基于STM32F103土壤墑情分析儀的設計

曹碩+馬明云

【摘要】為了測量土壤中的含水狀況，提高灌溉水的利用率、實現節水灌溉，研制一種以ARM STM32F103為核心的土壤墑情分析儀。其采用FDR的原理，具有低功耗，高精度等優點，實現了對土壤墑情信息的自動采集、存儲和墑情信息的GPRS的網絡傳輸，從而可以為定時定量的節水灌溉提供控制依據。試驗表明，該系統對土壤墑情的測量與實際測試數據誤差較小，能夠對土壤墑情的狀況進行精準的測量。

【關鍵詞】土壤墑情 FDR ARM 信號處理 GPRS

一、引言

目前，水資源短缺是我國經濟發展要面臨的主要問題之一，如何有效節水是政府部門要解決的重要問題。農業的生產發展需要大量的水，解決農業的節水問題對社會有著重要意義。土壤墑情是用戶實現節水的重要信息。

本文設計了一種基于 ARM 和 GPRS 網絡的土壤墑情分析儀，可實現對土壤墑情信息的遠程監測，為用戶決策提供有力的支持。

二、土壤墑情分析儀工作原理

土壤墑情是反應土壤的干濕程度，一般可用土壤中水的質量占烘干土重的百分數表示， 也可以用土壤含水率相當于田間持水量的百分比， 或相對于飽和水量的百分比等相對含水率表示。土壤墑情分析儀采用的是FDR測量原理，即利用LC電路的振蕩，根據電磁波在不同介質中振蕩頻率的變化來測定介質的介電常數，進而通過一定對應關系反演出土壤水分狀況。

歸一化振蕩頻率SF與土壤含水率的關系為下式：

θυ=a*SFb ……………………………………………（1）

其中θυ為土壤容積含水量，a、b為待定參數，SF為LC振蕩電路的歸一化頻率。

SF=（Fα-Fs）/（Fα-Fw）…………………………………（2）

Fα為分析儀在空氣中所測量的諧振頻率；Fs為分析儀在土壤中所測量的諧振頻率；

Fw為分析儀在純水中所測量的諧振頻率；

諧振頻率F= …………………………………（3）

式（3）中的電感L是土壤分析儀的固定電感值，所以諧振頻率只與電容C有關。而電容的改變，要受到土壤中含水量的影響。

三、基于ARM的系統硬件設計

土壤墑情分析儀電路部分的主要功能模塊為：電源部分、溫濕度信號處理部分、CPU處理中心部分、SIM868無線通信模塊部分。

（一）電源部分的設計

電源部分包括太陽能充電電路、電源管理兩部分。電源設計的主要原理圖如圖1所示。

由于設備采用電池供電，此時就必須考慮省電和自動充電。采用太陽能自動充電可以很好地為電池提供能量。省電部分在待機狀態下的省電原則是，除了CPU需要加點外，其它電路都盡可能不加點。省電部分在工作狀態下的省電原則是，除非是需要測量此功能模塊的參數，否則就不供電，并且，測量參數在滿足指標要求的情況下，測量時間要盡可能短。

太陽能充電電路采用LT3652給鋰電池充電。LT3652有較寬的輸入電壓范圍，充電電流可以達到2A，該芯片采用一種特殊的輸入電壓調整環路，當使用太陽能電池板作為輸入電源時，當光伏電池板輸出電壓降低到某一設定值，LT3652就會自動降低充電電流，使光伏電池板保持在最大峰值功率輸出點。當電池電壓達到浮充電壓的97.5%時，就停止充電。R8、R9和R10可以調整浮充電壓。由于采用的是3.7V的鋰電池，故調整電阻值，使其浮充電壓為4.2V。

升壓電路是把3.6V電池電壓升到穩定的5V，以供溫濕度傳感器信號處理單元和SIM868無線通信模塊使用。升壓電路由XL6009單元以及其外圍電路組成。R22和R23微調輸出電壓。XL6009的EN端是控制除了CPU外其它電路需要的供電電源。在休眠模式下，XL6009的EN端為低電平，關斷了XL6009的5V輸出。在此情況下，所有需要5V電源的電路均不供電。EN為高電平，5V電源有輸出。此時，再通過CPU控制5V電源到需要供電的單元。

