稻田水分監(jiān)測(cè)無(wú)線傳感器設(shè)計(jì)

陳耀寶 胡均萬(wàn) 陳江麗 莫月玲 廖偉成 周 瑩

（梧州學(xué)院電子與信息工程學(xué)院，廣西 梧州 543000）

0 引言

稻田是中國(guó)常見(jiàn)的一種農(nóng)田類(lèi)型，傳統(tǒng)的水稻種植方式對(duì)水分要求較高。稻田水分信息的可靠感知、大范圍實(shí)時(shí)獲取、智慧化管理是實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的關(guān)鍵，對(duì)提高水分的利用率、節(jié)約水資源、實(shí)現(xiàn)水稻生產(chǎn)的高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)具有重要意義［1］。常用的土壤水分檢測(cè)法有時(shí)域反射法（TDR）、頻域反射法（FDR），但這些方法使用的儀器生產(chǎn)成本較高，不適合大規(guī)模使用。本研究基于STM32 微控制器和LoRa 無(wú)線通信技術(shù)，設(shè)計(jì)出一種用于監(jiān)測(cè)稻田水分的無(wú)線傳感器。該傳感器能取代傳統(tǒng)的人工監(jiān)測(cè)方式，能對(duì)稻田水分情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，能準(zhǔn)確識(shí)別出稻田水位、土壤水分，可用于監(jiān)測(cè)水稻早期生長(zhǎng)階段的水分供應(yīng)和中后期土壤中的水分情況。

1 硬件設(shè)計(jì)

稻田水分監(jiān)測(cè)無(wú)線傳感器整體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。稻田水分監(jiān)測(cè)無(wú)線傳感器的硬件部分以STM32F103C8T6 微控制器為核心，包括水位識(shí)別傳感器、土壤水分傳感器、電源模塊和LoRa 無(wú)線通信模塊。

圖1 稻田水分監(jiān)測(cè)無(wú)線傳感器整體結(jié)構(gòu)

1.1 主控芯片

以ST 意法半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的STM32F103C8T6為主控芯片。該芯片包含32 位高密度性能線路微控制器單元、3個(gè)12位A/D轉(zhuǎn)換器、4個(gè)通用16位計(jì)時(shí)器和USART 通信接口（用于與其他設(shè)備進(jìn)行串行通信）、通用定時(shí)器（TIM）或?qū)崟r(shí)時(shí)鐘（RTC）（實(shí)現(xiàn)鬧鐘定時(shí)喚醒功能）。其中，GPIO 用于連接外部設(shè)備和傳感器的數(shù)字輸入輸出引腳。

1.2 LoRa無(wú)線通信模塊

在對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸時(shí)，使用遠(yuǎn)距離無(wú)線傳輸技術(shù)（LoRa）進(jìn)行無(wú)線通信，該技術(shù)是由Semtech公司創(chuàng)建的低功耗局域網(wǎng)無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)。LoRa 通信模塊具有低功耗、長(zhǎng)距離傳輸、強(qiáng)穿透能力等優(yōu)點(diǎn)，是農(nóng)田水分傳感器監(jiān)測(cè)的理想選擇，能實(shí)現(xiàn)高效的數(shù)據(jù)傳輸，有助于提高農(nóng)田水資源的利用率［2］。本研究設(shè)計(jì)的傳感器與LoRa 模塊采用一主多從的連接方式，將從機(jī)采集到的數(shù)據(jù)打包發(fā)送給主機(jī)，主機(jī)再發(fā)送給用戶。

1.3 水位識(shí)別傳感器

水位識(shí)別電路原理如圖2 所示。水位識(shí)別傳感器采用耐腐蝕的雙電極結(jié)構(gòu)，電極一端與一個(gè)高精度電阻測(cè)量電路相連，另一端則接地，采用NPN三極管來(lái)檢測(cè)電阻值發(fā)生的微小變化。當(dāng)電極與水未發(fā)生接觸時(shí)，此時(shí)的電路電阻較高；當(dāng)水與雙電極表面發(fā)生接觸時(shí)，雙電極之間的電阻會(huì)迅速降低。水位越高，放大器輸出端的電壓就越高，即通過(guò)電壓的高低可反映出水位變化情況。

