夏少芳

摘要：土壤墑情是政府決策部門實現(xiàn)節(jié)水的重要信息，是農(nóng)牧業(yè)抗旱和合理配置水資源的重要依據(jù)，集成采集土壤水分、溫度和灌溉水量控制的智能農(nóng)業(yè)墑情管理系統(tǒng)具有很高的實用性。設計基于ARM Cortex-M平臺，應用GPRS數(shù)據(jù)通信技術(shù)，實現(xiàn)了服務器和下位機之間數(shù)據(jù)的遠程傳輸和控制。經(jīng)測試，設計能夠?qū)崿F(xiàn)高效率的數(shù)據(jù)采集和傳輸，成本低，可廣泛用于農(nóng)業(yè)墑情的實時監(jiān)測和灌溉的實時控制。

關(guān)鍵詞：ARM Cortex-M系列；GPRS；GPS；土壤溫度和濕度；水控制器

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2016）19-0156-03

Design and Implementation of Intelligent Agriculture Moisture ManAgement System

XIA Shao-fang

（College of Mathematics and Information Technology，XingTai University， XingTai 054001，China）

Abstract：Soil moisture is important information for government decision-making departments to achieve water conservation. That is an important basis for the agricultural drought-resistant and rational allocation of water resources. Intelligent agriculture moisture management system which integrated collection of soil moisture， temperature and irrigation control has high availability. The design is based on the ARM Cortex-M platform， using GPRS data communication technology and realized the remote data transmission and control between the server and the lower machine. After the test， the design can achieve the high efficiency data acquisition and transmission， low cost， can be widely used in real-time monitoring of soil moisture and real-time control of irrigation.

Key words： ARM Cortex-M； GPRS； GPS； Soil temperature and humidity； water controller

1 概述

該系統(tǒng)針對農(nóng)業(yè)大田種植分布廣、監(jiān)測點多、布線和供電困難等特點，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，采用高精度土壤溫濕度傳感器遠程在線采集土壤墑情，實現(xiàn)墑情自動預報、灌溉用水量智能決策、遠程/自動控制灌溉設備等功能。智能農(nóng)業(yè)墑情管理系統(tǒng)的監(jiān)測控制終端設計中采用SM3001B工業(yè)型土壤水分傳感器進行土壤溫濕度的采集，并且采用高精度的GPS定位模塊定位監(jiān)測區(qū)域，通過STM32控制器將采集的土壤信息和定位信息經(jīng)過處理后由GPRS模塊傳送給服務器，人們可以通過訪問該網(wǎng)站獲取土壤墑情信息，服務器可以根據(jù)墑情數(shù)據(jù)命令水量控制器進行灌溉，實時高效地完成了土壤的監(jiān)測和灌溉控制。

2 系統(tǒng)總體設計

2.1 系統(tǒng)概述

在STM32主控制器上實現(xiàn)的智能農(nóng)業(yè)墑情管理系統(tǒng)的監(jiān)測控制終端，主要將土壤水分傳感器采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過處理后通過GPRS無線通信發(fā)送給服務器。土壤水分檢測傳感器采集目的區(qū)域土壤的溫濕度數(shù)據(jù)，GPS模塊定位該區(qū)域的地理位置信息，STM32控制器將這兩組數(shù)據(jù)打包成固定格式的幀數(shù)據(jù)并通過GPRS模塊發(fā)送至服務器，服務器中的上位機按照約定好的格式對幀數(shù)據(jù)解包，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享，達到利用互聯(lián)網(wǎng)遠程顯示模塊數(shù)據(jù)的目的，并且服務器可以根據(jù)墑情數(shù)據(jù)命令下位機的水量控制器進行實時灌溉，工作原理圖如圖1所示。

2.2 系統(tǒng)設計

系統(tǒng)主要采用STM32F103ZET6為控制處理終端，采用搜博SM3001B土壤水分檢測傳感器，2.8寸TFT液晶顯示模塊，GSM＼GPRS＼GPS三合一SIM808模塊、水量控制器模塊。其設計流程如下：

（1）通過SM3001B、GPS實現(xiàn)對土壤的水分數(shù)據(jù)監(jiān)測及監(jiān)測區(qū)域的定位。

（2）利用STM32F103ZET6對傳感器采集到的數(shù)據(jù)進行處理控制。

（3）通過STM32控制TFT液晶顯示模塊，將數(shù)據(jù)顯示在液晶屏上并通過GPRS發(fā)送到后臺服務器。

（4）STM32控制器通過GPRS無線方式接收服務器發(fā)布的灌溉控制命令，控制水量控制器進行灌溉。

3 系統(tǒng)硬件設計

3.1 STM32F103ZET6開發(fā)板

考慮到該系統(tǒng)投入使用的成本問題，采用STM32F103ZET6型號的開發(fā)板，如圖2所示。

3.2 GSM＼GPRS＼GPS三合一SIM808模塊

SIM808模塊集成了GSM短信電話功能、GPRS數(shù)據(jù)傳輸功能和GPS定位功能，可與大部分控制器連接并進行遠程的數(shù)據(jù)傳輸通信。通過該模塊實現(xiàn)GPS定位和GPRS數(shù)據(jù)的傳輸。

