曾 凱，朱 城，朱澤德，蘇 宇，蘇亞輝

ZENG Kai, ZHU Cheng, ZHU Ze-de, SU Yu, SU Ya-hui

（安徽大學(xué) 電氣工程與自動化學(xué)院，合肥 230000）

0 引言

近年來，國家對農(nóng)業(yè)的發(fā)展越來越重視，如何讓農(nóng)業(yè)生產(chǎn)結(jié)合現(xiàn)代化科學(xué)技術(shù)是農(nóng)業(yè)大力發(fā)展的動力所在，而想要大力發(fā)展農(nóng)業(yè)前提是善用土壤資源，通過改善土壤有效參數(shù)，優(yōu)化作物生長環(huán)境，提高經(jīng)濟(jì)效益。目前，國內(nèi)農(nóng)作物絕大部分生長在戶外，傳統(tǒng)的有線監(jiān)測不適合復(fù)雜的山地，并且監(jiān)測中心無法實(shí)時監(jiān)測土壤參數(shù)信息，監(jiān)測界面也不夠直觀，數(shù)據(jù)變化趨勢難以觀測，無法指導(dǎo)農(nóng)戶高效種植農(nóng)作物[1～3]。本文運(yùn)用GPRS無線遠(yuǎn)距離傳輸技術(shù)，將遠(yuǎn)程采集到的農(nóng)作物土壤參數(shù)信息及時有效地傳送回監(jiān)測中心。運(yùn)用LabVIEW前面板的人機(jī)界面優(yōu)勢，使用本系統(tǒng)的工作人員可以查看到作物的土壤參數(shù)走勢，通過對數(shù)據(jù)庫有效數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以提前備好應(yīng)對補(bǔ)救方案來減少損失。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

本系統(tǒng)設(shè)計的目的是將遠(yuǎn)程戶外農(nóng)作物土壤環(huán)境的溫度、濕度、電導(dǎo)率及PH等參數(shù)及時回傳到上位機(jī)監(jiān)測中心，觀看上位機(jī)數(shù)據(jù)波形圖界面分析土壤參數(shù)信息，及時預(yù)備補(bǔ)救方案，實(shí)時監(jiān)控土壤環(huán)境異常情況并實(shí)時報警指示。根據(jù)系統(tǒng)要求，系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)可以劃分為幾個模塊，這樣開發(fā)起來更加具體明確，系統(tǒng)硬件設(shè)計圖如圖1所示。該系統(tǒng)硬件設(shè)計主要由下面幾部分組成：微控制器處理模塊、土壤參數(shù)采集模塊、遠(yuǎn)距離無線傳輸模塊、系統(tǒng)供電模塊。實(shí)際運(yùn)用過程是STM32微控制器將采集到的土壤數(shù)據(jù)通過GPRS無線傳輸?shù)缴衔粰C(jī)監(jiān)測中心，最后上位機(jī)監(jiān)測中心根據(jù)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、存儲、報警以及顯示等功能[4]。

圖1 系統(tǒng)硬件圖

2 硬件部分設(shè)計

2.1 微控制器處理模塊

本文的微控制器選用的是意法半導(dǎo)體（ST）公司基于Cortex-M3為內(nèi)核的32位系列的單片機(jī)STM32F103RCT6[5]。STM32微控制器內(nèi)部擁有若干個總線接口，工作頻率為72MHZ,板載外設(shè)比51單片機(jī)豐富的多，支持ADC，SPI，UART、I2C等外設(shè)模塊，STM32F103RCT6可以通過各通道的A/D轉(zhuǎn)換來獲得我們傳感器采集到土壤參數(shù)信息，憑借其處理速度快，低功耗、性能穩(wěn)定以及性價比高等優(yōu)點(diǎn)，完全可以滿足本次設(shè)計的要求。

2.2 土壤參數(shù)采集模塊

根據(jù)農(nóng)作物信息采集的需求，選擇HSTL-102TRDD土壤三合一傳感器檢測土壤濕度，溫度，電導(dǎo)率，該傳感器有別于傳統(tǒng)傳感器單一測量的模式，將三種土壤傳感器直接何為一體來測量相應(yīng)土壤數(shù)據(jù)，解決了攜帶困難，單個傳感器造價成本高的問題；選擇YJ-SPH100土壤pH值傳感器來檢測土壤PH值，此傳感器相比傳統(tǒng)土壤PH傳感器成本造價高，集成復(fù)雜，實(shí)時性差，攜帶不方便的問題，YJ-SPH100土壤PH傳感器完全的克服了相應(yīng)問題，真正起到了土壤PH實(shí)時在線監(jiān)測的功能。以上兩個模塊都是模擬輸出，STM32自帶3個ADC控制器，一共支持23個通道，把ADC設(shè)置成連續(xù)轉(zhuǎn)換模式，待數(shù)據(jù)采集并處理完成將數(shù)據(jù)通過DMA控制器傳送到存儲器中。

