基于STM32的智慧土壤監測系統

摘要：為了實(shí)現更精確、更智能、常態(tài)化的土壤成分檢測，設計了一種可靠、便利的智慧土壤監測系統。該系統是利用STM32F103單片機連接氮磷鉀、土壤PH、電導率傳感器以及溫濕度傳感器綜合檢測土壤的當前狀態(tài)。該監測裝置一方面利用傳感器檢測土壤的各項指標，另一方面利用Wi-Fi通信模塊進(jìn)行數據傳輸，把從STM32主控芯片傳輸的數據傳送到騰訊云服務(wù)器，從而在農田與專(zhuān)家之間搭建一個(gè)溝通的橋梁，實(shí)現智慧農業(yè)。

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

近幾年來(lái)，在素有“大蒜之鄉”的金鄉縣，由于長(cháng)期重茬種植，每臨近收獲季節大蒜會(huì )出現爛根、壞苗等現象，導致產(chǎn)量和品質(zhì)不斷下降。當地蒜農由于知識水平有限，不了解科學(xué)解決辦法，盲目大量施肥，不僅沒(méi)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(hù)種植，蒜田狀況多元化，而有關(guān)農業(yè)方面的專(zhuān)家人數也十分稀缺，指導方式也為傳統的線(xiàn)下指導，無(wú)法大規模普及。市場(chǎng)上現有的檢測裝置需耗費大量人力，且在檢測常態(tài)化方面亦不易實(shí)現。為解決此問(wèn)題，構建了一種高效、便捷、有針對性的土壤監測系統—智慧土壤云監測系統。該系統不僅拓寬了傳統線(xiàn)下指導模式的局限性，而且讓大蒜種植更加精準化，優(yōu)化了專(zhuān)家資源配置，減少了化肥、農藥等農資消耗，實(shí)現技術(shù)創(chuàng )新與產(chǎn)業(yè)振興同步共贏(yíng)。

本系統采用 STM32F103C8T6 芯片作為核心處理器，無(wú)線(xiàn)通訊方式采用 Wi-Fi（無(wú)線(xiàn)保真）通信，系統將傳感器實(shí)時(shí)采集到的氮磷鉀、PH 值、土壤濕度、電導率等土壤參數信息傳送到騰訊云服務(wù)器，與專(zhuān)家系統數據庫中的土壤數據進(jìn)行比對和分析，最終將監測數據及指導方案反饋給用戶(hù)。

1 智慧土壤監測系統總體設計

1.1 系統性能指標

系統設計目標主要是精準實(shí)時(shí)地檢測土壤狀況，并將土壤參數傳輸到平臺，由專(zhuān)家進(jìn)行分析評估，從而給出合理的施肥方案并反饋給農戶(hù)，從而進(jìn)行有針對性的施肥，以解決大蒜減產(chǎn)問(wèn)題。其設計主要體現在以下幾個(gè)方面。

1）將設備的遠程監測優(yōu)勢發(fā)揮出來(lái)，使用戶(hù)可通過(guò)手機、電腦隨時(shí)查看蒜田的土壤參數。

2）主控芯片能實(shí)現對土壤各項參數的集中采集，保證系統安全可靠運行。

3）為了節省勞動(dòng)力，增設水泵電機和配肥電機，有手動(dòng)和遠程控制兩種方式。

4）網(wǎng)絡(luò )通信系統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(hù)快速獲取指導信息。

5）在保證專(zhuān)用性需求的情況下，保證具有一定的可移植性，方便用于其它農作物的土壤參數監測管理。

1.2 系統總體設計

智慧土壤監測系統主要由電源模塊、主控模塊、土壤參數檢測模塊、通信模塊幾個(gè)部分組成。電源模塊采用 220 V 交流電通過(guò)變壓器變成 24 V，然后整形、濾波、穩壓芯片獲得 12 V、5 V 和 3.3 V 的直流電，分別給繼電器線(xiàn)圈、土壤參數傳感器、Wi-Fi 通信模塊供電。系統中，各種土壤參數傳感器負責采集各種數據并傳送到主控芯片，主控芯片對數據進(jìn)行接收并處理。一方面通過(guò)通信系統傳輸到終端控制器或用戶(hù)，另一方面根據反饋信息可以手動(dòng)或遠程操控完成對水泵和配肥電機的驅 動(dòng)控制，進(jìn)而完成對土壤環(huán)境參數的調控。系統的總體設計框架如圖 1 所示。

圖1 智慧土壤檢測系統總體設計

2 系統硬件設計

根據系統總體設計，硬件電路主要包括主控制器 STM32F103C8T6 電路、傳感器接口電路、電機啟停電路和無(wú)線(xiàn)傳輸電路，各模塊之間相互配合，共同完成對土壤參數的檢測與反饋工作。

