基于物联网的果园药水肥一体化控制系统设计与实现.pdf

第3期熊钦等 基于物联网的果园药水肥一体化控制系统设计与实现7 3 D O I 1 0 1 3 7 3 3 j j c a m i s s n 2 0 9 5 5 5 5 3 2 0 2 3 0 3 0 1 1 基于物联网的果园药水肥一体化 控制系统设计与实现 熊钦 肖丽萍 蔡金平 董伟 张鸿 陶中岩 江西农业大学工学院 江西省现代农业装备重点实验室 南昌市 3 3 0 0 4 5 摘要 针对山地丘陵果园生产作业中 病虫害防治和灌溉工作量大 人工成本上升 同时我国当前施肥模式粗犷 水肥浪费 量大 肥液浓度不好控制等问题 结合物联网技术和互联网技术设计一种基于物联网的果园药水肥一体化控制系统 该 套系统以基于C C 2 5 3 0的Z i g B e e节点为基础 结合M C U单片机及各类传感器 通过Z i g B e e网络实现远程监测和控制执 行模块执行各种功能 同时采用模糊控制对水泵进行精准控制 实现对果树的精准施药 施肥和灌溉 并进行试验验证 结果显示 Z i g B e e网络的丢包率与距离没有明显关系 与上位机软件发包频率有一定关系 系统能够实现远程监测与自动 控制 实时显示空气和土壤湿度 E C值和p H值等监测数据 混合药池的E C值经过系统调节6 9 0 s左右 达到设定值 1 5 m s c m 土壤E C值经过系统调节8 1 0 s左右 达到设定值1 2 m s c m附近 同时系统根据不同的土壤E C值与混合药 池E C值执行不同的灌溉方案与混肥 施肥方案 精准控制灌溉施肥 有较好的稳定性 关键词 山地果园 药水肥一体化 Z i g B e e 控制系统 中图分类号 S 2 2 4 T P 2 7 3 文献标识码 A 文章编号 2 0 9 5 5 5 5 3 2 0 2 3 0 3 0 0 7 3 0 9 熊钦 肖丽萍 蔡金平 等 基于物联网的果园药水肥一体化控制系统设计与实现 J 中国农机化学报 2 0 2 3 4 4 3 7 3 8 1 X i o n g Q i n X i a o L i p i n g C a i J i n p i n g e t a l D e s i g n a n d i m p l e m e n t a t i o n o f i n t e g r a t i o n o f m e d i c i n e w a t e r a n d f e r t i l i z e r c o n t r o l s y s t e m b a s e d o n I n t e r n e t o f T h i n g s i n o r c h a r d J J o u r n a l o f C h i n e s e A g r i c u l t u r a l M e c h a n i z a t i o n 2 0 2 3 4 4 3 7 3 8 1 收稿日期 2 0 2 1年1 2月9日 修回日期 2 0 2 2年3月2 0日 基金项目 江西省教育厅科技计划项目 G J J 1 8 0 1 8 7 江西省现代农业产业技术体系 J X A R S 2 1 粮食作物生产机械化岗位 第一作者 熊钦 男 1 9 9 8年生 江西宜春人 硕士研究生 研究方向为农业工程与信息技术 E m a i l 5 1 3 6 9 3 3 0 8 q q c o m 通讯作者 肖丽萍 女 1 9 7 8年生 江西靖安人 博士 教授 研究方向为智能机械设计与农业装备工程 E m a i l a p p l e x l p 4 2 1 6 3 c o m Designandimplementationofintegrationofmedicine waterandfertilizercontrolsystem basedonInternetofThingsinorchard XiongQin XiaoLiping CaiJinping DongWei ZhangHong TaoZhongyan CollegeofEngineering JiangxiAgriculturalUniversity KeyLaboratoryofModernAgriculturalEquipmentof JiangxiProvince Nanchang 3 3 0 0 4 5 China Abstract