基于MQTT協議的肥液參數遠程監測系統設計與實現

中圖分類號： S24 ；TP29 文獻標識碼：A 文章編號：2095-5553（2025）07-0097-07

Abstract：Integratewater-fertilizer technologyisacrucial methodforconserving water，reducing fertilizeruse，and minimizing ecological pollution. Among its core challenges，the precise detection of fertilizer liquid EC and pH value，along with the stable remote transmissionof these parameters，are keyareasofresearch in the developmentof water-fertilizer integrationequipment.Thisstudy focusedontheappiedresearchofaccuratelymonitoringfertilizer solution parameters in water-fertilizer integrationsystems.Itcarefullyconsidered the detection range andresolutionof voltage signals，and designedahighprecision voltage detectioncircuittoconvert，divide，folow，andfiltertheraw signals output by the fertilizer sensors.After the high-precision voltage detection circuit，the processed EC and pH sensor signals werethen input into thecontroller’s high-speed ADC module for dual synchronous rule sampling.This enabled the realtime conversion of analog signals to digital signal，and synchronized acquisition of EC and pH values. To balance signal filtering withreal-timeresponsiveness，anappropriate filterlength was selected toimplementasliding average filteron thedigital signal，efectively eliminating cyclicand high-frequency random noise and ensuring theaccuracy of ADC samplingresults.Theintegration of high-precision hardware voltage detectionandan eficient sensordata processing algorithm enabled accurate detection of fertilizer solution EC and pH values. The processed data， standardized in JSON format by thecontroller，were transmited via RS232 communication to a 4G DTU module，and thenremotelyuploadedtoa cloudplatformusing the MQTT protocol.Thisprovidedvaluable input foruser decision-making reference orcrop water-fertilizermodeling.Experimental validation demonstrated that the system achieved high-accuracyvoltage detection，supportedbyaflexible andefficientdata processngalgorithm.The average relative error of voltage measurement was only ，while remote communication was stable and reliable， with a data transmission and reception success rate of 99.88% ：

Keywords：waterandfertilizerintegration；remote monitoring；ferilizerparameters；dualADCsynchronoussampling；data filter

0 引言

水肥一體化是當今世界公認的一項高效節水節肥農業新技術，被譽為現代農業的“一號技術”，對提高水資源利用率、節約用肥、減少土壤酸化和水體環境污染意義重大[，是實現設施農業精準施肥的關鍵支撐，已在設施農業中廣泛應用[2-5]。水肥一體機作為實施水肥一體化技術的重要執行機構，主要是根據土壤特性和作物生長規律，利用灌溉設備同時把水分和養分均勻、準確、定時定量地供應給作物[2]。水肥一體化設備精準檢測所施肥液pH（酸堿度）、 EC （電導率），對不同生長期的作物施肥灌溉具有重要指導價值，因此，肥液pH、EC參數的準確檢測是實現水肥一體化精準調控的關鍵一環。隨著多源數據融合技術的發展，與作物生長發育息息相關的肥液 EC?pH 值等參數遠程監測，穩定傳輸至云平臺模型端，并與其他傳感器數據交叉融合決策，也是支撐精準農業進行智慧灌溉的關鍵[6]

為提高農業灌溉等領域中對EC、pH值的智能監控，朱德蘭等為檢測水肥一體機肥液電導率并將其控制在合理范圍內，基于物聯網技術設計了遠程肥液參數控制系統。王鳳花等8設計開發測量 pH 和EC值的農田信息采集儀，在探討儀器測量原理和軟硬件設計的基礎上，采用校正法和配比標準溶液法對采集儀的 ΔpH 值和EC值測量進行標定試驗。宋慶恒等9設計了一種便攜式土壤 pH 值、電導率測試儀，可實現對土壤pH值、電導率、溫度、測試地點經緯度、海拔等參數的采集和存儲。楊衛國1°針對水溶液電導率檢測需求，設計了一套水溶液電導率測量系統，通過合理選取激勵信號源頻率，可實現較小的測量誤差。但目前研究也面臨著肥液監測系統設計成本較高、系統可擴展性不強、測量精準度及遠程數據傳輸穩定性方面有所欠缺的問題。