2.3 遠(yuǎn)距離無線傳輸模塊

遠(yuǎn)距離無線傳輸模塊采用安信可公司的A6 GPRS芯片，工作電壓3.5V～4.2V，內(nèi)置TCP/IP協(xié)議，可以通過設(shè)置AT指令實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)[6]。A6 GPRS模塊帶有42個引腳，模塊本身帶有電源、串口通信、SIM卡等接口方便與MCU進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，圖2為A6 GPRS無線通信模塊硬件電路圖。

2.4 系統(tǒng)供電模塊

由于農(nóng)作物一般都生長在戶外，很難直接接入家庭用電直接供電，故本系統(tǒng)供電選擇使用太陽能電池板給鋰電池充電的方式給系統(tǒng)供電。太陽能電池板選擇單晶硅太陽能面板，功率為20W，大容量鋰聚合物電池型號為DC1298A，電池容量9800mAh，選擇太陽能控制器WP30D，額定電流30A，系統(tǒng)電壓12V/24V，此控制器可有效控制太陽能電池板給鋰電池充放電。由于MCU工作電壓為3.3V，鋰電池為DC12V，因此需要降壓處理，選擇LM2596降壓芯片將12V轉(zhuǎn)換為5V，這里5V可作為土壤三合一傳感器的輸入電壓，然后再選擇低壓差的線性穩(wěn)壓器AMS1117將5V轉(zhuǎn)換為3.3V給MCU供電使用，具體系統(tǒng)降壓電路圖如圖3所示。

圖2 A6 GPRS無線通信硬件電路圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

明確了軟件設(shè)計的目標(biāo)，針對不同功能區(qū)采用模塊化設(shè)計，系統(tǒng)軟件可以分為兩大模塊：1）下位機(jī)程序開發(fā)模塊，可具體劃分為兩個部分：（1）微處理器控制模塊開發(fā)，針對該系列微處理器設(shè)計程序包括：系統(tǒng)初始化、ADC初始化、GPRS初始化；（2）第二部分為GPRS模塊程序開發(fā)，主要是A6 GPRS模塊初始化，建立GPRS連接，發(fā)送數(shù)據(jù)等程序開發(fā)。2）上位機(jī)開發(fā)模塊，通過LabVIEW提供的TCP協(xié)議工具包，創(chuàng)建TCP通信同GPRS模塊進(jìn)行通信，開發(fā)數(shù)據(jù)導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫的程序框圖軟件，可供管理者查看存儲數(shù)據(jù)。最終將各個模塊整合調(diào)試，提高系統(tǒng)軟件設(shè)計的穩(wěn)定性。

3.1 下位機(jī)軟件設(shè)計

下位機(jī)軟件設(shè)計主要由兩部分組成，分別是數(shù)據(jù)采集及處理模塊和GPRS無線傳輸模塊，圖4為下位機(jī)軟件設(shè)計流程圖。

圖3 系統(tǒng)降壓電路圖

圖4 下位機(jī)軟件設(shè)計流程圖

3.1.1 數(shù)據(jù)采集及處理模塊

HSTL-102TRDD土壤三合一傳感器輸入電壓為5～24V，輸出電壓為0～5V，采集完模擬信號后，還要對信號進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，根據(jù)HSTL-102TRDD數(shù)據(jù)手冊提供的換算公式可得到相應(yīng)的土壤實(shí)際參數(shù)信息，具體公式如下：

θv：土壤容積含水量；℃：土壤溫度；θE：土壤電導(dǎo)率，單位uS/cm；V：采集器采集到的電壓值，單位：V。

YJ-SPH100土壤PH傳感器測量的工作原理是將原電池系統(tǒng)的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，測量范圍：0～14pH，供電方式：DC12V，輸出電壓為0～5V，采集完模擬電壓后，對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，具體換算公式如下，

其中D為測量PH值，0.00≤D≤14.00，V為輸出電壓（V）。

理論上數(shù)據(jù)采集及處理已完成，但STM32數(shù)據(jù)采集的參考電壓為3.3V，而輸出信號最大為5V，因此要進(jìn)行分壓處理，分壓公式如下：

這里R1=R2，土壤三合一傳感器和土壤PH傳感器輸出電壓為0～5V，分壓處理都輸出0～2.5V，然后再將上面數(shù)值轉(zhuǎn)換公式乘以2可得土壤實(shí)際參數(shù)。

