Smart sensor for automatic drip irrigation system for paddy cultivation
S.R. Barkunan lowast;, V. Bhanumathi, J. Sethuram
Abstract :Agriculture needs 85% of the available freshwater and its requirement may increase in fu- ture. Hence, a system is needed to utilize water efficiently in agriculture. The modern drip irrigation system lessens a significant amount of water usage compared to the traditional methods. And some crops need variable amounts of water as it grow e.g. paddy. This paper proposes an automation of drip irrigation in which the smartphone initially captures soil image, calculates its wetness level and transmits the data onto the microcontroller through GSM module intermittently. The microcontroller decides the irrigation and sends the sta- tus of the field to the Farmerrsquo;s mobile phone. The system is tested for paddy field for over a period of three months. It is observed from the experimental setup, that it saves nearly 41.5% and 13% of water compared to the conventional flood and drip irrigation methods respectively.
Keywords: Android application ; Drip irrigation ; GSM module ; Smartphone and wireless sensor networks
1. Introduction
Water is a common and most abundant substance on the earth which is occurring naturally in the form of inorganic liquid. Agriculture is the most predominant activity in developing countries for food and other essential things used by living organisms to sustain and enhance their life. Agriculture uses 85% of available freshwater resources worldwide for cultivating the plants using traditional irrigation methods and it increases the demand for the water resources in day-to-day life as the population grows [1] . Tamilnadu has three distinct monsoons such as southwest, northeast and dry season and are prone to droughts. It is felt necessary to have a smart system for the efficient utilization of the available water. Farmers are also very much eager in adapting to the novel ideas and market forces. It is evaluated that agricultural yield has to reach 70% by 2050. The automation definitely brings out a remarkable achievement in future. In Tamilnadu, paddy constitutes 85.2% of total food grain production and it requires varying quantity of water at different growth stages. Flood irrigation is a technique that releases water until the entire field is covered, but the crop does not need that much amount of water during its entire growth span (i.e.) it requires only 50% and 25% of water in mid and early stages of cultivation compared to the fully grown stage. Hence drip irrigation is chosen to optimize the usage of water resources for improving the crop yield. The drip irrigation system is also known as micro irrigation which supplies water either directly to the root zone or soil surface through pressurized pipes, valves and drippers to make water drip slowly. Drip Irrigation system saves nearly 40–80% of