基于物联网的作物水培环境智能控制系统

摘要：国内现有的无土栽培主要有基质营养液栽培和岩棉栽培两大类，而基质营养液栽培被广泛称为“水培法”。无土栽培中的营养液培养是一项比较完善的新方法，可有效地利用土壤资源、减少环境污染、实现精准栽培。本文以物联网为基础，利用互联网和物联网等先进的信息，实现对农作物全生育期内的精确化、智能化和无人化管理，降低病虫害、自然灾害及自然环境对农作物生长发育的不可逆性冲击，最大限度地提升资源利用和生产效率，降低对环境的污染。

关键词：智慧农业；现代农业；物联网技术；传感器技术

本文拟以物联网为基础，开展作物水培种植环境调控的研究，主要内容包括：利用周期式传感器获取作物的生长环境信息，然后根据预先设定的算法，得到相应的控制变量；利用算法对这些错误的信息进行运算，从而对相应的装置进行控制，在间隔时间内收集数据，直至使这些环境参数达到规定的规范参数之内，从而推动农作物的生长，达到了真正意义上的无人农场，提升了农作物的生产效率。至于控制系统，如果是长时间没有监控的农田，使用者可以利用手机或PC来观察目前的作物状况。针对不同阶段的作物适合的生长环境存在差异，通过预先设定作物各阶段的生长环境参量，对其进行优化分配，从而达到了无人监测的目的。

1 控制系统总体方案设计

1.1 系统功能需求分析

当前，在数据传送网中采用的是有线传送和无线传送两种方法。在实际应用中，因需布设多条网线，存在着一些限制，而有线传送对网线整体性能的需求更高，因此在应用中很难得到广泛应用，但其可靠性高、受气候变化的可能性小。而无线传送网络无需在真实的制造环境中铺设许多的网线，且数据的可靠性更高。所以在本课题的研究中，我们以无线传送网路为核心来进行资料传送，并利用网路元件如路由器来进行资料传送。

1.2 硬件设计方案

该系统的硬件设计包括两大部分：生长环境信息的获取和环境信息的处理。在相同的可控范围内，使用相同的USB/485变换模块，将所述的环境获取模块与所述环境控制的传感器的管脚相连，并通过USB/485转与树莓派相连来完成所述的数据传送。该系统的硬件整体结构见图1.1。

图1.1 硬件系统设计方案

1.3 可视化功能设计 

为了实现对控制系统的可视化展示，Web终端接口的设计是必不可少的。主要包括首页，系统管理，系统监视，环境警报，环境监视，硬件情况，操作记录，信息反馈，登陆界面等九大部分。

1.4 数据库设计

目前，在这一领域中有两大类：一种是基于关联的数据库，另一种是基于非关联的。关联数据库是建立在关系模型基础上的结构化数据库，而关系模式则是2D表模型，通常使用SQL来进行数据的管理。目前比较流行的是MYSQL、Oracle等等。非关联是指与数据库相关的，它以静态表格的方式存储数据，忽略了数据间的相互依存性。目前的主要应用是：Redis、HBase等。

2 硬件系统设计与开发

2.1 硬件系统总体设计

在此基础上，给出了一种基于单片机的软件设计方案，并给出了具体的软件实现方案。其中，资料收集模组完成农作物的成长环境资料收集，而环境设定模组则是完成对不规范成长之农作物环境的控制，让它符合规范之要求。

图2.1 硬件系统设备电路连接示意图

在本系统中，RS485 A与USB/RS485变换器的A、B端子相连，而GND则是接地端。

2.2 数据采集硬件模块设计与实现

2.2.1 数据采集模块流程

在此次系统设计中提出了一种基于网络的无线传感器网络的网络模型。在服务器端使用Socket的方式，利用TCP/IP的通讯方式向树莓派的终端发送数据。当资料传送时，会传回传送是否已完成的信号，若传送不成功则传回一个例外，然后立刻重新传送资料。当收到来自服务器的命令时，树莓派会分析所收到的资料，获得特定的伺服器所传送的资料，并依照所述的内容来侦测对应的感测器工作是否正常，若感测器因为断电、网路异常等不能工作，则会将资料传送至伺服器，表示该装置有异常。当树莓派向感测器传送资料时，会等候感测器传回资料，然后将传回的资料以格式及密码传送至伺服器，完成此资料收集工作。

2.2.2 主控终端的开发

在本系统的设计中，服务器发出的命令是Json形式的数据，当传输数据时，通过编码方式将字符串类型数据转化为字节类型数据，在数据接受方面，要先对收到的数据进行译码，然后利用译码的方式，把转化为bytes的数据转化为str的类型再用于实际操作。