2.1 STM32主控模塊

本系統的主控芯片選用的是 STM32F103C8T6，一款基于 Cortex-M3 內核的單片機，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到 72 MHz，具有接口多、功耗低、功能強大、性能穩定等特點(diǎn)。豐富的外部接口，保障了系統的開(kāi)發(fā)需要。其卓越的單周期乘法指令和硬件除法，以及優(yōu)先級可編程的中斷系統使其數據處理快、性能優(yōu)越。該芯片完善的功能模塊，極大簡(jiǎn)化了系統電路設計并減少了外圍電路的成本。因此智慧土壤系統設計選用 STM32F103C8T6作為主控芯片能實(shí)現多個(gè)傳感器連接、控制設備的啟停、數據的無(wú)線(xiàn)傳輸等系統需要實(shí)現的功能。

2.2 傳感器接口電路

土壤氮磷鉀測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、溫度補償模塊、數據處理模塊等部分組成。用戶(hù)接口簡(jiǎn)潔、方便，可以測量土壤中氮磷鉀離子含量，測量量程分別為 0 ～ 500 mg/kg，0 ～ 20 000 mg/kg， 0 ～ 30 000 mg/kg，RS485 型傳感器，通過(guò) MAX485 接單片機的 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(xiàn)圖

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

2.3 水肥控制電路

當傳感器測試的數據經(jīng)平臺專(zhuān)家系統診斷后，根據反饋結果可以采用手動(dòng)方式或者遠程操控方式啟動(dòng)水泵電機進(jìn)行灌溉，也可以同時(shí)啟動(dòng)配肥電機完成肥料的同時(shí)加配。水肥控制電路如圖 3 所示。單片機的信號通過(guò)光電隔離 TLP281 進(jìn)行隔離后再經(jīng)過(guò) MMBTA06 三極管驅動(dòng)后控制直流 12 V 繼電器的通斷，進(jìn)而控制水泵電機的啟停。

2.4 無(wú)線(xiàn)傳輸電路

無(wú)線(xiàn)通信采用 ESP8266Wi-Fi 通信模塊。ESP8266 是上海樂(lè )鑫信息科技設計的低功耗 Wi-Fi 芯片，集成完整的 TCP/IP 協(xié)議棧和 MCU（微控制器），通過(guò)串口 AT 指令與單片機進(jìn)行通訊，具有成本低、使用簡(jiǎn)便、功能強大等特點(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 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成系統的串行通訊任務(wù)。當使用串口調試時(shí)把模塊與下載器的 TXD 和 RXD 交叉連接 , 通過(guò)串口助手進(jìn)行系統調試。

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(guò) 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(guò)串口調試助手發(fā)送 AT 指令，對 ESP8266 進(jìn)行設置。發(fā)送 AT+CIPMUX = 0 設置為單路連接模式，再通過(guò) AT+CIPSTART =“TCP”，“IP”，port 設置上報服務(wù)器，當設備運行后，會(huì )自動(dòng)向服務(wù)器發(fā)起 TCP 連接請求，成功并建立連接后，服務(wù)器端即可獲取客戶(hù)端鑒權數據，并做好數據通信準備。

3 系統軟件設計

如圖 5 所示，底層檢測設備通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)將數據傳送到數據庫，有兩種通訊方式，一種是將下位機連接網(wǎng)關(guān)，然后與服務(wù)器實(shí)現連接，優(yōu)點(diǎn)是直接與網(wǎng)關(guān)連接 , 操作簡(jiǎn)單，連接穩定，持續運營(yíng)成本較低，但是存在網(wǎng)絡(luò )布線(xiàn)成本，需要檢測設備被網(wǎng)絡(luò )覆蓋。另一種方式為下位機通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)卡等通過(guò)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(xiàn)，能夠擺脫地理位置的限制，但成本高，且連接可能存在不穩定的情況。

綜合考慮，我們采用下位機通過(guò)網(wǎng)關(guān)與服務(wù)器相連接的方式，數據通過(guò)網(wǎng)關(guān)連接到數據上報接口，從而連接到服務(wù)器，服務(wù)器分為數據處理服務(wù)器和數據存儲服務(wù)器，數據處理服務(wù)器主要用來(lái)處理下位機上報的數據，進(jìn)行用戶(hù)鑒權，同時(shí)判斷是否需發(fā)出警告信息，并將數據上報至數據存儲接口，最終保存至數據庫中。