基于此，面向水肥一體化系統中肥液參數的精準檢測和穩定遠程數據傳輸，本文提出一種基于嵌入式技術、低成本肥液參數精準監測系統應用設計，詳細開展從底層硬件電壓檢測電路設計到應用層傳感器軟件檢測算法的研究，并進行肥液參數的遠程通信傳輸設計，為進一步提升肥液參數的穩定遠程精準監測，提供一種高效靈活解決方案。

1肥液參數監測系統架構

肥液參數遠程監測系統如圖1所示。監測系統架構分為本地端和遠程端，本地端負責肥液EC、pH參數的精準檢測，遠程端負責接收本地端采集的肥液數據，并給用戶使用端或作物水肥模型端提供決策參考。本地端部件主要包括控制器、4GDTU遠程通信模塊、EC、pH檢測傳感器，遠程端部件主要包括云端服務器、開發服務端及用戶使用端等，通過4GDTU遠程通信模塊搭建的網絡，是實現本地端和遠程端溝通的“橋梁”。

傳感器檢測模塊負責將檢測的肥液EC、pH對應電壓，經硬件電壓采集電路后，輸人至控制器的ADC采集模塊進行數據采集并緩存，對緩存的采集數據進行軟件濾波并按公式轉化為肥液對應參數，將計算出的肥液參數按JSON格式整合數據，將規格化的數據通過4GDTU通信模塊遠程傳輸至云平臺端[，以實現對肥液參數的遠程監測。

2 系統硬件設計

2.1 主控芯片

結合肥液參數遠程監測系統設計需求，主控芯片MCU選用工業級芯片STM32F407ZGT6，其是一款32bitCortex一M4F內核架構的微控制器，最大時鐘頻率可達 168MHz ，供電電壓為 3.3V 。內部FLASH和RAM存儲容量分別為1MB、192KB，可充分為復雜程序設計提供存儲空間，片內集成有多路串口通信，可為遠程數據交互提供硬件支撐，多達3路12bit多通道SARADC模塊，具有19個轉換通道，可測量16個外部信號源，可為傳感器數據采集提供便利，總之，豐富的片上集成資源，能有效降低設計復雜度和縮短研發周期。

2.2電壓采集電路設計

水肥一體化系統中， EC 和 pH 值為衡量肥液的重要參數指標。對肥液的 EC?pH 進行檢測，所選EC傳感器型號為S一EC—B2LT，信號輸出為 4～20mA ，測量范圍為 0～5000us/cm ，溫度補償為自動。所選 pH 傳感器型號為 S-PH-A1LT ，信號輸出為 4～ 20mA ，測量范圍為 0～14 ，溫度補償為自動。

肥液傳感器所檢測肥液參數與其輸出電壓之間存在一定關系，基于此，設計肥液參數電壓采集電路。雙路肥液參數電壓采集電路如圖2所示。

EC、pH傳感器分別接圖2中電壓采集電路的AI1、AI2模擬電壓輸入端，由于EC、pH傳感器均為4～20mA 電流信號輸出，故要使用如圖2所示的電壓采集電路，需將電流信號轉化為電壓信號。在EC、pH傳感器的信號輸出 （+） 和信號輸出（一）兩端并聯精度為 1‰ 的 500Ω 精密電阻，將兩個傳感器的信號輸出范圍轉化為 2～10V^[11，12] 。EC、 pH 傳感器輸出電壓經電壓采集電路轉化為 AI-1，AI-2 點電壓后與MCUADC模塊相關采集通道相連。

