基于nRF52832和小程序的土壤檢測與改善建議系統(tǒng)

關鍵詞：nRF52832；微信小程序；傳感器；智慧農業(yè)

doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2025.04.030

中圖分類號：TP368.33 文獻標志碼：A 文章編碼：1672-7274（2025）04-0087-03

Abstract： This article analyzes a soil detection and improvement suggestion system based on the nRF52832 development kit and WeChat mini program，aimed at helping users beterunderstand and utilize soil data.The system connects the datacollectionsensor with the nRF52832 development kit，and uses the Bluetooth functionof nRF52832 to broadcastvarioussoildatacollectedbythesensorviaBluetooth.Themini programreceives theBluetooth broadcast data，comparesandanalyzes it，and provides soilimprovementsuggestions.Enableusers toimprovesoilconditions in atargeted manner，ensuring thatplantsarein themost suitablesoilenvironment forgrowth.The implementationof this system can help users beter understand the meaning of soil data， make beter useof soil data，improve planting efficiency， and play a positive role in resource efficient utilization.

Keywords： nRF52832; WeChat mini program; sensors; smart agriculture

隨著居民審美需求及生活品質提升需求，花卉產(chǎn)品消費的頻次與檔次日益提升。作為美好生活的重要載體，花卉行業(yè)在未來具有廣闊的發(fā)展空間。預計花卉種植人口將不斷增多，人們對高效種植花卉的需求日益顯現(xiàn)。然而各種因素的干擾使得人們很難抽出時間對種植知識系統(tǒng)地進行學習。渴望高效種植花卉卻難有精力學習種植知識的人們對簡單而又高效地獲取種植知識的需求強勁。為滿足這一需求，本系統(tǒng)的設計將著力點放在土壤上。因為決定花卉長勢的最關鍵因素是土壤，土壤的溫度、濕度、氮磷鉀含量、EC值等決定著植物是否能茁壯成長。如果能夠有針對性地改善土壤環(huán)境，就能讓植物更健康地成長。因此，通過藍牙物聯(lián)網(wǎng)、微信小程序等技術的使用，設計出能夠教用戶有針對性地改善土壤檢測與改善方案系統(tǒng)，對用戶種植的簡易化有重要意義。

系統(tǒng)設計

本系統(tǒng)硬件部分包括土壤數(shù)據(jù)傳感器和nRF52832開發(fā)套件。傳感器能夠實時監(jiān)測土壤的各項參數(shù)，如溫度、濕度、氮磷鉀含量、EC值、電導率等，探針式結構緊湊設計適合直接插入土壤使用，大大降低了用戶使用難度。nRF52832作為控制芯片，負責向傳感器發(fā)送啟動信號與接收傳感器采集的土壤數(shù)據(jù)，并通過低功耗藍牙廣播技術將采集的土壤數(shù)據(jù)發(fā)送至微信小程序。其低功耗和高性能的特性使其非常適合物聯(lián)網(wǎng)應用，能夠確保本系統(tǒng)的土壤數(shù)據(jù)實時傳輸與更新。

軟件部分主要是微信小程序，它負責接收、處理和展示土壤傳感器采集的數(shù)據(jù)，并給出土壤改善建議。當用戶啟動小程序后便開始初始化，小程序會顯示初始化進度，若設備初始化失敗則及時反饋錯誤原因。初始化成功后小程序便開始正常工作，小程序將調用手機的藍牙功能，接收由nRF52832藍牙廣播的土壤數(shù)據(jù)，并迅速更新土壤數(shù)據(jù)到小程序頁面顯示出來。獲取到的土壤數(shù)據(jù)將存儲在數(shù)據(jù)庫中，以供歷史查詢和分析。將實時采集的數(shù)據(jù)與預設的植物最適生長數(shù)據(jù)進行比對，分析土壤狀況，并根據(jù)分析結果生成改善建議，包括水和肥料的合理配比與使用量、適宜溫度及濕度的調節(jié)方法、pH值調節(jié)方法等。用簡潔明了的頁面與通俗易懂的語句清晰展示土壤數(shù)據(jù)與建議，讓用戶能夠明白土壤數(shù)據(jù)所反映出的土壤情況，進而有針對性地改善土壤環(huán)境[1]。

本系統(tǒng)通過硬件與軟件的結合，實現(xiàn)了對土壤數(shù)據(jù)的實時檢測與分析，并根據(jù)植物生長要求生成相應的土壤改善建議，從而提升農業(yè)生產(chǎn)的效率與可持續(xù)性。

