基于作物生长模型的智能灌溉控制系统_刘恒嘉.pdf

2023 年 4 月下59Agricultural Machinery and Agronomy农机与农艺基于作物生长模型的智能灌溉控制系统刘恒嘉，夏毅硕，吴骏祥，安一凡（河北农业大学机电工程学院，河北 保定 071000）摘要：【目的】鉴于水资源日益短缺，农田灌溉技术迫切需要进行自动化和智能化改革，开发高效的灌溉控制系统迫在眉睫。【方法】本研究利用主控芯片为STM32f103RCT6的单片机与传感器模块、LoRa模块、GPRS模块等外围电路设计了一款智能灌溉控制系统。该系统可以准确获取作物生长环境信息，包括水分、温度、光照等，而强大的STM32f103RCT6芯片可依据作物生长模型对采集的数据进行分析处理，对作物的需水需肥量做到针对性预判，形成科学的灌溉决策并指导灌溉系统工作，经过系统决策，自适应控制灌溉设备进行精准灌溉。【结果】该智能灌溉控制系统既能够促进作物生长发育，又能提高水肥利用率和作物产量，促进农业增产增收，改善土壤环境，并且控制方式灵活多样，通用性强，经济性好，符合国家绿色发展理念，实现了经济效益和社会效益的双丰收，对发展现代化设施农业具有重要的意义。【结论】此系统的研发，有利于解决农业灌溉水资源浪费严重、智能化水平低的痛点，满足现代农业飞速发展的需求。关键词：精准灌溉；生长模型；STM32f103RCT6；决策系统中图分类号：S274.2 文献标志码：A DOI：10.3969/j.issn.1672-3872.2023.08.0181 相关概念简述1.1 智慧农业智慧农业就是将物联网技术运用到农业生产和管理中，运用传感器和软件并借助移动平台或者电脑对农业生产进行精准控制，充分利用现代信息技术，包括更透彻的感知技术、更广泛的互联互通技术和更深入的智能化技术，使得农业系统的运转更加有效、更加智慧1，进而提升农产品的竞争力，实现农业可持续发展，助力乡村振兴，使传统农业更具有“智慧”。1.2 生长模型作物生长模型是动态表达作物生长过程的计算机程序，其目的是模拟并解释作物生长发育、产量质量与环境、管理措施或遗传变异的关系。在一定情况下，作物生长模型可以具体指导农业试验，并可用来检测模型预测分析结论的准确性。作物生长模型具备仿真模拟和预测分析不同阶段、不同抗压强度的作物栽种管理方法和自然环境控制方法对作物生长发育的影响的功能，是改善作物管理方法和自然环境调控方法的优良工具2。精准农业是现代高科技农业应用系统，作物生长模型则是实现精准农业的重要手段，也是现代精准农业系统的重要组成部分。2 研究的目的和意义灌溉对于农业来说是一项至关重要的投入，灌溉管理直接影响作物的生长发育，高效的灌溉措施可以提高作物的质量和产量，也有助于水资源的可持续利用3。我国农业用水量基数大、增速快，而农田灌溉有效利用系数却仅为0.554。目前，我国仍以大水漫灌为主要灌溉方式，少数地区为简单机械灌溉，但仍然存在成本高、寿命短、智能化低的痛点，无法满足现代农业飞速发展的需求4。现有的农业生产系统尽管能够将农业生产与信息相结合，但是缺乏通用性与普遍适用性。传统灌溉由人根据经验决定灌溉策略的方式容易出现误判，且无法追溯灌溉信息5。鉴于水资源日益短缺，农田灌溉技术迫切需要进行自动化和智能化改革，开发高效的灌溉控制系统迫在眉睫。基于此，本研究利用主控芯片为STM32f103RCT6的单片机与传感器模块、LoRa模块、GPRS模块等外围电路设计了一款智能灌溉控制系统。该系统可以准确获取作物生长环境信息，包括水分、温度、光照等，而强大的STM32f103RCT6芯片可依据作物生长模型对采集的数据进行分析处理6，对作物的需水需肥量做到针对性预判，形成科学的灌溉决策并指导灌溉系统工作，经过系统决策，自适应控制灌溉设备进行精准灌溉。智能灌溉控制系统既能够促进作物生长发育，又能提高水肥利用率和作物产量，促进农业增产增收，改善土壤环境，并且控制方式灵活多样，通用性强，经济性好，符合国家绿色发展理念，实现作者简介：刘恒嘉（2001），男，河北保定人，本科，研究方向为农业电气化与自动化。