王偉員，黃藝森，陳進源，饒連周，林惠川，陳俊瑋

（1.三明學院 機電工程學院，福建 三明365004;2.福建電視大學 三明分校,福建 三明365000）

基于GSM和太陽能的土壤參數(shù)測試儀的設(shè)計

王偉員1，黃藝森1，陳進源1，饒連周1，林惠川1，陳俊瑋2

（1.三明學院 機電工程學院，福建 三明365004;2.福建電視大學 三明分校,福建 三明365000）

研究了一種基于GSM和太陽能的土壤參數(shù)測試儀，它以單片機STM32為主控、STC12為輔控，集太陽能供電模塊、GSM模塊、NRF24L01無線模塊、pH傳感器、溫濕度傳感器、水位傳感器、信號處理模塊、存儲模塊等于一體，能實現(xiàn)多點自動測量土壤參數(shù)并顯示和存儲、以及手機實時接收和調(diào)用土壤參數(shù)的功能，可應(yīng)用于對農(nóng)作物生存環(huán)境的監(jiān)測，具有一定的創(chuàng)新性和實用性。

土壤；測試儀；單片機；GSM模塊；太陽能供電；無線模塊

隨著各種農(nóng)作物的生產(chǎn)規(guī)模越來越大，對于土壤參數(shù)的測量與分析，如果依靠傳統(tǒng)的人工測量很難滿足生產(chǎn)的需要，同時人工測量會浪費大量的人力物力。為此筆者采用單片機、GSM傳輸與發(fā)送技術(shù)、太陽能供電和無線傳輸技術(shù)為核心設(shè)計了一款使人們足不出戶就能方便快捷的對田地土壤信息進行實時監(jiān)控以便及時做出對土壤的改良方案。通過多點采集，使田園工作者對不同田園土壤信息進行采集和對比，從而更科學合理的選擇所種農(nóng)作物的種類，來提高農(nóng)作物產(chǎn)量和減少管理費用。

1 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

整個系統(tǒng)的設(shè)計是由從機遠端采集相關(guān)參數(shù)發(fā)送系統(tǒng)和主機接收系統(tǒng)兩大部分組成。從機遠端采集相關(guān)參數(shù)發(fā)送系統(tǒng)由太陽能供電、溫濕度傳感器SHT10、水位傳感器、單片機STC12C5A60S2和NRF24L01無線模塊為核心，解決了遠地對系統(tǒng)供電難題、實現(xiàn)土壤參數(shù)的采集、數(shù)據(jù)的處理、以及處理后數(shù)據(jù)的發(fā)送。主機接收系統(tǒng)由太陽能供電、STM32單片機、NRF24L01無線模塊、GSM模塊、按鍵輸入、存儲器和液晶顯示組成，實現(xiàn)供電、系統(tǒng)智能化控處理、數(shù)據(jù)接收、人機交流、數(shù)據(jù)存儲和顯示[1-3]。系統(tǒng)方框圖如圖1所示。

圖1 基于GSM和太陽能的土壤參數(shù)測試儀系統(tǒng)方框圖

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計

2.1 太陽能供電電路設(shè)計

太陽能供電控制器是以充電、放電、保護電路3部分組成。

太陽能充電電路使用的是LM2596高頻開關(guān)穩(wěn)壓電路降壓輸出13.4 V。配合EG4318鉛酸蓄電池充電管理IC，可以使太陽能電力得到高效利用，并且能對鉛酸電池進行恒壓、恒流、浮充三段式充電控制。圖2是太陽能充電及供電電路。