2 硬件設計

2.1處理器的選擇

nRF52832是由NordicSemiconductor開發(fā)的高度集成的低功耗無線系統(tǒng)芯片。可支持BluetoothLowEnergy（BLE）、ANT和2.4GHz專有協(xié)議，通過精密的片上自適應電源管理系統(tǒng)，實現(xiàn)了極低的功耗。集成了處理器、存儲器和外設接口等多種功能模塊，這種高度集成的設計能夠在較小的封裝中實現(xiàn)復雜的無線通信系統(tǒng)，降低了系統(tǒng)的復雜性和成本。采用的ARMCortex-M4內核，具有高性能的處理能力，可以處理復雜的算法和數(shù)據(jù)處理任務，適用于需要較高計算性能的應用[2]。

2.2大致設計

在KeiluVision5中，編寫與nRF52832開發(fā)套件適配的代碼，以實現(xiàn)設備與傳感器之間的有效通信。調用uart_init，配置好波特率、接收引腳、發(fā)送引腳和校驗位等參數(shù)，滿足與傳感器串口通信所需格式。調用app_uart_put函數(shù)向傳感器發(fā)送啟動信號，讓土壤傳感器開始工作并傳回數(shù)據(jù)。調用app_uart_get函數(shù)接收傳感器采集的數(shù)據(jù)。調用gatt_init初始化并配置BLE棧，使設備BLE正常運行并監(jiān)聽和處理BLE事件，以保證后續(xù)發(fā)送啟動信號或接收土壤數(shù)據(jù)的順暢性。調用advertising_init函數(shù)來初始化藍牙廣播的數(shù)據(jù)，配置廣播信號的發(fā)射功率、廣播的間隔和持續(xù)時間并設定廣播數(shù)據(jù)的具體結構。這些參數(shù)的設置是為了確保nRF52832開發(fā)套件能夠有效進行數(shù)據(jù)廣播。再通過循環(huán)調用這三個函數(shù)sd_ble_gap_adv_stop （m_advertising.adv_handle）;advertising_init;advertising_startO;實現(xiàn)藍牙廣播的停止、更新數(shù)據(jù)再廣播，確保藍牙數(shù)據(jù)實時更新。通過以上各個步驟和舉例主要函數(shù)的調用，實現(xiàn)了土壤傳感器與nRF52832開發(fā)套件之間的數(shù)據(jù)采集與廣播功能，為后續(xù)小程序端的開發(fā)與連接提供了堅實的基礎[3]。

2.3傳感器的選擇

傳感器作為數(shù)據(jù)的來源是系統(tǒng)運行的基礎，因此傳感器的選擇至關重要。不僅能夠精確測量出土壤的關鍵數(shù)據(jù)，如土壤的溫度、濕度、EC值、氮磷鉀含量、pH值等數(shù)據(jù)，還要考慮數(shù)據(jù)采集的準確性、設備的耐久性、環(huán)境適用性、設備靈敏度、設備維護難度、用戶友好性、設備使用壽命等，多角度考慮使用環(huán)境，通過分析對比選出適用設備。土壤溫度模塊由德國Heraeus公司進口的A級ST-1-PT1000精密鉑電阻和高精度傳感器組成，量程為 30^°C～70^°C ，誤差范圍為 0.1^°C 。土壤水分模塊采用基于頻域反射原理，利用高頻電子技術制造的高精度、高靈敏度的測量土壤水分的傳感器，用百分比表示濕度。土壤電導率模塊采用不銹鋼探針通過傳感器轉換成土壤電導率的數(shù)字信號，通過測量溫度，將電導率信號補償?shù)?5^°C 后作為鹽分信號輸出，量程為 0～2000μS/cm， 誤差范圍控制到1 。土壤pH值與鹽分模塊將pH值與鹽分轉換成與之對應的數(shù)字信號，測定土壤中的酸堿度與鹽度，pH值量程為 3～10 ，誤差范圍在0.2；鹽度量程為 0～2000μS/cm ，誤差范圍控制到1 μS/cm 。采用電化學傳感器通過測量土壤溶液中離子的電流或電位變化來確定氮（N）磷（P）鉀（K）濃度，量程為0～1999mg/kg（mg/L） ，誤差范圍在 。此傳感器高度集成了各項土壤關鍵數(shù)據(jù)采集傳感器，并且探針的長度為 55mm ，直徑為 3mm ，采用316L不銹鋼材料制作的探針式設計對土壤破壞小，密封性好，可直接埋入土壤中使用，且不易受腐蝕。

