农业物联网 系统开发案例

联合国预测,到2050年世界人口将达到近100亿,高于目前居住在全球的近80亿人。如果这些预测成立,我们的星球将很快每天再喂食2,000,000,000个口。获得营养丰富且价格合理的食品,如水果,蔬菜和坚果,对于健康的人口免于饥饿至关重要。值得庆幸的是,人类有几千年的园艺经验,可以从中汲取经验教训。
“园艺是定义的。。。作为采用特殊技术和方法培育植物的科学,包括用于适当调节土壤种植或种植块茎的方法。园艺领域包括种植,植物繁殖,植物育种,作物生产,植物生理学以及生物化学和基因工程,“由DifferenceBetween.net解释了一篇题为”农业和园艺之间的差异“的文章。换句话说,周末战士园艺师可以从事园艺的艺术和科学。
传感器技术和相关嵌入式电子技术的进步大大降低了成本。现在,即使是只拥有一点“自己动手”精神的兼职温室园丁,也可以有权远程监控他/她的花园。该项目将为设备设计一个这样的设计。目标是使几乎所有具有基本电子和软件技能的人都能够构建这种监控系统

了解环境和土壤质量

无论是专业的园艺师还是业余园丁,了解环境质量和土壤质量都是做出明智决策所必需的,这些决策会影响植物性食品的质量,营养价值和产量。必须监控的一些关键变量包括:

温度

极高和极低的温度会对植物的健康产生不利影响。高温可导致光合作用和呼吸过程的不平衡,这可导致植物窒息。相反,低温会导致植物细胞冻结,从而抑制植物获取营养。

湿度

高相对湿度水平防止植物蒸发水作为其蒸腾过程的一部分。它还可以防止植物从土壤中吸收养分。如果允许这些条件继续,植物可能腐烂或遭受细菌或霉菌感染。

水分含量

土壤中的水量必须保持在理想植物生长的最佳水平。太多的水会导致根部腐烂,从而阻止植物从土壤中提取氧气。太少的水分和养分不能在植物中循环。

pH值

如果你从化学课上回忆起来,pH标度是一种表明物质酸度或碱度的方法。对于诸如柠檬汁的酸,标度范围从0.0到对于诸如碱液的碱,范围从14.0。pH值为7.0被认为是中性的。虽然理想的pH值水平因植物而异,但土壤的最佳pH值在5.5到7.0之间。

CO 2水平

所有类型的植物都吸收二氧化碳(CO 2)作为光合作用过程的一部分,以便从水和CO 2合成食物。反过来,氧气作为副产物被释放出来。至于其他因素,过多或过少的CO 2可以对植物的生长和健康的不利影响。作为参考,250至350ppm被认为是室外周围环境中的正常浓度。空气流通良好的室内环境应该浓度为350至1,000ppm。

物料

该项目设计使用MicrochipXplained板系列,它是快速原型设计的理想选择,还有一套传感器,可以让系统监控上一节中概述的五个环境因素。这些传感器包括:

材料清单

表1列出了物料清单(BOM)。或者,您可以从Mouser的预建购物车中取出所需的所有零件。在本出版物发布时,BOM约为240美元。
表1:物料清单。

数量

Mouser P / N.

描述

原型P / N.

1 556-ATMEGA328PBXMIN 开发板和工具包 - AVR ATMeGA328PB评估套件 U1
1 932-MIKROE-1769 Wi-Fi开发工具(802.11)WiFi3单击 J5
1 932-MIKROE-1978年 温度传感器开发工具天气点击 J2
1 485-4026 STEmmA土壤传感器 - I2C电容式湿度传感器 J1
1 426-SEN0249 模拟矛尖pH传感器/仪表套件(用于土壤和食品应用) J4
1 426-SEN0219 模拟IR CO 2传感器 J3
1 854-ZW-MM-20 Jumper Wires ZipWire MI-MI 20cm 40 UnzippWires x20cm N / A
1 485-757 4通道双逻辑电平评估板 U2

资源

计算资源

硬件源文件

Eagle™计算机辅助设计(CAD)原理图和电路板文件包含在GitHub硬件文件夹中,供那些希望重新混合项目以满足其个性化需求的人员使用。对于制造商而言,可以通过简单的Google®搜索找到免费版的Eagle CAD 。

