文摘

有各种各样的新的微处理器易于程序和配置来执行复杂的任务,和正确的功能,传感器,和额外的机制,我们可以准备他们监视和照顾庄稼与自动化流程。土壤湿度、空气温度、湿度、有限公司₂,水位的最基本参数与传感器监控,但任何类型的传感器可以被添加,如果信号是改编的微处理器可以阅读它。从传感器读取的数据使我们能够控制和自动化过程使用继电器连接各种外部组件,如照明制冷和灌溉系统。我们提出一个解决方案基于物联网的环境监测水培系统。发达的设备是一个小功率的,获得的数据通过无线个域网传输到中央系统,我们可以配置和控制所有设备配对,所以比较容易实现和升级。

1。介绍

农业控制系统使用物联网设备的创新来自于需要改善生产和减少能源和资源的浪费,使它更经济访问(1- - - - - -3]。与物联网设备,我们可以部署一个网格的设备与各种必要的传感器,允许我们监视和控制作物一个快速、简单,且可伸缩的方式,归档一个大数据量的作物(4,5]。获得所有的数据,我们可以创建过程,会照顾庄稼的根据他们的必需品(可变光周期、灌溉时间、温度控制、通风、等)(6,7),归档精密农业(8- - - - - -10),减少能源和资源的浪费。这也让我们找到最好的光周期或自动化生产更好的作物性能(11,12),因为我们有我们需要的所有数据。连接流程之后,获得的结果,我们可以改善迭代系统,满足人口需要种植更多的粮食,这是增长越来越快13,14]。

无线传感器网络(WSN)是完美的技术实现与这些新兴的物联网技术,因为它满足必要使系统简单,易于部署,可扩展和动态15- - - - - -17]。几年,我们看到了不同的农业研究开发基于物联网的智能系统。Somov等人,Miorandi等人提出了一个基于Libelium部署传感器网络为智能农业物联网产品的控制和监控一个番茄温室IA和云计算技术应用18,19]。Montoya-Munoz和瑞也使用了Libelium物联网产品等如英特尔和买卖使雾方法计算提供可靠性数据收集使用物联网设备在哥伦比亚咖啡智能农场20.]。其他的研究也开始使用5 g网络,这是快速和广泛的覆盖率,使它适合智能农业使用AI-powered机器人和云计算数据处理和实时监控21]。Agrinex系统(22连接传感器节点,将测量结果与水槽节点使用nrf24l01模块(使用免费频段)连接到一个服务器和web应用程序,作为一座桥。

我们可以看到在桌子上1,使用最先进的技术在这一领域正在迅速采纳和实施。但有一个缺口需要解决:安全性和减轻任何最终用户使用的。这个系统我们要讲的是像之前的评论系统在物联网部分(硬件和传输协议)。但与其他系统不同的是,我们使用一个自定义的通信协议,使得设备配对简单和保护之间的通信设备与一个自定义的加密协议。然而,最重要的是接口的用户配置和交互控制的控制器,光周期和自动化的一种简单的方法。

作为一个实验测试,我们有两种不同品种的蓝莓种植。工厂位于一个特殊的储层具有良好的隔离从外面。这个水库是准备建立生长灯、通风、制冷、灌溉系统。连接器接口已经被放置在水库,因此我们可以将控制器(图外1)。被测量的参数是环境温度和湿度,土壤水分、有限公司₂在空中,灌溉水箱的水位。

设计的控制器连接所需的所有传感器和外部系统在任何连接器供使用,使设备适应我们的需要。

将传输的数据从控制器(一个或多个)协调员。协调器将管理所有数据并将其发送到服务器,它将管理和存储在数据库中。服务器将命令发送到协调器的光周期和自动化管理用户配置(图2)。

2。材料和方法

2.1。传感器特性

所有的选择传感器系统低和使用相同的操作和供应电压供电,因为我们希望能够将几乎所有的传感器连接到任何连接器。但也有特定的连接器取决于传感器使用的通信协议(UART、i2c、简单模拟/数字连接,等等)。

在这个实验中,我们正在测试,如果从我们的传感器获得的数据是可靠的。的有限公司₂传感器是一种MH-Z16(使用UART协议);温度和湿度传感器是一个AM2305数字输出,一个简单的电阻模拟土壤水分传感器,和XKC-Y25-NPN光学传感器的水杆坦克。

控制器上的连接器SP16 IP68,几乎所有的传感器的封装已经进行了修改,以便使所有连接水密。

2.2。通信协议

无线通信协议是这个项目的核心之一。在这种情况下,我们正在设计一个可伸缩的和易于部署系统(图3),所以协调器和控制器之间的通信协议必须无线(15]。

有很多选择无线通信(wi - fi、罗拉、蓝牙、无线个域网)。然而,这个项目的最佳选择是Zigbee协议。无线个域网是一组内部协议基于IEEE 802.15.4标准提供服务(23,24]。这个协议是由满足低功耗的需要,容易实现,可伸缩的。事实上,可伸缩性是最好的质量,因为它使用一个网格拓扑动态互联设备,创建多个路径。这就是为什么Zigbee-based系统易于部署和规模。

