以遠(yuǎn)距離wifi模組為基礎(chǔ)的遠(yuǎn)程監(jiān)測節(jié)水灌溉系統(tǒng)，農(nóng)業(yè)智能灌溉節(jié)水系統(tǒng)它可以遠(yuǎn)程監(jiān)測現(xiàn)場環(huán)境的溫度、濕度、以及通過云傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行分析，可自動控制內(nèi)部環(huán)境參數(shù)、施肥、灌溉等設(shè)備；同時(shí)，還可通過手機(jī)、串口、微機(jī)及其他用戶終端動態(tài)地將監(jiān)控信息推給管理者，通過分析采集信息控制灌水量。通過對終端的多樣化，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場環(huán)境的信息化提供了更大的方便，智能化的遠(yuǎn)程監(jiān)測，主要是依靠信息感知技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)、自動控制技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)。該設(shè)計(jì)通過遠(yuǎn)距離wifi模組WiFi通信技術(shù)，在移動開發(fā)的物聯(lián)網(wǎng)云平臺的基礎(chǔ)上，以PC機(jī)作為下位機(jī)，對智能農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉系統(tǒng)進(jìn)行了研究。作為終端應(yīng)用平臺，可以控制灌溉用水的浪費(fèi)，大大降低了人工成本，實(shí)現(xiàn)了無人值守，正確調(diào)節(jié)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)高效節(jié)水。

該系統(tǒng)由5個(gè)部分組成，包括硬件設(shè)備、單片機(jī)模塊、被控器模塊、無線WiFi通信模塊、物聯(lián)網(wǎng)云服務(wù)器等，它是根據(jù)農(nóng)產(chǎn)品溫度、濕度信息，自動完成實(shí)時(shí)灌水。感應(yīng)器利用無線傳感網(wǎng)絡(luò)作為農(nóng)業(yè)信息感知的硬件設(shè)備，把結(jié)果提供給生產(chǎn)者，主要用于收集農(nóng)業(yè)資源的各種信息，如種植過程中的溫濕度、濕度等參數(shù)。以STC12C5A60S2作為主控芯片傳輸所采集的數(shù)據(jù)到微處理器模塊。路由器熱點(diǎn)可以通過遠(yuǎn)距離wifi模組WiFi無線模塊連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)與主芯片間的通信。數(shù)據(jù)經(jīng)過路由器的中轉(zhuǎn)傳送，傳輸?shù)竭h(yuǎn)端云服務(wù)器后，利用平臺進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和存儲，這樣，農(nóng)業(yè)管理員就可以通過網(wǎng)絡(luò)來存儲數(shù)據(jù)，并進(jìn)行分析決定，指令以繼電器開關(guān)作為智能灌溉系統(tǒng)中的受控終端，LED燈照明進(jìn)行數(shù)據(jù)反饋和控制。

這次設(shè)計(jì)選用了CV520的AP+Station,CV520是一款超低功耗WiFi傳輸模塊，可以在因特網(wǎng)或局域網(wǎng)上進(jìn)行通訊。運(yùn)行傳輸性能穩(wěn)定，傳輸距離遠(yuǎn)。遠(yuǎn)距離wifi模組包括編碼模塊和高頻發(fā)射模塊，其編碼模塊通過遠(yuǎn)程管理支持參數(shù)設(shè)置。頻率發(fā)送模塊能夠采集串口設(shè)備的數(shù)據(jù)，通信功能是把TTL電平轉(zhuǎn)換成符合WiFi無線通信網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)的嵌入式模塊，通過異步收發(fā)器接口與設(shè)備相連。STC12C5A60S2與CV520之間的通信主要是通過帶有TXD端口TXD的P0.0來實(shí)現(xiàn)。在STC12C5A60S2上，P0.1可以在CV520端口RXD之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，其中，RXD屬于串行數(shù)據(jù)接收端口，TXD屬于串行數(shù)據(jù)發(fā)送端口。

單片微機(jī)的CPU可直接對I/O口操作，位控功能更是無與倫比。也可用于多種物理量的采集和控制。本系統(tǒng)選用了單片機(jī)作為主控器件，由于單片機(jī)是為滿足工控要求而設(shè)計(jì)的，控制功能特別強(qiáng)，數(shù)據(jù)采集成本低，便于靈活，更適用于本文所設(shè)計(jì)的主控芯片。在功能方面，本設(shè)計(jì)以STC12C5A60S2為核心，以高速、低功耗、超強(qiáng)抗干擾為特點(diǎn)的8051單片機(jī)，可作為2路D/A使用，該芯片在電路設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)等方面尤其方便，且匯編程序簡單。