软件文件

Microchip Xplained电路板可使用Atmel Studio 7进行编程。除了器件供应商提供的预构建库外,该项目还需要其他四个文件。第一个是在Microchip Xplained电路板上运行的固件文件。我们还将创建一个头文件(.h)文件来存储例如密码和应用程序编程接口(API)按键,这是一件事应避免在GitHub上整个世界共享任何敏感数据®。最后,需要两个库文件以允许Xplained板与CO 2传感器进行交互。所有四个文件都将驻留在GitHub软件文件夹中。

图像文件

原理图和3D打印机文件的任何可视图像或屏幕截图都将驻留在此文件夹中,供那些无权访问或需要查看原始源文件的人使用。

工具

最后,我们建议您在完成项目时随时使用这些工具:
  • 剥线钳
  • 数字万用表
  • 尖嘴钳

概观

本项目中使用的传感器板以两种方式与Xplained微控制器板通信:通过数字化利用内部集成电路(I 2 C)串行通信协议或通过微控制器模拟到数字读取的模拟信号转换器(ADC)。

STEMMA土壤湿度传感器

通过I 2 C进行通信。传感器测量两个探头和报告之间的电容差异,并根据土壤的水分含量具有300至500的整数值。

BME280温度传感器

通过I 2 C进行通信。它报告一个浮点数,其度量单位为摄氏度。使用以下公式将该值转换为华氏度:

BME280湿度传感器

通过I 2 C进行通信。它报告一个浮点数,其中包含相对湿度百分比的度量单位。

SEN0249土壤pH传感器

传感器的输出是0到5V DC的模拟信号。pH是无单位量度,范围从0到14.计算pH值的公式为:
电压= ADC×(5V / 1,024)
其中ADC是微控制器连接到pH传感器的ADC引脚读取的值。
该公式假设微控制器具有5V工作电压和10位ADC。如果您使用具有不同工作电压和/或ADC分辨率的替代微控制器,则可能需要调整这些数字。然后计算pH值:
pH值=(3.5×电压)+偏移
偏移量是在用于pH传感器校准过程确定的变量。请注意,此传感器必须每两小时重新校准一次。在DFRobot站点查找有关校准过程的更多信息

MG-811 CO 2传感器

传感器的输出是0到5V DC的模拟信号。测量单位是CO的浓度2百万分之几(ppm)表示。以下公式用于将模​​拟电压值转换为以ppm 为单位的CO 2浓度:
电压= ADC×(5V / 1,024)
其中ADC是微控制器连接到MG-811 CO 2传感器的ADC引脚读取的值。
该公式假设微控制器具有5V工作电压和10位ADC。如果您使用具有不同工作电压和/或ADC分辨率的替代微控制器,则可能需要调整这些数字。如果计算出的电压小于0.4V,则传感器尚未充分预热,此时不应发生读数。一旦电压升至0.4V以上,以下公式可用于计算最终的CO 2浓度:
CO 2浓度(ppm)= [(电压-0.4)×5000] / 1.6

建设电子产品

组装这个项目非常简单(图1)。小面包板很有用,因为有两个设备需要访问I²C串行通信总线。开发板的优点是它们带有所需的上拉电阻,可以使I²C总线工作。但是,如果您制作集成这些器件的定制印刷电路板(PCB),请记住串行数据线(SDA)和串行时钟线(SCL)线上的电阻。有关I 2 C自定义的更多提示,请查看Mouser的芯片到芯片:使用I 2 C Bench Talk博客的提示
该接线图说明了工厂健康监测系统中的所有传感器连接。

图1:该接线图说明了工厂健康监测系统中的所有传感器连接。

STEMMA土壤湿度传感器

  1. 将4线JST电缆组件插入信号发射器板上的JST连接器
  2. 将传感器的V in(红线)引脚连接到面包板的5V导轨。
  3. 将传感器的GND(黑线)引脚连接到面包板的接地(GND)导轨。
  4. 将传感器的SDA(白线)引脚连接到Xplained板的SDA引脚。
  5. 将传感器的SCL(绿色线)引脚连接到Xplained板的SCL引脚。