圖2 太陽能充電及供電電路

當天氣沒有太陽時，整個系統(tǒng)由鉛酸蓄電池來提供。鉛酸電池供電采用開關(guān)降壓電路。主要為系統(tǒng)提供5V穩(wěn)壓電源。配合LM339組成的滯回電壓比較器?？梢员Ｗo鉛酸電池電壓低于安全電壓的時候，自動關(guān)斷電路，只有當電池的電壓恢復至正常電壓時，電路才會恢復供電，這樣可以防止其深度過放電造成鉛酸蓄電池的永久損壞。兩個電路組成的電路可以保證電路的效率在90%以上。遠大于線性穩(wěn)壓電路的效率。利用太陽能供電可以解決在戶外供電問題，并且綠色、環(huán)保、節(jié)能，很值得使用[1]。圖3是鉛酸蓄電池及保護電路。

圖3 鉛酸蓄電池放電及保護電路

2.2 主機接收系統(tǒng)電路設(shè)計

主機接收系統(tǒng)主要由單片機STM32、NRF24L01無線模塊、GSM模塊、TFTLCD、按鍵等相關(guān)電路構(gòu)成。其原理圖如圖4所示。

圖4 主機接收系統(tǒng)電路圖

主機系統(tǒng)可以顯示多個從機發(fā)來的各種土壤參數(shù)、通過按鍵的設(shè)定實現(xiàn)對菜單的控制、數(shù)據(jù)的實時存儲、還可以通過GSM模塊進行人機交流等功能，進一步為農(nóng)作物的生存提供良好環(huán)境。

（1）GSM模塊的設(shè)計：GSM模塊與單片機STM32采用串口通信，只需要提供電源和兩個接口GSM_RXD和GSM_TXD就可以實現(xiàn)用戶與主機之間的交流。

（2）存儲器模塊的設(shè)計：存儲器是采用W25Q64芯片，具有低功耗和8 Mb的容量，通過STM32內(nèi)部硬件SPI協(xié)議進行通信，確保了數(shù)據(jù)準確性的讀寫。利用存儲器可以方便用戶實時調(diào)用土壤各種參數(shù)，通過不同時段的對比，更利于掌管農(nóng)作物。

2.3 從機發(fā)送系統(tǒng)電路設(shè)計

從機系統(tǒng)主要有單片機STC12、SHT10傳感器、無線模塊、pH傳感器和太陽能供電組成[2-3]。

（1）pH值傳感器工作原理：采用雷磁EC-201-C PH值電極將溶液的pH值變化的信號轉(zhuǎn)換成電信號，通過精密放大器TLC4502將電信號進行放大，數(shù)據(jù)引腳p_AOUT接STC12單片機ADC0進行A/D采集，并利用多組標準濃液的pH值測出對應(yīng)電壓，再用直線擬合算法把電壓值轉(zhuǎn)換成pH值。pH值放大電路如圖5所示。

（2）SHT10傳感器工作原理：溫濕度傳感器采用SHT10，具有數(shù)字化、分辨率高達14比特、內(nèi)部自校準、采用I2C串行接口通信等特點。如圖6所示，其典型電路與STC12相連接。

（3）水位高低傳感器工作原理

水位傳感器是通過水位高于或低于所設(shè)定的水位線，利用I/O口的電位變化來判斷。如圖7所示，當水位較低時P12口為低電平，P12口為低電平且P13口為高電位則水位正常，P13口為低電平則水位為高狀態(tài)。

圖5 pH值放大電路

圖6 SHT10溫濕度傳感器應(yīng)用電路

圖7 水位傳感器電路圖

3 軟件設(shè)計

3.1 從機采集參數(shù)發(fā)送系統(tǒng)軟件設(shè)計

從機遠端采集數(shù)據(jù)發(fā)送系統(tǒng)主要由pH值傳感器、無線模塊NRF24L01發(fā)送數(shù)據(jù)、水位傳感器和溫濕度SHT10傳感器4部分組成。其從機發(fā)送軟件結(jié)構(gòu)，見圖8。

從機系統(tǒng)先初始化硬件設(shè)備，接著單片機開始對土壤各種參數(shù)進行采集處理，利用無線模塊把整個采集的土壤參數(shù)用結(jié)構(gòu)體形式進行發(fā)送到主機，若未成功接收發(fā)送指令則從新進行采集，直到成功發(fā)送。

