基于GSM和太陽能的土壤參數(shù)測(cè)試儀的設(shè)計(jì)

王偉員，黃藝森，陳進(jìn)源，饒連周，林惠川，陳俊瑋

（1.三明學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，福建 三明365004;2.福建電視大學(xué) 三明分校,福建 三明365000）

基于GSM和太陽能的土壤參數(shù)測(cè)試儀的設(shè)計(jì)

王偉員1，黃藝森1，陳進(jìn)源1，饒連周1，林惠川1，陳俊瑋2

（1.三明學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，福建 三明365004;2.福建電視大學(xué) 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(cè)試儀，它以單片機(jī)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(hào)處理模塊、存儲(chǔ)模塊等于一體，能實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)自動(dòng)測(cè)量土壤參數(shù)并顯示和存儲(chǔ)、以及手機(jī)實(shí)時(shí)接收和調(diào)用土壤參數(shù)的功能，可應(yīng)用于對(duì)農(nóng)作物生存環(huán)境的監(jiān)測(cè)，具有一定的創(chuàng)新性和實(shí)用性。

土壤；測(cè)試儀；單片機(jī)；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(duì)于土壤參數(shù)的測(cè)量與分析，如果依靠傳統(tǒng)的人工測(cè)量很難滿足生產(chǎn)的需要，同時(shí)人工測(cè)量會(huì)浪費(fèi)大量的人力物力。為此筆者采用單片機(jī)、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(jì)了一款使人們足不出戶就能方便快捷的對(duì)田地土壤信息進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控以便及時(shí)做出對(duì)土壤的改良方案。通過多點(diǎn)采集，使田園工作者對(duì)不同田園土壤信息進(jìn)行采集和對(duì)比，從而更科學(xué)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(fèi)用。

1 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是由從機(jī)遠(yuǎn)端采集相關(guān)參數(shù)發(fā)送系統(tǒng)和主機(jī)接收系統(tǒng)兩大部分組成。從機(jī)遠(yuǎn)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(jī)STC12C5A60S2和NRF24L01無線模塊為核心，解決了遠(yuǎn)地對(duì)系統(tǒng)供電難題、實(shí)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(jī)接收系統(tǒng)由太陽能供電、STM32單片機(jī)、NRF24L01無線模塊、GSM模塊、按鍵輸入、存儲(chǔ)器和液晶顯示組成，實(shí)現(xiàn)供電、系統(tǒng)智能化控處理、數(shù)據(jù)接收、人機(jī)交流、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(cè)試儀系統(tǒng)方框圖

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

2.1 太陽能供電電路設(shè)計(jì)

太陽能供電控制器是以充電、放電、保護(hù)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(duì)鉛酸電池進(jìn)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(dāng)天氣沒有太陽時(shí)，整個(gè)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(hù)鉛酸電池電壓低于安全電壓的時(shí)候，自動(dòng)關(guān)斷電路，只有當(dāng)電池的電壓恢復(fù)至正常電壓時(shí)，電路才會(huì)恢復(fù)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(gè)電路組成的電路可以保證電路的效率在90%以上。遠(yuǎn)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(hù)電路。

圖3 鉛酸蓄電池放電及保護(hù)電路

2.2 主機(jī)接收系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

主機(jī)接收系統(tǒng)主要由單片機(jī)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(jī)接收系統(tǒng)電路圖

主機(jī)系統(tǒng)可以顯示多個(gè)從機(jī)發(fā)來的各種土壤參數(shù)、通過按鍵的設(shè)定實(shí)現(xiàn)對(duì)菜單的控制、數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)存儲(chǔ)、還可以通過GSM模塊進(jìn)行人機(jī)交流等功能，進(jìn)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(jì)：GSM模塊與單片機(jī)STM32采用串口通信，只需要提供電源和兩個(gè)接口GSM_RXD和GSM_TXD就可以實(shí)現(xiàn)用戶與主機(jī)之間的交流。

（2）存儲(chǔ)器模塊的設(shè)計(jì)：存儲(chǔ)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(jìn)行通信，確保了數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性的讀寫。利用存儲(chǔ)器可以方便用戶實(shí)時(shí)調(diào)用土壤各種參數(shù)，通過不同時(shí)段的對(duì)比，更利于掌管農(nóng)作物。

2.3 從機(jī)發(fā)送系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

從機(jī)系統(tǒng)主要有單片機(jī)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(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，通過精密放大器TLC4502將電信號(hào)進(jìn)行放大，數(shù)據(jù)引腳p_AOUT接STC12單片機(jī)ADC0進(jìn)行A/D采集，并利用多組標(biāo)準(zhǔn)濃液的pH值測(cè)出對(duì)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(dá)14比特、內(nèi)部自校準(zhǔn)、采用I2C串行接口通信等特點(diǎn)。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(dāng)水位較低時(shí)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(jì)

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

從機(jī)遠(yuǎn)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(jī)發(fā)送軟件結(jié)構(gòu)，見圖8。

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

3.2 主機(jī)接收系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

主機(jī)接收系統(tǒng)軟件設(shè)置主要分成3部分：第一，通過按鍵實(shí)現(xiàn)菜單的選擇，可以進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)時(shí)間的設(shè)置、日期的設(shè)置、查詢存儲(chǔ)過任意一天的土壤參數(shù)、Flash擦除等功能；第二，對(duì)接收到多個(gè)從機(jī)的數(shù)據(jù)根據(jù)設(shè)置好存儲(chǔ)時(shí)間段進(jìn)行處理，直到成功存儲(chǔ)；第三，利用串口中斷的形式進(jìn)行用戶手機(jī)與主機(jī)之間的通信，方便進(jìn)一步實(shí)時(shí)掌握各地不同時(shí)間段采集點(diǎn)彼此間土壤參數(shù)，還可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各點(diǎn)的土壤參數(shù)以便用戶對(duì)農(nóng)作物生長(zhǎng)土壤環(huán)境進(jìn)行調(diào)整。其主機(jī)接收系統(tǒng)流程圖，見圖9。

圖8 從機(jī)發(fā)送系統(tǒng)流程圖

圖9 主機(jī)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(cè)試儀的設(shè)計(jì)方案，實(shí)現(xiàn)了高效節(jié)能環(huán)保供電、多點(diǎn)自動(dòng)測(cè)量土壤參數(shù)、并進(jìn)行顯示和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)以及手機(jī)實(shí)時(shí)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(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)以便及時(shí)做出改良方案。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)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(cè)部門，具有一定的創(chuàng)新性和實(shí)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(lán)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(jī)的太陽能控制器設(shè)計(jì)［J］．無線互聯(lián)科技，2012（2）：60-61．

(責(zé)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(jí)大學(xué)生創(chuàng)新性創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（201311311011,201211311008）；卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃改革試點(diǎn)項(xiàng)目（SD1108）；

王偉員，男，福建南安人，大學(xué)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(dòng)控制。