基于物聯網的菜田土壤溫濕度監測系統設計*

朱霏雨，劉木華，袁海超，趙進輝，俞豪駿

(1. 江西農業大學工學院，南昌市，330045； 2. 江西省現代農業裝備重點實驗室，南昌市，330045)

0 引言

中國早在20世紀90年代就開始了精準農業的初步探索[1]，在農業規模化、集約化的過程中，精準農業成為當今農業發展的新潮流。當前我國的蔬菜種植規模有限，絕大多數地區仍依賴于傳統的人工耕作和人為經驗進行管理[2]，浪費了大量的人力物力，且普遍存在成本高、效率低等問題[3]，已不適用于當前蔬菜種植發展的迫切需求。與此同時，傳感器及物聯網技術的飛速發展[4-5]，給蔬菜種植行業帶來了新的發展機遇。應用物聯網技術到蔬菜生產實踐中，實現生產信息的及時獲取，對改變蔬菜種植模式，保證作物高產、綠色健康具有重要意義[6-8]。

目前許多研究人員開發了多種農業信息化系統[9-10]以滿足不同領域的發展需要。孫彥景等[11]闡述了農業信息化系統實施的整體框架。楊旭輝等[12]開發的節能型水產養殖環境監測系統，可實時監測水中溫度、pH值、溶解氧濃度、濁度等參數。楊衛中等[13]開發的基于窄帶物聯網的土壤墑情監測系統，實現了對土壤墑情信息的實時監測。宦娟等[14]研制了基于窄帶物聯網的養殖塘水質監測系統，利用云平臺進行數據監測。徐識溥等[15]開發的農田土壤環境監測系統實現了土壤環境信息的自動化采集與存儲。

上述系統雖然實現了信息的采集處理[16-22]，但是未利用物聯網接口技術獲取更多有效信息；缺少統一管理和自主研發的配套可視化平臺，普遍存在后期系統設備維護困難等問題。在無線通訊方面本系統選用的LoRa通訊方式更加符合中短距離、小數據包、低功耗、時延不敏感等特性[23]。

基于上述問題，本文采用物聯網技術，自行開發了一套可用于菜田的土壤溫濕度在線監測系統，將通信模塊與嵌入式單片機相結合，采用LoRa組網+4G轉發的方式，可實現對傳感器的遠程溫濕度數據監測與參數配置。此外，系統后臺服務器通過對數據進行定時、定量、定位的計算處理，可向農業用戶提供監測信息查詢、遠程控制等功能服務。

1 系統總體框架

按照經典的物聯網三層架構模型[24]搭建基于物聯網的菜田土壤溫濕度實時在線監測系統整體框架(圖1)，其分為設備感知層、網絡傳輸層和處理應用層。

1.1 設備感知層框架

設備感知層作為本系統的核心，包括各個工作于菜田間的土壤溫濕度無線傳感器，其可自動完成數據采集、協作通信和信息處理，運用LoRa技術[25]自動建立傳輸網絡并將數據實時發送至LoRa協調器主匯聚節點。此外，感知層傳感器設備均配有唯一的設備二維碼，用戶可掃描登陸后對該設備的運行狀況、監測數據等信息進行實地查看。

圖1 菜田中土壤溫濕度實時在線監測系統整體框架圖

1.2 網絡傳輸層框架

網絡傳輸層包括通訊定位衛星、LoRa協調器、4G LTE Cat.1模塊和通信基站。LoRa協調器搭載有嵌入式Linux系統。基于Qt開發的嵌入式應用程序上還能顯示及控制當前感知層的設備節點。所有感知層傳感器的數據匯集于所在片區內的LoRa協調器，繼而以4G方式將數據發送至基站，完成與服務器的交互。

1.3 處理應用層框架

處理應用層主要包括Socket網絡端口監聽工具、Web物聯網開發平臺和數據庫。Socket網絡端口監聽工具負責接收及存儲數據，Web物聯網開發平臺查詢數據庫獲取監測信息，繪制動態圖表展示給用戶。