3.2 主機接收系統(tǒng)軟件設(shè)計

主機接收系統(tǒng)軟件設(shè)置主要分成3部分：第一，通過按鍵實現(xiàn)菜單的選擇，可以進行數(shù)據(jù)存儲時間的設(shè)置、日期的設(shè)置、查詢存儲過任意一天的土壤參數(shù)、Flash擦除等功能；第二，對接收到多個從機的數(shù)據(jù)根據(jù)設(shè)置好存儲時間段進行處理，直到成功存儲；第三，利用串口中斷的形式進行用戶手機與主機之間的通信，方便進一步實時掌握各地不同時間段采集點彼此間土壤參數(shù)，還可以實時監(jiān)測各點的土壤參數(shù)以便用戶對農(nóng)作物生長土壤環(huán)境進行調(diào)整。其主機接收系統(tǒng)流程圖，見圖9。

圖8 從機發(fā)送系統(tǒng)流程圖

圖9 主機接收系統(tǒng)流程圖

4 結(jié)論

提出了一款基于GSM和太陽能的土壤參數(shù)測試儀的設(shè)計方案，實現(xiàn)了高效節(jié)能環(huán)保供電、多點自動測量土壤參數(shù)、并進行顯示和存儲數(shù)據(jù)以及手機實時接收和調(diào)用土壤參數(shù)。打破的以往管理農(nóng)田的方法，節(jié)省了大量物力和人力，且滿足用戶們足不出戶就能方便快捷對監(jiān)測點進行實時監(jiān)以便及時做出改良方案。在此基礎(chǔ)上，進一步集更多傳感器，還可用于地質(zhì)監(jiān)控部門、礦業(yè)部門、水質(zhì)監(jiān)控部門等環(huán)境監(jiān)測部門，具有一定的創(chuàng)新性和實用性。

［1］陳大欽．電子技術(shù)基礎(chǔ)：模擬部分［M］．5版．北京：高等教育出版社，2005．

［2］孟立凡，藍金輝．傳感器原理與應(yīng)用［M］．2版．北京：電子工業(yè)出版社，2013．

［3］黃明英，張登玉，肖小明．基于STC單片機的太陽能控制器設(shè)計［J］．無線互聯(lián)科技，2012（2）：60-61．

(責任編輯：朱聯(lián)九）

The Design of Soil Parameter Tester Based on GSM and Solar Energy

WANG Wei-yuan1,HUANG Yi-sen1,CHEN Jin-yuan1,RAO Lian-zhou1, LIN hui-chuan1,CHEN Jun-wei2

(1.School of Electromechanical Engineering,Sanming University,Sanming 365004,China; 2.Sanming Branch School,Fujian Television University,Sanming 365000,China)

A kind of Soil Parameter Tester based on GSM and solar energy is studied in this paper.The soil parameter tester is composed of STM32 MCU as the master,STC12 MCU as an aid-controlling,integrating solar powered modules, GSM modules,wireless module NRF24L01,pH sensors,humidity and temperature sensors,water level sensors,signal processing modules,and the storage modules.The soil parameter tester can realize the function of displaying the multi-point automatic measurement of soil parameters and display and storage,as well as mobile real-time receiving and invoking the soil parameters.It can be used in environment monitoring of the crops,which has a certain creativity and practicality.

soil；tester；single chip microprocessor;GSM module;solar power;wireless module

TH702

A

1673-4343（2014）04-0070-05

10．14098／j．cn35－1288／z．2014．04．013

2014-05-26

國家級大學生創(chuàng)新性創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目（201311311011,201211311008）；卓越工程師教育培養(yǎng)計劃改革試點項目（SD1108）；

王偉員，男，福建南安人，大學生；通信作者：饒連周，男，福建明溪人，教授。研究方向：光電技術(shù)及自動控制。