I n v i e w o f t h e l a r g e w o r k l o a d o f p e s t c o n t r o l a n d i r r i g a t i o n a n d t h e i n c r e a s e o f l a b o r c o s t i n t h e p r o d u c t i o n o f m o u n t a i n o u s a n d h i l l y o r c h a r d s a t t h e s a m e t i m e t h e c u r r e n t f e r t i l i z a t i o n m o d e i n C h i n a i s r o u g h t h e w a s t e o f w a t e r a n d f e r t i l i z e r i s l a r g e a n d t h e c o n c e n t r a t i o n o f f e r t i l i z e r s o l u t i o n i s n o t e a s y t o c o n t r o l C o m b i n e d w i t h I n t e r n e t o f T h i n g s t e c h n o l o g y a n d I n t e r n e t t e c h n o l o g y a n i n t e g r a t e d c o n t r o l s y s t e m o f o r c h a r d m e d i c i n e w a t e r a n d f e r t i l i z e r b a s e d o n I n t e r n e t o f T h i n g s i s d e s i g n e d T h e s y s t e m i s b a s e d o n Z i g B e e n o d e b a s e d o n C C 2 5 3 0 c o m b i n e d w i t h M C U a n d v a r i o u s s e n s o r s R e m o t e m o n i t o r i n g a n d c o n t r o l a r e r e a l i z e d t h r o u g h Z i g B e e n e t w o r k a n d t h e e x e c u t i o n m o d u l e p e r f o r m s v a r i o u s f u n c t i o n s A t t h e s a m e t i m e f u z z y c o n t r o l i s u s e d t o a c c u r a t e l y c o n t r o l t h e w a t e r p u m p t o r e a l i z e p r e c i s e f e r t i l i z a t i o n a n d i r r i g a t i o n T h r o u g h e x p e r i m e n t a l v e r i f i c a t i o n t h e p a c k e t l o s s r a t e o f Z i g B e e n e t w o r k h a s n o o b v i o u s r e l a t i o n s h i p w i t h t h e d i s t a n c e a n d h a s a c e r t a i n r e l a t i o n s h i p w i t h t h e c o n t r a c t i n g f r e q u e n c y o f h o s t c o m p u t e r s o f t w a r e T h e s y s t e m c a n r e a l i z e r e m o t e m o n i t o r i n g a n d a u t o m a t i c c o n t r o l a n d d i s p l a y t h