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iGrow:松露灌溉控制和監(jiān)測(cè)

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資料介紹

描述

松露是一種與某些樹(shù)種共生生長(zhǎng)的真菌。更具體地說(shuō)，靠近樹(shù)根。此外，它們只能在非常特殊的土壤和供水受限的地方找到。這一切使它們生長(zhǎng)嬌嫩，非常珍貴。

松露農(nóng)場(chǎng)由感染上述真菌的樹(shù)木組成。為了保持農(nóng)場(chǎng)健康，需要控制松露生長(zhǎng)的土壤濕度。由于位置和缺少公共基礎(chǔ)設(shè)施，這部分通常具有挑戰(zhàn)性。

我們的目標(biāo)是開(kāi)發(fā)一個(gè)脫離電網(wǎng)運(yùn)行的系統(tǒng)，控制農(nóng)場(chǎng)的用水，并告知農(nóng)民可能需要補(bǔ)給它。我們稱這個(gè)項(xiàng)目為 Igrow！

Igrow 基礎(chǔ)設(shè)施讓農(nóng)民隨時(shí)了解水的狀況，并減少帶到現(xiàn)場(chǎng)的水量。這降低了耕作成本并減少了農(nóng)民的工作量。

系統(tǒng)概述以便更好地理解。系統(tǒng)正在監(jiān)測(cè)兩個(gè)水箱的水位。

系統(tǒng)總覽

Igrow 正在控制和監(jiān)測(cè)松露田的水量，因?yàn)樗鼈兺ǔＮ挥诠┧邢薜钠h(yuǎn)地區(qū)。有多個(gè)水箱，但只有一個(gè)有附近屋頂提供的雨水。Igrow 不斷計(jì)算 N 天的平均用水量，并檢查天氣預(yù)報(bào)以在您用完水之前發(fā)出警告。當(dāng)需要運(yùn)輸額外的水時(shí)，這會(huì)給用戶一個(gè)明確的通知。

數(shù)據(jù)流程圖

發(fā)射器模塊和傳感器

帶有 Arduino Mega 的 IoT 模塊原型版本，用于測(cè)量二次儲(chǔ)水箱

Igrow 正在控制兩個(gè)水箱。為此，我們?cè)O(shè)計(jì)了兩個(gè)電子模塊。一個(gè)用于主澆水箱、用于開(kāi)花的水箱和用于控制輔助儲(chǔ)水箱的模塊。

為了控制主澆水箱，開(kāi)發(fā)了小型低功率模塊。其核心是由鋰離子18650電池供電的atmega328p微控制器。整個(gè) PCB 和代碼針對(duì)超低功耗進(jìn)行了優(yōu)化。Atmega 主要處于掉電狀態(tài)，每 16s 喚醒一次。喚醒超聲波傳感器和 NRF24L01 收發(fā)器啟用。水箱通過(guò) NRF24L01 測(cè)量和發(fā)送。模塊重新進(jìn)入睡眠狀態(tài)。模塊電池壽命約為一年。為了使它真正“設(shè)置并忘記”，添加了額外的太陽(yáng)能充電器電路。這可以實(shí)現(xiàn)無(wú)限的電池壽命。

二級(jí)儲(chǔ)水箱電子設(shè)備需要能夠?qū)⑺斔偷街魉洹?/font>出于這個(gè)原因，需要更大的能源，如 12V 汽車(chē)電池。考慮到這一點(diǎn)，Igrow 二級(jí)儲(chǔ)罐電子設(shè)備設(shè)計(jì)為由更大的 6V+ 電源供電。這使我們能夠使用帶有超聲波傳感器和 NRF24L01、SIM800 收發(fā)器的 Arduino 大型板。Arduino mega 充當(dāng) Igrow 系統(tǒng)的“大師”。它本身測(cè)量二級(jí)儲(chǔ)水箱的水位，并通過(guò)NRF24L01模塊監(jiān)聽(tīng)主水箱模塊發(fā)送的水位信息。此外，它使用 GSM 模塊 SIM800L 和 GPRS 連接到 Igrow 服務(wù)器。

主花槽水位測(cè)量自定義模塊

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帶有太陽(yáng)能電池和少量測(cè)試傳感器的封裝自給自足模塊

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發(fā)射機(jī)通信 (GPRS)

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SIM800L GSM 模塊用于與 Igrow 服務(wù)器通信