傳感模塊包括溫濕度傳感器和土壤濕度傳感器。綜合考慮性能及試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性等，選用DHT11型溫度傳感器。DHT11數(shù)字傳感器由一個(gè)電阻型感濕器和一個(gè)NTC溫度傳感器組成，與一臺高性能的8位微控制器相連。傳感易受多種因素的影響，但DHT11是一款穩(wěn)定的溫、濕度傳感器，響應(yīng)時(shí)間短，同時(shí)滿足了本設(shè)計(jì)的實(shí)時(shí)要求。測土水分傳感器又稱土壤水分傳感器，主要用于測定土壤相對含水率，即土壤含水率占田間持水量的百分率，不同作物的相對含水率有差異。該傳感器具有測量精度高、性能好、響應(yīng)速度快、數(shù)據(jù)傳輸效率高等優(yōu)點(diǎn)，在該系統(tǒng)中具有不可替代的重要作用。應(yīng)用FDR頻域反射原理，利用電磁波在介質(zhì)中的傳播頻率測量土壤介電常數(shù)。由于要在土壤中長期埋藏，故采用不銹鋼針和防水探頭組成的監(jiān)測系統(tǒng)，對表土及深層土壤進(jìn)行在線監(jiān)測。其工作原理是：傳感器插入土壤后，輸出電壓隨土壤濕度的增加而增加，本設(shè)計(jì)采用分叉設(shè)計(jì)，便于插土。感應(yīng)器探測器a,b是由兩個(gè)長度為160mm、直徑5mm、相間55mm的不銹鋼棒組成。

灌水模塊是本設(shè)計(jì)的一個(gè)重要部分，所謂智能灌水，先要具備自動灌水的能力，通過數(shù)據(jù)分析，什么時(shí)候要開水泵，什么時(shí)候要開水泵，什么時(shí)候要關(guān)上水泵，停止灌溉。水平潛水電泵作為潛水泵的一種，具有體積小、攜帶方便等優(yōu)點(diǎn)，可廣泛用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。它主要用于高山區(qū)的農(nóng)田灌溉和人畜用水。但在實(shí)際中卻要考慮到自然因素的影響，泵的工作環(huán)境有：額定電壓110V、高電壓137V、低電壓77V;(2)在240KPa的壓力下保壓1min無漏氣現(xiàn)象。該設(shè)計(jì)中，水泵模塊的電壓為5V，利用LED指示燈判斷水泵運(yùn)行是否正常。

電源均采用5V直流電源，但所述電源有2個(gè)接口，1V電壓1V,1V電壓1V,1V電壓1V，便于多種設(shè)備供電。直接使用USB直流電源供電，為使電源電路設(shè)計(jì)能更方便，利用電腦適配器USB接口直接接通電源，其成本也比較低廉。確保電源穩(wěn)定在5V輸出，使系統(tǒng)更穩(wěn)定，通過紅光LED燈可以清楚地看到電源已供電。在WiFi技術(shù)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一套智能灌溉系統(tǒng)，將這些不同的元件結(jié)合起來，各部件各有不同的功能，缺一不可，把各個(gè)部件連接起來，組成一個(gè)整體控制系統(tǒng)，當(dāng)設(shè)計(jì)總電路圖時(shí)，整個(gè)電路通過電源模塊通電，再通過CV520各管腳進(jìn)行工作，將LED燈、水泵模塊、溫度傳感器模塊等分別連接起來，旨在通過WiFi模塊控制、編碼編寫、通過模塊串接，利用遠(yuǎn)距離wifi模組WiFi組網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)智能灌溉系統(tǒng)。