e m o n i t o r i n g d a t a s u c h a s a i r a n d s o i l h u m i d i t y c o n d u c t i v i t y v a l u e a n d p H v a l u e i n r e a l t i m e T h e c o n d u c t i v i t y v a l u e o f t h e m i x i n g t a n k i s a d j u s t e d b y t h e s y s t e m f o r a b o u t 6 9 0 s t o r e a c h t h e 第4 4卷 第3期 2 0 2 3年3月 中国农机化学报 J o u r n a l o f C h i n e s e A g r i c u l t u r a l M e c h a n i z a t i o n V o l 4 4 N o 3 M a r 2 0 2 3 7 4 中国农机化学报2 0 2 3年 s e t v a l u e o f 1 5 m s c m T h e s o i l c o n d u c t i v i t y v a l u e i s a d j u s t e d b y t h e s y s t e m f o r a b o u t 8 1 0 s t o r e a c h t h e s e t v a l u e o f 1 2 m s c m A t t h e s a m e t i m e t h e s y s t e m i m p l e m e n t s d i f f e r e n t i r r i g a t i o n s c h e m e s f e r t i l i z e r m i x i n g a n d f e r t i l i z a t i o n s c h e m e s a c c o r d i n g t o d i f f e r e n t s o i l c o n d u c t i v i t y v a l u e s a n d m i x e d m e d i c i n e p o o l c o n d u c t i v i t y v a l u e s a c c u r a t e l y c o n t r o l s i r r i g a t i o n a n d f e r t i l i z a t i o n a n d h a s g o o d s t a b i l i t y Keywords m o u n t a i n o r c h a r d i n t e g r a t i o n o f l i q u i d m e d i c i n e w a t e r a n d f e r t i l i z e r Z i g B e e c o n t r o l s y s t e m 0 引言 我国是水果生产及消费大国 随着人们对水果需 求量的增加 水果的种植面积及产量也逐年上升 1 伴随着中国城镇化步伐的加快 越来越多农村劳动力 向城市转移 不可避免地造成了农业生产人工成本上 升 2 在果园作业过程 如土壤耕整 树体管理 果品 收获 病虫害防治和灌溉等 中 病虫害防治和灌溉占 总工作量的4 0 左右 3 山地丘陵地区果园因地形 限制造成机械化程度较低 且我国6 0 以上的果园分 布在以山地丘陵为主的省份 4 因此 实现山地丘陵 果园药水肥一体化 对不同土壤环境自主做出不同灌 溉施肥方案 对于节省成本 提高药水肥的利用率 促 进我国山地丘陵果园产业发展具有重要意义 随着科技的发展 物联网在农业领域的应用也越 来越广泛 5 目前国内外现有的水肥一体化设备与农 业物联网技术结合 基本均可实现基于果园实时水肥 信息的自动灌溉和施肥 张宝峰等 6 采用物联网架 构 设计基于物联网的水肥一体化系统 控制水肥溶液 浓度E C值状态良好 在温室中实测时工作状态良好 师志刚等对水肥一体化智能灌溉系统进行设计和效益 分析 在应用时节水效果显著 具有良好的应用前景 同时 也有学者研究将灌溉 施肥和施药技术相结合 杨荆等 7 设计基于专家决策系统的移动式果园水肥药 一体化决策和控制系统 控制系统以P L C为核心 