基于STM32的智慧土壤監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

摘要：為了實(shí)現(xiàn)更精確、更智能、常態(tài)化的土壤成分檢測(cè)，設(shè)計(jì)了一種可靠、便利的智慧土壤監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)是利用STM32F103單片機(jī)連接氮磷鉀、土壤PH、電導(dǎo)率傳感器以及溫濕度傳感器綜合檢測(cè)土壤的當(dāng)前狀態(tài)。該監(jiān)測(cè)裝置一方面利用傳感器檢測(cè)土壤的各項(xiàng)指標(biāo)，另一方面利用Wi-Fi通信模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，把從STM32主控芯片傳輸?shù)臄?shù)據(jù)傳送到騰訊云服務(wù)器，從而在農(nóng)田與專家之間搭建一個(gè)溝通的橋梁，實(shí)現(xiàn)智慧農(nóng)業(yè)。

關(guān)鍵詞：土壤檢測(cè)；STM32芯片；Wi-Fi通信；騰訊云服務(wù)器；智慧農(nóng)業(yè)

近幾年來，在素有“大蒜之鄉(xiāng)”的金鄉(xiāng)縣，由于長(zhǎng)期重茬種植，每臨近收獲季節(jié)大蒜會(huì)出現(xiàn)爛根、壞苗等現(xiàn)象，導(dǎo)致產(chǎn)量和品質(zhì)不斷下降。當(dāng)?shù)厮廪r(nóng)由于知識(shí)水平有限，不了解科學(xué)解決辦法，盲目大量施肥，不僅沒有起到良好效果，反而造成了土質(zhì)的進(jìn)一步破壞。同時(shí)由于種植方式為個(gè)體戶種植，蒜田狀況多元化，而有關(guān)農(nóng)業(yè)方面的專家人數(shù)也十分稀缺，指導(dǎo)方式也為傳統(tǒng)的線下指導(dǎo)，無法大規(guī)模普及。市場(chǎng)上現(xiàn)有的檢測(cè)裝置需耗費(fèi)大量人力，且在檢測(cè)常態(tài)化方面亦不易實(shí)現(xiàn)。為解決此問題，構(gòu)建了一種高效、便捷、有針對(duì)性的土壤監(jiān)測(cè)系統(tǒng)—智慧土壤云監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)不僅拓寬了傳統(tǒng)線下指導(dǎo)模式的局限性，而且讓大蒜種植更加精準(zhǔn)化，優(yōu)化了專家資源配置，減少了化肥、農(nóng)藥等農(nóng)資消耗，實(shí)現(xiàn)技術(shù)創(chuàng)新與產(chǎn)業(yè)振興同步共贏。

本系統(tǒng)采用 STM32F103C8T6 芯片作為核心處理器，無線通訊方式采用 Wi-Fi（無線保真）通信，系統(tǒng)將傳感器實(shí)時(shí)采集到的氮磷鉀、PH 值、土壤濕度、電導(dǎo)率等土壤參數(shù)信息傳送到騰訊云服務(wù)器，與專家系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中的土壤數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)和分析，最終將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及指導(dǎo)方案反饋給用戶。

1 智慧土壤監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)性能指標(biāo)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)主要是精準(zhǔn)實(shí)時(shí)地檢測(cè)土壤狀況，并將土壤參數(shù)傳輸?shù)狡脚_(tái)，由專家進(jìn)行分析評(píng)估，從而給出合理的施肥方案并反饋給農(nóng)戶，從而進(jìn)行有針對(duì)性的施肥，以解決大蒜減產(chǎn)問題。其設(shè)計(jì)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

1）將設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)優(yōu)勢(shì)發(fā)揮出來，使用戶可通過手機(jī)、電腦隨時(shí)查看蒜田的土壤參數(shù)。

2）主控芯片能實(shí)現(xiàn)對(duì)土壤各項(xiàng)參數(shù)的集中采集，保證系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行。

3）為了節(jié)省勞動(dòng)力，增設(shè)水泵電機(jī)和配肥電機(jī)，有手動(dòng)和遠(yuǎn)程控制兩種方式。

4）網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)在保障正常通信的情況下，盡可能地提升信息傳遞速率，保證用戶快速獲取指導(dǎo)信息。