2 感知層設計與實現

感知層作為系統的最底層，主要由各片區內的土壤溫濕度傳感器設備組成，是獲取菜田溫濕度信息的關鍵部分。目前市面上的溫濕度傳感器普遍存在功耗大、成本高、自動化程度低等問題，在農田監測領域的實際應用效果還有待提高。基于此，本研究設計的土壤溫濕度無線傳感器(wireless soil temperature and moisture sensor，WSTMS)[26]，具有功耗低、使用壽命長、運行穩定、數據傳輸實時準確等優點，能夠實現較長時間土壤溫濕度的在線監測。傳感器基本特性參數如表1所示。

表1 WSTMS基本特性Tab. 1 Basic characteristics of WSTMS

2.1 WSTMS硬件設計

本文設計的土壤溫濕度無線傳感器電路部分由3個基本單元組成：信號采集模塊、LoRa通信模塊和供電模塊，其基本結構原理如圖2所示。

圖2 WSTMS結構原理圖

2.1.1 信號采集模塊

該模塊由濕度采集與溫度采集兩部分組成。濕度采集部分由濕度探針、分壓偏置電路和運算放大器自下而上依次連接。濕度探針使用特殊的金屬合金制成，耐酸堿，以模擬電阻的形式得出不同土壤濕度下的電阻率。該探針兩極串聯210 kΩ電阻后，將分壓信號，經運放放大后輸出至ADC通道。

溫度采集部分電路結構如圖3所示。CN1為Pt100鉑熱電阻插腳，支持三線和四線連接方式，本研究中的鉑熱電阻Pt100采用恒流源四線制接法。Q1、Q2和Q3組成雙路鏡像恒流源。R5為精度1‰的低溫漂溫度補償電阻。當R5=91 Ω時支持測量-23 ℃～+50 ℃，能完全覆蓋菜田溫度變化范圍。鉑熱電阻與R5兩路恒流源降壓信號經OPA2379組成的電壓跟隨器差分輸入至AD620。根據增益公式計算AD620差分輸入信號的放大倍數

(1)

當R1=510 Ω時，增益G≈97.86。此時將放大后的信號OUT1傳入主控ADC通道。圖3中R6為電位器，用于溫度的初值校準。

圖3 溫度采集部分原理圖

2.1.2 主控與通信模塊

主控MCU選用型號為STM8L051F3P6，Halt模式下功耗低至350 nA，特別適合電池應用場合。

通信模塊采用低功耗、遠距離的E22-400T22S，基于SX1268設計。將該模塊運行于透傳模式下，與當前片區內的LoRa協調器進行雙向數據及指令傳輸，當數據發送完畢后立即進入休眠，等待主控喚醒。

2.1.3 供電模塊

供電電源采用3.7 V雙節鋰電池。電源管理芯片為LTC2941，用于指示電池充放電量。充電管理芯片采用TP4056。穩壓電路均使用低功耗LDO。

2.2 WSTMS軟件設計

該傳感器軟件設計采用前后臺系統：前臺程序有RTC定時器中斷來處理數據采集與發送事件，外部中斷喚醒用于在低功耗運行模式下接收參數配置指令；后臺程序則主要用于判斷喚醒條件，進行嚴格的功耗控制。整體軟件流程圖見圖4。

圖4 WSTMS軟件流程圖

2.2.1 主程序流程

主程序流程圖如圖4(b)所示，接通電池后STM8L051首先進行內核和外設初始化，包括系統時鐘、溫濕度測量電路、LoRa、指示燈、電量計等。繼而從EEPROM中恢復上一次保存的傳感器配置信息，包括：電量值、采樣時間以及工作模式。