以 M o d b u s通讯协议的传感器来检测系统运行参数 果树生长受环境 气候等因素影响 因而果园药水 肥一体化控制系统的设计应满足可靠性 可修改性 可 拓展性 实用性和经济性 8 9 本文将物联网技术与互 联网技术相结合 设计一种山地果园药水肥一体化控 制系统 并制作样机进行试验 测试系统的数据采集能 力 通讯稳定性以及对土壤 药箱E C值的调节能力 1 系统整体结构 该系统总体结构如图1所示 主要由基于Z i g B e e 的物联网系统 1 0 1 1 首部系统 管路系统和监控系统组 成 基于Z i g B e e的物联网系统包括控制模块 Z i g B e e 路由模块 执行模块 继电器模块 传感器模块等 每个 模块均由C C 2 5 3 0作为网络通信节点 共同组成 Z i g B e e网络 首部系统受执行模块控制 负责将已混 合好的液体从混合箱输送到管路系统中 管路系统有 主管 喷雾支路和喷灌支路 每条支路前端均有一个受 继电器模块控制的电磁阀控制对应支路的开启与关 闭 喷灌支路布置在地面 给土壤提供药水肥 喷雾支 路从树冠中穿过 且在附近引出一条有4个喷头的支 管 为树冠提供药水肥 监控系统包括客户端和云服 务器端 客户端可以通过串口连接控制模块通信 图1 系统结构示意图 F i g 1 S t r u c t u r e d i a g r a m o f s y s t e m 注 图中虚线箭头表示模块之间的连接方式为无线连接 实线箭头则 表示连接方式为有线连接 传感器模块采集土壤湿度 空气温湿度 光照强 度 土壤E C值和p H值等田间信息后 通过Z i g B e e网 络传送给控制模块后输送给用户端 实时显示果园中 环境参数 该系统工作模式有手动和自动两种 采取 手动模式 可以选择需要开启的喷灌支路及工作参数 发送给控制模块处理这些信息 同时发送相应的指令 给特定的继电器模块以开启或关闭相应支路 采取自 动模式时 需要预先设置果树的适宜生长环境参数范 围 如土壤湿度或土壤E C值 p H值等 传感器模块每 隔一段时间将所采集的数据发送给控制模块进行分 析 判断环境数据是否在预先设定的区间范围内 若 否 则开启电磁阀进行灌溉 直到环境参数达到适宜范 围后停止 2 系统关键部分设计 2 1 物联网控制系统设计 2 1 1 物联网控制系统 物联网控制系统主要由控制模块 Z i g B e e路由模 第3期熊钦等 基于物联网的果园药水肥一体化控制系统设计与实现7 5 块 执行模块 继电器模块和传感器模块组成 以 C C 2 5 3 0芯片搭建网状Z i g B e e网络 其协调器节点 路 由器节点和终端节点与不同硬件连接 形成物联网控 制系统中各模块 在实际消息收发过程中 参与通信 的两个节点之间输入簇和输出簇要一一对应 为了简 化系统 本套系统输入簇和输出簇均有6类 详细的功 能如表1所示 表1 通信指令对应功能表 T a b 1 T a b l e o f c o r r e s p o n d i n g f u n c t i o n o f c o m m u n i c a t i o n c o m m a n d 编号输入簇 输出簇作用 1 D A T A控制模块控制传感器模块指令或传感器模块发送传感器数据 2 A D D R各模块网络状态改变发送短地址 3 C O N T控制模块控制继电器模块指令 4 S T A T E控制模块控制其他模块发送状态指令或其他模块发送模块状态 5 R S控制模块控制执行模块指令或执行模块发送运行情况 6 H E A R T控制模块向其他模块发送心跳数据包 Z i g B e e网络中有多种通信方式 向特定节点发送 信息为点播通信 向一组设备发送信息为组播通信 向所有设备发送消息为广播通信 本系统三种通信 方式均可采用 每个模块均规定一个设备号 若该 模块在Z i g B e e网络中地址发生改变 其会将自身设 备号及1 6位Z i g B e e网络短地址以A D D R输出簇发 送给控制模块的协调器节点 然后控制模块使用1 6 位无符号整形数组a d d t a b l e形式按照编号保存短地 址 实现点播通信时根据设备号与相应模块通信 组播通信时 模块分成了4个组 所有继电器模块编 入1组 传感器模块编入2组 执行模块编入3组 Z i g B e e路由模块编入4组 将控制模块编入所有组 中 控制模块可以根据所需要求 