3.3 土壤水分檢測傳感器

SM3001B土壤水分檢測傳感器用于采集土壤表層或深層的溫濕度數(shù)據(jù)，該模塊受地質(zhì)影響小，可長期埋設于土壤內(nèi)使用。傳感器采集的濕度數(shù)據(jù)為土壤濕重與土壤干重的差數(shù)對干重的百分比。該模塊通過工業(yè)通用的RS485接口與外部處理器進行連接通信，并且模塊集成了MODBUS-RTU 通訊協(xié)議，應用該協(xié)議可以擴展多個土壤水分檢測傳感器同時掛載到一臺外部處理器上。傳感器及其引腳定義如圖3所示。

3.4 水量控制器

本設計中水量控制器由兩部分組成，一部分為水流量傳感器，負責采集某一時間段內(nèi)水流量的大小，另一部分為電磁閥和繼電器組合而成的水流開關(guān)，負責整個系統(tǒng)的水流打開與閉合。

水流量傳感器主要由閥體、水流轉(zhuǎn)子組件和霍爾元件組成。裝在測量設備進水端用于檢測進水流量，當水通過水流轉(zhuǎn)子組件時，磁性轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動并且轉(zhuǎn)速隨著流量變化而變化，霍爾元件輸出相應脈沖信號，反饋給控制器，由控制器判斷水流量的大小，從而進行調(diào)控。

4 系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)軟件設計主要由兩部分構(gòu)成，一部分為下位機各模塊驅(qū)動程序的設計，主要是驅(qū)動土壤水分檢測傳感器進行土壤信息采集、SIM808模塊進行定位及數(shù)據(jù)傳輸、水量控制器進行土壤灌溉；另一部分則是運行在服務器端的上位機程序設計，主要負責接收下位機數(shù)據(jù)并存入數(shù)據(jù)庫，同時也可發(fā)送灌溉命令至下位機。

4.1 數(shù)據(jù)采集程序的設計

通過土壤溫濕度傳感器采集數(shù)據(jù)的流程如圖4所示。

GPS數(shù)據(jù)獲取通過STM32開發(fā)板通過串口與SIM808模塊進行通信，使用如下AT指令實現(xiàn)：

（1）AT+CGNSPWR=1//打開GPS電源；

（2）AT+CGNSSEQ="RMC"http://定義NMEA解析；

（3）AT+CGNSINF//等待定位成功；

（4）AT+CGNSURC=2//設置GPS輸出時間間隔為2s。

4.2 數(shù)據(jù)處理程序的設計

主要功能是將采集到的土壤溫濕度信息和定位信息進行打包，組合成一幀發(fā)送數(shù)據(jù)，通過SIM808模塊集成的GPRS發(fā)送至服務器，同時程序也可通過GPRS接收到服務器發(fā)來的數(shù)據(jù)，所以設計分為兩部分，一是數(shù)據(jù)打包處理程序，二是GPRS發(fā)送與接收程序。程序流程圖如圖5所示。

4.3 水量灌溉控制程序的設計

本節(jié)程序的功能主要是：當服務器發(fā)來灌溉命令并帶有灌溉水量參數(shù)的數(shù)據(jù)時，STM32開發(fā)板通過繼電器控制電磁閥打開，同時用水流量傳感器檢測流出的水量大小，當檢測到水量已到達服務器要求的大小時，開發(fā)板將電磁閥關(guān)閉，切斷水流。

在設計水流量傳感器程序之前需要先確定出水速Q(mào)（ml/s）和脈沖信號頻率F（Hz）之間的函數(shù)關(guān)系式反復測試以上程序得到一組水流速度和信號頻率之間的數(shù)據(jù)，如表1所示。

5 系統(tǒng)測試

測試表明，系統(tǒng)能夠正常采集土壤墑情數(shù)據(jù)，并上傳至服務器。對于當土壤的濕度小于閥值時，被認為是干旱。此時可以遠程進行灌溉，根據(jù)農(nóng)作物的不同，當灌溉的水量達到某一個值時將自動停止灌溉。程序測試時，為避免水量的浪費當程序檢測到累計流水量達到300ml時，電磁閥便被切斷電源，水流停止。測試結(jié)果如圖7所示。

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