5）在保證專用性需求的情況下，保證具有一定的可移植性，方便用于其它農(nóng)作物的土壤參數(shù)監(jiān)測(cè)管理。

1.2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

智慧土壤監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由電源模塊、主控模塊、土壤參數(shù)檢測(cè)模塊、通信模塊幾個(gè)部分組成。電源模塊采用 220 V 交流電通過變壓器變成 24 V，然后整形、濾波、穩(wěn)壓芯片獲得 12 V、5 V 和 3.3 V 的直流電，分別給繼電器線圈、土壤參數(shù)傳感器、Wi-Fi 通信模塊供電。系統(tǒng)中，各種土壤參數(shù)傳感器負(fù)責(zé)采集各種數(shù)據(jù)并傳送到主控芯片，主控芯片對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行接收并處理。一方面通過通信系統(tǒng)傳輸?shù)浇K端控制器或用戶，另一方面根據(jù)反饋信息可以手動(dòng)或遠(yuǎn)程操控完成對(duì)水泵和配肥電機(jī)的驅(qū) 動(dòng)控制，進(jìn)而完成對(duì)土壤環(huán)境參數(shù)的調(diào)控。系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)框架如圖 1 所示。

圖1 智慧土壤檢測(cè)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)，硬件電路主要包括主控制器 STM32F103C8T6 電路、傳感器接口電路、電機(jī)啟停電路和無線傳輸電路，各模塊之間相互配合，共同完成對(duì)土壤參數(shù)的檢測(cè)與反饋工作。

2.1 STM32主控模塊

本系統(tǒng)的主控芯片選用的是 STM32F103C8T6，一款基于 Cortex-M3 內(nèi)核的單片機(jī)，其電壓供電范圍為 2.0 V ～ 3.6 V，CPU（中央處理器）的最大工作頻率可以達(dá)到 72 MHz，具有接口多、功耗低、功能強(qiáng)大、性能穩(wěn)定等特點(diǎn)。豐富的外部接口，保障了系統(tǒng)的開發(fā)需要。其卓越的單周期乘法指令和硬件除法，以及優(yōu)先級(jí)可編程的中斷系統(tǒng)使其數(shù)據(jù)處理快、性能優(yōu)越。該芯片完善的功能模塊，極大簡(jiǎn)化了系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)并減少了外圍電路的成本。因此智慧土壤系統(tǒng)設(shè)計(jì)選用 STM32F103C8T6作為主控芯片能實(shí)現(xiàn)多個(gè)傳感器連接、控制設(shè)備的啟停、數(shù)據(jù)的無線傳輸?shù)认到y(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)的功能。

2.2 傳感器接口電路

土壤氮磷鉀測(cè)量傳感器采用的是恩賽電子公司生產(chǎn)的 PR-3000-TR-NPK-N01，該傳感器由電源模塊、變送模塊、溫度補(bǔ)償模塊、數(shù)據(jù)處理模塊等部分組成。用戶接口簡(jiǎn)潔、方便，可以測(cè)量土壤中氮磷鉀離子含量，測(cè)量量程分別為 0 ～ 500 mg/kg，0 ～ 20 000 mg/kg， 0 ～ 30 000 mg/kg，RS485 型傳感器，通過 MAX485 接單片機(jī)的 UART（通用異步收發(fā)器）3 口，其接口電路如圖 2 所示。

圖2 氮磷鉀傳感器485通訊引腳接線圖

PH 值傳感器采用的是 JXBS-3001-TR、電導(dǎo)率傳感器采用的是PR-3000-TR-EC-N01，都適用485協(xié)議 , 也通過 MAX485 與單片機(jī)的 UATR 口連接，其接口電路與土壤氮磷鉀測(cè)量傳感器的連接類似，這里不再贅述。

2.3 水肥控制電路

當(dāng)傳感器測(cè)試的數(shù)據(jù)經(jīng)平臺(tái)專家系統(tǒng)診斷后，根據(jù)反饋結(jié)果可以采用手動(dòng)方式或者遠(yuǎn)程操控方式啟動(dòng)水泵電機(jī)進(jìn)行灌溉，也可以同時(shí)啟動(dòng)配肥電機(jī)完成肥料的同時(shí)加配。水肥控制電路如圖 3 所示。單片機(jī)的信號(hào)通過光電隔離 TLP281 進(jìn)行隔離后再經(jīng)過 MMBTA06 三極管驅(qū)動(dòng)后控制直流 12 V 繼電器的通斷，進(jìn)而控制水泵電機(jī)的啟停。

2.4 無線傳輸電路

無線通信采用 ESP8266Wi-Fi 通信模塊。ESP8266 是上海樂鑫信息科技設(shè)計(jì)的低功耗 Wi-Fi 芯片，集成完整的 TCP/IP 協(xié)議棧和 MCU（微控制器），通過串口 AT 指令與單片機(jī)進(jìn)行通訊，具有成本低、使用簡(jiǎn)便、功能強(qiáng)大等特點(diǎn)。ESP8266 通信模塊接口芯片共有 8 個(gè)引腳，其引腳功能如表 1 所示。