分别与不同组的其 他模块进行通讯 控制模块是物联网控制系统的核心 由串口单元 和协调器节点组成 用来组建Z i g B e e网络 处理客 户端发来的指令 控制其他模块工作 或整理其他模 块采集的信息后发送给客户端 控制模块与客户端 的通信通过串口单元直接连接实现 控制其他模块 时 通过客户端向基于C C 2 5 3 0的协调器节点发送如 表2所示的指令 每条指令1 7字节不等 主要由功 能字 设备号 子设备和参数组成 子设备表示相应 模块上控制的设备编号 0 x 1 6代表控制该模块下所 有设备 表2 协调器节点指令发送情况表 T a b 2 S t a t u s t a b l e o f c o o r d i n a t o r n o d e i n s t r u c t i o n s e n d i n g 功能字作用通信方式发送目标输出簇发送数据 0 x 0 1开启所有传感器模块组播组播2组D A T A 0 x 1 6 0 1 0 x 0 2开启特定传感器模块点播设备号指示D A T A子设备电磁 阀为直流1 2 V常闭型 压力范围为0 1 M P a 传感 器模块用来监测果园土壤湿度 空气温湿度和光照等 环境数据 并将这些数据经过控制模块发送给客户端 用户根据这些数据对果园进行作业 传感器模块是由 终端节点和多种传感器 如空气温湿度传感器D H T 1 1 土壤湿度传感器和光照传感器G Y 3 0组成 由于控制系统模块大部分时间处于空闲状态 低 功耗方案对于节约能源 延长各模块使用时间具有非 常重要的意义 该系统Z i g B e e路由模块 传感器模块 和继电器模块有P M 0和P M 2两种工作模式 控制模 块和执行模块只有P M 0工作模式 控制模块在正常 开机时 每隔3 s广播输出簇为H E A R T的心跳包 Z i g B e e路由模块 传感器模块和继电器模块只有在一 直接收到输入簇为H E A R T的心跳包时 才能维持在 P M 0工作模式 否则当1 2 s未接收到消息时 便进入 P M 2模式 并将附属设备的电源断开 在进入P M 2模 式后 会隔一段时间进入P M 0模式检查控制模块是否 开机 2 1 2 系统对土壤环境的调节 系统通过传感器模块监测土壤环境 并将所测数 据发送给控制模块处理 数据发送给继电器模块和执 行模块 继电器模块收到命令后便会打开指定的电磁 阀 以实现施肥 施药和灌溉功能 系统对土壤E C值 土壤p H值和土壤湿度的调节 方法相同 以控制土壤E C值为例 自动控制开启时 土壤E C传感器每分钟测一组数据 每组1 0个数据 测试值发送给控制模块 控制模块计算每组数据的平 均值 得到E C平均值ECg 并将ECg上传到上位机 上 位机将数据显示并保存 查阅相关资料可知 适宜果树 生长的E C值在0 5 1 5 m s c m之间 7 1 4 控制模块 设定果树生长初始E C值为EC0 取1 2 m s c m 然 后 控制模块将计算初始值EC0与平均值ECg的差值 得到 EC EC0 ECg 设置传感器模块对土壤E C值 的测量范围为 0 3 则 EC值范围为 1 8 1 2 将 EC范围分成8个小区间 即 1 8 1 1 0 5 0 5 0 1 0 1 0 0 0 1 0 1 0 5 0 5 1 1 1 2 每个区间代表不同控制 命令 如表4所示 最后 执行模块根据 EC值区间 发送不同指令给首部系统与管路系统 控制电磁阀的 开闭时间 从而调节土壤E C值 若一次调节未达到 适合E C值 系统则重复上述操作 直到土壤环境达到 适合范围 表4 EC值代表不同控制命令 T a b 4 E C v a l u e s r e p r e s e n t d i f f e r e n t c o n t r o l c o m m a n d s E C区间控制命令 1 8 1 开启水池处电磁阀 只灌溉水 开启时间较长 1 0 5 开启水池处电磁阀 只灌溉水 开启时间中等 0 5 0 1 开启水池处电磁阀 只灌溉水 开启时间较短 0 1 0 E C值适合 不作命令 0 0 1 E C值适合 不作命令 0 1 0 5 开启混合药池处的电磁阀 进行施肥 电磁阀开启时间较短 0 5 1 开启混合药池处的电磁阀 进行施肥 电磁阀开启时间中等 1 1 2 开启混合药池处的电磁阀 进行施肥 电磁阀开启时间较长 2 2 首部系统与管路系统设计 