这个设计是很常见的监测和控制系统基于物联网在农业。它是相对容易使用实际的技术开发(22]。之后在这种情况下,架构是一个基础课(应用程序、加工、运输、和感知)(25,26]:(我)应用范围:物联网应用系统,如监视和控制作物(2)处理:数据存储、处理和可视化(3)交通:所使用的通信协议(iv)知觉:物理设备和它们之间的交互

现在,我们使用一个控制器的实验测试,但是我们已经测试,以检查系统工作正常通过添加更多的控制器。

正如你所看到的图4通过无线个域网,在发送数据之前,我们自定义的协议和加密的数据进行解密的时候收到。在这种情况下,协调器和控制器都可以,发送方和接收方。

2.3。控制器

一个设备是基于Atmel单片机,传感器和外部系统连接。它有两个输入的UART传感器,四个输入简单的模拟/数字传感器,一个输入为i2c传感器或设备,四个输出连接到一个继电器每一个外部系统,和一个电源连接器。

控制器是连接也Zigbee模块与配对协调员(图5)。领导会给基本设备的状态信息。

我们可以对几个控制器协调使用自定义配对方法开发这个系统(图6)。

2.4。协调员

另一个装置是基于Atmel单片机。这个只有一个Zigbee模块与配对控制器和一个USB接口与PC机进行通信(图7)。这个设备将所有的控制器和服务器之间的桥梁。

自定义协议设计的优点是,控制器的配对是协调器上电时自动执行的,所以用户只能等待配对过程结束时通知(结束的过程导致的协调员停止闪烁)。

2.5。服务器

最后,我们有电脑,在这种情况下将在服务器和控制面板。它从协调器发送和接收数据,并存储在数据库中获得的数据。此外,它执行一个图形界面由虚拟仪器,我们可以监控(图8)所有的数据和配置控制器分别配对,以及时间表,光周期,我们希望实现自动化。在后台,一个Python脚本将运行管理的所有数据和协调器和个人电脑之间的通信(图9)。所有的配置和操作由虚拟仪器是存储在数据库中,所以Python脚本会注意到并运行它们。

3所示。结果与讨论

3.1。实验测量

测试,我们使用只有一个控制器和一个数字温度和湿度传感器,模拟土壤水分传感器,一个有限公司₂UART传感器和四个外部设备:一个长光,灌溉的水泵、制冷和通风系统。

控制器被配置使用虚拟仪器,以及光周期控制光系统和两个自动化控制灌溉、通风和制冷系统。照明和自动化执行计划后由用户配置。

监控所有的数据,我们已经准备了窗口虚拟仪器(观众),我们选择我们想要监控的数据。在这种情况下,我们从所有的传感器监测数据和外部设备连接到控制器。默认情况下,控制器只执行操作管理光周期和存储的自动化。将命令发送到协调器和读取传感器的控制器,我们必须打开监视窗口在虚拟仪器,我们可以选择控制器监测及其传感器及光周期/自动化配置。虚拟仪器将创建所有必要的命令并将它们存储在数据库中。Python脚本将发送命令给协调器自动存储在数据库中。

所有的配置完成,管道将成为下一个:(我)控制器将自动执行所有自动化存储,读取必要的传感器。光周期将由Python脚本控制,将发送命令来打开或关闭灯(图8)(2)观众在虚拟仪器将生成的命令每一个特定的时间和存储在数据库中。Python脚本将发送给协调器(3)自动化也将工作安排由用户创建,所以脚本将生成的命令来启用或禁用后,安排相关

控制器有一个小的内存存储光周期的实际状态,配置的自动化、传感器和外部系统连接到它。因此,如果有意外关闭系统,控制器能够重置本身和工作了。如果我们想改变任何外部的控制系统/设备手动模式,我们可以与观众在虚拟仪器,能够打开或关掉它们。我们可以再次打开自动控制,如果我们想要的。

4所示。结果

与数据库中存储的数据,我们可以想象从传感器获得的值。

获得的读数与环境湿度/温度传感器放置在储层中,我们可以看到,之前配置的光周期打开灯光,环境温度降低,最低达到16.2°C,环境湿度稳定≈62%。这是因为随着夜幕降临,温度降低,但水库的湿度是维护,因为它仍然是孤立的从外面。光周期打开灯时,温度急剧增加,最大达到25.5°C,湿度下降显著,最低不低于38.8%(数据10和11)。光散发的热能是引起这种变化。光周期时关掉灯,我们看到温度开始下降,湿度开始再次上升。

我们还可以看到温度和湿度的变化,当温度达到25°C(图的极限10和表2)。这是因为我们已经配置了一个自动化,打开通风系统和制冷系统在储层内的温度传感器检测到的温度等于或更高,25°C。当这种情况发生时,温度突然下降低于25°C和通风和制冷系统停止(因为现在的温度是低于阈值,触发)。这一系列的事件让我们看到这个图表上看到形状。