Mikro Weather点击BME280温度和湿度传感器

  1. 将一组母头连接到Mikro Weather点击传感器板上。
  2. 将5V引脚的电线放到面包板的5V导轨上。
  3. 从GND引脚到面包板的GND轨道放置一根导线。
  4. 将传感器的SDA引脚连接到Xplained板的SDA引脚。
  5. 将传感器的SCL引脚连接到Xplained板的SCL引脚。

SEN0249土壤pH传感器

  1. 将3线JST电缆组件插入信号发射器板上的JST连接器。
  2. 将信号发射器板的GND(黑线)引脚连接到面包板的GND轨。
  3. 将信号发射器板的+ V(红线)引脚连接到面包板的5V导轨。
  4. 将信号发射器板的模拟输出(蓝线)引脚连接到Xplained板的A0引脚。

模拟红外CO 2传感器

  1. 将3线JST电缆组件插入信号发射器板上的JST连接器。
  2. 将信号发射器板的GND(黑线)引脚连接到面包板的GND轨。
  3. 将信号发射器板的+ V(红线)引脚连接到面包板的5V导轨。
  4. 将信号发射器板的模拟输出(蓝线)引脚连接到Xplained板的A1引脚。

WiFi 3单击Board和Bidirectional Logic Converter Board

  1. 将双头焊接到双向转换器板的每一侧。
  2. 将转换板的HV引脚的电线放到面包板的5V导轨上。
  3. 将转换器板的LV引脚上的电线连接到Xplained微控制器板的3V引脚。
  4. 将电路板从转换板的GND引脚放到面包板的GND轨道上。
  5. 将微控制器的PD2引脚上的电线连接到转换器板的B1引脚。
  6. 将转换板的A1引脚上的电线放到WiFi 3咔嗒板的RX引脚上。
  7. 将微控制器PD3引脚的导线插入转换板的B2引脚。
  8. 将转换板的A2引脚的电线放到WiFi 3咔嗒板的TX引脚上(图2)。
植物健康监测项目的示意图捕获提供了所有必要连接的易于概述的概述。

图2:植物健康监测项目的示意图捕获提供了一个易于理解的所有必要连接的概述。

Microchip Xplained Board

  1. 将5V引脚的电线放到面包板的5V导轨上。
  2. 从GND引脚到面包板的GND轨道放置一根导线。
  3. 将micro USB线插入Xplained板的micro USB端口。
  4. 将另一端USB电缆(A型端口)插入计算机的USB端口。

软件

在本节中,我们将详细介绍项目的软件方面。这将包括Microchip Xplained电路板所必需的固件和支持文件,以及Web浏览器中Medium One沙箱的设置。请务必下载最新版本的Atmel Studio 7图3)。
Atmel Studio 7对于固件编辑,项目特定需求以及调试等增强功能非常有用。

图3:Atmel Studio 7对于固件编辑,项目特定需求以及调试等增强功能非常有用。

设置Microchip Xplained Board固件

项目文件

表2列出了该项目的GitHub存储库中的Microchip Xplained项目文件:
表2:用于创建此项目的Microchip Xplained项目文件概述如下。

文件名

内容

sketch.cpp 此工作的项目特定代码存储在此文件中。它基于Medium One提供的示例,用于演示嵌入式设备如何与物联网(IoT)平台后端进行交互。
secretstuff.h 处理公开可用的项目时,始终存在泄露敏感数据(如密码或API密钥)的风险。我们可以改为创建一个未发布的头文件来存储这些信息,而不是将这些信息直接硬编码到固件中并且必须记住在每次“git commit”之前改变代码。请注意,我们在GitHub存储库中提供了头文件的示例。该示例名为mysecretstuff.h。在尝试编译计算机上的代码之前,请务必将文件重命名为secretstuff.h。
co2_sensor.h 这是为与CO 2传感器交互而编写的自定义头文件。头文件是声明函数和变量的位置。#include预处理程序指令用于在主sketch.cpp文件中包含此库。
co2_sensor.cpp 用于与CO 2传感器交互的源代码可在此文件中找到。