602023 年 4 月下Agricultural Machinery and Agronomy农机与农艺了经济效益和社会效益的双丰收，对发展现代化设施农业具有重要的意义。3 主要研究内容设施农业中的作物生长不易受到自然条件变化影响，开展试验较为方便，其环境因子使用传感器比较容易监测与控制，获取的环境数据较为精确7。前期确定选取何种作物为研究对象，分析作物生长状况与温室种植环境，通过进行大量的温室试验并对试验数据进行统计，运用科学方法构建基于生理生态过程的作物生长模型。同时，设计一款集散式智能灌溉控制系统，系统的硬件设计包括监控节点和汇聚节点的 PCB 设计，两种节点的核心控制器均是STM32f103RCT6，辅以供电电路、传感器电路、LoRa模块电路、控制电路、GPRS模块电路等外围电路8。系统的软件设计包括C语言程序设计、服务器环境搭建、数据库设计、上位机程序设计、Web客户端设计和安卓App设计，最终用科学的灌溉决策指导灌溉系统工作，实现对作物的精准灌溉。4 智能灌溉控制系统的基础设计4.1 总体方案设计构建基于生理生态过程的栽培作物生长模型，系统将实时监测数据并与构建的生长模型进行比对，来确定水分、养分等的投入量，并制定相应的灌溉方案；通过控制系统电磁阀的启停，针对性地补充各类肥料与微量元素，实现作物养分的收支平衡和实时监测，制定科学的灌溉决策并指导灌溉系统工作。4.2 作物生长模型的构建1）作物生长模型信息系统的设计思路。首先，确定选取何种作物为研究对象，在系统外界运用组件技术搭建模型组件，在实际操作系统中加上可拼装组件，形成模型库。其次，模型的表述和数据是作物模型系统软件和数据库管理系统的关键9。挑选这类形式有利于模型的扩大和模型运作管理程序的生成，进而实现专家系统在模型系统中的使用。2）作物生长模型信息管理系统向外界呈现了两类页面，即模型主要参数调节页面和作物生长模拟页面。它们取决于地区信息内容、作物种类、品种网络资源，模型对象应用气象数据、种类主要参数并模拟实际操作，在模拟动态性时形成模拟模型目标。3）作物生长模拟用来检测模型的运作情况。依据输入的气象数据资料，可以模拟往年和当年的作物生长发育状况。气候数据的长期模拟是根据长期气象数据的模拟值；数据信息适用于农业主管单位和农业技术推广部门10。作物生长模型为专家系统提供了不一样的数据库，可使其管理决策更具实用性。4.3 环境数据采集对多种传感器展开研究，选取合适的传感器11-12，搭建环境数据采集系统，对环境各种参数进行采集，比如环境中的水分、温度、光照等，并传送至智能灌溉控制系统，由系统进行相应的计算和处理。5 智能灌溉控制系统硬件设计5.1 总体结构智能灌溉控制系统硬件包括监控节点和汇聚节点，两节点均选用 STM32f103RCT6 为控制芯片，搭建 MCU 最小系统，辅以供电电路、传感器电路、LoRa模块电路、控制电路、GPRS模块电路等外围电路，设计电源电路提供电能，节点间通过LoRa通信模块进行信息交互。系统硬件设计图如图1所示。监控节点具体包含脉冲电磁阀控制电路、土壤温湿度传感器采集电路、MCU 最小控制系统电路、LoRa通信模块接口电路和电源管理模块五个部分。LoRa通信模块GPRS模块电源管理模块MCU土壤温湿度传感器LoRa通信模块电源管理模块MCU脉冲电磁阀监控节点汇聚节点控制信号数据信号电源图1系统硬件设计图2023 年 4 月下61Agricultural Machinery and Agronomy农机与农艺汇聚节点具体包含LoRa通信模块接口电路、MCU最小控制系统电路、GPRS模块接口电路以及电源管理模块四个部分。5.2 MCU电路设计在整个灌溉控制系统开发过程中，合理有效地控制MCU的运行对于整个嵌入式系统的低功耗来说是必要的。本设计选用STM32f103RCT6芯片，其具备精度高、响应快等优势，而且片上资源丰富，在满足需求的同时，还有富余资源可供系统未来增加功能。