遠(yuǎn)距離wifi模組WiFi傳輸程序的設(shè)計(jì)分成了三部分。初始化，每當(dāng)看到云平臺上的設(shè)備狀態(tài)為“脫機(jī)”時(shí)，它表示沒有連接無線網(wǎng)絡(luò)，需要重新配置，正確輸入WiFi名稱和WiFi密碼。第二，掃描網(wǎng)絡(luò)?？匆娛瞻l(fā)號碼不斷變化，表明聯(lián)接成功，判斷是否有農(nóng)業(yè)感測網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)上傳至上位機(jī)，若有則建立通道傳送通道，則不接接。單片微機(jī)開機(jī)后，通過TTL接口加入指定的WiFi網(wǎng)絡(luò)，將各傳感器采集到的數(shù)據(jù)傳送至接口。設(shè)置WiFi網(wǎng)絡(luò)，并與之通信。在發(fā)現(xiàn)合適的WiFi網(wǎng)絡(luò)后，傳感器將采集到的數(shù)據(jù)傳送給上位機(jī)和云平臺，如果不能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)的環(huán)境參數(shù)值，就會對相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，判斷是否為自動模式，再反饋給受控設(shè)備，并作出反應(yīng)。

PC上位機(jī)即智能灌溉節(jié)水系統(tǒng)管理軟件，可直接發(fā)出指令操縱整個(gè)系統(tǒng)，軟件界面顯示溫、濕度信號的實(shí)時(shí)變化，并顯示各灌溉閥的執(zhí)行按鈕，充當(dāng)灌溉部門對各濕度傳感器的遠(yuǎn)程管理工作。采用51單片機(jī)增強(qiáng)型STC12C5A60S2芯片，以KeiluVision4C51為開發(fā)平臺，是目前常用的嵌入式開發(fā)環(huán)境，支持C/C++語言開發(fā)，C語言編輯效率非常高。依據(jù)窗口界面的設(shè)定參數(shù)，找出適當(dāng)?shù)亩丝跀?shù)目，設(shè)定好波特率，設(shè)定串口類別的參數(shù)。智能化灌溉節(jié)水系統(tǒng)的上位機(jī)軟件接口主要包括串口傳輸、接收信息、發(fā)送信息及數(shù)據(jù)存儲模塊。上位機(jī)給系統(tǒng)發(fā)出控制指令，以保證各模塊的正常工作。

把程序下載到單片機(jī)后，對系統(tǒng)進(jìn)行供電。當(dāng)所有設(shè)備接通后，打開串口進(jìn)行調(diào)試，在串口調(diào)試成功后，顯示連接成功，可以看到工具上的溫度、土壤濕度、光照強(qiáng)度等資料。以串口工具為例，采用主動和手動兩種方式進(jìn)行設(shè)計(jì)。為適應(yīng)不同的環(huán)境，設(shè)置了閾值。

遠(yuǎn)距離監(jiān)視界面主要是根據(jù)網(wǎng)頁編輯而設(shè)計(jì)的?？墒謩舆x擇想要了解的作物的網(wǎng)頁信息，在云平臺上，可通過PC上位機(jī)控制，在任何時(shí)候都能對作物進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用界面的一致性；例如，對4種不同作物進(jìn)行監(jiān)控，在界面上可以清晰地看到不同作物的環(huán)境參數(shù)變化。

遠(yuǎn)程設(shè)備控制部分的狀態(tài)可通過按鈕實(shí)時(shí)反映。油泵打開時(shí)，按鈕上的紅色指示燈亮，紅色燈熄滅時(shí)是關(guān)機(jī)。在自動模式下，按鈕的綠燈將被打開，綠燈熄滅時(shí)將處于手動模式。通過對PC上位機(jī)和平臺的網(wǎng)頁端的測試發(fā)現(xiàn)，在多次測試后發(fā)現(xiàn)按鈕的狀態(tài)變化為1s延遲，實(shí)際情況還需根據(jù)網(wǎng)速確定。

該系統(tǒng)以STC12C5A60S2為核心，利用遠(yuǎn)距離wifi模組CV520和云平臺的特性，設(shè)計(jì)了一種基于WiFi技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)感應(yīng)的智能農(nóng)業(yè)實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)。將各種傳感器探測到的數(shù)據(jù)上傳到云平臺上，并實(shí)時(shí)上傳數(shù)據(jù)，使用戶能夠隨時(shí)查看參數(shù)數(shù)據(jù)，監(jiān)測農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)灌溉自動化。通過實(shí)驗(yàn)證明，該系統(tǒng)解決了傳統(tǒng)灌溉水資源浪費(fèi)大、穩(wěn)定性差的問題，完全符合實(shí)用、開放、便捷的設(shè)計(jì)原則，大大優(yōu)化了水資源的配置。