3.1.2 GPRS無線傳輸模塊

GPRS模塊與STM32數(shù)據(jù)通信是通過片上的串口2實(shí)現(xiàn)，所以A6 GPRS上U_RXD和U_TXD接口需要通過SP3232電平芯片連接到單片機(jī)PA2（RXD2）和PA3（TXD2）。串口通信初始化完成后，下一步是GPRS初始化設(shè)置，通過軟件對模塊的IP地址與端口信息進(jìn)行輸入，利用TCP/IP協(xié)議建立數(shù)據(jù)連接。無線通信的操作主要由GPRS網(wǎng)絡(luò)登錄，發(fā)送數(shù)據(jù)并維持網(wǎng)絡(luò)連接，數(shù)據(jù)傳輸讀操作和寫操作，GPRS無線傳輸模塊流程圖如圖5所示。

圖5 GPRS無線傳輸模塊流程圖

3.2 基于LabVIEW上位機(jī)程序開發(fā)

我們平常所用的諸如C語言、VB語言以及JAVA語言等都屬于文本編程語言，文本編程語言在不同的應(yīng)用領(lǐng)域具有不同的使用方法，但其本質(zhì)基本相同都是使用字母來進(jìn)行編程。文本編程語言是一種抽象的編程語言，其優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)在編程效率高，通過簡短的語句即可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的操作，缺點(diǎn)主要體現(xiàn)在語言的學(xué)習(xí)上，需要記憶大量的關(guān)鍵字和函數(shù)名[7]。LabVIEW程序設(shè)計語言使用的圖形化編輯語言，產(chǎn)生的程序代碼是程序框圖形式，上手較容易，通過短暫的基礎(chǔ)知識學(xué)習(xí)，就可以進(jìn)行軟件設(shè)計開發(fā)工作，大大縮短程序開發(fā)周期，并且LabVIEW所生成的代碼不用進(jìn)行任何修改就可運(yùn)行在不同的操作系統(tǒng)上，程序可移植性好。

3.2.1 上位機(jī)界面開發(fā)

LabVIEW2011前面板將GPRS傳送打包的數(shù)據(jù)依次轉(zhuǎn)換為波形圖表，可以實(shí)時在線直觀監(jiān)測土壤溫度，濕度，電導(dǎo)率，PH值等參數(shù)，然后將土壤參數(shù)實(shí)時值，上限值，下限值，報警燈依次展示出來，上位機(jī)監(jiān)測界面如圖6所示。運(yùn)用LabVIEW前面板監(jiān)測土壤參數(shù)，使得數(shù)據(jù)簡潔明了，界面較為友好，符合人體審美習(xí)慣。

圖6 監(jiān)測中心上位機(jī)界面

3.2.2 上位機(jī)程序開發(fā)

基于LabVIEW開發(fā)上位機(jī)監(jiān)測中心程序通過建立服務(wù)器，與下位機(jī)客戶端互連，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信功能，之后對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理實(shí)現(xiàn)前面板監(jiān)測中心展示、報警顯示以及數(shù)據(jù)存儲功能，上位機(jī)監(jiān)測中心程序框圖如圖7所示。首先設(shè)置LabVIEW函數(shù)面板中的TCP面板建立偵聽端口，TCP連接有兩個端點(diǎn)，為了指明一個端點(diǎn)，TCP用主機(jī)的IP地址加上主機(jī)的端口號作為TCP連接的端點(diǎn)，由于上位機(jī)監(jiān)測中心的IP是動態(tài)的，使用花生殼“動態(tài)域名解析+動態(tài)IP”的方式起到靜態(tài)IP的作用[8]，下位機(jī)客戶端發(fā)送連接請求，上位機(jī)偵聽到對應(yīng)端口建立TCP連接，下位機(jī)開始發(fā)送土壤參數(shù)到上位機(jī)監(jiān)測中心，然后通過掃描字符串子VI將上傳的字符串進(jìn)行處理得到相應(yīng)土壤參數(shù)，添加報警顯示程序和數(shù)據(jù)導(dǎo)入表格程序?qū)崿F(xiàn)報警顯示和數(shù)據(jù)存儲功能，土壤電子表格數(shù)據(jù)如圖8所示。

圖7 上位機(jī)監(jiān)測中心程序框圖

圖8 土壤實(shí)時數(shù)據(jù)

4 結(jié)語

本文利用土壤傳感器采集及處理模塊、A6 GPRS數(shù)據(jù)通信模塊以及上位機(jī)監(jiān)測中心模塊組建了基于LabVIEW和GPRS的遠(yuǎn)程土壤參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)成功實(shí)現(xiàn)了土壤溫度、濕度、電導(dǎo)率和PH等有效土壤數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸，并通過LabVIEW實(shí)時無線監(jiān)控，報警顯示以及數(shù)據(jù)存儲等功能。經(jīng)多次實(shí)踐可得，該系統(tǒng)集功耗低、攜帶方便、造價成本低、實(shí)時性好，抗干擾性強(qiáng)以及人機(jī)交互界面友善等優(yōu)點(diǎn)，具有廣泛的市場應(yīng)用價值。