使用 SIM800L 模塊建立 wan 通信。它建立GPRS并使用http協(xié)議通過(guò)服務(wù)器進(jìn)行通信。現(xiàn)場(chǎng)模塊中插入了預(yù)付費(fèi) SIM 卡。在設(shè)定的時(shí)間間隔內(nèi)，GPRS 會(huì)話在 GSM 現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)上建立。系統(tǒng)的基本狀態(tài)使用 POST 命令發(fā)送到服務(wù)器。如果服務(wù)器響應(yīng)成功，則返回來(lái)自 UI 的最新數(shù)據(jù)。處理此數(shù)據(jù)并調(diào)整硬件的內(nèi)部設(shè)置。

主花槽模塊電池管理

對(duì)于 Igrow 定制模塊電源，我們實(shí)施了鋰離子電池。它提供 4.2-2.5V，使用升降壓轉(zhuǎn)換器進(jìn)一步調(diào)節(jié)至恒定的 3.3V。重要的子部分是使用 DW01 IC 保護(hù)電池免受過(guò)流、過(guò)壓和欠壓事件的鋰離子保護(hù)。在任何這種情況下，電路板的電源都會(huì)被切斷。此外，充電功能是使用 TP4057 IC 實(shí)現(xiàn)的。這使我們能夠從 3-5v 太陽(yáng)能電池板提供外部電源為電池充電。使用 2500mAh 鋰離子電池冗余預(yù)計(jì)將在幾個(gè)月到一年的范圍內(nèi)。

定制PCB上的DW01 IC

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使用太陽(yáng)能電池的基于 TP4057 的簡(jiǎn)單鋰離子充電電路

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水位

使用 SR04T 防水超聲波傳感器測(cè)量水位。每 16 秒進(jìn)行一次測(cè)量，并由處理器重新計(jì)算。我們總共有兩個(gè)傳感器。一個(gè)位于澆水處，一個(gè)位于儲(chǔ)罐上。

用于水位感應(yīng)的防水超聲波距離傳感器

模塊間通信收發(fā)器

對(duì)于 LAN 通信收發(fā)器，使用 NRF24L01。主要開(kāi)花罐模塊包括升級(jí)的 100mw 傳輸功率版本，適用于數(shù)百米的露天范圍。無(wú)論模塊之間的距離如何，這對(duì)于實(shí)現(xiàn)可靠連接至關(guān)重要。模塊之間的通信是單向的，便于實(shí)現(xiàn)。每 16s 主開(kāi)花模塊喚醒并在空中發(fā)送數(shù)據(jù)包。Arduino mega 監(jiān)聽(tīng)并確認(rèn)數(shù)據(jù)包。解決方案可實(shí)現(xiàn)卓越的射程和最低的能源需求。

NRF24L01模塊

后端

對(duì)于后端，我們?cè)趲в?LAMP 堆棧的 Okeanos 教育平臺(tái)的虛擬機(jī)上建立了 linux 服務(wù)器。我們編寫(xiě)了 PHP 腳本來(lái)從 SIM800 模塊獲取數(shù)據(jù)。發(fā)送器向服務(wù)器發(fā)送帶有數(shù)據(jù)的 HTTP POST 請(qǐng)求。后來(lái)的 PHP 腳本將發(fā)送的數(shù)據(jù)保存在 MySQL 服務(wù)器上。還創(chuàng)建了用于從服務(wù)器訪問(wèn)數(shù)據(jù)以將其顯示在 UI 上的 PHP 腳本。

Ubuntu 服務(wù)器 16.04.3

MySQL

在 MySQL 中，我們制作了多個(gè)表來(lái)處理傳入和傳出發(fā)送器模塊的數(shù)據(jù)。一張表處理“狀態(tài)”數(shù)據(jù)，另一張?zhí)幚怼霸O(shè)置”數(shù)據(jù)。狀態(tài)數(shù)據(jù)從變送器獲取數(shù)據(jù)，設(shè)置數(shù)據(jù)從變送器獲取數(shù)據(jù)。對(duì)于系統(tǒng)的不同設(shè)置，還有額外的表格。

網(wǎng)頁(yè)應(yīng)用

Web 應(yīng)用程序包括每個(gè)用戶的登錄頁(yè)面，該用戶希望登錄到他的管理頁(yè)面。

登錄網(wǎng)站

然后，用戶會(huì)看到控制頁(yè)面，其中包含有關(guān)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的信息。最重要的是兩個(gè)水箱中的水位。UI 顯示每個(gè)水箱中的水百分比。該網(wǎng)站還使用 OpenWeatherAPI 顯示接下來(lái) 2 天的天氣預(yù)報(bào)。用戶幾乎沒(méi)有其他選項(xiàng)，例如設(shè)置所需的水位或手動(dòng)啟動(dòng)泵。

除了水 UI 還顯示 12V 電池狀態(tài)和帶有預(yù)測(cè)的推薦面板。其中一項(xiàng)預(yù)測(cè)是需要將額外的水輸送到田間的時(shí)間。