表1 ESP8266Wi-Fi通信模塊引腳功能介紹表

正常工作時(shí)該模塊與單片機(jī)的接口電路如圖 4 所示，VCC 接 3.3 V 電源正極。UTXD D 引腳分別接單片機(jī) UART2 口的 PA2 與 PA3。其中 UTXD 為串行輸出端， URXD 是串行輸入端，完成URX成系統(tǒng)的串行通訊任務(wù)。當(dāng)使用串口調(diào)試時(shí)把模塊與下載器的 TXD 和 RXD 交叉連接 , 通過串口助手進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試。

引腳 CH_PD 為芯片通斷電控制，因需頻繁啟動(dòng)，連接 10 K 上拉電阻，方便進(jìn)行供電。

引腳 GPIO16 為 RST 外部復(fù)位引腳，連接 PA6 引腳，工作時(shí)保持高電平。

引腳 GPIO 0 外接一個(gè)按鍵，通過 10 kΩ 的電阻接 3.3 V 電壓，用于工作模式選擇，ESP8266 有兩種工作模式，當(dāng)按鍵按下時(shí)，GPIO 0 接地，此時(shí)為燒錄模式，不按則為 VCC，正常工作 ^[5]。

電路連接完成后，需將 GPIO 0 引腳懸空，通過串口調(diào)試助手發(fā)送 AT 指令，對(duì) ESP8266 進(jìn)行設(shè)置。發(fā)送 AT+CIPMUX = 0 設(shè)置為單路連接模式，再通過 AT+CIPSTART =“TCP”，“IP”，port 設(shè)置上報(bào)服務(wù)器，當(dāng)設(shè)備運(yùn)行后，會(huì)自動(dòng)向服務(wù)器發(fā)起 TCP 連接請(qǐng)求，成功并建立連接后，服務(wù)器端即可獲取客戶端鑒權(quán)數(shù)據(jù)，并做好數(shù)據(jù)通信準(zhǔn)備。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

如圖 5 所示，底層檢測(cè)設(shè)備通過互聯(lián)網(wǎng)將數(shù)據(jù)傳送到數(shù)據(jù)庫，有兩種通訊方式，一種是將下位機(jī)連接網(wǎng)關(guān)，然后與服務(wù)器實(shí)現(xiàn)連接，優(yōu)點(diǎn)是直接與網(wǎng)關(guān)連接 , 操作簡(jiǎn)單，連接穩(wěn)定，持續(xù)運(yùn)營(yíng)成本較低，但是存在網(wǎng)絡(luò)布線成本，需要檢測(cè)設(shè)備被網(wǎng)絡(luò)覆蓋。另一種方式為下位機(jī)通過物聯(lián)網(wǎng)卡等通過移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)直接與服務(wù)器相連接，這種方式的優(yōu)點(diǎn)在于可以不需要進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)布線，能夠擺脫地理位置的限制，但成本高，且連接可能存在不穩(wěn)定的情況。

綜合考慮，我們采用下位機(jī)通過網(wǎng)關(guān)與服務(wù)器相連接的方式，數(shù)據(jù)通過網(wǎng)關(guān)連接到數(shù)據(jù)上報(bào)接口，從而連接到服務(wù)器，服務(wù)器分為數(shù)據(jù)處理服務(wù)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)服務(wù)器，數(shù)據(jù)處理服務(wù)器主要用來處理下位機(jī)上報(bào)的數(shù)據(jù)，進(jìn)行用戶鑒權(quán)，同時(shí)判斷是否需發(fā)出警告信息，并將數(shù)據(jù)上報(bào)至數(shù)據(jù)存儲(chǔ)接口，最終保存至數(shù)據(jù)庫中。

數(shù)據(jù)處理服務(wù)器對(duì)性能要求更高，因此采用一主一副一備的設(shè)計(jì)，保證穩(wěn)定運(yùn)行，而數(shù)據(jù)庫采用一主一備的設(shè)計(jì)，保證數(shù)據(jù)安全。最終，用戶端通過APP或網(wǎng)頁端，訪問數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)。

下位機(jī)客戶端通過 ESP8266 串口 Wi-Fi 模塊， 連接至 Wi-Fi，通過互聯(lián)網(wǎng)上報(bào)至位于騰訊云的服務(wù)器，云服務(wù)器獲取數(shù)據(jù)后，通過用戶登錄的 User_ID 及 access_token 確定用戶身份，將其上報(bào)的數(shù)據(jù)分析，將數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫。