初始化步驟完成后，傳感器進入后臺模式，判斷喚醒標志條件、控制是否進入Halt模式以及響應外界指令。

2.2.2 外部中斷服務子程序

當進入Halt模式后MCU停止工作，無法接收外部發來的串口數據指令，且僅允許外部中斷與RTC中斷兩種方式將其喚醒。因此在進入Halt模式前配置與LoRa無線模塊相連的串口PA3引腳為外部中斷下降沿觸發模式，當LoRa無線模塊接收到數據時則會觸發該引腳的外部中斷便于喚醒MCU，喚醒成功后立即在外部中斷服務程序中恢復該引腳的串口接收功能。通過以上方法可有效解決進入Halt模式下無法響應串口數據的問題。外部中斷服務子程序如圖4(a)所示。

2.2.3 RTC定時器中斷服務子程序

RTC定時器中斷子程序如圖4(c)所示。板載32.768 kHz晶振提供精確的RTC時鐘源，每隔既定周期(該參數可通過指令配置)以RTC定時器中斷喚醒的方式采集溫濕度及電量數據并無線發送，發送完成后將喚醒標志位清零，回到主程序。在一個喚醒周期內完成對溫濕度信號連續采樣23次，冒泡排序后采用中值平均濾波算法來克服采樣波動與脈沖干擾。當采樣周期小于30 s時，采用中值平均濾波并結合一階卡爾曼算法濾波。

3 傳輸層設計與實現

LoRa協調器主匯聚節點接收到由各個方向發來的傳感器LoRa數據包后，經4G模組、移動基站轉發至服務器。

3.1 LoRa透傳協議設計

各傳感器終端節點與協調器間的數據上報以透傳方式進行。命令下發則以協調器廣播的方式完成，兩者均采用自定義數據傳輸協議。

3.1.1 數據上報傳輸協議

數據上報協議按字節先后分為：起始標志符、片區地址、設備號、數據幀、分隔符、結束標志符，均采用ASCII編碼方式。例如：上述土壤溫濕度無線傳感器上報的數據格式為：“########A02TH&ST=26.1&SH=15.6&BL=93@”，則各數據字段的含義如下：8位“#”作為起始標志符可有效降低誤碼率；字母“A”代表片區地址，即協調器所在區域地址，采用1位大寫英文字母A～Z表示，占用1 Byte；“02TH”代表設備號，即02號溫濕度傳感器，采用2位數字00～99加2位大寫字母A～Z表示，占用4 Byte；數據幀格式靈活且占用字節大小不定，以“&”開頭，不同數據間使用分隔符“&”(ASCII碼0x26)分隔，“ST=26.1”代表當前土壤溫度為26.1 ℃，“SH=15.6”代表當前土壤相對濕度為15.6%RH，“BL=93”表示電池電量剩余93%；單條協議以“@”符結束。

3.1.2 命令下發傳輸協議

命令下發由LoRa協調器對所在片區內的LoRa終端節點進行空中配置。傳感器串口接收到LoRa數據后喚醒MCU解析命令。指令格式包括起始標志符、片區地址、設備號、@指令前綴和參數。如下達更改采樣周期命令：“########A01WL@S0012”即可完成對協調器所在片區地址“A”內的“01WL”號設備的采樣周期設置為12 s。當采樣周期參數設置為“0000”時立即停止采樣。表2為現所支持的參數配置指令集。

表2 參數配置指令集Tab. 2 Instruction set of parameter configuration

3.2 LoRa協調器主匯聚節點設計

LoRa以其低功耗、遠距離等特點，被廣泛應用于傳感器監測領域，對于要求成本低、續航久和通信不頻繁的場景來說LoRa的優勢則更為明顯。該協調器作為一個片區內的頂級父節點，負責其下LoRa網狀網絡的創建、維護和管理，由LoRa模塊出廠固件自動完成。此外協調器還具有數據接收、命令廣播、數據上報等功能。

本文在ubuntu平臺使用Qt Creator 3.5.1 (opensource)構建應用項目。圖5是LoRa協調器和Qt應用程序的軟件運行界面。當軟件接收到符合透傳協議的數據時，將自動提交數據至服務器上的端口監聽軟件[27]。該應用程序還用于應用層命令轉發，如Web端發來“########@SB03TH200”指令，經該應用程序解析后由該LoRa協調器主匯聚節點進行廣播。由于每個傳感器設備在出廠前都會在固件程序中記錄其唯一設備號，所以當LoRa協調器廣播時只有對應片區號和設備號的LoRa終端傳感器才會做出響應動作，其他節點均不受影響。