首部系统与管路系统通过Z i g B e e网络控制电磁阀 的开闭以实现灌溉 施肥和施药功能 系统如图2所示 图2 首部系统与管路系统结构图 F i g 2 S t r u c t u r e d i a g r a m o f h e a d s y s t e m a n d p i p e l i n e s y s t e m 1 施肥泵 2 文丘里施肥器 3 流量计 4 肥料液罐 5 药液罐 6 酸液罐 7 水池 8 过滤器 9 变频器 1 0 水泵 1 1 电磁阀 1 2 单向阀 1 3 水压变送器 1 4 碱液罐 1 5 混合药池 1 6 水位变送器 1 7 E C传感器 1 8 p H传感器 该首部系统与管路系统主要由水池 水泵 变频器 电磁阀 水压变送器 水位变送器 E C传感器 p H传感 器和各个药液罐等组成 其中变频器 水位变送器 压 力变送器是通过R S 4 8 5总线与执行模块连接 电磁阀与 继电器模块相连接 通过继电器模块控制其开关 过滤器过滤水池 药池的杂质和未溶解的肥料 以 防止施肥时肥液实际浓度过高 系统工作时水泵将水 抽入混合药池 达到一定水位时停止 混合药池p H 传感器与E C值传感器时刻监测混合药池中混合液的 E C值与p H值 并将数据发送给控制模块 对比分析 若E C值与p H值未达到初始值 控制模块则给继电器 模块发送信息 打开相应电磁阀 同时施肥泵开始工 第3期熊钦等 基于物联网的果园药水肥一体化控制系统设计与实现7 7 作 通过文丘里施肥器的负压 把肥料 酸液 碱液和药 液吸入到混合液罐里 E C传感器与p H传感器继续 测量混合液的E C值与p H值 反复执行 直到混合液 E C值与p H值达到设定值 施肥泵与肥液 酸碱液处 的电磁阀关闭 同时传感器模块监测果园土壤环境 将所测数据 发送给控制模块 进行分析 若土壤湿度 E C值 p H 值未达到设定值 则发送信息给继电器模块 此时若混 合液符合灌溉要求 继电器模块开启对应管路的电磁 阀 对未达到要求的区域进行灌溉 施肥 以达到最适 合果树生长的环境 2 2 1 模糊控制分析 混合药池E C值的调节采用模糊控制原理 1 5 1 6 其过程如图3所示 将真实的输入值模糊化处理为模 糊集 在模糊规则的定义下推理出模糊输出值 最后将 模糊输出反模糊处理为真实的输出值 图3 模糊控制原理图 F i g 3 S c h e m a t i c d i a g r a m o f f u z z y c o n t r o l 建立两输入一输出的模糊控制器 输入值为e和 ec 则有 en a0 an 1 ecn en en 1T a0 an a0 an 1 T an 1 anT 2 式中 an 第n次测得E C值 a0 初始设定E C值 en en 1 第n次 第n 1次测得E C值与初 始E C值的差值 ecn 第n次测得E C值的偏差变化率 T 采样周期 模糊控制各参数取值范围如表5所示 输入值通 过模糊化处理得到控制变量E k 和EC k 两个变量 通过模糊推理得到输出值u 再通过反模糊处理换算 成为电磁阀的开启时间U 以达到对混合药池电导率 的控制 为达到较为精确地控制效果 参考同类型设计 1 9 设置模糊变量区域 N B 负大 N M 负中 N S 负小 N Z 负零 Z 零 P Z 正零 P S 正小 P M 正中 P B 正大 偏差e 偏差变化率ec和电磁阀开启时间U模 糊语言值和量化论域等级的选取如表6所示 表5 模糊控制参数取值表 T a b 5 T a b l e o f p a r a m e t e r v a l u e o f f u z z y c o n t r o l l e r 变量参数取值范围 电导率范围 1 7 m s c m 1 0 5 3 0 初始电导率 m s c m 1 1 5 E C值范围 0 3 电导率偏差范围 1 5 1 5 e的基本论域 1 5 1 5 一个采样周期的误差变化率范围 1 8 0 2 0 2 ec的基本论域 0 2 0 2 电磁阀开启时间U s 0 3 0 表6 模糊语言和量化论域表 T a b 6 T a b l e o f f u z z y l a n g u a g e a n d q u a n t i t a t i v e d o m a i n 变量基本论域模糊语言量化论域量化 比例因子 e 1 5 