圖5 系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸架構(gòu)圖

接口服務(wù)器組采用一主一副一備的設(shè)計(jì)，主、副服務(wù)器組位于同一區(qū)域，當(dāng)主服務(wù)器出現(xiàn)超負(fù)載時(shí)，及時(shí)啟用副服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)分流，倘若主副服務(wù)器所在區(qū)域遭遇網(wǎng)絡(luò)障礙或其他故障，及時(shí)啟用不同區(qū)域內(nèi)的備用服務(wù)器，保證業(yè)務(wù)暢通。

數(shù)據(jù)庫采用單獨(dú)的服務(wù)器來保證在接口服務(wù)器切換時(shí)的可靠性以及與其他組件（如用戶面板，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等）的連通性，同時(shí)便于數(shù)據(jù)庫進(jìn)行備份。另設(shè)一臺(tái)物理服務(wù)器，將云服務(wù)器中的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)備份至本地，便于數(shù)據(jù)管理 ^[7]。

在線服務(wù)器單臺(tái)采用騰訊云 8 核 16 G 云服務(wù)器，保證足夠的數(shù)據(jù)吞吐能力，本地物理服務(wù)器采用 E5- 2651V2，24 核，128 G，ECC 內(nèi)存，同時(shí)增設(shè) RAID（磁盤陣列）1 保證數(shù)據(jù)可用性。

4 系統(tǒng)調(diào)試

首先給整個(gè)系統(tǒng)通電，系統(tǒng)對(duì)各個(gè)模塊初始化配置，電源燈亮表示通電正常。接著看 LED（發(fā)光二極管）屏幕顯示各數(shù)據(jù)是否精確，若顯示精確，則開始測(cè)試通信模塊是否能正常工作。

在安裝好 USB-TTL 模塊的驅(qū)動(dòng)程序后，接通設(shè)備，通過設(shè)備管理器查看模塊串口號(hào)，打開串口調(diào)試工具 XCOM，選擇模塊所對(duì)應(yīng)的串口號(hào)，其中默認(rèn)波特率為 115200，數(shù)據(jù) - 停止 - 校驗(yàn) - 流控：8-1-None-None， 勾選“發(fā)送新行”，點(diǎn)擊“打開串口”按鈕，然后發(fā)送 AT 指令，若串口打印亂碼后看到“OK”，則說明模塊此時(shí)進(jìn)入 AT 模式。和某些需要按鍵進(jìn)入 AT 指令模式的藍(lán)牙模塊不同，ESP8266 上電后就自動(dòng)運(yùn)行在 AT 指令模式下，極大簡(jiǎn)化了操作流程。

圖6 傳感器檢測(cè)結(jié)果對(duì)比圖

將氮磷鉀傳感器等插入到土壤中，打開電源，觀察 LED 顯示屏以及騰訊云服務(wù)器信號(hào)接入情況及土壤參數(shù)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)變化。當(dāng)向土壤倒入鉀肥水溶液時(shí)，若服務(wù)器顯示鉀含量明顯增高（如圖 6 所示），且系統(tǒng)發(fā)出提醒則證明系統(tǒng)各功能可正常運(yùn)行，即測(cè)試完成，其它參數(shù)的測(cè)試也類似。經(jīng)過上述測(cè)試，對(duì)中間調(diào)試過程中出現(xiàn)的問題及時(shí)進(jìn)行解決，測(cè)試結(jié)果分析如下：整個(gè)智慧土壤監(jiān)測(cè)系統(tǒng)基本實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、遠(yuǎn)程分析等功能，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)，完成了本次系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)語

本文給出了一種基于 STM32 單片機(jī)的智慧土壤監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，通過 STM32F103C8T6 單片機(jī)主控模塊、Wi-Fi 通信模塊、傳感器模塊等各個(gè)單元相互配合來檢測(cè)土壤的各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)，同時(shí)針對(duì)目前蒜農(nóng)對(duì)于蒜田土壤監(jiān)測(cè)及指導(dǎo)的需求，通過騰訊云服務(wù)器開發(fā)了專家系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，將檢測(cè)到的土壤數(shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)據(jù)庫進(jìn)行比對(duì)分析，從而有針對(duì)性的對(duì)蒜田進(jìn)行施肥指導(dǎo)。用戶可通過登錄網(wǎng)址實(shí)時(shí)查看土壤各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)對(duì)蒜田蒜苗生長(zhǎng)狀況的隨時(shí)監(jiān)測(cè)，讓每塊蒜田都能得到專業(yè)的守護(hù)，擺脫農(nóng)業(yè)專家傳統(tǒng)線下指導(dǎo)帶來的局限，實(shí)現(xiàn)真正的高效現(xiàn)代農(nóng)業(yè)。

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(注：本文轉(zhuǎn)載自《電子產(chǎn)品世界》2022年7月期)