图书馆

预处理器指令#include允许我们将库添加到我们的项目中。这促进了代码重用; 除非你有非常具体的需求,否则不需要重新发明轮子。该项目使用以下库:
  • <PubSubClient.h>:此库允许使用Medium One消息队列遥测传输(MQTT)通信API。它通过减少我们与一系列函数调用的交互来处理使用协议的许多混乱细节。
  • <WiFiEsp.h>:Microchip Xplained主板具有板载Wi-Fi,可以直接与云中的Web服务进行交互。该库包含与Wi-Fi芯片组交互所需的所有代码。
  • <WiFiEspClient.h>:这将允许我们创建一个Web客户端(传输控制协议[TCP] / Internet协议[IP]层),该客户端又可以使用MQTT协议与Medium One IoT Web服务(应用程序层)进行交互。
  • <Wire.h>:h库提供与I 2 C硬件交互所必需的基础代码。BME280温度/湿度传感器和土壤湿度传感器通过I 2 C串行通信协议进行。特定于组件的库将基于此库构建,以便为其各自的部件提供功能。
  • <Adafruit_Sensor.h> and <Adafruit_BME280.h>:这些库提供与温度/湿度传感器交互所必需的支持功能。这些库可在此处下载。
  • <Adafruit_seesaw.h>:该库提供与STEMMA土壤湿度传感器交互的功能。这个库可以在这里找到。
  • "SoftwareSerial.h":h库允许在任何两个通用输入/输出(GPIO)引脚(RX和TX)上使用基于软件的串行通信通道。虽然没有硬件串口那么快,但它确实允许单独的串行通道进行调试并与Wi-Fi芯片组进行交互。
  • "secretstuff.h":此标头文件包含敏感信息,如Wi-Fi密码和Medium One密码和API密钥。请注意,此头文件由引号括起,而不是其他头文件使用的<和>。这是因为secretstuff.h头文件驻留在我们项目特定的固件文件夹中,而不是所有项目都可以使用的头文件库中。此文件位置使此头文件只能由项目的固件访问。

变量和常量

这些是您可能想要调整的变量,以适应​​您的特定设计选择:
  • static int heartbeat_timer = 0:即使传感器发生故障,也可确保微控制器与Medium One沙箱仪表板之间的通信连接的计时器。
  • static int sensor_timer = 0:跟踪自上一次传感器遥测数据包发送到Medium One仪表板以来的时间长度的计时器。
  • static int heartbeat_period = 60000:发送到Medium One仪表板的心跳信号之间的时间量(以微秒为单位)。
  • long lastReconnectAttempt = 0:上次连接时的计时器值的存储位置。
  • static int sensor_period = 5000:从传感器获取读数之间的间隔。
  • const float vref = 5.0:微控制器的工作电压,这是模数转换计算的基本验证。该电压可能需要使用3.3V工作电压微控制器进行调整。
  • const float phOffset = 0.0:偏移量添加到pH计算公式中。该值在pH传感器的校准过程中确定。
  • const int phSensorPin = A0:pH传感器连接的模拟输入(A0)引脚。
  • const int co2SensorPin = A1:CO 2传感器连接的模拟输入(A1)引脚。
关于const和static关键字的快速说明:
将const关键字放在变量类型前面可确保在执行期间不会更改值。实际上,创建一个常量而不是变量。const与#define的优点在于,由于变量是使用类型声明的,因此编译器确保在整个代码中遵守变量类型。
static关键字确保存储在变量中的值保持不变(除非代码特别更改),即使函数调用超出范围也是如此。当稍后再次调用该函数时,先前在静态变量中保存的值仍将存在,而不是声明和启动变量,就好像它是第一次调用该函数一样。

对象

  • SoftwareSerial soft(2, 3):这创建了一个软件定义的串行端口,其中微控制器2引脚用作RX引脚,微控制器3引脚用作TX。
  • WiFiEspClient wifiClient:这提供了一个对象,允许我们的代码与板载Wi-Fi芯片组进行交互。
  • PubSubClient client(server, port, callback, wifiClient):这建立了与Medium One的MQTT连接,从而允许我们的代码通过简单的函数调用与Web服务进行交互。
  • Adafruit_BME280 bme:这会创建一个与温度和湿度传感器交互的对象。
  • Adafruit_seesaw soilSensor:这创建了一个与STEMMA土壤湿度传感器交互的对象。
  • co2_sensor co2sensor:这将创建一个与CO 2交互的对象。