2.2.3 数据采集功能实现

（1）酸碱度传感器

PH传感器使用的是RS485总线型P H值传感器，它使用了RS485的端口，使用MODBUS-RTU协议。它可以进行多个位置的实时监控，还可以通过一个数据传送网来进行数据的传送。它通常被应用在一些有关的农业行业中。它是利用两个电极之间所产生的电势差来测定的。该试验采用pH值传感器进行基体pH值的测定。

（2）氮磷钾传感器

该系列传感器具有功耗低，精度高，抗干扰能力强，重复性好，工作稳定等优点。此传感器使基于时域有限差分法（FDR）原理，根据电磁波在介质中的传输频率，通过电磁脉冲原理测定土体的视介电常数，进而获得NPK浓度。通过在栽培基质中配置NPK传感器，可对栽培基质中NPK浓度进行测定。在

（3）基质温度传感器

T10S-B-IP68温度传感器是一款完全防水的一路DS18B20温度传感器，它本身带有LED功率提醒，LED通信提示，它在机器温度、室温、水温、大棚和养殖等方面都得到了应用，它的工作方式是通过传递或者是对流来实现热量平衡。

（4）光照温湿度传感器

JXBS-3001-GZ 485光度温敏三元式光电式温度、湿度三元一体传感器，以高精度的行业标准SHT20制造，保证了高可靠性，高精度，高互换性。该传感器集成了MODBUS和通用的通讯协议，在应用中可以按要求对通讯协议进行定制，而且还具备了自动上载的功能。

2.2.4 采集模块数据传输网络

在本论文的研究中，我们采用了一种串行通讯方式，将多个传感器并联成一条RS485通讯线，再经由RS485转换成USB的方式，与传统的通讯方式进行通讯。每个试验模块均使用USB总线，通过一台微型计算机来完成对四个部分的监控。

针对目前树莓派计算机与传感器之间存在的通讯问题，本文将每个传感器分别与树莓派计算机终端相连，通过向其发出命令，对其进行更改，从而达到与传感器之间的无缝隙通信。在论文的研究中，以单一的地区作为例子，每个节点都有一个独特的位址。

2.3 控制功能实现

该控制装置的硬件节点采用了将被控装置切换为感应开关的模式，并将该传感器和树莓派接口相连接，利用树莓派处理向各传感器发出命令，通过对切换传感器的状态进行控制，从而达到对调节装置的线路进行控制，实现对周围环境进行调节的目的。经综合考量，本论文选取SWB1-125型智能型断路器为切换装置。

3 软件系统设计与实现

3.1 模糊控制算法

该模糊控制器由输入通道、输出通道、执行单元、被控对象构成。模糊控制模块包括模糊化模块，模糊决策模块，以及解模糊模块三部分。在此基础上，提出了一种基于模型的方法。本文给出了一种基于神经网络的模糊控制方法。

3.2 应用方案设计

在系统设计中提出一种利用多点采样的方法获取单一试验点的环境参数，以提升其测量精度，其结构如图3.1所示。为了解决培养液的容量问题，该装置使用了一根直径10cm、壁厚0.5cm的管子，并对管子的前、后两头做了半密封，管前闭合是在管子中央切一个5 mm的小洞供液体进入，而后封是在管子上面切出1.5 cm高的半圆形，将不需要的液体排出，这里的黄区为管壁，蓝区为闭合区，白区为非闭合区。下面的图3.2显示了特定的密封原理。

图3.1 实验区域环境采集设备布置俯视图

图3.2 水培管道前后端密封示意图

3.4 Web界面实现

在该系统中，用户界面的开发可以分为两种，一种是应用，另一种是Web。在使用手机软件（APP）的终端上进行软件开发时，往往会出现代码混乱、系统不能正常工作等问题。在使用者的真实操作过程中，还必须要安装专门的软件，要根据不同的客户端单独进行维修，这会对后续维修造成很大的阻碍。所以，在这一次的用户界面的研发中，使用了web端的方式。与APP端相比，该系统在检查作物生长环境，修改作物生长环境，以及用户意见反馈上更具优势，是一种便捷、简单、易于维护的方式。

4 结语

本文针对当前农业生产中存在的栽培条件难于精准调控的问题，结合物联网技术，研究和开发了一种新型的水培栽培模式。结合农户对现代农业发展的要求，本文拟构建一种智能农业水肥一体化的智能灌溉管理体系，用于提升水肥一体化管理水平，提升农田生态效益。研究构建一种基于物联网技术的水培生态环境智能化调控体系，解决目前水培植物在水培条件下的不足，通过对非有效养分的循环再利用，减少农业生产造成的环境污染。通过软件与硬件的联合测试，检验了该体系的网络通讯的可靠性，并将该体系中的数据收集和环境控制模块进行联动调试，最终证明了本论文所研究的智能农业无土栽培环境监控体系是可以平稳地工作的，各个控制装置和传感装置都可以完成相应的任务。

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