冬小麥生產(chǎn)土壤墑情與環(huán)境信息多參數(shù)監(jiān)測(cè)站設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

秦磊磊 穆元杰 劉淑云 尚明華

摘 要：為了促進(jìn)小麥生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展，利用物聯(lián)網(wǎng)等現(xiàn)代技術(shù)手段，對(duì)小麥生產(chǎn)過程中土壤墑情、環(huán)境信息進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，結(jié)合自主研發(fā)的水產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)測(cè)控平臺(tái)，設(shè)計(jì)一種基于STM32的土壤墑情與環(huán)境信息多參數(shù)監(jiān)測(cè)站。該監(jiān)測(cè)站可實(shí)現(xiàn)多種參數(shù)的自動(dòng)采集、處理及傳輸功能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該土壤墑情與環(huán)境信息監(jiān)測(cè)站可與大田物聯(lián)網(wǎng)測(cè)控平臺(tái)無縫對(duì)接，工作穩(wěn)定。

關(guān)鍵詞：冬小麥;STM32;土壤墑情;環(huán)境信息;多參數(shù)監(jiān)測(cè)站;參數(shù)采集

中圖分類號(hào)：TP391文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：2095-1302（2019）04-00-03

0 引 言

我國是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)大國，也是糧食消費(fèi)大國，糧食安全問題始終是關(guān)系我國國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展、社會(huì)穩(wěn)定與國家自立的全局性重大戰(zhàn)略問題[1-2]。小麥?zhǔn)俏覈匾募Z食作物之一，在我國糧食總產(chǎn)量中占據(jù)較高比重。小麥生產(chǎn)過程中，化肥、農(nóng)藥的濫用，水資源不足，氣候環(huán)境的波動(dòng)，耕地面積的減少等都會(huì)對(duì)小麥生產(chǎn)產(chǎn)生不利影響[3-7]。為促進(jìn)小麥生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展，利用物聯(lián)網(wǎng)等現(xiàn)代技術(shù)手段，對(duì)小麥生產(chǎn)過程中的土壤墑情、環(huán)境信息進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，及時(shí)了解小麥生產(chǎn)環(huán)境現(xiàn)狀與變化趨勢(shì)，并對(duì)小麥生產(chǎn)管理策略進(jìn)行調(diào)整，促進(jìn)小麥生產(chǎn)供給側(cè)改革與轉(zhuǎn)型升級(jí)[8-10]。

為此，本文研發(fā)大田物聯(lián)網(wǎng)測(cè)控平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)查詢、展示、管理與分析等功能，其中冬小麥生產(chǎn)土壤墑情與環(huán)境信息多參數(shù)監(jiān)測(cè)站為大田物聯(lián)網(wǎng)測(cè)控平臺(tái)提供數(shù)據(jù)來源。

1 總體架構(gòu)

冬小麥生產(chǎn)土壤墑情與環(huán)境信息監(jiān)測(cè)站主要由主控模塊、RS 485數(shù)據(jù)采集模塊、以太網(wǎng)通信模塊、電源模塊四部分組成，以完成冬小麥生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)風(fēng)速、風(fēng)向、雨量、空氣溫濕度、土壤水分等參數(shù)的采集與傳輸。主控模塊（STM32）是整個(gè)系統(tǒng)的核心，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的總體控制。RS 485數(shù)據(jù)采集模塊實(shí)現(xiàn)多種數(shù)據(jù)的采集、傳輸。以太網(wǎng)通信模塊實(shí)現(xiàn)多參數(shù)監(jiān)測(cè)站與平臺(tái)（大田物聯(lián)網(wǎng)測(cè)控平臺(tái)）的雙向通信。電源模塊為各個(gè)模塊供電，以滿足系統(tǒng)對(duì)電源的需求。土壤墑情與環(huán)境信息監(jiān)測(cè)站結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 主控模塊

主控模塊選用高性能、低成本、低功耗的STM32F103單片機(jī)。STM32F103單片機(jī)基于ARMv7架構(gòu)的 Cortex-M3內(nèi)核，外設(shè)豐富，功耗較低，且具有豐富的技術(shù)文檔，方便開發(fā)的同時(shí)也能滿足系統(tǒng)需求。多參數(shù)監(jiān)測(cè)站主控模塊電路主要涉及STM32F103最小系統(tǒng)電路及其SPI通信、串口通信功能。主控模塊電路如圖2所示。

2.2 RS 485數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計(jì)

RS 485接口以良好的抗干擾能力、傳輸速率高、傳輸距離遠(yuǎn)等優(yōu)勢(shì)得到了廣泛應(yīng)用，多參數(shù)監(jiān)測(cè)站中各個(gè)傳感器通過RS 485接口與主控模塊相連，以獲取數(shù)據(jù)信息。STM32F103單片機(jī)中無RS 485通信功能，因此設(shè)計(jì)如圖3所示電路，以實(shí)現(xiàn)RS 485通信功能。

2.3 以太網(wǎng)通信模塊設(shè)計(jì)

以太網(wǎng)通信模塊采用W5500以太網(wǎng)控制器進(jìn)行設(shè)計(jì)。W5500集成有TCP/IP協(xié)議棧、10/100 Mbit/s以太網(wǎng)數(shù)據(jù)鏈路層、物理層，用戶僅需實(shí)現(xiàn)上層應(yīng)用即可。W5500通過SPI接口與STM32通信，支持高達(dá)80 MHz的速率，通過HR911105A集成網(wǎng)絡(luò)變壓器RJ 45接頭與以太網(wǎng)連接，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信功能。以太網(wǎng)通信模塊電路組成如圖4所示。