如EC傳感器接入AI1模擬電壓采集電路所示，EC傳感器輸出電壓信號經RJ1、RJ6精密電阻分壓及電容C39初步濾波后，輸入LM2902運算放大器進行跟隨，并經電容C4O濾波后送入控制器ADC模塊進行數據采集。其中LM2902為4通道運算放大器，具有單位增益穩定、高差分輸入電壓和短路保護輸出等特性。此電壓采集電路因應用跟隨放大器和阻容件組合濾波，具有抑制噪聲顯著、防止采集信號衰減和實用性強的特點[13]。

由電壓采集電路可知，信號放大增益為1，則EC傳感器輸出電壓滿足式（1）。

式中： V_ec 1 EC傳感器輸出電壓， ΔV

V_out 經運算放大器跟隨及濾波后輸入到控制器電壓，即 AI-1 點電壓， ΔV ：

精密分壓電阻，精度為 1‰ ，阻值分 別為 10kΩ 和 30kΩ 。

采樣參考電壓是MCUADC模塊進行電壓采集的基準參考，采樣參考電壓的合理設計，是實現精確測量傳感器輸出電壓的關鍵。一般STM32ADC模塊的參考電壓多選用與MCU供電電壓相同的 3.3V ，在兼容檢測肥液傳感器輸出電壓全量程的條件下，為提高ADC模塊的電壓變化分辨力，降低參考電壓是一個途徑，基于此，設計2.5V的基準參考電壓電路。如圖3所示為ADC采集模塊基準參考電壓電路。

圖3ADC采集模塊基準參考電壓電路 Fig.3ADC acquisition module reference voltage circuit

如圖3所示，應用 LM2596 降壓開關型集成穩壓芯片，將輸入電壓VDD穩壓轉換為 5V ，其中VDD為12V 外部輸入電壓， LM2596 是能輸出3A驅動電流的穩壓芯片，具有良好的線性和負載調節特性，可精準穩定地輸出 5V 電壓。由LM2596集成穩壓芯片輸出的5V電壓，輸入至REF3025串聯（帶隙）精密電壓基準芯片管腳1進行穩壓轉換，通過管腳2輸出 2.5V 并輸人至STM32F407ZGT6的 ΔV_ref+ 管腳，以供ADC模塊進行基準電壓參考，其中REF3025選用低壓降電壓基準芯片，具有高精度、低功耗及微型封裝的特性。

由于STM32F407ZGT6的ADC模塊采樣分辨率為12bit，采樣參考電壓為 2.5V ，故 V_out 計算如式（2）所示。

式中： D1 —ADC1模塊轉換輸出數據，數值范圍為0～212。

由式（2）可知，MCU的ADC模塊能分辨出0.61mV 的電壓變化，對肥液傳感器輸出電壓的微小變化有很好的分辨能力。

聯合式（1）和式（2）整理，可得 V_ec 與 D1 之間的關系如式（3）所示。

由式（3）可知，設計的電壓采集電路能采集的電壓量程范圍為 0～10V ，正好能覆蓋檢測肥液傳感器的輸出電壓范圍（ 2～10V） ，并且在滿足檢測肥液傳感器輸出電壓全量程的條件下，可實現微小的電壓變化分辨力 （0.61mV） 。

與EC傳感器電壓采集計算方法類似，pH傳感器輸出電壓計算如式（4）所示。

式中： V_pH （24號 pH傳感器輸出電壓， ΔV ：

D 2——ADC2模塊轉換輸出數據，數值范圍為0～2¹² 。

3 系統軟件設計

肥液參數精準監測系統軟件設計，包括傳感器采集數據計算和遠程通信設計。

3.1傳感器采集數據計算

肥液相關傳感器經電壓采集電路后，輸人MCUADC模塊進行數據轉換，為濾除周期性及高頻噪聲等信號，對獲取到的ADC轉換數據需進行濾波處理及相關轉換計算，以最終得到準確傳感器物理數值。

3.1.1雙重ADC模式軟件設置

ADC可以使用獨立模式或雙重模式，采用單ADC獨立模式采集多通道信號，有采樣率低及通道間數據錯位且數據波動較大弊端。雙重ADC同步規則模式，具有提高采樣率及高采樣精度的優點，且能對多傳感器采集數據要求時序同步提供實現途徑[14]。

