求助主题我需要一篇基于单片机的智能灌溉系统设计的论文
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求助时间2020-12-03 19:43
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第一篇：基于Android手机的智能灌溉控制系统的设计与实现
作者：黄玮
作者单位：武汉交通职业学院电子与信息工程学院
摘要：针对传统农业灌溉无法精确计算供水量与远程监测问题，提出并实现了一种基于Android手机平台，以STm32F103C8T6为控制终端，对土壤的湿度和空气的温湿度进行采集，并能对灌溉水泵进行远程控制，以智能手机APP作为移动控制终端查看实时环境数据，并通过阿里云下发相应的控制指令给控制终端模块，控制终端通过继电器控制灌溉设备供水。经实验表明，本系统稳定可靠，实时监控农田环境数据，达到节约人力、精准灌溉的目的。
关键词：ESP8266; STm32; Android; 精确灌溉；
作者简介： 黄玮（1979-），男，汉族，湖北武汉人，讲师，硕士，研究方向：移动开发、物联网。；
Design and Implementation of Intelligent Irrigation Control SystemBased on Android Phone
Abstract:The problem of traditional agricultural irrigation that can't accurately calculate water quantity and remote monitoring,this paper proposes and implements a mobile phone platform based on Android,with STm32F103C8T6 as the control terminal,the soil moisture and air temperature and humidity are collected,and the irrigation pump can be remotely controlled.The APP is used as the mobile control terminal to view the real-time environmental data,and send corresponding control instructions to the control terminal module through Alicloud,the water supply of irrigation equipment controlled by relay.Experiments show that the system is stable and reliable,real-time monitoring of farmland environmental data,to achieve the purpose of energy-saving manpower,precision irrigation.
Keyword:ESP8266; STm32; Android; precision irrigation;
引言
农作物灌溉是农业生产的重要组成部分，根据水利部全国总体灌溉发展规划，到2020年底，我国灌溉面积达到7330万公顷，灌溉用水量在3720亿m³,农业缺水量每年可达300亿m³,因此为保证粮食安全，必须实现农业节水灌溉。传统的农田灌溉方式容易导致水资源浪费，无法精确控制灌溉水量，如何解决传统农田灌溉利用率低，实现科学精准灌溉，是当前现代化农业亟须解决的问题。随着物联网技术的快速发展和应用，湖北省某科技有限公司委托我校科技团队进行节水灌溉研究，解决农业生产技术难题，促进科技成果转化为实际生产力。本文提出并设计了一种基于Android手机平台的现代化农田智能灌溉系统，利用单片机技术和阿里云平台相结合，为农业生产人员提供农田环境数据的实时数据，可远程控制水泵和施肥器，实现对农田的远程监控和精准灌溉的智能控制系统。
本系统以Wi-Fi通信模块（ESP8266-12f）作为通信设备，以STm32F103C8T6为控制终端，基于阿里云平台，系统主要包括感知层、网络层和应用层三部分，利用物联网技术建立土壤环境监控系统，通过土壤湿度传感器、温湿度传感器、继电器、水泵组成整个硬件系统，农户通过手机APP能够随时查看土壤环境数据，实现自动或者手动灌溉的功能。
1、系统框图
整个系统分成三个组成部分，分别为控制终端、阿里云平台上的虚拟设备、手机APP程序。系统功能如图1所示。