通风和制冷系统开启时,他们达到他们的目标,但我们看到,气温下降太多(达到跌幅超过1°C),所以下降的力量应该考虑制冷系统。

我们也看到这些系统被激活时湿度变化太多,可能会影响植物的健康的东西,所以这将会是很有趣的,尽量不要激活通风系统和制冷系统。

这些结果也帮助我们看看配置自动化已经成功激活了通风和制冷系统。

的数据有限公司₂传感器(图12)是来自外部的水库。传感器外,因为控制器无法读取数据从传感器放置在的时候。我们正在调查这个问题,但最可能的原因是,额外的连接器互连水库内的传感器与控制器放在外面,腐蚀信号电缆的长度。出于这个原因,我们决定测试的传感器读数从办公室水库在哪里放置测试传感器本身。

如图表所示,我们可以看到ppm(百万分之)有限公司₂在空气中增加当人在办公室里工作。工人的呼吸和电脑是造成这一增长。当午餐时间,办公室空了,水平有限₂减少到最低限度的774 ppm,增加午餐时间结束时,达到1420 ppm。在18:00,所有人离开办公室,和电脑,导致有限公司₂水平降低,达到502 ppm传感器前关闭(表3)。考虑的情况下传感器测试,获得的数据是你期望的,所以应该没有问题正确地实现它一旦读数误差问题已经解决。

土壤湿度的数据(图13)拍摄的时间间隔大约两天半。最近浇水,它始于土壤水分的100%。快速初始土壤水分的减少是由于热引起的光。光周期关掉灯时,土壤水分减少更慢。当土壤水分低于50%,大约降低减慢和热的光并不影响像一开始那样因为土壤的表面已经干燥,而土壤水分保持在它的下面。

5。结论

这种系统设计允许我们的方法种类繁多的情况下,使它的一个很好的办法,监视和控制作物。它可以适应最常见的必需品,是易于配置和部署,相对便宜,小功率的。此外,根据获得的数据,我们可以提高自动化系统通过修改所有光周期,达到更好的效率。

尽管系统自动化是一个很好的解决方案和监测作物,它有其局限性。连接器的数量是有限的,即使用户可以配置连接每个传感器,根据其通信协议,它必须连接到一个兼容的连接器。此外,所有传感器的电源必须5 V,因为它是连接器提供的电压。

另一个需要考虑的因素是,如果有很多控制器,协调人的数量应该增加。如果一个协调员太多了控制器的控制下,该系统将减缓由于控制器的通信是按顺序进行。

但另一方面,用户可以调整系统的必需品。由于设备是低动力,它可以被附加到小电池和便携式太阳能电池板和轻松。即使描述的局限性,可以应用于系统的定制是高于提到的其他类似的系统。例如,您可以配置控制器连接只有一种类型的传感器,如土壤水分传感器,或者配置使用几种不同的传感器,像我们一样在我们的测试。用户只需要等待协调员执行自动配对过程建立与控制器通信附近,然后配置系统,他希望用图形用户界面设计的虚拟仪器。

此外,配置自定义光周期和自动化为用户自定义日程安排在一个简单的方法是系统自动化的核心作物和实现更好的性能比市场上的其他系统。

现在,测试的结果与蓝莓是令人满意的。成长阶段完成后,现在,下一步光周期发生了变化,植物的开花阶段,应该开始种植水果。尽管如此,我们注意到一些东西。首先,土壤水分传感器精度已经失去了自从他们第一次实现。检查传感器后,似乎精度下降的原因是由于电解腐蚀。这是由于传感器总是启动,所以博览会潮湿的环境会导致这种效果(27]。为了解决这个问题,最好的解决方案是关机传感器时不采取任何测量。

我们已经注意到另一个效果,是蓝莓的叶子上的红肿。这是由于灯具及其红外LED的距离。植物的变化它的叶子的颜色来适应环境条件。把树叶红使红外组件的光被拒绝。为了解决这个问题,我们将灯具远离植物及其光谱范围将管理控制器(灯具有这个功能)。

电缆的长度,连接传感器和控制器也是照顾,因为它会影响数据的可靠性,尤其是模拟传感器像土壤水分传感器。一个传感器,尤其影响是有限公司₂看来,传感器,由于电缆的长度和额外的水库的连接器,数据不能正常到达控制器,导致阅读错误。

未来的改进,除了解决发现的问题,我们添加更多的传感器有更好的精度,像一盏灯微克分子传感器或传感器等系统的维护大量传感器,目的就是使这一项目解决方案在各种各样的情况下有不同的需求。

数据可用性

审查者可以在web页面获取更多信息https://venalsol.com/es/content/ledcultivo-innovacion。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项工作是支持的我+ D +项目的Generalitat Valenciana,西班牙(时间/ 2018/010)。