為高精度采集2路肥液參數及提高采樣效率，本系統對MCU自帶的ADC模塊軟件設置為雙重ADC同步規則采樣模式，并結合使用DMA模塊進行采集數據緩存，以減少MCU數據處理負擔。在雙重ADC同步規則模式下，ADC1和ADC2同時對EC、pH傳感器電壓進行采集，以實現兩個傳感器采集數據時序同步及提高采樣率、精準度，此方法可對水肥調控模型、EC/pH 濃度控制算法提供準確的傳感器數據反饋參考。具體為軟件設置ADC1為主采集模塊，ADC2為從采集模塊，選擇定時器2捕獲比較通道作為外部觸發ADC1采樣轉換，ADC2采樣轉換采用軟件觸發，ADC采樣轉換結果由DMA存取流方式存儲至外設存儲器，AI一1點電壓輸入至ADC1模塊通道1，AI-2 點電壓輸入至ADC2模塊通道2。雙重ADC同步采樣模式架構如圖4所示。

雙重ADC同步規則模式使用中，需要對ADC模擬輸入管腳初始化、ADC工作參數初始化、DMA及觸發源初始化，在此模式下，寄存器ADC_CDR的低16位和高16位分別保存ADC1、ADC2的采樣轉換結果。

3.1.2 采樣數據軟件濾波計算

數字濾波算法是系統測控的一個重要組成部分，具有實時性強、無須其他硬件開支和多輸人通道共用一個濾波算法等優點[15]。由式（3）和式（4）可知，肥液傳感器的輸出電壓值僅與ADC模塊轉換輸出數據有關，為有效抑制肥液傳感器噪聲，消除由干擾引起的隨機測量誤差，提高采樣精度[16]，可對ADC轉換輸出數據實行滑動平均濾波算法，滑動平均濾波算法如式（5）所示。

式中： N T 濾波器長度；

一 第 k 次、第 k-N 次ADC采樣值；

y（k），y（k-1） 一 第 k 次、第 k-1 次濾波結果輸出值。

綜合兼顧信號濾波效果及實時響應速度，選取滑動平均濾波器長度 N 為20，對2路肥液傳感器ADC采樣值進行數字濾波，具體數字濾波設計步驟：（1）將各通道連續采集到的20個肥液相關ADC采樣值緩存到一個隊列RAM中；（2）當采集到新數據時存入隊列RAM的尾部，并丟掉隊列RAM中首部的數據；（3）分別對2路隊列肥液相關ADC采集數據進行加和均值運算，即可獲得濾波結果。

將得到的ADC采樣值濾波結果分別代入式（3）和式（4），即可計算出電壓 V_ec，V_pH ，依據肥液傳感器電壓與 EC?pH 值之間的公式，計算出肥液的 EC，pH 值。

3.2 遠程通信設計

經本地端檢測到肥液的EC、pH參數后，需要將此信息遠程傳輸到云服務器端，以下發給使用者或作物水肥調控模型端，進行施肥決策參考。

MQTT（Message Queuing Telemetry Transport）是一個基于客戶端一服務器的消息發布/訂閱傳輸協議，具有輕量、簡單、開放和易于實現的特點，在物聯網領域有著舉足輕重的地位，是一款輕量級但可靠性很高的通信協議，能在較小帶寬上穩定運行，目前被廣泛應用在工農業領域的智能裝備中進行遠程數據交互，且相較于采用傳統的TCP或者HTTP協議更有優勢[17，18]。MQTT通信協議的數據遠程交互收發流程示意圖如圖5所示。

圖5MQTT通信協議收發流程示意圖 Fig. 5MQTT communication protocol of sending and receiving flow diagram