图1 系统功能模块
本系统分为三层结构，即感知层、网络层、应用层。感知层主要是利用传感器对农田的土壤环境等数据进行采集，从而作为整个智能灌溉系统的数据来源，网络层主要将感知层采集到的数据通过网络传送到应用层，主要以Wi-Fi通信模块接入Internet与阿里云平台通信，应用层主要对接收的数据进行处理，并将数据下发到农业生产人员，通过手机APP远程控制水泵进行灌溉。
2、硬件系统设计
本系统通过光照强度、温湿度、土壤湿度等采集农田土壤环境数据，把采集到的数据经过STm32F103C8T6处理后，通过无线网络将数据上传到阿里云平台，云平台实时将数据推送到用户手机端APP,用户可以实时监控环境数据并可以控制水泵等机械设备进行工作进行灌溉施肥，同时用户可以设置自动工作模式，在此模式下单片机可以根据环境数据自动控制各种机械设备工作。本系统硬件划分为四个模块：传感器采集模块、MCU单片机控制模块、Wi-Fi通信模块和机械设备控制模块。系统结构如图2所示。
图2 系统结构图
2.1单片机控制模块
本系统使用的是STm32F103C8T632位Cortex-m3CPU,最高工作频率72 MHz,1.25 DMIPS/MHz,片上集成512 KB的Flash存储器，3个高速12位的A/D转换器，多达37个IO口，3组独立的异步串行通信接口，本设计需要使用一组串口连接Wi-Fi通信模块ESP8266,通过串口发送AT指令给Wi-Fi通信模块进行网络配置和通信。
2.2 Wi-Fi通信模块
本设计的Wi-Fi通信模块采用的是安信可ESP8266-12f该模块在较小尺寸封装了超低功耗32位微型MCU,带有16位精简模式，集成Wi-Fi MAC/BB/RF/PA/LNA板载天线，支持标准的IEEE802.11b/g/n协议，完整的TCP/IP协议栈，以最低成本提供最大实用性。ESP8266-12f支持三种组网模式：SoftAP模式、Station模式、SoftAP+Station模式。
（1）Station模式：
ESP8266-12f通过路由器连接互联网，手机或电脑通过互联网实现对设备的远程控制；
（2）SoftAP模式：
ESP8266-12f作为热点，实现手机或电脑直接与模块通信，实现局域网无线控制；
（3）Station+SoftAP模式：
两种模式的共存模式，即可以通过互联网控制可实现无缝切换，方便操作。
Wi-Fi通信模块的作用是让整个控制系统与网络连接，完成无线信号与串口信号之间的转换。模块可通过AT指对系统参数进行更改配置，例如以“AT+CWMODE=3\r\n”指令设置模块工作模式为Station+SoftAP模式。这里我们的组网可以是SoftAP+Station模式，系统既可以通过手机直连也可以通过无线路由器连接达到远程控制。
2.3传感器模块
传感器模块包括光照强度、温湿度、土壤湿度等指标的实时监测。各个传感器模块和STm32F103C8T6通过GPIO端口连接实时采集土壤环境数据，传感器介绍如下：
（1）土壤湿度传感器是一种用于测量土壤水分的仪器，它的工作原理是由Lm393 IC组成一个电压比较器，根据土壤中的水量，探头中的电导率会发生变化，当土壤中含水量较少，则探头的电导率较小，比较器输出高电平，反之，比较器输出低电平。传感器内置稳压芯片，支持3.3 V~5.5 V宽电压工作环境，可以输出电压，数字信号。将传感器连接到STm32F103C8T6的PA0接口，采用单总线数据方式。
（2）光照强度传感器采用GY-302模块，采用原装BH1750FVI芯片，内置16 bit AD转换器，数据输出范围0~65535的数字量，支持3.3 V~5 V电压工作环境，广泛应用于室内光照检测、蔬菜、温室大棚等场所。模块通过I2C接口与STm32F103C8T6连接，采用同步串行总线访问方式。
（3）温湿度传感器采用DHT11模块，湿度测量范围20%~95%,温度测量范围0℃~50℃，工作电压3.3 V~5 V,将DATA输出口连接STm32F103C8T6的PA1口。
2.4水泵控制模块
此控制模块是调节土壤灌溉的硬件设备，包括电源、5 V继电器和水泵等组成。当传感器模块采集到的土壤数据经过模型系统的预判需要调节后，由应用层将处理结果以报警的方式推送到手机APP上，提醒用户需要及时进行处理。当传感器模块采集到的数据达到正常值范围，服务器将发送信息到手机APP上，撤销报警状态，并关闭水泵的电源。
2.5精确灌溉水量算法
为了获得较为精确的计算灌溉水量，灌溉有两个基本过程，一个是水流推进过程，二是水流消退过程。在推进和消退之间的时间间隔就是入渗时间T如图3所示。
图3 地面灌溉水流推进与下渗过程示意图
具体成数需根据坡度、土壤透水性、灌水定额等参数确定，公式为：
