冬小麥生產(chǎn)土壤墑情與環(huán)境信息多參數(shù)監(jiān)測站設計與實現(xiàn)

0 引 言

我國是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)大國，也是糧食消費大國，糧食安全問題始終是關系我國國民經(jīng)濟發(fā)展、社會穩(wěn)定與國家自立的全局性重大戰(zhàn)略問題 [1-2]。小麥是我國重要的糧食作物之一， 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，耕地面積的減少等都會對小麥生產(chǎn)產(chǎn)生不利影響 [3-7]。為促進小麥生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展，利用物聯(lián)網(wǎng)等現(xiàn)代技術手段，對小麥生產(chǎn)過程中的土壤墑情、環(huán)境信息進行實時監(jiān)測，及時了解小麥生產(chǎn)環(huán)境現(xiàn)狀與變化趨勢，并對小麥生產(chǎn)管理策略進行調整，促進小麥生產(chǎn)供給側改革與轉型升級 [8-10]。

為此，本文研發(fā)大田物聯(lián)網(wǎng)測控平臺，實現(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)測站為大田物聯(lián)網(wǎng)測控平臺提供數(shù)據(jù)來源。

1 總體架構

冬小麥生產(chǎn)土壤墑情與環(huán)境信息監(jiān)測站主要由主控模塊、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)場對風速、風向、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） 是整個系統(tǒng)的核心，實現(xiàn)對系統(tǒng)的總體控制。RS 485 數(shù)據(jù)采集模塊實現(xiàn)多種數(shù)據(jù)的采集、傳輸。以太網(wǎng)通信模塊實現(xiàn)多參數(shù)監(jiān)測站與平臺（大田物聯(lián)網(wǎng)測控平臺）的雙向通信。電源模塊為各個模塊供電，以滿足系統(tǒng)對電源的需求。土壤墑情與環(huán)境信息監(jiān)測站結構如圖 1 所示。

2 硬件設計

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。STM32F103 單片機基于 ARMv7 架構的 Cortex-M3 內核，外設豐富，功耗較低，且具有豐富的技術文檔，方便開發(fā)的同時也能滿足系統(tǒng)需求。多參數(shù)監(jiān)測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)采集模塊設計

RS 485 接口以良好的抗干擾能力、傳輸速率高、傳輸距離遠等優(yōu)勢得到了廣泛應用，多參數(shù)監(jiān)測站中各個傳感器通過 RS 485 接口與主控模塊相連，以獲取數(shù)據(jù)信息。STM32F103 單片機中無 RS 485 通信功能，因此設計如圖 3 所示電路，以實現(xiàn) RS 485 通信功能。

2.3 以太網(wǎng)通信模塊設計

以太網(wǎng)通信模塊采用 W5500 以太網(wǎng)控制器進行設計。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，用戶僅需實現(xiàn)上層應用即可。W5500 通過SPI 接口與 STM32 通信， 支持高達 80 MHz 的速率， 通過HR911105A 集成網(wǎng)絡變壓器 RJ 45 接頭與以太網(wǎng)連接，實現(xiàn)網(wǎng)絡通信功能。以太網(wǎng)通信模塊電路組成如圖 4 所示。

2.4 電源模塊設計

多參數(shù)監(jiān)測站內部使用 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)對電源的需求， 系統(tǒng)采用 MC34063AD 降壓開關型集成穩(wěn)壓電路將 24 V 直流電源調整至 5 V，并通過 REG1117 降壓到 3.3 V。電源模塊電路如圖 5 所示。

3 軟件設計

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（大田物聯(lián)網(wǎng)測控平臺）。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行系統(tǒng)初始化（主要完成系統(tǒng)相關的初始化以及 RS 485，W5500 通信相關的硬件初始化），初始化完成后系統(tǒng)開啟定時器中斷。定時器中斷的目的是在系統(tǒng)休眠一定時間后輪詢各傳感器以獲取相應數(shù)據(jù)。定時器中斷溢出后，主控單元進入中斷處理程序。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)議對數(shù)據(jù)進行組包，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（大田物聯(lián)網(wǎng)平臺）通信協(xié)議組包，通過 W5500 上傳數(shù)據(jù)。系統(tǒng)軟件設計流程如圖 6 所示。

4 實驗情況

為測試土壤墑情與環(huán)境信息多參數(shù)監(jiān)測站工作穩(wěn)定性，將設備安裝在德州市德農(nóng)種業(yè)小麥基地進行測試，安裝現(xiàn)場如圖 7 所示。通過監(jiān)測站采集多種參數(shù)（風速、風向、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)測控平臺中，通過大田物聯(lián)網(wǎng)測控平臺查看、分析數(shù)據(jù)。

設備部署完成并通電，系統(tǒng)開始運行，在大田物聯(lián)網(wǎng)測控平臺（手機 APP）中查看采集數(shù)據(jù)及視頻信息，手機 APP數(shù)據(jù)視頻監(jiān)測圖如圖 8 所示，各監(jiān)測數(shù)據(jù)均可正常采集與上傳。為測試多參數(shù)監(jiān)測站工作穩(wěn)定性，待其長時間工作后在平臺中查看其采集數(shù)據(jù)的連續(xù)性，并查看有無異常數(shù)據(jù)。圖 9所示為監(jiān)測站運行兩周采集數(shù)據(jù)的走勢圖。由圖 9 可知，每天均有數(shù)據(jù)上傳且數(shù)據(jù)走勢平緩，系統(tǒng)工作較為穩(wěn)定。

實驗結果表明，本文設計的土壤墑情與環(huán)境信息多參數(shù)采集監(jiān)測站可實時采集風速、風向、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)測控平臺，實現(xiàn)與平臺的無縫對接，設備可進行長時間的數(shù)據(jù)采集上傳，穩(wěn)定性高。

5 結 語

為了促進小麥生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展，利用物聯(lián)網(wǎng)等現(xiàn)代技術手段對小麥生產(chǎn)過程中土壤墑情、環(huán)境信息進行實時監(jiān)測，結合自主研發(fā)的大田物聯(lián)網(wǎng)測控平臺，本文研究設計了一種基于 STM32 的土壤墑情與環(huán)境信息多參數(shù)監(jiān)測站。實驗結果表明，該監(jiān)測站可實現(xiàn)多種參數(shù)的采集、上傳工作，可與大田物聯(lián)網(wǎng)測控平臺無縫對接，且穩(wěn)定性高。