數據處理服務(wù)器對性能要求更高，因此采用一主一副一備的設計，保證穩定運行，而數據庫采用一主一備的設計，保證數據安全。最終，用戶(hù)端通過(guò)APP或網(wǎng)頁(yè)端，訪(fǎng)問(wèn)數據庫中的數據。

下位機客戶(hù)端通過(guò) ESP8266 串口 Wi-Fi 模塊， 連接至 Wi-Fi，通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)上報至位于騰訊云的服務(wù)器，云服務(wù)器獲取數據后，通過(guò)用戶(hù)登錄的 User_ID 及 access_token 確定用戶(hù)身份，將其上報的數據分析，將數據存入數據庫。

圖5 系統數據傳輸架構圖

接口服務(wù)器組采用一主一副一備的設計，主、副服務(wù)器組位于同一區域，當主服務(wù)器出現超負載時(shí)，及時(shí)啟用副服務(wù)器進(jìn)行數據分流，倘若主副服務(wù)器所在區域遭遇網(wǎng)絡(luò )障礙或其他故障，及時(shí)啟用不同區域內的備用服務(wù)器，保證業(yè)務(wù)暢通。

數據庫采用單獨的服務(wù)器來(lái)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(hù)面板，監測系統等）的連通性，同時(shí)便于數據庫進(jìn)行備份。另設一臺物理服務(wù)器，將云服務(wù)器中的數據實(shí)時(shí)備份至本地，便于數據管理 ^[7]。

在線(xiàn)服務(wù)器單臺采用騰訊云 8 核 16 G 云服務(wù)器，保證足夠的數據吞吐能力，本地物理服務(wù)器采用 E5- 2651V2，24 核，128 G，ECC 內存，同時(shí)增設 RAID（磁盤(pán)陣列）1 保證數據可用性。

4 系統調試

首先給整個(gè)系統通電，系統對各個(gè)模塊初始化配置，電源燈亮表示通電正常。接著(zhù)看 LED（發(fā)光二極管）屏幕顯示各數據是否精確，若顯示精確，則開(kāi)始測試通信模塊是否能正常工作。

在安裝好 USB-TTL 模塊的驅動(dòng)程序后，接通設備，通過(guò)設備管理器查看模塊串口號，打開(kāi)串口調試工具 XCOM，選擇模塊所對應的串口號，其中默認波特率為 115200，數據 - 停止 - 校驗 - 流控：8-1-None-None， 勾選“發(fā)送新行”，點(diǎn)擊“打開(kāi)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(shuō)明模塊此時(shí)進(jìn)入 AT 模式。和某些需要按鍵進(jìn)入 AT 指令模式的藍牙模塊不同，ESP8266 上電后就自動(dòng)運行在 AT 指令模式下，極大簡(jiǎn)化了操作流程。

圖6 傳感器檢測結果對比圖

將氮磷鉀傳感器等插入到土壤中，打開(kāi)電源，觀(guān)察 LED 顯示屏以及騰訊云服務(wù)器信號接入情況及土壤參數實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)變化。當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），且系統發(fā)出提醒則證明系統各功能可正常運行，即測試完成，其它參數的測試也類(lèi)似。經(jīng)過(guò)上述測試，對中間調試過(guò)程中出現的問(wèn)題及時(shí)進(jìn)行解決，測試結果分析如下：整個(gè)智慧土壤監測系統基本實(shí)現了實(shí)時(shí)監測、遠程分析等功能，達到了預期目標，完成了本次系統設計要求。

5 結語(yǔ)

本文給出了一種基于 STM32 單片機的智慧土壤監測系統的設計方案，通過(guò) STM32F103C8T6 單片機主控模塊、Wi-Fi 通信模塊、傳感器模塊等各個(gè)單元相互配合來(lái)檢測土壤的各項參數指標，同時(shí)針對目前蒜農對于蒜田土壤監測及指導的需求，通過(guò)騰訊云服務(wù)器開(kāi)發(fā)了專(zhuān)家系統數據庫，將檢測到的土壤數據發(fā)送到數據庫進(jìn)行比對分析，從而有針對性的對蒜田進(jìn)行施肥指導。用戶(hù)可通過(guò)登錄網(wǎng)址實(shí)時(shí)查看土壤各項參數指標，實(shí)現對蒜田蒜苗生長(cháng)狀況的隨時(shí)監測，讓每塊蒜田都能得到專(zhuān)業(yè)的守護，擺脫農業(yè)專(zhuān)家傳統線(xiàn)下指導帶來(lái)的局限，實(shí)現真正的高效現代農業(yè)。

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(注：本文轉載自《電子產(chǎn)品世界》2022年7月期)