智能农业滴灌系统
中图分类号：TN915 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2018）14-0193-04
Abstract： According to the current that taking care of the crops consumes too much time and energy， and it’s ineffective to use water by flood irrigation. Intelligent agriculture drip irrigation system is designed， which is based on NRF24L01. Due to the loose structure of soil in some cases（such as lack of water）， the measuring accuracy of ordinary sensors is low. After comparison， the system selects the soli temperature senor of FDR domain type TYX-CTS2 which has a probe shape. We use it to measure soil moisture in crops. The transmission of data is carried out using the secondary wireless communication network. These data are displayed in QT so that it’s more convenient for people to observe and manage. When soil moisture is below threshold， relay is used to control the switch of value to conduct automatic drip irrigation.
Key words： TXY-CTS2； NRF24L01； QT； Intelligent agriculture； drip irrigation
1 引言
在中??共产党第十九届全国人民代表大会中，习总书记强调农业农村农民问题是关系国计民生的根本性问题，必须始终把解决好“三农”问题作为全党工作重中之重[1]。然而，农作物的照料却耗费了人们大量的时间以及精力，据调查了解，截止到2017年6月，尽管我国的淡水资源总量较为丰富但因人口基数过大，人均拥有的淡水资源仅有2200立方米，形成了“全球13个人均水资源最贫乏的国家之一”的局面[2]，因此，提高水资源的利用率势在必行。
在市场上已有的农作物管理系统中，大部分都选用的是普通的moisture sensor土壤湿度传感器（所需接触面积较大，测量不精确，无法正确地对农作物的生长环境进行检测）。还有的设计是采用一个节点配置一个小型水泵的方式，水泵的启动和运行将耗费较多的电能，则需要在节点处配置水源和经常更换节点电池，增加了成本且系统不太稳定。大部分为了便捷都采用漫灌的方式对农作物进行浇水，这种方法的水资源利用率仅为30%-40%，造成了水资源的大量浪费[3]。
为了节省人们的精力和珍贵的水资源，及更好的照顾农作物的生长，设计了基于NRF24L01的智能农业滴灌系统。利用高精度的TYX-CTS2频域型传感器将植物生长环境数据进行采集，并在土壤湿度低于阈值时开启水泵和阀门进行自动滴灌，达到阈值时关闭阀门停止滴灌，温度高于阈值时进行报警。系统具有高测量精度，节约水资源，省时省力，有效提高农作物存活率等优点。
2 系统总体设计
智能农业滴管系统各模块如图1所示。系统采用了TYX-CTS2的高精度FDR频域探针型传感器，利用二级无线网络，通过低功耗的STC12LE5A60S2单片机和外围电路作为节点控制器进行环境温度，土壤湿度和电源电量的数据采集，经NRF24L01将多个子节点和分站协调器进行组网，将采集的数据无线传输给分站协调器，每一个分站协调器都将其所分管的子节点的数据均值传递给主站协调器。主站协调器通过异步串口的方式将数据传输给ARM平台进行处理，将采集到的土壤湿度数据与设定的数据进行比较，当分站协调器的数据低于设定数据时，开启水泵和对应的阀门进行浇水，达到阈值时停止浇水，从而实现自动浇灌。通过QT界面可以进行阈值的设定，将数据以数字、图表的方式显示。
3 硬件电路设计
3.1 子节点电路
子节点由微处理器控制部分、按键检测、电源管理、蜂鸣器、NRF24L01射频模块、TYX-CTS2土壤湿度传感器、DHT11温度传感器部分组成。主要负责数据的采集、上传及报警。如图3所示
3.1.1微处理器的选择
系统选用的是STC12C5A60S2单片机。它是一种具有高速度，极低功耗以及具有极强的抗干扰性能的新一代的单片机[4]。与普通的单片机相比较，在相同的晶振的情况下，它的速度是普通51单片机的8～12倍。这种单片机不仅可以和8051指令、管脚完全兼容，而且单片机内部自带60K的FLASHROM，1K内部扩展RAM[5]。因此更满足本系统需求的存储量大，速度快，以及功耗低，有抗干扰性的要求。 3.1.2土壤湿度传感器
