基于物联网设计玉米生长及土壤信息自动采集系统

2022-09-11

一、研究意义和背景

我国作为粮食产出和使用大国, 借助先进的信息技术提高农田作物的生产效率、经济价值以及坚持走农业可持续发展道路, 是农业大国亟待解决的关键性课题。本项目基于吉林省农科院公主岭玉米生长研究实验基地实际情况, 将信息技术与农业技术相融合, 利用无线传感器网络技术实现玉米生长环境因素的实时采集及监测, 实现玉米的称重功能, 实现对于玉米不同生长阶段所采集各个参数的分析以及与相应的玉米生长模型的对比来实现对于玉米生长状况的自动判断、决策。有助于农业生产者更好的掌握玉米在生长过程中的细微变化, 对生产决策起到实时的参考作用, 从而提高土地资源最大化的利用, 玉米的产量预测及经济效益的提高[2]。

二、研究方法

(一) 选择适合于此环境的数据传输方式

CAN总线传输, CAN是Controller Area Network的缩写 (以下称为CAN) , 它支持实时控制的串行通信方式。与基于R线构建的分布式控制系统相比较, 具有节点间实时通信性强、开发周期短、达到国际标准认定等优势[3]。

(二) 采集其他玉米生长参数的传感器与单片机整合设计

1. STM32开发板

本项目所采用的开发板是Alientek公司生产的STM32开发板。STM32系列基于ARM Cortex-M内核, 具有高性能、低成本、低功耗、资源丰富等优势, 并且ALIENTEK战舰STM32开发板, 已经把STM32F103的内部资源发挥到了极致, 基本所有的内部资源都可以在此开发板上验证, 同时扩容了接口和功能模块[4]。

2. 基于STM32的嵌入式网关设计

无线网关选择STM32为控制核心, 包括5个主要模块, 分别是Wi Fi模块、RF模块、中央控制器模块、电源模块、JTAG仿真调试模块。网关分别完成RF模块和Wi Fi模块的通讯协议和控制指令的编码, 以保证数据流的流向和数据的准确性。

3. 传感器与单片机、及网关的整合

各传感器通过STM32开发板的IO接口相连, 并通过程序接口实现调度工作, 再通过STM32网关发送至上位机软件, 从而实现后继操作[5]。

三、采集系统设计

(一) 总技术路线

通过实验测量, 构建玉米生长过程实时监测的方案。设计重量实时测量系统采集重量参数, 与其它传感器获取的数据, 进行整合, 并与玉米生长模型进行相关性分析, 为生产管理做出实时判断和决策。

(二) 称重支撑结构及其他数据采集部分

重量对评估玉米产量和生长状况是主要因素。测量精度是测量领域的目标, 生长环境的变化、灌溉施肥后参数浮动的变化等都是影响测量精度的因素。因此, 研究称重部分的机械结构的稳定性和精确度是关键因素也是本项目的难点[6]。

在重量测量系统的设计过程中考虑了三方面因素, (1) 玉米生长过程中受到外界因素的影响较大, 如何建立相应的抗干扰机制; (2) 称重传感器受自身特点所限, 长时间使用会产生畸变, 增加测量误差; (3) 使用的玉米生长模型受地理环境影响不同, 对采集的参数分析处理过程中有一定误差[7]。

1. 称重部分

由于即要实时获取单株玉米生长过程中的重量变化, 又要受重量传感器的金属构架特点, 不可长时间挤压以防止造成金属畸变, 从而影响测量精度的特殊要求所限。对于此部分提出了既可以实时称重此株植物又不能将称重传感器长时间放置于植株玻璃桶下面的特殊要求。所以要求有机械结构来支撑此植株玻璃桶, 同时通过复杂的设计达到可以随时将植株玻璃桶进行自动升降的目的[8]。

2. 称重传感器

称重传感器原理上与压力传感器基本相似。工作原理为内部存在电涡流触发绕组以及一个感应电涡流强度的传感器, 整个传感器由金属封装而成, 电涡流在其内部, 金属收到挤压变形以后, 涡流就会发生变化, 通过感应放大后即可得知数据。称重传感器检测电路的功能是把电阻应变片的电阻变化转变为电压输出。一般检测电路都可以抑制温度变化的影响, 可以抑制侧向力干扰, 可以解决称重传感器的补偿问题等。

3. 其他数据采集部分

土壤中的体积含水量, 与土壤表现出来的介电常数成固定的某种函数关系, 几乎与土质和水里所含的盐分无关。那么, 采用频域测量方法, 测量中间探针与两侧探针之间的电容量, 该电容与介电常数成正比, 经过AD转换、单片机运算处理、非线性矫正和DA转换输出, 即可获得与土壤体积含水量成正比的线性电压 (电流或485信号) 输出。传感器内部采用进口优质工业级单片机和元器件, 精度高, 可靠性好, 经久耐用, 重复性好。

(三) 采集的玉米生长参数与玉米生长模型进行相关性分析

利用已有的“东北玉米生长模型”与采集的数据, 进行相关性分析, 从而实现为玉米生长情况做出判断和决策。

1. 东北玉米生长模型 (NEC_Ma GM)

该模型以日为时间步长, 由发育、生长 (光合、呼吸、同化物分配及叶面积增长) 、根伸长、蒸散、土壤水分平衡等子模式组成。其中, 发育子模式根据玉米发育速度与最高、最低温度的定量关系采用热量单位 (CHU) 来模拟发育进程, 并以发育指数 (DVS) 表示。

2. 基于NEC_Ma GM的处理端软件

处理端软件基于Visual Studio2005平台开发, 核心代码使用C语言实现。主要实现三个主要功能, (1) 通过手机端、B/S端、C/S端实时查看采集的数据; (2) 实现数据的上传功能; (3) 对数据进行分析、处理, 并建立知识库; (4) 通过与生长模型进行相关性分析做判断与决策。

四、结论

玉米作为常见的粮食作物, 被人类不断的研究改良, 其成长过程中的各类参数作为研究的数据支撑而变得十分重要。本系统对于此部分的空白进行了相当程度上的填补。 (1) 在机械部分设计的过程中, 选用普通钢材, 靠整体的支撑架, 利用液压来提供升降功能, 从而实现稳固的支撑作用。 (2) 针对称重传感器存在的畸变问题, 通过提高机械部分的设计, 在不称重时通过液压起重杆使得容器桶自动抬起来, 从而消减对传感器的压力及变形, 也大大的解放了人力。 (3) 针对模型所产生的误差问题, 通过大量咨询玉米领域的专家, 共同合理地改进了模型, 以保证其精度。在项目的研究过程中, 创新性的称重结构设计以及整个系统的决策功能都可以对玉米精确感知层面提供未来可采用的设计方案。通过物联网技术, 机械技术及农业技术相结合, 构造出了一个对于玉米生长过程中各个参数的细微变化精确感知及处理的完备系统。具有一定的创新性及先进性。

摘要：玉米作为主产粮食, 如何借助先进的信息技术提高玉米产量, 对提高生产效率、经济价值等方面具有重要的研究意义。玉米生长过程中的各类参数的准确采集就是研究的数据支撑, 本文基于吉林省农科院公主岭玉米生长研究实验基地实际情况, 利用无线传感器网络技术实现玉米生长环境因素的实时采集及监测, 利用传感器技术、微机电技术、嵌入式计算机技术实现玉米的称重功能, 实现对于玉米不同生长阶段所采集各个参数的分析以及与相应的玉米生长模型的对比来实现对于玉米生长状况的自动判断、决策[1]。

关键词：无线传感器网络,传感器技术,物联网,采集系统