3 軟件設計

3.1軟件端的選擇

筆者在本系統(tǒng)軟件選擇上進行了深入的考量，詳細分析了小程序與傳統(tǒng)App之間的差異與優(yōu)勢。微信小程序的開發(fā)成本較低，相較于傳統(tǒng)App開發(fā)，可實現(xiàn)更短的開發(fā)周期和更少的資金投入。此外，小程序不需要進行多平臺適配，從而顯著降低了時間和人力成本。用戶可以通過微信平臺直接發(fā)布和分發(fā)小程序，只需掃一掃二維碼或在微信內搜索，即可輕松使用，且加載速度較快，無須下載。這種快速響應的特性使用戶能夠立即獲取土壤數(shù)據(jù)和植物最適宜生長的土壤數(shù)據(jù)，避免了煩瑣的安裝和更新流程。這種即時性對于提升用戶體驗至關重要，特別是在需要快速獲取特定數(shù)據(jù)時。因此，選擇小程序不僅能降低開發(fā)成本，還能提升用戶便捷性，顯著改善用戶體驗，同時也更好地滿足了市場需求。

3.2大致設計

在小程序代碼中，將應用初始化，并將狀態(tài)、溫度、濕度、pH值等數(shù)據(jù)綁定好，調用wx.openBluetooth

Adapter函數(shù)獲取權限并使用手機的藍牙功能，將nRF52832的設備uuid在wx.startBluetoothDevicesDiscovery中設置好，使小程序過濾掉其他藍牙設備，只接收nRF52832發(fā)送的土壤數(shù)據(jù)廣播。調用wx.getBluetoothDevices函數(shù)獲取設備采集并經(jīng)藍牙廣播出來的數(shù)據(jù)，省略其他多余的數(shù)據(jù)，設計函數(shù)getDate提取土壤數(shù)據(jù)。設計函數(shù)hexTodec（hex）將接收到的十六進制土壤數(shù)據(jù)轉化與切分，將其變?yōu)槭M制數(shù)據(jù)，將綁定好的數(shù)據(jù)迅速更新到頁面上并與小程序數(shù)據(jù)庫中的植物最適生長土壤數(shù)據(jù)進行對比判斷。小程序端每500μs接收一次藍牙數(shù)據(jù)，而nRF52832設置為每秒更新一次，這樣可以確保數(shù)據(jù)準確更新。根據(jù)判斷結果選擇編寫好的土壤改善建議，將結果顯示在另一個小程序頁面，用戶點擊“查看建議”即可跳轉。讓用戶直接就可以按照相對應的建議改善土壤環(huán)境。

在設計數(shù)據(jù)結構時，使用對象數(shù)組來存儲每種植物的相關信息，其中包括植物序號、植物名稱、最適pH值、最適EC值、最適合的氮（N）磷（P）鉀（K）濃度及最適生長溫度等。通過查閱植物相關書籍與網(wǎng)絡資料并進行多方資料的對比分析，獲得準確且通用的植物最適生長環(huán)境土壤數(shù)據(jù)，并將其錄入數(shù)據(jù)庫中。這樣設計的數(shù)據(jù)結構不僅有助于系統(tǒng)化存儲植物信息，也便于后續(xù)的數(shù)據(jù)查詢和分析。

小程序端的設計最核心的思想是“簡單易懂”，這一思想貫穿于整個用戶體驗的設計過程中。要盡可能地減少用戶學習成本，做到“無師自通，即開即用”。從用戶的角度思考，將界面做到最簡化，在頁面設置了四個主要按鈕：初始化藍牙、搜索藍牙、獲取或刷新數(shù)據(jù)與查看建議。用戶只需選擇所種的植物再點擊這些按鈕，便完成了整個操作流程，隨后即可在小程序建議查看頁面看到數(shù)據(jù)與通俗易懂的土壤改善建議。

4結束語

本文提出的基于nRF52832開發(fā)套件和小程序的土壤檢測與改善建議系統(tǒng)，旨在有效幫助用戶解決土壤數(shù)據(jù)理解和利用的難題。通過將土壤傳感器與nRF52832開發(fā)套件相結合，并利用藍牙技術實時廣播土壤數(shù)據(jù)至小程序。由小程序對數(shù)據(jù)進行對比與分析，提供具體的土壤改善建議，從而幫助用戶理解并利用復雜的土壤數(shù)據(jù)、了解土壤健康狀況。用戶通過使用該系統(tǒng)能夠有針對性地改善土壤，從而為植物創(chuàng)造更理想的生長環(huán)境，保障進其健康生長。

參考文獻

[1]葛文華，曹濤，李梅，等.花卉產(chǎn)業(yè)發(fā)展分析與前景展望[J].內蒙古林業(yè)調查設計，2022，45（6）：91-93，4.

[2]孟曉杰，汪文明，夏馨，等.基于OneNET物聯(lián)網(wǎng)云平臺智慧農業(yè)灌溉系統(tǒng)設計與實現(xiàn)[J].電腦知識與技術，2024，20（21）：101-103.

[3]曹維坤.BLEMesh組網(wǎng)技術研究與驗證[D].南京：東南大學，2022.