基于GSM和Web应用并使用树莓派2与8051的实时自动灌溉系统

1. 引言

在全球范围内，近60百分比的土地用于农业，且农业消耗了地球上80百分比的可用水资源。用水量正在不断增加，自1950年以来用于不同用途的淡水使用情况如图1所示。

因此，经济地用水非常重要。本文介绍了一种使用树莓派2和8051单片机的自动灌溉系统。此前，已有许多系统通过自动设备来减少灌溉系统中的用水量，但均未针对实时应用开发。

本文介绍了关于实时灌溉系统的内容。实时系统中的主要问题是数据无法直接传输到网络上，因为农场位于偏远地区。因此，在本论文中，我们使用了两个控制器，其中一个控制器负责跟踪各个传感器的数据，并通过无线通信设备将这些数据传输到另一个控制器。

为了采集传感器的数据，我们采用了8051单片机。数据通过ZigBee收发器在两个控制器之间进行传输。树莓派2是另一个用于控制全球移动通信系统和网络应用的控制器。该系统为每个传感器设置阈值，当传感器超过其阈值时，系统将向用户发送消息，并在网络应用中显示。

2. 系统概述

2.1 树莓派2

树莓派2充当CPU，可连接显示器、键盘或触摸屏以及所使用的外设。树莓派2有多种型号可供选择。本文使用的是B型，其处理速度是之前其他型号的六倍。

树莓派2 B型配备了博通BCM2836处理器。BCM2836是一款高性能的基于ARM Cortex‐A7的四核处理器，工作频率为900兆赫，内存容量可达1吉字节。它具有40引脚的GPIO接口，用于将外部设备与处理器进行接口通信。通信介质包括I2C、CAN、SPI，在本项目中，全球移动通信系统（GSM）直接连接到GPIO的TRX和RXI引脚。

该树莓派2基于Raspbian操作系统运行。不同类型的树莓派使用不同的操作系统。Raspbian是一种基于Debian的开源操作系统，针对树莓派硬件进行了优化。该树莓派2包含基于OpenCV的图像处理库。

本项目使用Qt Creator创建应用程序。Qt Creator采用了C++、JavaScript和QML集成开发平台，是Qt图形应用程序开发软件开发工具包的一部分。它包含可视化调试器和农场设计器。Qt Creator为不同的操作系统使用不同的编译器：在Linux系统上使用GNU编译器中的C++编译器，在Windows系统上则可使用MinGW或MSVC，默认安装即可。

全球移动通信系统（Global System for Mobile communications）是一种用于传输语音和数据服务的数字蜂窝技术。全球移动通信系统采用时分多址（TDMA），并在两个频段上运行，即900兆赫或1,800兆赫频段。使用全球移动通信系统进行的数据传输和消息发送最高速度可达9.6千比特/秒。全球移动通信系统通过发送和接收引脚（TXI, RXI）及共地直接连接到树莓派2。全球移动通信系统的TXI引脚连接到树莓派2的RXI引脚，全球移动通信系统的接收引脚连接到树莓派2的发送引脚。

然后将通过GSM调制解调器向用户发送消息。用户必须登录网络应用来控制电机，或发送消息给控制器以停止电机。该系统为用户提供两种控制电机的方式：基于网络或通过消息。系统包含多个传感器节点，每个节点包含温度传感器、湿度传感器、水位传感器和电机。每个传感器节点将根据传感器和电机的范围进行布置。

通过使用这种灌溉系统，我们可以节约淡水。这类系统在当今十分必要，有助于减少用水量并促进作物生长。使用该系统可将农场淡水使用量减少近10个百分点。本文主要包含三个章节：系统概述、操作和系统实现。

2.2 传感器模块

温度传感器

传感器将一种能量转换为电能，此处我们希望感知周围环境的温度。为此，使用LM35作为温度传感器。LM35是一种集成温度传感器，其输出电压随温度呈线性变化。LM35的输出为模拟信号，通过模数转换器（ADC）将其转换为数字信号。经过ADC转换后的数字数据被送入8051单片机。

湿度传感器

土壤湿度传感器用于测量土壤湿度。在农业中测量土壤湿度有助于农民更高效地管理灌溉系统。在关键的植物生长阶段，农民使用较少的水来种植高质量的作物。该土壤湿度传感器可在所有类型的土壤中提供可靠的读数，并可安装在土壤表面或深层。此传感器测量的是体积土壤湿度含量，精度为±3%。

ZigBee收发器

ZigBee收发器用于无线地从一个地方发送或接收数据。在本项目中使用了两个ZigBee收发模块，其中一个连接到8051单片机，用于将传感器的跟踪数据发送到树莓派2，反之亦然。ZigBee以数据包的形式安全地发送或接收数据。它基于IEEE 802.15.4物理层和MAC层传输数据。其数据传输速率有多种，如250 kbps（@ 2.4 GHz）、40 kbps（@ 915 MHz）和20 kbps（@ 868 MHz）。

3. 操作

整个系统的框图如图6所示。该系统分为两部分，即传感器部分和控制部分。传感器部分包含8051单片机。该控制器持续读取连接到其上的所有传感器的传感器值。此处使用LM35作为温度传感器，其输出为模拟信号。因此，需要使用模数转换器将模拟信号转换为数字信号。湿度传感器用于检测土壤的湿度，同样水位传感器用于检测水位。

当电机处于开启状态时，传感器用于检测土壤中的水位。8051单片机持续读取所有传感器数据。这些采集到的数据通过ZigBee收发器传输到控制部分的处理器。我们将利用ZigBee收发器安全地、快速地发送或接收传感器数据。

控制部分由搭载BCM2836处理器和1GB内存的树莓派2组成。它通过连接的ZigBee收发器获取所有传感器数据。树莓派2通过GSM消息和网络应用控制农场中的电机。我们为每个传感器设置了一个阈值，当某个传感器超过其阈值时，用户将通过GSM调制解调器收到消息。此时，用户可以通过发送消息或Web选项来控制电机。

整个系统的操作通过图7所示的流程图进行说明。最初，每个传感器节点上的传感器读取其数值。单片机获取这些传感器数据并将每个传感器的读数与阈值进行比较。

如果任何传感器超过其阈值，将通过GSM向用户发送消息。在特定节点处，电机可在无需人为干预的情况下自动开启。用户还可以通过两种方式控制特定节点的电机：通过发送消息或使用网络应用。用户可通过手机向GSM调制解调器发送如mon或moff的消息来控制电机。在使用网络应用的情况下，用户通过IP地址登录并控制电机。

4. 系统的实现

系统的整个硬件套件如图8所示。树莓派2与鼠标、键盘、显示器以及组件连接，如图8所示。系统的实现通过使用Linux命令完成。在运行此应用程序时，该值

每个传感器获取的数据如图9所示。该系统的网络应用如图10所示。该网络应用包含带有IP地址的服务器名称。当用户想要控制系统时，可登录网页应用程序进行控制，或通过向GSM调制解调器中的SIM卡发送消息来控制。

5. 结论

该基于GSM和网络的实时灌溉系统可节约用于农业目的的淡水。该系统实时且高效地运行，用户可通过消息或网络应用程序轻松操作灌溉系统。该系统通过理解与分析土壤湿度和温度等土壤参数，实现对作物的自动浇灌。系统采用易于集成的无线 ZigBee收发器进行数据的发送与接收。所使用的控制器、组件和软件均面向实时应用。