圖2 水位識(shí)別電路原理

1.4 土壤水分傳感器

由于土壤相對(duì)介電常數(shù)受含水量影響，因此，可將稻田土壤被測(cè)物當(dāng)作電容器的極間介質(zhì)。對(duì)電容器容值的測(cè)量相當(dāng)于對(duì)土壤水分含量的測(cè)量，使用電容法測(cè)量土壤水分的方法可分為高頻和低頻兩種，高頻電容法測(cè)量的頻率通常在數(shù)十兆赫茲，甚至數(shù)吉赫茲［3］。高頻電容法通過(guò)提高測(cè)量頻率來(lái)減小土壤鹽分、孔隙等因素產(chǎn)生的影響，但目前測(cè)量精度較高的高頻傳感器的價(jià)格偏高，多用于實(shí)驗(yàn)室研究中［4］。低頻電容法測(cè)量土壤水分的方法具有成本低、抗干擾強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。故本研究設(shè)計(jì)的傳感器采用普通低頻電容法，能有效降低成本。在低頻電容法中，提供測(cè)量頻率的文氏橋電路如圖3所示，其可提供穩(wěn)定的正弦波信號(hào)，可作為電容測(cè)量電路的輸入信號(hào)［5］。在圖3 中，R3、C1、R4、C2 構(gòu)成RC串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)。測(cè)電容電路如圖4 所示。文氏橋電路產(chǎn)生的輸入信號(hào)（IN）會(huì)先經(jīng)過(guò)運(yùn)放U1.2，起到隔離器和信號(hào)增益的作用，確保文氏橋電路能正常工作。經(jīng)過(guò)放大的信號(hào)在通過(guò)土壤時(shí)，信號(hào)發(fā)生衰減，與含水量成反比。為保證測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確，衰減信號(hào)要再經(jīng)過(guò)一個(gè)運(yùn)放U2.1進(jìn)行隔離和放大。為了去除干擾信號(hào)，使用運(yùn)放U2.2和R13來(lái)組成濾波器。該濾波器能隔離干擾信號(hào)，從而保證結(jié)果真實(shí)有效。濾波后的信號(hào)的變化能反映出被測(cè)土壤水分的變化。通過(guò)整流、穩(wěn)壓和過(guò)壓保護(hù)的處理，即可將能反映土壤水分變化的輸出信號(hào)(OUT)上傳至單片機(jī)。

圖3 文氏橋電路

圖4 測(cè)電容電路

1.5 電源模塊

太陽(yáng)能作為可再生能源，具有環(huán)保和可持續(xù)性的特點(diǎn)。為避免太陽(yáng)能板受天氣等因素的影響，導(dǎo)致輸出功率不穩(wěn)定，同時(shí)，為降低高電壓和過(guò)充的風(fēng)險(xiǎn)，可使用MPPT 模塊。MPPT 模塊集成了最大功率點(diǎn)追蹤技術(shù)［6］，能充分發(fā)揮太陽(yáng)能板的輸出能力。

2 軟件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程如圖5 所示。在待機(jī)模式下喚醒系統(tǒng)，對(duì)串口USART、數(shù)模轉(zhuǎn)換ADC、RTC 鬧鐘、控制測(cè)土壤水分、測(cè)水位引腳及LoRa 模塊工作狀態(tài)控制引腳進(jìn)行初始化，隨后執(zhí)行ADC 采集程序，每隔10 ms 采集一次，連續(xù)采集10 s。采集完成后，對(duì)采集到的信息進(jìn)行數(shù)據(jù)濾波，從而確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。接著，判斷當(dāng)前是主機(jī)還是從機(jī)，若是主機(jī)，則等待所有節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)發(fā)送完畢后，再通過(guò)LoRa 模塊將數(shù)據(jù)傳輸至上位機(jī)，傳輸完成后進(jìn)入待機(jī)模式；若是從機(jī)，在發(fā)送完成數(shù)據(jù)后，直接進(jìn)入待機(jī)模式。