（二）濕度信號處理電路的設計

濕度信號的處理電路如圖2所示。

N1模塊及其外圍電感和傳感器環構成濕度測量電路。它的輸出是一個隨環境變化而頻率變化的諧振信號，其頻率在280mHz以上。產生的百兆級諧振信號通過N2（MC12080）進行分頻，使其頻率變成10mHz左右。然后此信號經過N3（LMV7239）比較器后形成10mHz左右的方波。此方波經過N4（MC74HC4040A）分頻，形成30～40kHz左右的方波。30～40 kHz左右的方波送到Q1后再送到CPU進行計算。CPU計算1秒內的方波個數，從而得到分頻后的諧振頻率。

（三）CPU電路的設計

CPU電路是土壤墑情分析儀的核心部分，主要完成系統的電源管理、電池電壓和溫濕度數據的采集、GPS信息的讀取、傳送GPRS發送數據等功能。CPU電路由ARM和SIM868聯合組成。

CPU電路的控制中心是32位的ARM STM32F103。STM32F103 是意法半導體（ST）公司出品32位ARM微控制器，其內核是32位的Cortex-M3，最高72MHz工作頻率，內嵌內嵌經出廠調教的8MHz的RC振蕩器、帶校準的40KHz的RC振蕩器和帶校準的32KHz的RC振蕩器，以及產生CPU時鐘的鎖相環；含有2個DMA控制器，共12個DMA通道，2個12位模數轉換器，雙采樣和保持功能，多達112個快速I/O端口，多達9個通信接口。豐富的系統資源大大簡化了系統的設計和實施。

SIM868是GSM/GPRS+GNSS模塊。該模塊采用四頻GSM/GPRS網絡，并提供GPS定位功能，可廣泛應用于車隊管理、無線支付、個體跟蹤、醫療健康等領域。具有尺寸小，功耗低，功能全的特點。SIM868首次采用供應商開發的物聯網專用芯片，整體面積下降約40%，模塊尺寸最終為17.6*15.7*2.3mm，是當前芯訊通同類型模塊中尺寸最小的一款。模塊外圈為城堡孔，內圈為LGA焊盤，能滿足客戶的多種需求，并顯著降低用戶的開發成本，節省開發時間。溫度范圍支持-40°c到85°c，并提供包括USB2.0、SD、GPIO、I2C等在內的豐富的應用接口。在產品功能方面，SIM868除了支持GSM/GPRS和GPS外，還支持彩信、語音、藍牙，未來還將支持雙SIM卡，方便終端客戶在需要漫游和多運營商的場合，自由選擇資費套餐，節省客戶的運營成本，并有效提升網絡覆蓋較差區域的產品表現（圖3）。

土壤墑情分析儀使用的是SIM868的GPRS無線通信、GPS定位及授時等主要功能。SIM868與CPU通過兩個串口完成通信。一個完成GPS功能的通信，一個完成無線收發數據的功能。

SIM868工作電流較大。為了節約用電，僅僅在需要讀取GPS數據和無線收發數據時才加電，其余時間處于關斷狀態。

CPU電路處理流程圖如圖4。

四、監測實驗

土壤墑情分析儀在多種條件下的進行了實驗測試。利用分析儀測量30、50厘米的墑情，在不同時段取土進行實際測量，兩個數據進行比較。下表為采集值與測量值之間的比較：

通過以上數據和曲線來分析，兩組采集數據與真實數據的一致性比較理想，其中50 cm 深度的土壤墑情信息的采集值與實測值誤差最大不超過2.11%，證明土壤墑情分析儀具有較高的采集精度。

五、結論

本文根據土壤墑情原理設計了基于ARM嵌入式芯片、SIM868 模塊為基礎的墑情信息采集、監測系統，實現了土壤墑情信息的自動連續采集、監測，墑情的數據能夠通過無線網絡傳輸以多種方式傳送至用戶，為用戶的灌溉提供了有力的支持。經過多次試驗，土壤墑情分析儀對不同深度的土壤墑情監測與實測值誤差不超過 2.11%，具有較高的準確度，能夠反應土壤中含水的實際情況，為節水灌溉提供依據。

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