其中，α为土壤指数，轻质土壤值小，重质土壤值大，取值范围0.3~0.8;K0为土壤的平均入渗速度（cm/h），指在土壤表面在大气压下的水层单位时间内通过单位面积土壤的水量。轻质土壤平均入渗速度为7 cm/h~10 cm/h,重质土壤平均入渗速度为3 cm/h~7 cm/h;M为灌溉用水定额，它是灌溉制度的主要内容之一，也是工程设计、水资源合理利用的主要依据，如表1所示，此表是《湖北省地方标准DB 42/T 1528.1-2019》，本系统可以根据农作物类别选择相应的M值。
在自动灌溉模式下，系统会根据农田种植作物设定灌溉用水额定值M,平均入渗速度K0,以及土壤指数α的值，根据公式计算灌溉时间T（小时），单片机通过定时器来控制水泵的继电器吸合时间，实现农田的精确灌溉，节水灌溉。
表1湖北省农田灌溉用水定额地方标准
3、软件设计
3.1单片机程序开发
硬件电路如图4所示。
图4 硬件电路
系统上电后首先进行初始化，之后通过AT指令配置Wi-Fi通信模块的网络连接，如果网络连接成功，再读取温湿度、光照强度、土壤湿度传感器的数据，通过Wi-Fi通信模块将数据上传到阿里云端，Android手机APP端通过无线网络连接到阿里云服务器接收数据，如果系统设置为手动模式，用户通过按钮控制继电器的开关状态控制水泵工作，进行灌溉，如果系统为自动模式，STm32F103C8T6将更加程序设定的土壤精确灌溉算法进行判断，如果测量的土壤湿度低于设定阈值，系统自动控制继电器闭合开启水泵开始灌溉，并发送报警信息到云服务器，直到测量的土壤湿度值高于设定阈值为止，控制继电器停止水泵工作，关闭报警信息。
3.2手机APP开发
手机端APP程序采用Android Studio开发，手机界面如图5所示，通过MQTT协议来和阿里云服务器进行通信，MQTT具有开发简单，低开销、低带宽占用率的优点，广泛应用于物联网、移动互联网、智能硬件等方面。
图5 手机APP界面
MQTT（消息队列遥测传输协议）是一种基于消息发布/订阅模式的轻量级传输协议，该协议基于TCP/IP协议之上，MQTT协议最大优点在于，以极少的代码和有限的带宽，为连接远程设备提供实时可靠的通信服务。在通信过程中，MQTT协议中有三种身份：发布者、代理服务器、订阅者。其中，消息的发布者和订阅者都是客户端，消息代理是服务器，消息发布者可以同时是订阅者。
在本系统Android手机端APP程序使用MQTT协议与阿里云MQTT服务器进行通信。MQTT传输的消息分为：主题（Topic）和负载（payload）两部分：
（1）Topic,可以理解为消息的类型，消息发布者通过某个Topic发布消息，订阅者订阅后，就会收到该主题的消息内容（payload）；
（2）payload,可以理解为消息的内容，即订阅者具体要使用的内容。在本项目中，采用ICA标准数据格式Alink JSON数据格式。
首先登录阿里云平台获取阿里云MQTT服务器的地址、端口号、Client ID和用户验证信息，通过这些数据进行MQTT的初始化和连接。下文为部分代码：
发布订阅消息：如果想通过手动方式控制水泵的工作状态，通过按钮的方式来实现，当按下按钮时将发送Topic消息，指令必须按照ALink规范，云端收到上报的消息后，通过透传下发到单片机，单片机收到指令后控制继电器的闭合状态，达到控制水泵的工作。下文为部分代码：
根据实验，以江汉平原区三类农作物灌溉为例，如表2所示，采用智能灌溉方式可比人工灌溉节约用水20%以上，显然有明显的水资源节约效果，节省人力、降低成本，体现了科技成果转化为实际生产力。
表2两种灌溉方式用水量对比
4、结论
本文提出一种基于Android手机平台的智能灌溉控制系统的设计方案，方案中的控制终端能够实时监测作物土壤湿度和环境温度、光照强度，将传感器信号通过Wi-Fi通信模块上传到阿里云平台，农业人员能够准确实时地了解到当前系统中各个区域节点的工作状态，并根据水流灌溉控制算法及时启动水泵自动灌溉，非常有利于农作物的生产。一旦出现通信中断、水压异常等，能够及时地反映到控制中心，通过语音报警或者手机APP通知消息等方式立即通知相关人员进行维修，提高了整个系统的可靠性。另外系统采用Wi-Fi技术，网络结构简单，田间布设灵活，提高了自动灌溉的实用性及对灌溉水量的精确控制，减小了劳动量、导线和管路敷设费用，且无须人为操作，方便大面积安装、维护和系统回收，对水稻、大豆和蔬菜三类农作物的实验表明，本系统能获得明显的节水效果，有助于对农田灌溉的高效、节能管理。
参考文献
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本文出处：黄玮.基于Android手机的智能灌溉控制系统的设计与实现[J].现代信息科技,2020,4(17):167-170+174.
第三篇：智能灌溉系统的硬件和软件设计研究