圖5 系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程

2.2 鬧鐘定時(shí)程序設(shè)計(jì)

RTC 鬧鐘程序流程如圖6 所示。由STM32 鬧鐘定時(shí)或用戶上位機(jī)來(lái)喚醒傳感器，可通過(guò)USART 來(lái)設(shè)置喚醒條件。上位機(jī)可通過(guò)發(fā)送數(shù)據(jù)從外部先喚醒主機(jī)，再喚醒從機(jī)，從而修改從機(jī)喚醒時(shí)間。

圖6 RTC鬧鐘程序流程

3 傳感器數(shù)據(jù)測(cè)試

3.1 土壤水分測(cè)試

為確保試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，測(cè)試使用烘干后的稻田土壤及稻田水。試驗(yàn)時(shí)，先稱(chēng)量干土重和水重，并進(jìn)行調(diào)配，如將100 g 干稻田土壤和50 g 稻田水進(jìn)行混合均勻調(diào)配，調(diào)配的土壤質(zhì)量濕度為50%。對(duì)不同濕度的土壤進(jìn)行測(cè)量（土壤濕度為0%～100%），測(cè)量輸出端（OUT）的電壓。不同濕度稻田土壤與輸出電壓關(guān)系如圖7 所示。試驗(yàn)結(jié)果表明，稻田土壤的含水量與輸出電壓大致呈線性關(guān)系。

圖7 不同濕度稻田土壤與輸出電壓關(guān)系

3.2 水位識(shí)別測(cè)試

不同水位識(shí)別測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。隨著水位電極浸入水深的增加，傳感器輸出電壓也逐漸升高（0.03～4.50 V），表明所用的水位識(shí)別傳感器對(duì)水位變化敏感，具有良好的線性關(guān)系。試驗(yàn)結(jié)果表明，該傳感器在水位測(cè)量中具有較高的可靠性和準(zhǔn)確性，但當(dāng)水深超過(guò)8 cm 后，輸出電壓變化相對(duì)較小，表明在大水深下傳感器的測(cè)量精度受到限制。

表1 不同水位識(shí)別測(cè)試結(jié)果

3.3 LoRa無(wú)線通信

試驗(yàn)結(jié)果表明，利用4 個(gè)LoRa 模塊成功構(gòu)建4個(gè)LoRa 節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)，在稻田環(huán)境測(cè)試過(guò)程中，節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)傳輸率在95%以上，但信號(hào)強(qiáng)度會(huì)隨距離增加而下降，導(dǎo)致延遲增加。4個(gè)LoRa節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)適用于中心節(jié)點(diǎn)與多個(gè)外圍節(jié)點(diǎn)通信的場(chǎng)景，但需要進(jìn)一步增強(qiáng)信號(hào)強(qiáng)度，才能解決信號(hào)的延遲問(wèn)題。

4 結(jié)論

本研究介紹了稻田水分監(jiān)測(cè)無(wú)線傳感器的硬件設(shè)計(jì)與軟件設(shè)計(jì)過(guò)程，并對(duì)無(wú)線傳感器的水位識(shí)別模塊、土壤水分檢測(cè)模塊、LoRa 無(wú)線通信模塊、電源模塊、定時(shí)喚醒模塊進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證，表明稻田水分監(jiān)測(cè)無(wú)線傳感器的有效性。試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明，稻田水分監(jiān)測(cè)無(wú)線傳感器能實(shí)現(xiàn)對(duì)水位的識(shí)別與土壤水分的監(jiān)測(cè)，通過(guò)LoRa 無(wú)線通信技術(shù)將監(jiān)測(cè)到的稻田水分信息將數(shù)據(jù)傳輸至用戶端，并對(duì)異常數(shù)據(jù)信息發(fā)出警報(bào)。