圖5 LoRa協調器及軟件界面圖

4 應用層設計與實現

4.1 Socket網絡端口監聽工具

傳輸層中LoRa協調器接收的數據最終經4G上傳至遠程服務器控制中心。本文基于多線程技術和WPF自行開發了一款Socket網絡端口監聽工具。此軟件作為系統服務跟隨服務器啟動，保持24 h運行狀態，其界面如圖6所示。

圖6 Socket網絡端口監聽工具界面

該網絡端口監聽工具主要用于LoRa協調器完成數據上傳和指令交互，一方面將接收的傳感器數據保存至數據庫，另一方面依靠TCP Socket網絡間接與傳感器設備建立連接，實現傳感器的遠程控制。

4.2 基于LoRa的OTA固件升級工具

OTA(Over-the-air Technology)固件升級工具可遠程升級部署在田間的LoRa無線傳感器及協調器設備。該工具基于C#WPF框架開發，采用高效的YModem協議傳輸傳感器固件升級包。使用此工具可極大地降低系統后期維護成本，使得傳感器設備無須返廠即可在線完成升級[28-29]。

4.3 服務器與數據持久化

服務器為整個物聯網架構提供計算與應用服務，主要完成傳感器數據監聽、消息轉發、數據庫及Web網站部署等工作。數據庫內建表格包含：文件索引表、用戶信息表、監測數據表、設備狀態表等。

4.4 Web物聯網開發平臺

Web物聯網開發平臺，采用B/S(Browser/Server)網絡結構模式，基于maven的SSM框架[30]，響應式的布局可同時兼容手機、PC等不同設備。Web物聯網開發平臺功能結構如圖7所示。該平臺按照人員組織結構將用戶分為管理員和普通用戶。

圖7 物聯網開發平臺功能結構圖

4.4.1 設備管理

設備管理頁以LoRa協調器所在片區進行劃分，每個協調器下掛載有多個傳感設備，用戶可自由創建和刪除設備。

4.4.2 統計報表

統計報表頁可查看傳感器的實時和歷史數據走勢圖(圖8)，并提供圖表圖片下載打印功能。

圖8 傳感器歷史溫度走勢圖

5 系統測試與分析

5.1 WSTMS傳感器性能試驗

5.1.1 溫度標定與測試

將傳感器與校準后的水銀溫度計同時置于恒溫水浴箱中進行傳感器溫度標定試驗，設置采樣間隔為5 s，取5 ℃～50 ℃范圍內共21組不同溫度取值作為測量點。通過Web物聯網開發平臺監測數據，待傳感器到達穩態后記錄讀數，每組重復測量5次取均值，測量結果見表3。

表3 傳感器溫度標定值Tab. 3 Temperature calibration value of WSTMS

評估該傳感器的溫度特性曲線，對溫度與輸出電壓值進行線性擬合，得到如圖9(a)所示的溫度標定曲線，其擬合線性方程為

Temp=28.974·Voltage-33.312

(2)

式中：Voltage——輸出電壓，V。

決定系數RT2為99.54%，說明該傳感器有較好的線性度。該傳感器的溫度測量分辨率較好，可達0.1 ℃。

(a) 標定曲線

(b) 響應曲線

將傳感器在(20±0.5) ℃環境下靜置5 min后再分別置于溫度為(26±0.5) ℃和(30±0.5) ℃的恒溫水浴箱中，得到的溫度階躍響應曲線如圖9(b)所示。計算由起始溫度變化到最終溫度的63.2%所需的時間常數τ，該傳感器的溫度響應時間常數τ小于18 s。