water compared to traditional flood irrigation method. A general layout of drip irrigation system [2] is shown in Fig. 1 and drip irrigation based paddy cultivation [3] is shown in Fig. 2 . Drip irrigation saves a considerable amount of water from the initial preparation levels to harvest the paddy and it is found that 1.3 million litres of water are required for raising an acre of paddy under conventional flood irrigation method, whereas the drip irrigation system uses only about 0.4 million litres of water [4] . It is clearly seen that over the past ten years, there was a gradual decrease in the groundwater level and also poor monsoon existed. This necessitates automation in the irrigation system for effectively utilizing the water resources and most of the researchers are now concentrating on the automation of irrigation system.
Fig. 1. Drip irrigation layout.
Fig. 2. Drip irrigation in paddy cultivation.
An integrated site-specific irrigation controller with infield data feedback was proposed in [5] , which assists in making the irrigation decisions and real time monitoring of irrigation tasks through Bluetooth communication. A low cost micro- controller prototype system was designed to monitor the soil, canopy, air temperature, and soil moisture status of the crop fields using appropriate sensors. In [6] , PIC16F88 microcontroller was used to monitor the crop environments by collecting the data during the growing season. In [7] , the authors investigated the usage of mobile phone Short Messaging Service (SMS) to prepare irrigation schedule by sending drip run time advices to the irrigators in Australia. Microcontroller based drip irrigation system [8] was designed using a smart sensor to monitor the environmental conditions of the agricultural field. The germination of diseases was detected by continuously monitoring the weather conditions such as temperature, relative humidity and soil moisture, and it was intimated through buzzer. This system also analyzed the drip irrigation in real time by using the received physical parameter values from the agricultural field. An automated irrigation system [9] was developed to utilize the water resource in the agricultural field. In this, sensors were placed in the root zone of the crops to measure soil moisture level and temperature, and wireless information unit were used to transmit the measured data to the web server via the public mobile network. In [10] , the authors proposed an irrigation decision support system to manage the irrigation by evaluating the weekly irrigation needs of the plant using soil measurements and environmental parameters of the field through sensor nodes. It is seen from the literatures, that the soft computing techniques such as neural net- works, fuzzy logic, etc., were also applied to agricultural fields for predicting the corn yield under various irrigation types [11] , wheat pr
剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
水稻栽培自动滴灌系统智能传感器
S.R. Barkunan, V. Bhanumathi, J. Sethuram
摘 要 ：农业需要85%的可用淡水，其需求今后可能会增加。因此，需要一个系统来有效地利用农业用水。现代滴灌系统比传统方法减少了大量的用水量。 有些作物生长时需要大量的水。本文提出了一种滴灌自动化技术，智能手机最初捕获土壤图像，计算其湿度水平，并通过GSM模块间歇将数据传输到微控制器上。微控制器决定灌溉，并将田间状态发送给农民的手机。该系统对稻田进行了为期三个月的测试。实验结果表明，与传统的洪水灌溉和滴灌方法相比，该方法节约了近13%~41.5%的水。
关键词 ：安卓应用程序；滴灌溉；SM模块；微控制器；智能手机和无线传感器网络
1.引言
水是地球上常见和最丰富的物质，以无机液体的形式自然发生。农业是发展中国家用于维持和提高生物生命的粮食和其他必需品的最主要活动。农业利用全世界85%的可用淡水资源，利用传统的灌溉方法种植植物，随着人口的增长，它增加了日常生活中对水资源的需求[1]。泰米尔纳德邦有三个不同的季风，如西南、东北和旱季，并且容易发生干旱。人们认为有必要有一个智能系统来有效地利用可用的水。农民也非常渴望适应新的思想和市场力量。据评估，到2050年农业产量必须达到 70%，自动化必将在未来取得显著成就。在泰米尔纳德邦，水稻占粮食总产量的85.2%，并且在不同的生长阶段需要不同数量的水。洪水灌溉技术是在整个农田被覆盖之前释放水，但作物在整个生长过程中不需要那么多水，即与完全生长阶段相比，在培养的中期和早期阶段，它只需要50%和25%的水。因此，选择滴灌来优化水资源的使用，以提高作物产量。滴灌系统也被称为微灌，通过加压管道、阀门和滴管直接向根区或土表面供水，使水缓慢滴漏。滴灌系统比传统的洪水灌溉方法节约了近40%~80%。滴灌系统总体布局[2]显示在图1，滴灌水稻种植[3]显示在图2。
图1 滴灌布局图 图2 水稻栽培种的滴灌图
滴灌节省了相当数量从最初的准备水平到收获水稻的水，研究发现在传统的洪水灌溉方法下，种植一英亩水稻需要130万升水，而滴灌系统只使用大约40万升水[4]。过去十年来，地下水位逐渐下降，季风也很差。这就需要灌溉系统的自动化来有效地利用水资源。大多数研究人员现在集中在灌溉系统的自动化上提出了一种具有内场数据反馈的综合现场灌溉控制器[5]它通过蓝牙通信协助灌溉决策和实时监测灌溉任务。设计了一个低成本的微控制器原型系统，用于使用适当的传感器监测农田的土壤、冠层、气温和土壤水分状况。在[6]利用PIC16F88单片机对作物生长季节的数据进行监测。在[7]作者研究了手机短消息服务的使用，通过向澳大利亚的灌溉者发送滴灌运行时间通知来准备灌溉时间表。基于单片机的滴灌系统[8]采用智能传感器对农田环境条件进行监测。通过持续监测温度，相对湿度和土壤湿度等天气条件，检测疾病的萌发，并通过蜂鸣器进行提示。该系统还利用收到的农田物理参数值对滴灌进行了实时分析。自动化灌溉系统[9] 开发利用农业领域的水资源。在此过程中，传感器被放置在作物的根区以测量土壤湿度水平和温度，并使用无线信息单元通过公共移动网络将测量数据传输到Web服务器。在[10]作者提出了一种灌溉决策支持系统，通过利用土壤测量和环境参数评价植物的每周灌溉需求来管理灌溉，通过传感器节点的字段。从文献中可以看出，神经网络、模糊逻辑等软计算技术也被应用于农业领域，用于预测各种灌溉类型下的玉米产量[11]小麦生产[12] 以及对虾养殖池的水温[13]。图像处理技术也用于农业的各个领域。列出的一些应用程序[14,15,16] 采用图像处理，通过估算叶片颜色，测量叶片面积，确定土壤pH，计算必要的肥料量。
最近有一项研究工作，以开发一个Android应用程序与图像处理概念的农业，在[17]作者设计了一个系统来估计玉米叶片的氯植物含量。设计了一个基于Android的智能手机系统[18] 根据网络摄像头数据和生物医学信号监测驾驶员的嗜睡。开发了一个智能手机应用程序，用于使用手机中可用的音频硬件读取仿生传感器值[19]随着传感器技术和基于网络的信息技术的发展，无线传感器网络(WSN)在医疗保健应用、野生动物栖息地监测、军事应用、智能家居监测和精准农业等方面发挥着重要作用[20–22]。在[23]讨论了被动供电无线节点及其在无线射频识别和物联网领域的应用。在[24]提出了一种基于微控制器的远程执行单元(REU)结构，以降低生物医学传感器应用中无线无源节点(WPN)的功耗。在[25]作者开发了一种节能体系结构，特别是在环境监测、结构和医学等应用领域。基于WSN的聚类方法 [26] 用于咖啡种植园的害虫鉴定，提出了一个系统[27] 在低成本无线传感器网络的帮助下，监测农田害虫、土壤水分、干旱和洪水而造成的作物频繁变化。在[28]作者提出了一种在WSN的帮助下实时监测大规模降雨的系统，并在没有任何人为干预的情况下，以同步的方式定期传输记录的信息。在[29]作者提出了一种基于智能手机的灌溉系统，仅基于土壤的湿度，而不集中于其他环境参数。我们介绍了一种新的设计，基于温度，湿度，雨水平和光照强度，除了土壤的湿度。据作者所知，这一拟议的方法没有在文献的其他地方得到实施。
论文的其余部分组织如下：第2部分描述了所提出的系统的方法和工作模型。第3部分详细阐述了拟议方法中使用的组成部分和技术。第4部分讨论了所提出的智能灌溉系统的结果和分析。最后，第5部分结束工作。
2. 拟议的灌溉系统
一般来说，水稻种植的水分需求在整个寿命期间是不均匀的。只有50%和25%的水在种植的中期和早期阶段被利用，当它与完全生长阶段相比。高效灌溉不仅取决于作物栽培的需水量，还取决于农业田的环境因素。环境条件需要持续监测，因为土壤的温度、湿度、降雨量和含水量等因素将决定有效灌溉系统所需的水量。
本文提出了一种基于智能传感器的灌溉系统，该系统由ARM微控制器、智能手机、GSM模块、传感器单元和电机控制单元组成图3所示。传感器单元包括温度传感器，湿度传感器，光传感器和雨水传感器，通过采集农田中的温度，湿度，光照强度和降雨等物理参数，用于监测环境条件。开发了一种灌溉应用程序，用于从捕获的图像中确定土壤的湿度，并将其安装在智能手机中，该智能手机保存在室内一侧具有透明抗反射玻璃(TARG)介质的封闭室中。所提出的灌溉系统中的全球移动通信系统(GSM)模块用于在微控制器和智能手机之间发送和接收消息。基于从各种传感器接收到的数据，ARM微控制器通过控制电机单元来管理灌溉，并定期向农民更新信息。
图3 提出的基于智能传感器的灌溉系统框图