1 5 N B N M N S N Z P Z P S P M P B 5 5 3 3 ec 0 2 0 2 N B N M N S Z P S P M P B 3 3 1 5 U 0 3 0 N B N M N S Z P S P M P B 3 3 5 偏差e的量化因子 ke 5 1 5 3 3 偏差变化率ec的量化因子 kec 3 0 2 1 5 电磁阀开启时间U的比例因子 kU 1 5 3 5 E k 的模糊论域的取值特征点为 5 4 3 2 1 0 1 2 3 4 5 EC k 的模糊论域的取值特 征点为 3 2 1 0 1 2 3 u的模糊论域的取值 特征点为 3 2 1 0 1 2 3 根据经验分析建立模糊控制规则表 如表7所示 表7 模糊控制规则表 T a b 7 T a b l e o f f u z z y c o n t r o l r u l e u EC k N B N M N S Z P S P M P B E k N B N B N B N B N M N M N S N S N M N B N B N M N M N M N S N S N S N B N M N M N S N S N S Z N Z N M N M N S N S Z Z Z P Z Z Z Z P S P S P M P M P S Z P S P S P S P M P M P B P M P S P S P M P M P M P B P B P B P S P S P M P M P B P B P B 7 8 中国农机化学报2 0 2 3年 输入与输出变量均选用三角隶属函数 若测得第 m次的EC值为am 则第m次的偏差值和偏差变化率 为em和ecm 再通过模糊化处理 偏差值em与偏差变化 率ecm分别与各自的量化因子相乘 得到模糊值E k 与EC k E k em ke 3 EC k ecm kec 4 将E k 与EC k 导入至模糊控制器中 可以得到U 的模糊值u 再将模糊值u进行清晰化处理 即与U的 比例因子kU相乘 得到U的清晰值 电磁阀开启的时间 U u kU 5 打开M a t l a b 通过f u z z y工具箱中的c e n t r o i d算 法进行反模糊运算 得到模糊控制输出u的控制策略 图4为输出u的特性曲线 图4 输出u特性曲线 F i g 4 O u t p u tuc h a r a c t e r i s t i c c u r v e 2 2 2 混合药池EC值控制仿真测试 M a t l a b的s i m u l i n k模块中建立模糊控制仿真模 型 通过系统辨识功能得到传递函数为 G s 0 0 0 0 3 4 7 9s 2 0 6 2e 7 6 设置步长为5 s 总时长为1 0 0 0 s 进行仿真测试 结果如图5所示 可见 电导率从0开始持续上升 在 7 0 0 s左右达到1 5 m s c m附近 并稳定下来 控制较 为平稳 图5 混合药池电导率变化仿真图 F i g 5 S i m u l a t i o n d i a g r a m o f c o n d u c t i v i t y c h a n g e o f m i x i n g t a n k 2 3 监控系统设计 监控系统包括客户端和云服务器端 监控整套系 统的运行 客户端通过V B N E T编程语言编写 与云 服务器端和设备端基于M Q T T 3 1 1协议 2 0 进行通 信 客户端由登录页面 首页 运行监测 工作控制 数 据管理 连接模式和设备调试组成 客户端向控制模 块发送的指令有工作开始指令 工作暂停指令 工作继 续指令 工作停止指令 主管修正压力改变指令 作业 强度改变指令和调试设备指令 控制模块向客户端发 送设备运行数据和环境数据 客户端将这些数据实时 显示并储存起来 方便查询历史数据 指令和数据以 M Q T T协议的发布报文发送 监控系统工作流程如图 6所示 设备端时刻采集环境数据 包括土壤湿度 土 壤与药箱E C值等 并分析 将采集到的数据通过串口 发送给客户端 客户端收到数据后会将其显示在客户 端界面 并将数据发送给服务器端 服务器端会将数据 存储起来 以供使用 同时客户端会分析接收到的数 据 对不同的数据做出不同的控制决策指令 并将指令 发送给设备端 以控制设备端对环境的调节 监控系 统的客户端界面如图7所示 图6 