冬小麥生產土壤墑情與環境信息多參數監測站設計與實現

秦磊磊 穆元杰 劉淑云 尚明華

摘 要：為了促進小麥生產的可持續發展，利用物聯網等現代技術手段，對小麥生產過程中土壤墑情、環境信息進行實時監測，結合自主研發的水產物聯網測控平臺，設計一種基于STM32的土壤墑情與環境信息多參數監測站。該監測站可實現多種參數的自動采集、處理及傳輸功能。實驗結果表明，該土壤墑情與環境信息監測站可與大田物聯網測控平臺無縫對接，工作穩定。

關鍵詞：冬小麥;STM32;土壤墑情;環境信息;多參數監測站;參數采集

中圖分類號：TP391文獻標識碼：A文章編號：2095-1302（2019）04-00-03

0 引 言

我國是農業生產大國，也是糧食消費大國，糧食安全問題始終是關系我國國民經濟發展、社會穩定與國家自立的全局性重大戰略問題[1-2]。小麥是我國重要的糧食作物之一，在我國糧食總產量中占據較高比重。小麥生產過程中，化肥、農藥的濫用，水資源不足，氣候環境的波動，耕地面積的減少等都會對小麥生產產生不利影響[3-7]。為促進小麥生產的可持續發展，利用物聯網等現代技術手段，對小麥生產過程中的土壤墑情、環境信息進行實時監測，及時了解小麥生產環境現狀與變化趨勢，并對小麥生產管理策略進行調整，促進小麥生產供給側改革與轉型升級[8-10]。

為此，本文研發大田物聯網測控平臺，實現數據查詢、展示、管理與分析等功能，其中冬小麥生產土壤墑情與環境信息多參數監測站為大田物聯網測控平臺提供數據來源。

1 總體架構

冬小麥生產土壤墑情與環境信息監測站主要由主控模塊、RS 485數據采集模塊、以太網通信模塊、電源模塊四部分組成，以完成冬小麥生產現場對風速、風向、雨量、空氣溫濕度、土壤水分等參數的采集與傳輸。主控模塊（STM32）是整個系統的核心，實現對系統的總體控制。RS 485數據采集模塊實現多種數據的采集、傳輸。以太網通信模塊實現多參數監測站與平臺（大田物聯網測控平臺）的雙向通信。電源模塊為各個模塊供電，以滿足系統對電源的需求。土壤墑情與環境信息監測站結構如圖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，方便開發的同時也能滿足系統需求。多參數監測站主控模塊電路主要涉及STM32F103最小系統電路及其SPI通信、串口通信功能。主控模塊電路如圖2所示。

2.2 RS 485數據采集模塊設計

RS 485接口以良好的抗干擾能力、傳輸速率高、傳輸距離遠等優勢得到了廣泛應用，多參數監測站中各個傳感器通過RS 485接口與主控模塊相連，以獲取數據信息。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RS 485通信功能。

2.3 以太網通信模塊設計

以太網通信模塊采用W5500以太網控制器進行設計。W5500集成有TCP/IP協議棧、10/100 Mbit/s以太網數據鏈路層、物理層，用戶僅需實現上層應用即可。W5500通過SPI接口與STM32通信，支持高達80 MHz的速率，通過HR911105A集成網絡變壓器RJ 45接頭與以太網連接，實現網絡通信功能。以太網通信模塊電路組成如圖4所示。

2.4 電源模塊設計

多參數監測站內部使用5 V，3.3 V兩種電壓類型。系統中STM32主控模塊及W5500以太網通信模塊為3.3 V供電，RS 485數據采集模塊為5 V供電。為滿足系統對電源的需求，系統采用MC34063AD降壓開關型集成穩壓電路將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據，并將獲取到的數據重新組包，通過以太網通信模塊將數據發送至云平臺（大田物聯網測控平臺）。傳感器部分主要接收并解析主控單元發送的數據上傳指令，按照一定的協議組數據包并發送數據。

系統通電后主控單元首先進行系統初始化（主要完成系統相關的初始化以及RS 485，W5500通信相關的硬件初始化），初始化完成后系統開啟定時器中斷。定時器中斷的目的是在系統休眠一定時間后輪詢各傳感器以獲取相應數據。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送讀數據指令，傳感器接收到指令后按照Modbus協議對數據進行組包，并通過RS 485傳輸至主控單元，主控單元接收到數據后按照Modbus協議解析數據并按照云平臺（大田物聯網平臺）通信協議組包，通過W5500上傳數據。系統軟件設計流程如圖6所示。

4 實驗情況

為測試土壤墑情與環境信息多參數監測站工作穩定性，將設備安裝在德州市德農種業小麥基地進行測試，安裝現場如圖7所示。通過監測站采集多種參數（風速、風向、雨量、空氣溫濕度、土壤水分等），并通過以太網傳輸至本文開發的大田物聯網測控平臺中，通過大田物聯網測控平臺查看、分析數據。

設備部署完成并通電，系統開始運行，在大田物聯網測控平臺（手機APP）中查看采集數據及視頻信息，手機APP數據視頻監測圖如圖8所示，各監測數據均可正常采集與上傳。為測試多參數監測站工作穩定性，待其長時間工作后在平臺中查看其采集數據的連續性，并查看有無異常數據。

所示為監測站運行兩周采集數據的走勢圖。由圖9可知，每天均有數據上傳且數據走勢平緩，系統工作較為穩定。

實驗結果表明，本文設計的土壤墑情與環境信息多參數采集監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，并將其上傳至大田物聯網測控平臺，實現與平臺的無縫對接，設備可進行長時間的數據采集上傳，穩定性高。

5 結 語

為了促進小麥生產的可持續發展，利用物聯網等現代技術手段對小麥生產過程中土壤墑情、環境信息進行實時監測，結合自主研發的大田物聯網測控平臺，本文研究設計了一種基于STM32的土壤墑情與環境信息多參數監測站。實驗結果表明，該監測站可實現多種參數的采集、上傳工作，可與大田物聯網測控平臺無縫對接，且穩定性高。

注：本文通訊作者為尚明華。

參 考 文 獻

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