遠程通信系統設計采用MQTT通信協議，進行傳感器采集數據遠程傳輸。4GDTU模塊作為溝通本地端和遠程端的重要硬件載體，選型通信穩定的模塊至關重要。大多數4GDTU模塊多采用外置物聯網卡插入通信卡槽方式通信，但設備運行所帶來的震動往往引起物聯網卡與通信模塊接觸不良，從而導致通信不穩定問題。為避免通信模塊物聯網卡接觸不良弊端，本設計選型工業級穩定可靠的內置eSIM卡4GDTU模塊，所選4GDTU模塊型號為USR一G805，無線傳輸速率為 150Mbps ，供電電壓為DC 9～24V 。

為保證通信數據傳輸的安全性，遠程肥液參數監測系統設計采用搭建私有MQTT服務器。4GDTU通信模塊根據私有IP地址和對應端口號登錄到搭建好的服務器，設置肥液采集系統的DTU通信模塊發布主題為JAAS_FertilM，即可實現肥液采集數據遠程發送至云平臺端。遠程通信傳輸模式采用主動上傳方式，主動上傳周期為5s，控制板檢測到的肥液參數與4GDTU通信模塊之間的數據交互采用串口透傳模式。

JSON（JavaScriptObjectNotation）是一種輕量級的數據交換格式，數據結構由鍵值對組成，常用于將數據結構化的傳輸和存儲，易于編碼和便于機器解析，已成為物聯網設備之間數據交換和通信的主流格式[19]，肥液相關檢測參數的遠程發送采用JSON數據格式：{\"EC”：valuel，“pH”：value2}。其中，value1表示檢測的肥液 EC 值， μS/cm;value2 表示檢測的肥液pH 值，取值范圍為 0～14 。

4試驗結果與分析

4.1 電壓檢測精度試驗

EC、pH傳感器檢測肥液參數準確度，直接受設計系統檢測電壓精度影響。基于此，對由電壓采集電路、雙重ADC同步規則模式以及滑動平均濾波算法組成的電壓檢測系統，進行電壓檢測精度試驗。

試驗環境由精密可調直流電源、USB轉RS232串口線、電路板供電電源、控制電路板和上位機組成。其中精密可調電源型號為TOPLIAX08P3010，額定輸出電壓、電流為 0～32V，0～10 A，電壓設置精度 ?0.1% ；電路板供電電源選用直流電源適配器，輸出電壓/電流為 DC12V/1 A；USB轉RS232串口線選用帶屏蔽層的UGREEN綠聯CR104、DB9接口；控制電路板內集成高精度電壓采集電路，以及RS232串口收發電路，供電電壓為DC12V；上位機為依托電腦的串口數據收發調試軟件，用于接收串口數據并顯示在電腦屏幕上。

編寫電壓采集精度試驗程序，試驗程序包括雙重ADC同步規則采樣結合滑動平均濾波算法的電壓檢測程序，以及控制電路板串口打印數據程序，用于串口傳輸ADC轉換結果、電壓計算結果至上位機顯示，其中串口打印程序1.5s輸出一組數據，打印數據串口設置波特率： 115200bps ，數據位：8，停止位：1，奇偶校驗：無。

精密可調直流電源電壓輸出端連接控制電路板兩路模擬輸人端，即ADC1和ADC2同時采集精密可調直流電源輸出電壓；控制電路板RS232串口通過USB轉串口線連接至電腦USB端口，將編寫好的電壓采集精度試驗程序通過JTAG仿真器載入控制電路板。以 為起始測量電壓，0.5V為步進遞增設置量， 10V 為終止測量電壓，進行手動調節精密可調直流電源輸出電壓，精密可調直流電源電壓設置到預期值后，為確保直流電源電壓輸出穩定，等待2s后，再進行統計每次測量電壓的連續10次ADC轉換結果平均值和電壓計算結果平均值。

記錄試驗過程中ADC1和ADC2測量電壓相關平均數據，結果如表1所示。ADC1轉換電壓的平均相對誤差為 2.03‰ ，ADC2轉換電壓的平均相對誤差為 ，轉換電壓的綜合平均相對誤差為 。設計的電壓檢測系統可精準測量電壓，能實現EC、 pH 傳感器精準測量肥液 EC?pH 值。