5.1.2 濕度標定與測試

自然環境中土壤含水量范圍一般保持在5%～20%之間，土壤含水量在8%以下的干土，土色灰白，作物幾乎無法吸收水分，不適宜播種和耕作；含水量在18.5%～20%土壤有效含水量最大，為適耕上限。基于此，在室溫22 ℃環境下進行傳感器濕度標定，取土壤濕度在0～25%范圍內共9組不同土壤濕度樣品為測量點，根據國標NY/T 52—1987《土壤水分測定法》[31]的有關說明配置不同土壤濕度樣品。測量時將濕度探頭完全插入到土壤中，靜置30 min，通過Web物聯網開發平臺監測數據，得到不同土壤濕度下的A/D采樣值，如表4所示。對濕度與輸出電壓值進行線性擬合，得到如圖10(a)所示的濕度標定曲線。

表4 WSTMS濕度測試結果Tab. 4 Measurement results of WSTMS humidity

(a) 標定曲線

(b) 響應曲線

其擬合線性方程為

Humid=-16.881·Voltage+27.094

(3)

決定系數RH2=94.59%，由圖10(b)可知該傳感器的濕度響應時間約為20 s。

5.1.3 其他參數測試

將傳感器采樣時間間隔設定為15 min，天線增益為3 dBi，用示波器測得該傳感器在待機狀態下的靜態電流為3.05 mA，待機功耗小于11.28 mW；發送數據時峰值電流為179 mA，整機發射功耗小于662 mW。實測該傳感器在上述配置下可連續工作80天以上。

5.2 系統通信穩定性測試

傳感器測量數據由產生到存儲至數據庫作為一次完整的通信過程，對系統通訊穩定性能進行試驗：設置傳感器溫濕度及電量數據每20 s向LoRa基站匯報一次，由于采用32.768 kHz晶振且程序中時間數值設置存在舍入誤差，因此，實際采樣周期T應更正為

(4)

日均上報采樣條數理論值為4 218.75條。讀取數據庫記錄，統計各組傳感器1日內的采樣數據條數共5組取平均，分析結果見表5。

試驗結果表明，本系統通訊平均丟包率為4.73%，最大丟包率為7.57%。距離較近時可獲得較好的通信質量。

表5 數據丟包率分布Tab. 5 Distribution of loss rate

5.3 移動端APP應用測試

移動端APP采用響應式網頁，包括上述Web物聯網開發平臺的全部功能。其監測界面如圖11所示。

圖11 移動端APP監測界面

6 結論

本研究基于現代無線傳感技術，根據物聯網感知層、傳輸層和應用層的三層體系結構，自主設計開發了一整套基于物聯網的菜田溫濕度信息監測系統。

1) 結合嵌入式單片機與傳感器技術自行設計了一種土壤溫濕度無線傳感器。采用分時節能算法和嚴格的功耗控制，最大限度地延長節點生存周期。通過傳感器標定試驗，建立了溫濕度標定曲線，其決定系數分別為99.54%和94.59%，系統通信平均丟包率為4.73%，在采樣周期為15 min的情況下，預計可續航80天以上。

2) 傳輸層設計開發了LoRa協調器主匯聚節點，通過該節點進行LoRa無線組網，接收傳感器數據并通過4G發送至遠程服務器。

3) 應用層開發有Socket網絡端口監聽工具、OTA固件升級工具、Web物聯網開發平臺、手機APP等多款軟件。使系統具備傳感器在線監測、報表查詢、空中升級、視頻監控、文件存儲等多種功能，其通用性強，設計合理，運行穩定，用戶界面友好，具有較好的應用價值。

4) 由于為了降低傳輸協議的復雜性，在傳輸層數據匯聚過程中存在通訊堵塞的問題。在以后的工作中，我們將研究性能優良的動態數據融合算法與校驗協議，以進一步降低多節點時的丟包率。

5) 該傳感器試驗結果表明，整個系統運行穩定、自動化程度高，可有效節約人力物力，既實用又經濟。該系統能有效幫助農戶統一管理、科學決策，對提高農業生產可視化、平臺化、信息化，推動農業邁向4.0時代具有重要意義。