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基于物联网的水培控制系统设计与实现

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田博严李强梁炜恒李统

摘要：恶劣的自然条件一直制约着西藏地区农业的发展，但很多地方引入的温室大棚起到了很好的弥补作用。文中尝试在室内水培种植模式的基础上引入物联网技术，以ZigBee作为室内传输协议，通过串口通信与STM32相连接，用GPRS网络与服务器进行信息交互，用户可以直接通过移动终端获取服务器数据，并实时远程测控农作物的生长环境状态，为西藏现有的农业增加了一种新的种植管理方式。实验结果表明，该模式不仅能够对水培各个环节进行有效控制，而且整体操作相对简单，在西藏地区具有一定的应用价值。

关键词：水培;物联网;ZigBee;GPRS;远程控制;加密

中图分类号：TP391;TN609;TN99文献标识码：A文章编号：2095-1302（2020）11-00-04

0引言

西藏海拔4000m以上的地区降雨量少，水源不足，年均温度低，作物生长期短，多数农作物在传统的种植方式下生长困难。因此，发展可以缓解现状的水培种植技术尤为重要。目前，西藏引入的温室种植技术很好地克服了气候问题，但仍存在环境不能精确控制、技术操作繁琐等不足，在一定程度上制约着西藏农业的可持续发展。随着物联网技术的成熟，如何精确控制农作物环境、提高农业信息化水平成为目前西藏农业研究的重大问题之一。

国外的水培技术被称为水耕栽培，所属范畴为无土栽培。水耕栽培的最早概念源自1840年无机质营养学说（Mineraltheory），该学说[1]认为植物的根可以吸收溶解在水中的无机质物。1859—1865年，德国科学家Sachs和Knop通过做植物的成分分析得知N、P、K、Ca、Mg、S、Fe为植物生长必要元素[2]，并以这些元素组成的化学物质溶解于水中，将植物根浸在溶液中实验水培技术，并获得成功。半个世纪以后，美国加州大学W.F.Gericke由生理试验的水耕改变为营养栽培的水培，并定名为水耕栽培[3]。第二次世界大战期间，美军在太平洋岛出现蔬菜供应困难，后采用水耕栽培技术从事生产。战后驻日美军也在东京设置了22公顷[4]的水耕栽培基地，故日本在水耕栽培技术方面有所发展。

我国水培技术的研究应用起步较晚，但生豆芽、种水仙这些较原始的无土栽培技术却有悠久的历史，近几十年才开始较正规的科学研究和生产实验。20世纪70年代后期，山东大学首先开始用蛭石栽培黄瓜、西红柿等，都取得了成功。20世纪80年代中期，进口的温室及无土栽培设施相继投产。随着改革开放的深入和人民生活水平的不断提高，蔬菜生产已经从过去的追求高产向优质且高产方向发展，人们对绿色无公害食品的呼声越来越高。在此形势下，无土栽培在全国各地蓬勃兴起，迅速从研究阶段进入生产阶段[5]。

综上所述，水培系统具有很大的发展空间，同时存在许多难题。本文采用Android平台客户端解析发送数据和ZigBee传输数据相结合的构思，使得水培系统具有了人力资源耗费少、获取水培信息效率高、控制简单等优点。以GPRS作为无线通信的基础，用户通过移动终端来实时获取水培的各项信息，并对相应设备进行控制，从而调控各项数据，或者在移动终端设置环境因子范围进行自控，实现较为智能的水培管理。

1系统总体设计

本文設计的最终目标是形成一个既可以在家庭小规模种植使用，也可以在大棚中大规模使用的物联网生态水培控制系统。其总体设计的要求是实现对水培过程中温度、湿度、光照、营养液成分的自动控制功能。在目前的操作过程中，水培过程中的温湿度可以通过温湿度传感器检测，但营养液浓度、二氧化碳浓度的检测较为困难，且检测仪器成本普遍较高。因此，本文通过APP控制本系统的所有基本功能。系统中的信号传输方式选用GPRS通信技术，因为目前该技术在我国的研究和开发相当成熟，且已广泛覆盖于家庭。近年来，随着智能手机和移动网络传输速度的飞速发展，智能手机已经非常普及。根据市场研究机构IDC发布的智能手机市场报告来看，2019年安卓手机占87%市场份额，故智能生态水培系统的移动终端我们基于Android系统的智能手机进行开发。系统总体设计架构如图1所示。

2系统硬件设计与实现

本系统的硬件设计主要是用STM32作为信息的枢纽，向上进行信息的交互，向下进行各种节点数据采集以及硬件工作控制。向上交互主要是借助GPRS传出信息到数据服务器;向下控制是STM32通过解析用户使用移动客户端发送到服务器再通过GPRS传输到STM32的数据后，通过控制继电器开关来达到控制外接光照、营养液供给装置的工作状态等目标。系统硬件架构如图2所示。

2.1单片机系统

单片机系统采用STM32F103单片机，其具有高性能、低成本以及超低功耗和高代码效率[6]等优点。STM32按内核架构可以分为多个系列，其中STM32F系列主要有“增强