监控系统工作流程 F i g 6 W o r k f l o w c h a r t o f m o n i t o r i n g s y s t e m 图7 客户端界面图 F i g 7 D i a g r a m o f c l i e n t i n t e r f a c e 3 系统样机试验 3 1 传感器模块功能试验 准备好传感器模块 控制模块和上位机等部件 对 模块进行功能调试 直到模块能够正常通信 在樱花园 布置1套传感器模块 时刻监测樱花园的环境 并通过 Z i g B e e网络将数据发送至控制模块 并上传至上位机 软件显示出来 试验时间是2 0 2 1年6月3 0日1 2点 5 0分至2 2点3 0分 传感器模块可采集空气温湿度 土壤湿度和光照强度 将测试数据实时显示并存储起 来 环境参数变化曲线图如图8所示 第3期熊钦等 基于物联网的果园药水肥一体化控制系统设计与实现7 9 a 空气温度变化曲线 b 空气湿度变化曲线 c 土壤湿度变化曲线 d 光照强度变化曲线 图8 环境参数变化曲线 F i g 8 V a r i a t i o n c u r v e o f e n v i r o n m e n t a l p a r a m e t e r s 2 0 2 1年6月3 0日当天 在1 4 0 0之前天气晴朗 1 5 0 0之后逐渐转为阴天 并在1 8 0 0左右开始下雨 从图8可见 在1 5 0 0之前 空气温湿度变化并不明 显 土壤水分也随阳光蒸发 土壤湿度逐渐下降 由于 云层的移动 光照强度大小波动比较明显 1 5 0 0之 后 阴云密布 空气温度下降 空气湿度逐渐上升 光照 强度也逐渐减小 在1 8 0 0左右 开始下雨 空气温度 下降 空气湿度上升 土壤湿度则开始上升 此时也基 本没有光线 光照强度也约为0 1 9 0 0过后 雨停 空 气温度达到测试时间段的最低约为2 7 空气湿度达 到测试时间段的最高值约为9 5 土壤湿度和光照强 度基本没有产生较大变化 3 2 物联网通讯试验 将控制模块通过串口与上位机进行连接 当控制模 块与传感器模块能够正常通讯后 将传感器模块远离控 制模块不同的距离进行通讯试验 串口给控制模块发 送以 0 x F F开头的9字节测试数据包 控制模块接收 到该数据包时 以输出簇C E S H I向传感器模块发送该 数据包 传感器模块接收后以同样输出簇返回该数据给 控制模块 控制模块将接收到的返回数据以串口通讯方 式返回给上位机软件 图9 上位机软件对接收到的该 帧数据进行分析 判定是否出现错包情况 Z i g B e e节点 使用信道1 1 2 4 G H z 发射功率 1 7 d B m和接收灵 敏度 9 1 d B m通信 传感器模块使用9 V干电池作为 电源 每组测试时发送1 0 0 0个数据包 每个数据包发送 间隔为1 0 0 m s 2 0 0 m s和3 0 0 m s 在试验过程中 未发 现出现错包情况 结果如图1 0所示 图9 上位机界面图 F i g 9 I n t e r f a c e d i a g r a m o f u p p e r c o m p u t e r 图10 ZigBee组网测试结果 F i g 1 0 T e s t r e s u l t s o f Z i g B e e n e t w o r k i n g 8 0 中国农机化学报2 0 2 3年 可见 Z i g B e e网络的丢包率与距离没有明显关系 但与上位机软件发包频率有一定关系 在发包间隔为 3 0 0 m s时 出现丢包概率非常低 在发包间隔变短的 情况下 丢包率增加 丢包率上升的情况可能跟Z i g B e e 节点的数据处理延迟有关 在试验过程中 发现 Z i g B e e网络中两节点通信距离可以达到1 3 0 m 但距 离过大容易出现掉线情况 3 3 混合药箱EC值自动调节试验 在江西农业大学工学院进行混合药箱E C值自动 调节试验 肥液箱中存有E C值为5 m s c m的肥液 试验通过传感器模块的液体E C传感器时刻测量混合 药箱的E C值 并将数据发送给控制模块 控制模块通 过分析数据 发送不同的指令给继电器模块 控制继电 器的开闭 以控制水泵的开启和关闭 从而调节混合药 箱的E C值 液体E C传感器模块每隔5 s会将测得的液体E C 值数据通过Z i g B e e网络发送给控制模块 控制模块再