单片机作为节点系统的核心控制器，其外围电路必不可少，系统的主控芯片STM32f103RCT6最小系统电路框图如图2所示。电源电路时钟电路复位电路STM32BOOT启动选择电路SWD下载调试电路图2STM32f103RCT6最小系统电路框图5.3 电源管理模块设计电源管理模块是监控节点和汇聚节点的能量来源。由于在农田中铺设电力线的难度和成本较高，本设计采用锂电池作为节点能源。监控节点的电源主要给土壤温湿度传感器、LoRa模块和双稳态电磁阀提供5 V电压，给STM32提供3.3 V电压，其电源模块结构图如图3所示。汇聚节点的电源主要给 STM32 供电 3.3 V，给LoRa模块和GPRS模块供电5 V。其采用锂电池供电和有线供电的电源管理模块结构图如图4所示。3.7 V锂电池升压电路（5 V）降压电路（3.3 V）STM32双稳态电磁阀LoRa模块土壤温湿度传感器图3监控节点电源管理模块结构图5.4 双稳态电磁阀电路设计由于双稳态电磁阀需要双向脉冲进行开关操作，故选用YX-9025AM，它是一种单晶片CMOS的双向马达驱动IC，内建过温保护功能，输入脚无须外加限流电阻，具有低电源、低成本的特性。3.7 V锂电池升压电路（5 V）降压电路（3.3 V）STM32LoRa模块GPRS模块220 V适配器（5 V）降压电路（3.3 V）锂电池供电有线供电图4汇聚节点电源管理模块结构图选择单片机的PB5和PB6两个引脚连接开关模块的输入信号引脚 IN1、IN2。当 PB5 输出高电平、PB6输出低电平时，OUT1输出高电平，电磁阀收到正脉冲则打开；当PB5输出低电平、PB6输出高电平时，OUT2输出高电平，电磁阀收到负脉冲则关闭。接口电路如图5所示。图5接口电路图5.5 节点LoRa模块电路设计LoRa模块选用ATK-LORA-02_V3.0（V3.0是版本号，型号是ATK-LORA-02），其具备低功耗、体积小、远距离等优势，模块化设计一方面能强化通信的抗干扰性，另一方面也能减少系统调试的不确定性。模块使用SX1278扩频芯片，可通过AT指令在线修改各种参数，同时可以固件升级。由实物图和设计手册可知，ATK-LORA-02无线串口模块要使用到6个引脚，依照ATK-LORA-02无线串口模块用户手册中的模块连接图确定模块接口电路，如图6所示。图6ATK-LORA-02接口电路图622023 年 4 月下Agricultural Machinery and Agronomy农机与农艺5.6 GPRS模块电路设计GPRS模块选用Air202 S6开发板。开发板接口齐全且小巧玲珑，容易放置，可省去设计布线和测试的成本。开发板的左上角为通用LED灯，通过不同频率的闪烁指示网络情况，还提供一个跳点JP1，焊接后可实现上电自动开机。本设计选择 STM32 的USART3与GPRS模块的UART1进行通信，故接口电路如图7所示。图7GPRS模块接口电路图6 智能灌溉控制系统软件设计本系统软件部分可分为监控节点、汇聚节点、服务器端和客户端四部分，各部分有不同的任务，通过各司其职，协调合作，实现系统的不同功能。1）监控节点：数据的采集与转发和电磁阀的控制等。2）汇聚节点：数据的汇聚与上传和控制指令的发送等。3）服务器端：数据的存储和转发控制指令等。4）客户端：数据的显示和控制指令的下发等。系统实现不同功能时，四部分之间的信息交互流程图如图8所示。其中，纵向箭头表示事件内部运行顺序，横向箭头表示信息方向。7 结语随着现代农业的飞速发展，农业管理方式逐渐向规模化、智能化、集约化方向转变，这是现代农业发展的必然走向，农业灌溉技术也将逐步迈向自动化和专业化。研究团队通过分析我国农业灌溉现状，采用STM32单片机和现行的机器检测技术，利用作物生长模型，设计了一套智能灌溉控制系统。对其关键步骤进行分析和改善，有利于解决农业灌溉水资源浪费严重、智能化水平低的痛点，