普通的土壤湿度传感器moisture sensor如图4所示，其长度为64mm，宽度为24mm，检测深度37mm，其每一瓣检测面积约为280mm2。而在与土壤接触的过程中，由于有时土壤结构在较为松散，会与传感器之间产生许多空隙，导致测量精度下降，农作物所处的土壤环境湿度无法得到准确的测量。当测量的结果比实际湿度相差过低时，由于系统设计会自动浇水，使得农作物可能由于水分过多而不能正常生长甚至死亡。
为了避免这种情况，系统采用TYX-CTS2型土壤湿度传感器。它采用了FDR频域测量技术原理，可以高精度地测量土壤和其他多孔介质体积中的含水量。它的探针式结构使得与土壤的接触面积很小，极大可能地减小了由于土壤结构松散而导致的误差且分辨率达到0.1%[6]。它是以中央探针为中心，围绕中央探针的直径为7cm、高为7cm的圆柱体，其测量体积可达到269.3cm3，相比普通的moisture sensor来说大许多倍。其外部用工程塑料和环氧树脂纯胶体封装，有极好的密封性，避免被土壤腐蚀，并且使用电流环传送技术使得其抗干扰能力极强，保证了数据的准确度[7]。它响应速度快，价格低廉，成本较低。
3.1.3温度传感器模块
温度传感器采用了DHT11。DHT11测量空气中的温度精度可达到±2℃，范围在0-50℃，成本较为低廉，适合系统的需求。
3.1.4电源管理模块
系统采用的是锂电池供电。相较其他的电池，锂电池释放的能量较高，能够提供充足的能量且其平均寿命较长，在寿命范围内基本不必进行维修[8]。它可以进行快速的充电和放电，满足系统的需求。锂电池的效率高功率大，但通常提供的是3.7V?压。系统为了带动单片机，需要5V电压。因此还需要进行升压操作。设计用TP5400对锂电池进行充电升压。
3.1.5 NRF24L01无线射频模块
NRF24L01工作2.4GHz～2.5GHz ISM频段， 可自由调节输出功率及信道。它的模块功耗低， 在掉电模式和待机模式下效果更为显著[9]。它可通过无线射频来传输数据，且范围极广（可达到500m左右）适用于农田中节点的通信。
3.1.6 蜂鸣器报警系统
蜂鸣器电路主要是发出声音信号，当温度超过设定的阈值时，蜂鸣器就会以一定的频率发出声音信号。在通过ARM主控平台对相应的节点进行阈值设定时，节点收到命令后，蜂鸣器会响一声，说明相应的阈值设置成功。
3.2 协调器部分
协调器分为一个主站协调器和若干个分站协调器。主站协调器由微处理器和NRF24L01无线射频模块组成，分站协调器由微处理器，NRF24L01射频模块，继电器，电源管理部分组成。通过继电器来控制水泵阀门的开关进一步控制滴灌浇水。分站协调器的功能是通过NRF24L01接收所管理的各个子节点传来的数据并进行均值计算，将计算得到的数值传递给主站协调器。主站协调器也将控制分站协调器进行打开和关闭水泵阀门的操作。
3.2.1继电器控制部分
水泵阀门是通过分站协调器控制继电器进一步控制电机来进行的。继电器是一种用弱电控制强电的装置，一方面可以利用强电控制电机的转动从而带动阀门的开关，另一方面，继电器的隔离控制极大地减少了强电对弱点的干扰。
3.2.2水泵部分
部分农业管理系统的设计是采用一个节点配置一个小型水泵的方式，水泵的启动和运行将耗费较多的电能且需经常更换节点电池，不仅要在节点处配置水源还会增加成本。系统使用一个大水泵进行抽水，分站协调器控制的仅是阀门开关。当需要浇水时，通过分站协调器控制继电器，继电器控制电机的运行，来打开阀门对农作物进行浇水。这样做比无线的节点直接控制小型水泵稳定，且功耗也低许多。
3.3 ARM主控平台
主控平台的设计是基于Linux的QT系统。其功能是利用AM3359处理器进行数据的处理，该处理器稳定性较高[10]。利用QT可视化界面设定用户名，密码，选择节点，观测数据以及设定土壤湿度的上下临界值。
4 软件程序设计
系统采用二级无线网络结构进行数据的传递。由大量的子节点和分站协调器与一个主站协调器组成。通信的协议以及程序是使用的以Keil uvesion4为开发环境，利用C语言编写。由于C语言的优点使得程序的可移植性较强。图8为节点分配流程，图9为系统运行流程图。
4.1 节点分配过程
启动系统后，采用三次握手的方式分配节点编号和所对应的协调器。子节点发送组网请求，协调器接收到请求后对其响应并分配节点号码，节点收到编号后向协调器发送接收成功的反馈。
4.2 系统运行流程
当系统初始化后，子节点通过传感器采集土壤湿度和环境温度，采集到的模拟信号通过AD转换为数字信号，发送至分站协调器处理，分站协调器将计算的每一次所接受的数据均值上传到总站协调器。总站协调器通过异步串口的方式发送给ARM主控平台，将值与阈值进行比较。当土壤湿度数值高于上界或低于下界时，ARM平台传递指令至主站协调器再至分站协调器，对所管理的继电器进行控制继而控制水泵的开与关，实现对农作物的浇水。
5 滴灌设计
由于传统方式的灌溉方式例如漫灌，水资源利用率仅达到20～30%造成了水资源的大量浪费，所以系统采用水资源高利用率的滴灌模式，水资源利用率可达到95%以上，有针对性地对农作物进行浇水。设计如图10。设计的滴灌部分由水泵，阀门，电机，输水管（主管、支管）组成。其功能是被分站协调器控制而对农作物浇水。
6 结语
系统以STC12C5A60S2为控制器，利用NRF24L01构建二级无线通信网络，用Linux的QT系统设计主控平台，用滴灌的方式构建了一个智能农业滴灌系统。和现在的农业系统相比，既可以节省人力，更有效的测量农作物的生长环境数值，又可以节约宝贵的水资源，并自动对农作物进行滴灌。系统稳定性高，抗干扰能力强，可以更好地对农作物的生长环境进行掌握，提高农作物的产量，具有市场推广价值。
