阳能进行供电，电池作为备用电源；该系统设有防水、防室外各种恶劣天气的保护套，可以延长系统使用寿命。

2 系统各功能模块简介

STM32处理器将接收到多组传感器的数据，经过处理之后发送到树莓派中，树莓派通过这些数据计算可以得出相对应的施肥量。

系统的主要硬件组成：STM32最小系统板、树莓派、土壤PH值检测模块、温湿度检测模块、土壤湿度检测模块、二氧化碳检测模块、OLED显示模块、无线传输模块等系统模块。

2.1 STM32F103主控芯片

本系统的数据监测和数据处理使用STM32F103处理器作为主控芯片，控制所有的传感器采集数据并将采集到的数据发送到用户手机端和树莓派进行下一步数据处理。STM32F103处理器使用ARM公司高性能“Cortex-M3”内核的F103系列，可以连接和控制多个外设，工作频率达到72MHz，1.25DMIPS/MHz。拥 有us级 的12位A/D转 换通道，测量范围0～3.6V，最大造成的误差为1/9192，因此STM32采集出来的数据误差就会很低，并且具有双采样和保持能力。STM32F103通过外挂ESP8266WiFi模块，连接物联网平台，将传感器采集到的数据发送给用户，用户可以通过APP进行远程监控。

2.2 树莓派

树莓派一款基于ARM的微型电脑主板，具备PC所有的基本功能，能运行多种操作系统。施肥量算法在树莓派运行，用户只需要树莓派输入种植的农产品类型，树莓派会把输入的数据与数据库进行对比，然后结合STM32发送过来的传感器采集到的数据进行运算，保持农作物最佳的施肥量和灌溉量。

2.3 DHT11温湿度检测模块

在环境温湿度检测系统中使用的是复合式数字传感器DHT11温湿度传感器。DHT11数字温湿度检测模块包括一个NTC测温元器件和一个电容式感湿元器件，并与一个高性能的8位单片机相连接。DHT11与单片机的通信采用单总线数据格式，进行一次通信时间4ms左右，数据分为小数部分和整数部分。

当DHT11接收到开始信号后，会从低功耗模式转到高速模式，发送40bit的数据，用户能够自行选择读取数据。DHT11发送的每1bit数据都以50μs低电平开始，高电平的长短决定数据位是0还是1。

2.4 PH传感器模块

PH传感器主要监测土壤的酸碱性，每种农作物对土壤的酸碱性要求都不一样，当土壤过酸或者过碱是进行调节，使达到农作物最佳的生长状态。本设计的PH传感器模块是通过BNC接口与PH复合电极进行相连接，而且搭配DS18B20温度传感器进行组合使用。

DS18B20温度传感器是为了方便进行软件温度补偿而设计，使用电位器进行放大倍数的调节。PH传感器是用于检测被测物体中氢离子浓度并且转换成相对应的可输出信号的传感器，PH测量属于原电池系统，将化学能转换成电能，两端电压被称为电极电位，由两个电池构成，其中一个称为测量电极，另外一个为参比电极，并且遵循能斯特方程。

氧化还原体系：

如果是对于金属电极，还原态是纯金属，其活度是常数，

图4 PH传感器模块电路图

定为1，则式子可以写为：

公式中：E—电极电位、E0—电极的标准电压、R—气体常数、T—开式绝对温度、F—法拉第常数、n—被测离子的化合价、aMe—离子活跃度。

能斯特公式：

2.5 土壤湿度传感器模块

土壤湿度传感器主要用来测量土壤容积的含水量，该模块采用FDR型，具备快速精确、宽量程、少定标等优点。当土壤较为干燥的时候，土壤电阻趋于无穷大，湿润时相反。

土壤湿度传感器依据土壤电阻的变化输出不同的模拟信号值，从而检测土壤湿度的变化，可以使用电位器来设置土壤湿度阈值。

图5 土壤湿度传感器模块电路图

2.6 二氧化碳检测模块

二氧化碳检测模块采用MH-Z16小型传感器，采用非色散红外（NDIR）吸收法进行检测空气中二氧化碳浓度，内部有温度传感器，具有温度补偿性能，检测精度高，使用串口进行数据的输出，在使用该模块时需要先预热180s。二氧化碳浓度会随季节性的变化而产生变化，当二氧化碳浓度低时，光合作用减少，需要给农作物适量的添加肥料。