2.4 電源模塊設(shè)計(jì)

多參數(shù)監(jiān)測(cè)站內(nèi)部使用5 V，3.3 V兩種電壓類型。系統(tǒng)中STM32主控模塊及W5500以太網(wǎng)通信模塊為3.3 V供電，RS 485數(shù)據(jù)采集模塊為5 V供電。為滿足系統(tǒng)對(duì)電源的需求，系統(tǒng)采用MC34063AD降壓開關(guān)型集成穩(wěn)壓電路將24 V直流電源調(diào)整至5 V，并通過REG1117降壓到3.3 V。電源模塊電路如圖5所示。

3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件包括主控單元與傳感器兩部分。主控單元采用主動(dòng)輪詢的方式獲取傳感器數(shù)據(jù)，并將獲取到的數(shù)據(jù)重新組包，通過以太網(wǎng)通信模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送至云平臺(tái)（大田物聯(lián)網(wǎng)測(cè)控平臺(tái)）。傳感器部分主要接收并解析主控單元發(fā)送的數(shù)據(jù)上傳指令，按照一定的協(xié)議組數(shù)據(jù)包并發(fā)送數(shù)據(jù)。

系統(tǒng)通電后主控單元首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化（主要完成系統(tǒng)相關(guān)的初始化以及RS 485，W5500通信相關(guān)的硬件初始化），初始化完成后系統(tǒng)開啟定時(shí)器中斷。定時(shí)器中斷的目的是在系統(tǒng)休眠一定時(shí)間后輪詢各傳感器以獲取相應(yīng)數(shù)據(jù)。定時(shí)器中斷溢出后，主控單元進(jìn)入中斷處理程序。在中斷處理程序中，主控單元分別向各傳感器發(fā)送讀數(shù)據(jù)指令，傳感器接收到指令后按照Modbus協(xié)議對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行組包，并通過RS 485傳輸至主控單元，主控單元接收到數(shù)據(jù)后按照Modbus協(xié)議解析數(shù)據(jù)并按照云平臺(tái)（大田物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)）通信協(xié)議組包，通過W5500上傳數(shù)據(jù)。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程如圖6所示。

4 實(shí)驗(yàn)情況

為測(cè)試土壤墑情與環(huán)境信息多參數(shù)監(jiān)測(cè)站工作穩(wěn)定性，將設(shè)備安裝在德州市德農(nóng)種業(yè)小麥基地進(jìn)行測(cè)試，安裝現(xiàn)場(chǎng)如圖7所示。通過監(jiān)測(cè)站采集多種參數(shù)（風(fēng)速、風(fēng)向、雨量、空氣溫濕度、土壤水分等），并通過以太網(wǎng)傳輸至本文開發(fā)的大田物聯(lián)網(wǎng)測(cè)控平臺(tái)中，通過大田物聯(lián)網(wǎng)測(cè)控平臺(tái)查看、分析數(shù)據(jù)。

設(shè)備部署完成并通電，系統(tǒng)開始運(yùn)行，在大田物聯(lián)網(wǎng)測(cè)控平臺(tái)（手機(jī)APP）中查看采集數(shù)據(jù)及視頻信息，手機(jī)APP數(shù)據(jù)視頻監(jiān)測(cè)圖如圖8所示，各監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)均可正常采集與上傳。為測(cè)試多參數(shù)監(jiān)測(cè)站工作穩(wěn)定性，待其長時(shí)間工作后在平臺(tái)中查看其采集數(shù)據(jù)的連續(xù)性，并查看有無異常數(shù)據(jù)。

所示為監(jiān)測(cè)站運(yùn)行兩周采集數(shù)據(jù)的走勢(shì)圖。由圖9可知，每天均有數(shù)據(jù)上傳且數(shù)據(jù)走勢(shì)平緩，系統(tǒng)工作較為穩(wěn)定。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)的土壤墑情與環(huán)境信息多參數(shù)采集監(jiān)測(cè)站可實(shí)時(shí)采集風(fēng)速、風(fēng)向、雨量、空氣溫濕度、土壤水分等多種參數(shù)，并將其上傳至大田物聯(lián)網(wǎng)測(cè)控平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)與平臺(tái)的無縫對(duì)接，設(shè)備可進(jìn)行長時(shí)間的數(shù)據(jù)采集上傳，穩(wěn)定性高。

5 結(jié) 語

為了促進(jìn)小麥生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展，利用物聯(lián)網(wǎng)等現(xiàn)代技術(shù)手段對(duì)小麥生產(chǎn)過程中土壤墑情、環(huán)境信息進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，結(jié)合自主研發(fā)的大田物聯(lián)網(wǎng)測(cè)控平臺(tái)，本文研究設(shè)計(jì)了一種基于STM32的土壤墑情與環(huán)境信息多參數(shù)監(jiān)測(cè)站。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該監(jiān)測(cè)站可實(shí)現(xiàn)多種參數(shù)的采集、上傳工作，可與大田物聯(lián)網(wǎng)測(cè)控平臺(tái)無縫對(duì)接，且穩(wěn)定性高。

注：本文通訊作者為尚明華。

參 考 文 獻(xiàn)

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