功能

  • void setup():第一个运行的功能将初始化所需的许多硬件和软件组件,如串行通信,Wi-Fi连接,传感器接口以及与GPIO的交互
  • void loop():这是将持续运行的功能的核心。注意确保主循环具有最少的代码,并且该功能被传递给专用功能,每个功能负责使该项目工作所需的各个任务。
  • boolean connectMQTT():此功能将Microchip Xplained电路板连接到Medium One MQTT服务器。
  • void sensor_loop():此功能处理轮询BME280环境传感器的温度和压力数据,并将其传输到Medium One沙箱仪表板。
  • float getPHlevel():此功能从pH传感器请求pH值。返回一个浮点数(从0.0到14.0)。
  • void heartbeat_loop():此循环为Medium One服务器提供心跳。心跳是一个持续重复的数据包,它使服务器知道我们的设备仍处于活动状态,即使没有数据可以通过也能够进行通信。这对于仅在现实世界中发生事件时传输数据的应用程序非常有用。

设置中一

Medium One(图4)为物联网开发人员提供了一个平台,他们的物联网设备可以通过这个平台与多个物联网设备进行通信和编译数据集。他们提供了一个关于他们服务入门的优秀教程:点击此处了解有关Medium One的更多信息。
Atmel Studio 7对于固件编辑,项目特定需求以及调试等增强功能非常有用。

图4:在Medium One沙箱中,注意进入中心仪表板的数据。可以从左侧导航栏访问密码和API密钥。
本指南将重点介绍如何防止我们在设置Microchip Xplained电路板时通过其MQTT API与Medium One进行通信时遇到的问题。我们的项目将利用Medium One的MQTT协议。MQTT是基于发布 - 订阅(发布/订阅)的消息传递协议。它位于TCP / IP协议之上。与Representational State Transfer(RESTful)API相反,MQTT需要集中式消息代理。因此,端点设备不能直接相互通信。这有利有弊。RESTful API依赖于客户端始终启动通信,而MQTT允许服务器推送数据,这要归功于pub / sub架构。RESTful设备可以直接相互通信。MQTT依赖于集中式消息代理(例如,云中的服务器)。
要设置Medium One沙箱:
  1. 通过使用部件号349-M1IOTPROTO购买价格低廉的一年许可证,在https://www.medium.one创建一个帐户 。
  2. 在其基于Web的用户界面的右上角创建一个新项目。然后,在激活新项目后:
  3. 请注意Medium One自动生成的一些重要信息,以便在固件中使用。具体来说,我们将此信息存储在secretstuff.h头文件中。关键信息包括:
    • 项目ID:此字母数字字符串是分配给此特定项目的唯一标识符。如果我们有多个项目托管在他们的Web服务中,它允许Medium One知道指导Microchip Xplained板环境数据的项目。
    • API密钥:这是一个自动生成的字母数字字符串,用于允许我们登录并使用Medium One的API服务。
    • MQTT ID:MQTT ID是Medium One生成的字母数字字符串。请务必注意,登录ID与MQTT ID不同。登录ID是最终用户创建的,人类可读的字符串(例如,“janedoe”)。我们需要的固件信息是MQTT ID而不是登录ID。考虑到每个项目可以有多个贡献者,这很重要。
    • 用户密码:这是由每个用户在为项目建立帐户时创建的。出于安全原因,它不会显示在任何地方,因此请务必记住此密码!
  4. 确定可从Medium One网站访问这些信息的位置:
  5. 设置→项目信息:这将显示项目ID。
  6. 设置→管理用户:这是可以找到登录ID和用户的MQTT ID的位置。回想一下,它是固件所需的MQTT ID,而不是登录ID。
  7. 设置→管理API密钥:这是查找API密钥的位置。
  8. Medium One MQTT服务器URL:mediumone.com
  9. TCP端口,可以是61619(不安全)或61620(安全)
  10. 选择屏幕右下角的“单用户实时事件流”窗口小部件选项。
  11. 使用下拉菜单选择要查看的用户。