2.7 ESP8266通信模块

运用的无线通信模块是ALIENTEK推出的一款高性能的UART-WiFi模块，内部嵌有TCP/IP协议栈，内部可以进行串口与WiFi之间的转换，而且支持LVTTL串口，可以很好地兼容3.3V和5V的单片机系统。ESP8266通信模块支持WiFi STA+WiFi IAP、串口转WiFi STA和串口转WiFi AP的模式，从而能够方便快速地建立串口-WiFi的数据传输方案，可以使设施愈加方便地运用互联网，将数据传送给上位机。

本系统ESP8266通信模块连接上机智云物联网云服务平台，需要下载机智云APP，就可以连接上ESP8266通信模块，通过手机进行远程的查看数据或者手动施肥。

图6 ESP8266通信模块

2.8 显示模块

该系统还搭配一块0.96寸OLDE屏幕进行数据的查看，OLED 屏幕显示模式通过有机发光二极管发光显示，使用SSD1306作为驱动IC，内部具有升压功能，所以电路设计的时候不需要再额外设计升压电路。OLED屏幕有五种接口连接单片机，分别为6800、8080两种并行连接模式、经过四线或者三线的串行SPI连接，或者利用I2C连接方式。

OLED屏幕显示各传感器采集到数据，不仅可以通过手机查看数，也可以通过系统搭配的屏幕查看数据变化。

3 软件设计

3.1 通信

ESP8266与上位机通信模式是串口转WiFi STA，使用无线局域网络制定的802.11协议簇。在STA和AP之间传送数据之前，需要三个阶段才能完成接入：扫描、认证和关联。在软件通信过程中：

STA侦听beacon帧或者发送probe request帧给AP。

STA和AP提供身份信息。

STA和AP信息通信关系建立，进行数据收发通信。

表1

3.2 数据处理

树莓派将接收到数据存储到sqlite3数据库中，进行数据的统计和分析。在灌溉施肥系统中允许用户设置肥液配方、肥液通道配置方案以及肥液比例等关键参数。在系统执行灌溉施肥算法时，系统会根据用户设置的灌溉策略以及系统分析采集的数据自动生成更加高效地控制参数，启动施肥控制功能，下面我们将以土豆作为示例进行分析。

4 灌溉施肥管理结构

智能水肥一体化系统首先是要实现系统自主决策，就是让系统对农作物生长周边环境和生长状况进行数据采集和智能分析，由系统核心做出合适的水肥决策。系统需要根据作物需水、需肥规律、土壤保水、保肥能力、土壤供肥、保肥特性以及肥料效应，在灌溉的基础上，合理调配主要营养素（氮、磷、钾）的用量比例。本系统为滴灌浇灌方式，需要实行少量多次灌溉的原则。采用天气、土壤和作物长势实时数据，把作物灌溉用肥料按灌水时间和次数进行分配，充分利用灌溉系统进行施肥，适当增加施肥数量和次数，实现少量多次，精准用肥，提高养分利用率。

图7

具体地说，通过物联网传感系统，采集当地气象数据，提供当地、当时生长环境参数，它采用作物生长，根系生长，土壤水分大数据分析和智能决策数学模型，引擎融入知识学习、机器学习等人工智能技术，并预测未来气象的发展状态，根据预测并深度分析作物生长的关键数据给出决策方案。它是通过土壤水分传感器数据进行数据分析，找出作物的ETc和Kc动态变化的数值。引擎会自动通过传感器数据分析ET墒与T墒在根系层的主要分布位置，动态感应农作物吸水活跃根系和最大吸水、吸肥根系深度位置，提出并实现基于作物根系层分布密度进行分层精确灌溉的方法。

5 结语

本论文设计的是基于STM32与树莓派的联调与通信，模块化的设计，通过不同模块之间的数据通信来实现整个系统的功能。实现基于WiFi的与上位机的无线信息通讯，使用传感器采集相关数据后，通过串口发送到树莓派上进行水肥比例方案制作，再向STM32发送数据，控制水和肥料的阀门，减轻农民的工作量。该系统有比较大的开发意义，特别是如今我国淡水资源严重短缺，能够节省水资源，降低化肥的使用，减少污染，同时人们的健康得到了保障。