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。

松露農場由感染上述真菌的樹木組成。為了保持農場健康，需要控制松露生長的土壤濕度。由于位置和缺少公共基礎設施，這部分通常具有挑戰(zhàn)性。

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

Igrow 基礎設施讓農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。

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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。

數據流程圖

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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

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Igrow 正在控制兩個水箱。為此，我們設計了兩個電子模塊。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。

二級儲水箱電子設備需要能夠將水輸送到主水箱。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 二級儲罐電子設備設計為由更大的 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

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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。在設定的時間間隔內，GPRS 會話在 GSM 現(xiàn)有網絡上建立。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 的最新數據。處理此數據并調整硬件的內部設置。

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，使用升降壓轉換器進一步調節(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。

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

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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)送數據包。Arduino mega 監(jiān)聽并確認數據包。解決方案可實現(xiàn)卓越的射程和最低的能源需求。

NRF24L01模塊

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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 模塊獲取數據。發(fā)送器向服務器發(fā)送帶有數據的 HTTP POST 請求。后來的 PHP 腳本將發(fā)送的數據保存在 MySQL 服務器上。還創(chuàng)建了用于從服務器訪問數據以將其顯示在 UI 上的 PHP 腳本。

Ubuntu 服務器 16.04.3

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MySQL

在 MySQL 中，我們制作了多個表來處理傳入和傳出發(fā)送器模塊的數據。一張表處理“狀態(tài)”數據，另一張?zhí)幚怼霸O置”數據。狀態(tài)數據從變送器獲取數據，設置數據從變送器獲取數據。對于系統(tǒng)的不同設置，還有額外的表格。

網頁應用

Web 應用程序包括每個用戶的登錄頁面，該用戶希望登錄到他的管理頁面。

登錄網站

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然后，用戶會看到控制頁面，其中包含有關現(xiàn)場設備的信息。最重要的是兩個水箱中的水位。UI 顯示每個水箱中的水百分比。該網站還使用 OpenWeatherAPI 顯示接下來 2 天的天氣預報。用戶幾乎沒有其他選項，例如設置所需的水位或手動啟動泵。

除了水 UI 還顯示 12V 電池狀態(tài)和帶有預測的推薦面板。其中一項預測是需要將額外的水輸送到田間的時間。

系統(tǒng)儀表板概述

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消耗量計算

在設置中，用戶填寫有關他有多少松露以及他希望每天每株植物使用多少水的數據。用戶還添加有關屋頂尺寸的數據以進行系統(tǒng)預測。

收到數據后，系統(tǒng)會計算出水應該持續(xù)多少天，以及預計雨水會增加多少水。如上所述，天氣是從 OpenWeather 接收的。最后，直到水持續(xù)的天數顯示在第一頁的建議下。