表1ADC1和ADC2測量電壓數據Tab.1ADCl and ADC2 measure voltage data

4.2肥液參數遠程監測測試

基于所述高精度硬件電壓檢測電路、雙重ADC同步規則采樣、采集數據濾波處理和遠程通信設計，本監測系統已部署應用在江蘇省農業科學院設施果蔬生產基地的水肥一體機上，肥液遠程監測系統試驗環境如圖6所示。

MQTTX是一款開源的跨平臺MQTT協議桌面測試客戶端，支持在macOS、Linux、Windows操作系統上運行，完整兼容MQTTv3.1.1以及MQTTv5.0協議，支持多種Payload格式如Hex、Base64、JSON、Plaintext，可快速測試MQTT通信的連接/發布/訂閱功能。設置DTU主動上傳數據周期為5s，應用MQTTX軟件對DTU在 2.5h 內收取的數據流進行監控，接收到的理論數據流應為1800條，統計實際接收數據流為1798條，數據流接收成功率為 99.88% ，通信傳輸穩定。

對水肥一體化系統設置為純水灌溉模式，并啟動運行，灌溉用水來源為生活可用的自來水。應用通信軟件MQTTX監測灌溉過程中遠程通信數據流以進行分析。

從通信數據流可以分析出，監測到的數據流發布主題為JAAS_FertilM，發布主題數據流的通信周期，由相鄰消息數據的時間戳信息計算為5S，監測到的消息數據為JSON數據格式，且均與遠程通信設計章節里設置的一致。由遠程傳輸上來的監測數據流分析可知，EC與pH檢測數據波動較小，檢測數據較穩定，且所測數值與自來水的水質標準范圍相符合[20]。

水肥一體機遠程控制監測應用平臺如圖7所示。此平臺可實現對水肥一體機肥液參數的實時遠程監測，負責將本地端水肥一體機檢測的肥液參數進行顯示記錄，并能統計展示各灌區灌溉的水肥量等信息。

5結論

1）通過選取精密分壓電阻阻值和傳感器精密并聯電阻阻值，兼容設計電壓檢測電路測量量程及參考電壓，在滿足檢測肥液傳感器輸出電壓全量程的條件下，可實現微小的電壓變化分辨力 （0.61mV ），設計出的高精度電壓跟隨濾波檢測電路，能夠準確檢測電壓及抗外部干擾。

2）采用雙重ADC同步規則采樣模式，以及結合滑動平均濾波算法對ADC采樣結果進行處理，能實現多傳感器采集數據時序同步，以及獲取采集數據的快速實時性、準確性和消除隨機測量誤差。

3）雙路電壓采集電路和傳感器數據檢測算法的有效融合設計，采集電壓綜合平均相對誤差為 ，能實現高精度檢測電壓，可對精準檢測肥液EC?pH 值提供實現途徑。

4）應用輕量化且穩定性高的MQTT協議，選用可靠性高的內置eSIM卡DTU模塊，遠程傳輸通用化JSON數據格式的肥液參數至私有服務器端，通信數據收發成功率達 99.88% ，具有通信穩定安全可靠的特性，精準檢測的肥液參數遠程傳輸至平臺端，對使用者或作物水肥模型端可提供有價值的決策參考。

設計的肥液參數精準監測系統具有測量精度高、通信穩定可靠、抗干擾和實用性強的優點，可為作物水肥模型及EC濃度控制算法提供精準的傳感器測量值，具有較低的設計成本及一定的應用參考價值。

在未來的研究工作中，將針對實際應用場景使用時間較長的肥液傳感器內部敏感電子元器件特性變化及傳感器檢測探頭受到污染等因素，造成零點漂移等問題，進行肥液傳感器測量區間分段校正擬合試驗，以提高老舊傳感器測量準確度和可靠性。

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