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iGrow:松露灌溉控制和監(jiān)測

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資料介紹

描述

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

松露農(nóng)場由感染上述真菌的樹木組成。為了保持農(nóng)場健康，需要控制松露生長的土壤濕度。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。

我們的目標是開發(fā)一個脫離電網(wǎng)運行的系統(tǒng)，控制農(nóng)場的用水，并告知農(nóng)民可能需要補給它。我們稱這個項目為 Igrow！

Igrow 基礎(chǔ)設(shè)施讓農(nóng)民隨時了解水的狀況，并減少帶到現(xiàn)場的水量。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)測兩個水箱的水位。

系統(tǒng)總覽

Igrow 正在控制和監(jiān)測松露田的水量，因為它們通常位于供水有限的偏遠地區(qū)。有多個水箱，但只有一個有附近屋頂提供的雨水。Igrow 不斷計算 N 天的平均用水量，并檢查天氣預報以在您用完水之前發(fā)出警告。當需要運輸額外的水時，這會給用戶一個明確的通知。

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，用于測量二次儲水箱

Igrow 正在控制兩個水箱。為此，我們設(shè)計了兩個電子模塊。一個用于主澆水箱、用于開花的水箱和用于控制輔助儲水箱的模塊。

為了控制主澆水箱，開發(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 PCB 和代碼針對超低功耗進行了優(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 NRF24L01 測量和發(fā)送。模塊重新進入睡眠狀態(tài)。模塊電池壽命約為一年。為了使它真正“設(shè)置并忘記”，添加了額外的太陽能充電器電路。這可以實現(xiàn)無限的電池壽命。

二級儲水箱電子設(shè)備需要能夠?qū)⑺斔偷街魉洹?/font>出于這個原因，需要更大的能源，如 12V 汽車電池。考慮到這一點，Igrow 二級儲罐電子設(shè)備設(shè)計為由更大的 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 Igrow 系統(tǒng)的“大師”。它本身測量二級儲水箱的水位，并通過NRF24L01模塊監(jiān)聽主水箱模塊發(fā)送的水位信息。此外，它使用 GSM 模塊 SIM800L 和 GPRS 連接到 Igrow 服務器。

主花槽水位測量自定義模塊

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帶有太陽能電池和少量測試傳感器的封裝自給自足模塊

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發(fā)射機通信 (GPRS)

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SIM800L GSM 模塊用于與 Igrow 服務器通信

使用 SIM800L 模塊建立 wan 通信。它建立GPRS并使用http協(xié)議通過服務器進行通信。現(xiàn)場模塊中插入了預付費 SIM 卡。在設(shè)定的時間間隔內(nèi)，GPRS 會話在 GSM 現(xiàn)有網(wǎng)絡上建立。系統(tǒng)的基本狀態(tài)使用 POST 命令發(fā)送到服務器。如果服務器響應成功，則返回來自 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

對于 Igrow 定制模塊電源，我們實施了鋰離子電池。它提供 4.2-2.5V，使用升降壓轉(zhuǎn)換器進一步調(diào)節(jié)至恒定的 3.3V。重要的子部分是使用 DW01 IC 保護電池免受過流、過壓和欠壓事件的鋰離子保護。在任何這種情況下，電路板的電源都會被切斷。此外，充電功能是使用 TP4057 IC 實現(xiàn)的。這使我們能夠從 3-5v 太陽能電池板提供外部電源為電池充電。使用 2500mAh 鋰離子電池冗余預計將在幾個月到一年的范圍內(nèi)。

定制PCB上的DW01 IC

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使用太陽能電池的基于 TP4057 的簡單鋰離子充電電路

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水位

使用 SR04T 防水超聲波傳感器測量水位。每 16 秒進行一次測量，并由處理器重新計算。我們總共有兩個傳感器。一個位于澆水處，一個位于儲罐上。

用于水位感應的防水超聲波距離傳感器

模塊間通信收發(fā)器

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

NRF24L01模塊

后端

對于后端，我們在帶有 LAMP 堆棧的 Okeanos 教育平臺的虛擬機上建立了 linux 服務器。我們編寫了 PHP 腳本來從 SIM800 模塊獲取數(shù)據(jù)。發(fā)送器向服務器發(fā)送帶有數(shù)據(jù)的 HTTP POST 請求。后來的 PHP 腳本將發(fā)送的數(shù)據(jù)保存在 MySQL 服務器上。還創(chuàng)建了用于從服務器訪問數(shù)據(jù)以將其顯示在 UI 上的 PHP 腳本。

Ubuntu 服務器 16.04.3

MySQL

在 MySQL 中，我們制作了多個表來處理傳入和傳出發(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)。對于系統(tǒng)的不同設(shè)置，還有額外的表格。