    此步骤应创建一个监听数据的仪表板。如果可以看到绿色播放按钮,则单击它以开始收听。否则,如有必要,将有一个红色暂停按钮暂停Feed。如果仪表板工作,那么来自Microchip Xplained板的原始MQTT数据包应该开始在浏览器中显示。

  1. 确保Microchip Xplained电路板通过USB连接到计算机或通过交流(AC)插座墙壁电源供电。
  2. 请注意固件需要的其他两个关键信息:
  3. 设置仪表板以查看从Microchip Xplained电路板接收的数据。从仪表板屏幕:

项目入门

在开始之前,花些时间做一些测试和校准,然后开始监控您的园艺项目!

检查错误

将Xplained电路板连接到计算机并启动串行终端。您应该看到每隔几秒钟从屏幕上流下的各种传感器的遥测。如果没有,请检查是否有任何错误消息。一些常见错误包括:
  • 将电源和接地线反向传感器。
  • 将数据(SDA)和时钟(SCL)线反转到传感器。
  • 不要在Xplained微控制器板和WiFi 3点击板之间正确连接TX / RX引脚(通过双向逻辑转换器板)。一块板的TX引脚应连接到另一块板上的RX引脚。
  • 不向双向逻辑转换器板的低压(LV)侧提供3V电压。不向双向逻辑转换器板的高压(HV)侧提供5V电压。
  • 如果为设备供电,不确保电源可以提供至少1A的电流。

校准传感器

另一个非常重要的一点是需要校准传感器。尽管制造商有最好的意图,但是没有两个从装配线上下来的传感器完全相同:因此需要校准过程。一种常用方法采用电位计,当注入特定输入信号时,该电位计可将输出信号调节到规定的电压或电流。通常,电位计影响运算放大器的负反馈回路,这对于传感器装置是典型的。
校准不是一次性的前期活动。许多传感器都受到称为传感器漂移的现象的影响。随着时间的推移,操作环境或操作条件可能开始影响电路和输出信号,以至于相同的输入将随时间产生不同的输出。如果不加以控制,漂移将变得越来越糟。因此,至关重要的是要记住某些设备,例如工业,农业和园艺应用中使用的设备,可能具有数十年测量的预期使用寿命。确保按照制造商规定的方式和时间表进行校准对于安全可靠的系统操作至关重要。

创建图表

一旦数据流入Medium One仪表板,就可以使用数据创建图表和其他可视化,以便快速,一目了然地进行数据分析,以确保所有参数都在预期的公差范围内(图5)。
原始数据很棒,但可视化图表中的数据使数据易于分析和发现问题。

原始数据很棒,但可视化图表中的数据使数据易于分析和发现问题。

图5:原始数据很棒但是可视化图表中的数据使数据易于分析和发现问题。

继续设计

这是最后一个设计理念:由于这里的许多因素对植物健康有很大影响并且可能需要人为干预,因此建议对错误条件标志进行编码并使用原始遥测数据传输这些标志。此设计添加将需要一个双字节数据包来编码所有可能的错误条件,这将考虑每个传感器以及是否存在高或低条件,如下所示:
字节1

温度感应器

湿度传感器

CO 2传感器

pH传感器

温度低 温度高 湿度低 湿度高 CO 2
CO 2
pH值
pH值
0 1 2 3 4 6 7
 LSb(最低有效位)
字节2

湿度传感器

保留位以供将来使用

湿气
湿气
           
8 9 10 11 12 13 14 15
MSb(最重要的位)
在这些标志中的任何一个中放置“1”将指示“错误状态”检测。例如,0×0810将指示 pH警报和湿度警报。

结论

无论您是经验丰富的园丁还是刚开始,这个项目都可以为您提供创造理想和有效环境的方法,以种植植物进行消费或移植。传感器和物联网功能可以帮助您监控并根据需要进行更改,以帮助任何人获得绿色拇指。

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