| 标题 | 智能墒情检测系统的设计与实现 |
| 范文 | 夏少芳 摘要：土壤墒情是政府决策部门实现节水的重要信息，是农牧业抗旱和合理配置水资源的重要依据，集成采集土壤水分、温度和灌溉水量控制的智能农业墒情管理系统具有很高的实用性。设计基于ARM Cortex-M平台，应用GPRS数据通信技术，实现了服务器和下位机之间数据的远程传输和控制。经测试，设计能够实现高效率的数据采集和传输，成本低，可广泛用于农业墒情的实时监测和灌溉的实时控制。 关键词：ARM Cortex-M系列；GPRS；GPS；土壤温度和湿度；水控制器 中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：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 该系统针对农业大田种植分布广、监测点多、布线和供电困难等特点，利用物联网技术，采用高精度土壤温湿度传感器远程在线采集土壤墒情，实现墒情自动预报、灌溉用水量智能决策、远程/自动控制灌溉设备等功能。智能农业墒情管理系统的监测控制终端设计中采用SM3001B工业型土壤水分传感器进行土壤温湿度的采集，并且采用高精度的GPS定位模块定位监测区域，通过STM32控制器将采集的土壤信息和定位信息经过处理后由GPRS模块传送给服务器，人们可以通过访问该网站获取土壤墒情信息，服务器可以根据墒情数据命令水量控制器进行灌溉，实时高效地完成了土壤的监测和灌溉控制。 2 系统总体设计 2.1 系统概述 在STM32主控制器上实现的智能农业墒情管理系统的监测控制终端，主要将土壤水分传感器采集的数据经过处理后通过GPRS无线通信发送给服务器。土壤水分检测传感器采集目的区域土壤的温湿度数据，GPS模块定位该区域的地理位置信息，STM32控制器将这两组数据打包成固定格式的帧数据并通过GPRS模块发送至服务器，服务器中的上位机按照约定好的格式对帧数据解包，实现数据的共享，达到利用互联网远程显示模块数据的目的，并且服务器可以根据墒情数据命令下位机的水量控制器进行实时灌溉，工作原理图如图1所示。 2.2 系统设计 系统主要采用STM32F103ZET6为控制处理终端，采用搜博SM3001B土壤水分检测传感器，2.8寸TFT液晶显示模块，GSM＼GPRS＼GPS三合一SIM808模块、水量控制器模块。其设计流程如下： （1）通过SM3001B、GPS实现对土壤的水分数据监测及监测区域的定位。 （2）利用STM32F103ZET6对传感器采集到的数据进行处理控制。 （3）通过STM32控制TFT液晶显示模块，将数据显示在液晶屏上并通过GPRS发送到后台服务器。 （4）STM32控制器通过GPRS无线方式接收服务器发布的灌溉控制命令，控制水量控制器进行灌溉。 3 系统硬件设计 3.1 STM32F103ZET6开发板 考虑到该系统投入使用的成本问题，采用STM32F103ZET6型号的开发板，如图2所示。 3.2 GSM＼GPRS＼GPS三合一SIM808模块 SIM808模块集成了GSM短信电话功能、GPRS数据传输功能和GPS定位功能，可与大部分控制器连接并进行远程的数据传输通信。通过该模块实现GPS定位和GPRS数据的传输。 3.3 土壤水分检测传感器 SM3001B土壤水分检测传感器用于采集土壤表层或深层的温湿度数据，该模块受地质影响小，可长期埋设于土壤内使用。传感器采集的湿度数据为土壤湿重与土壤干重的差数对干重的百分比。该模块通过工业通用的RS485接口与外部处理器进行连接通信，并且模块集成了MODBUS-RTU 通讯协议，应用该协议可以扩展多个土壤水分检测传感器同时挂载到一台外部处理器上。传感器及其引脚定义如图3所示。 3.4 水量控制器 本设计中水量控制器由两部分组成，一部分为水流量传感器，负责采集某一时间段内水流量的大小，另一部分为电磁阀和继电器组合而成的水流开关，负责整个系统的水流打开与闭合。 水流量传感器主要由阀体、水流转子组件和霍尔元件组成。装在测量设备进水端用于检测进水流量，当水通过水流转子组件时，磁性转子转动并且转速随着流量变化而变化，霍尔元件输出相应脉冲信号，反馈给控制器，由控制器判断水流量的大小，从而进行调控。 4 系统软件设计 系统软件设计主要由两部分构成，一部分为下位机各模块驱动程序的设计，主要是驱动土壤水分检测传感器进行土壤信息采集、SIM808模块进行定位及数据传输、水量控制器进行土壤灌溉；另一部分则是运行在服务器端的上位机程序设计，主要负责接收下位机数据并存入数据库，同时也可发送灌溉命令至下位机。 4.1 数据采集程序的设计 通过土壤温湿度传感器采集数据的流程如图4所示。 GPS数据获取通过STM32开发板通过串口与SIM808模块进行通信，使用如下AT指令实现： （1）AT+CGNSPWR=1//打开GPS电源； （2）AT+CGNSSEQ="RMC"//定义NMEA解析； （3）AT+CGNSINF//等待定位成功； （4）AT+CGNSURC=2//设置GPS输出时间间隔为2s。 4.2 数据处理程序的设计 主要功能是将采集到的土壤温湿度信息和定位信息进行打包，组合成一帧发送数据，通过SIM808模块集成的GPRS发送至服务器，同时程序也可通过GPRS接收到服务器发来的数据，所以设计分为两部分，一是数据打包处理程序，二是GPRS发送与接收程序。程序流程图如图5所示。 4.3 水量灌溉控制程序的设计 本节程序的功能主要是：当服务器发来灌溉命令并带有灌溉水量参数的数据时，STM32开发板通过继电器控制电磁阀打开，同时用水流量传感器检测流出的水量大小，当检测到水量已到达服务器要求的大小时，开发板将电磁阀关闭，切断水流。 在设计水流量传感器程序之前需要先确定出水速Q（ml/s）和脉冲信号频率F（Hz）之间的函数关系式反复测试以上程序得到一组水流速度和信号频率之间的数据，如表1所示。 5 系统测试 测试表明，系统能够正常采集土壤墒情数据，并上传至服务器。对于当土壤的湿度小于阀值时，被认为是干旱。此时可以远程进行灌溉，根据农作物的不同，当灌溉的水量达到某一个值时将自动停止灌溉。程序测试时，为避免水量的浪费当程序检测到累计流水量达到300ml时，电磁阀便被切断电源，水流停止。测试结果如图7所示。 参考文献： [1] 艾海波，魏晋宏，邱权.基于STM32的微型植物工厂温湿度监测系统设计[J].农机化研究，2014. [2] 康立军，基于生态学理念的智能墒情监控系统研究[D].甘肃农业大学，2013. [3] 韩斌杰.GPRS原理及其网络优化[M].北京：机械工业出版社，2003. [4] 摩托罗拉工程学院主编.GPRS网络技术[M].北京：电子工业出版社，2003. [5] 袁安存.全球定位系统（GPS）原理与应用[M].大连：大连海事大学出版社，1999. [6] 李德利，陈琳英，刘路路，杨大洋，张棚.基于STM32的FFP-TF法FBG传感系统设计[J].山西电子技术，2014. |
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