所提出的灌溉系统的整个工作流程如图4。最初，建议的灌溉系统是从Android应用程序捕获的土壤图像开始的，该图像安装在放置在封闭室内的智能手机中。应用程序将捕获的彩色图像转换为灰度图像，并计算转换后的灰度图像的直方图值。从直方图中，系统决定土壤是湿的，当灰度图像中存在的像素总数超过5000时，在像素强度在200左右时，不需要灌溉。否则，土壤是干燥的。并根据从与系统集成的传感器接收到的值作出响应。基于土壤的湿度和雨传感器输入，ARM微控制器通过电机控制单元操作电机，根据土壤含水量和传感器单元的输入，将所提出的灌溉系统的工作分为三大类。
类别如下：
（1）土壤处于潮湿状态，电机需要处于关闭状态。
（2）土壤处于干燥状态和降雨的可能性，电机需要处于关闭状态。
（3）土壤处于干燥状态，没有降雨的可能性，马达需要处于开启状态。
该系统连续捕获土壤图像和传感器输入，并通过在预定义的时间间隔内重复执行上述过程来管理农业领域。最后，灌溉过程的状态通过短信定期更新到农民的手机上。
图4 提出的基于智能传感器的灌溉系统的工作流程图
3 使用的组件和技术
温度传感器用于通过将物理参数转换为电压来寻找大气的温度。温度传感器产生的输出电压与瞬时温度线性成正比温度。在所提出的灌溉系统中，采用LM35DZ温度传感器，可以测量从minus;55°~ 150°C的温度。它工作在4~30V之间，线性地产生每摄氏度温度变化10mV的输出电压。温度传感器的模拟输出引脚连接到ARM微控制器中的模拟数字转换器(ADC)的输入。 图5给出了所提出的系统中使用的温度传感器的引脚描述。
图5 温度传感器
湿度传感器用于发现空气中存在水蒸气。相对湿度是通过调节传感器模块中的电位器来测量空气中水蒸气的数量的常用术语，其值与固定温度下的电阻量成反比。在所提出的灌溉系统中，采用HR202湿度传感器，在0~60摄氏度的温度下，在20%~95%的范围内感知相对湿度。它工作在3.3V~5V，它可以产生模拟和数字输出。湿度变化是由模块的数字输出监测，而传感器的模拟输出可以得到湿度的精确数值。图6用引脚描述显示了所提出的系统中使用的湿度传感器。
图6 湿度传感器
光传感器是将光能转换为电能的无源装置。光相关电阻器（LDR）是一种光传感器，它通过减小电阻来增加其导电性，从而增加光照。该灌溉系统采用ORP12硫化镉光导电池作为光传感器。通常情况下，电池的电阻非常高，对于一个黑点（无照明的空间），电阻大约为10米。对于一个亮点（完全照明的空间），它可以减少到100秒。图7显示了在所提议的系统中使用的光传感器。
图7 光传感器
降雨传感器用于现场降雨检测。该传感器具有雨情检测和控制模块两个模块。该控制模块能够同时产生模拟和数字输出，而数字输出用于检测降雨以及降雨强度，并且可以从模拟输出测量。雨探测板有两个单独的PCB轨道，尺寸为50x40mm。传感器板作为可变电阻，根据水落在板上的变化，即该值在100K欧之间，即在湿度和2M欧之间，说明是干的。在该系统中，使用了Elecmake的雨滴传感器模块PRD180。工作电压3.3V至5V，电流小于20mA。图8显示了所提出的系统中使用的雨传感器。
图8 雨水传感器
图9显示了所提出的系统中使用的LPC2148微控制器。 它是一种常用的IC，属于飞利浦制造的ARM7系列。对于初学者和高端应用开发人员来说，该控制器更经济可靠，因为它预装了几个固有的外围设备。一些重要的功能是8到40KB的片上静态RAM，32到512KB的片上闪存和128位宽接口允许60MHz的操作。微控制器的工作电压为3.3Vplusmn;10%(在3.0V至3.6V范围内)。
图9 LPC2148单片机
土壤图像处理是一种通过处理捕获的图像来检测土壤性质的技术。该技术根据土壤的湿性将土壤分为完全干燥到完全湿之间的不同类别。土壤中的湿度量是根据捕获图像的直方图分析来估计的。通常，从智能手机捕获的图像是彩色的，这是三种原色的混合，如红色、绿色和蓝色(R、G、B)。将捕获到的彩色图像按照灰度图像(GI)进行转换通过公式GI = 0.2989* R 0.5870*G 0.1140 *B.
直方图是在灰度图像的特定像素强度下计数像素数的过程，其值介于0到25之间。得到的直方图只显示干像素和湿像素之间的边缘差异。为了改善它们的差异，设置了捕捉具有相同光照背景的超白纸的图像，然后从灰度图像中减去。 不同湿度水平土壤的灰度图像如图所示图10其增强直方图的土壤图像显示在图11从直方图分析来看，土壤的湿度是由像素强度200内和周围的像素总数决定的。根据像素数，土壤分为六种不同的类型，如图12所示土壤的类别和土壤中存在的湿度百分比是：
bull; 没有湿含量-完全干燥的土壤
bull; 15%湿含量的干土
bull; 湿含量30%的条件湿土壤
bull; 60%湿含量中度湿土
bull; 湿含量95%湿土
bull; 100%湿含量完全湿土
图10 灰度图像
图11 灰度图像对应的直方图
图12 基于像素的土壤分类
该应用程序是在EclipseSDK3.6.2编译器中使用Java开发的，并将其转换为Android软件包apk文件。所开发的应用程序安装在智能手机中，该智能手机放置在一个紧密的盖子防水矩形内盒子的一侧有TARG，智能手机中的相机需要聚焦到TARG以捕捉土壤图像。在用户定义的时间间隔，应用程序激活智能手机的相机模块，并捕获用于估计土壤中水分含量的图像。该应用程序将RGB图像转换为灰度，并通过计算直方图来确定湿度的百分比。随后，湿度百分比通过GSM模块传输到微控制器，并将图像、土壤湿度百分比、日期和时间存储在智能手机内存中以创建日志文件。使用智能手机相机拍摄的图像及其湿度水平显示在图13，所设置的矩形TARG如图14所示。
图13 智能手机应用程序捕捉的图像
图14 TARG放置
4. 结果和讨论
该灌溉系统由ARM微控制器、传感器、智能手机、电机和GSM模块组成。在预定义的时间间隔内，智能手机捕获图像并通过GSM模块将土壤的湿度发送给微控制器。然后利用土壤湿度和土壤湿度来决定水对田间的必要性传感器值并通过短信将信息发送给农民。拟建灌溉系统控制模块如图15所示。土壤湿度，温度，湿度水平，光照强度，雨情状况，电机状况等环境条件见图16，并通过短信发送给农民手机的信息显示在图17。
在2016年3月，使用拟议的灌溉系统连续观察了农田的普遍气候条件,为期15天，其最大值和最小值以图的形式绘制，如图18和图19所示。在一英亩的稻田中对所提出的灌溉系统进行了测试，并计算了水稻生长不同阶段所需的水量将拟议灌溉的估计水量与现有灌溉系
剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
资料编号：[408475]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word
以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。
