基于STM32F103土壤墑情分析儀的設(shè)計(jì)

曹碩+馬明云

【摘要】為了測(cè)量土壤中的含水狀況，提高灌溉水的利用率、實(shí)現(xiàn)節(jié)水灌溉，研制一種以ARM STM32F103為核心的土壤墑情分析儀。其采用FDR的原理，具有低功耗，高精度等優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)土壤墑情信息的自動(dòng)采集、存儲(chǔ)和墑情信息的GPRS的網(wǎng)絡(luò)傳輸，從而可以為定時(shí)定量的節(jié)水灌溉提供控制依據(jù)。試驗(yàn)表明，該系統(tǒng)對(duì)土壤墑情的測(cè)量與實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)誤差較小，能夠?qū)ν寥缐勄榈臓顩r進(jìn)行精準(zhǔn)的測(cè)量。

【關(guān)鍵詞】土壤墑情 FDR ARM 信號(hào)處理 GPRS

一、引言

目前，水資源短缺是我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展要面臨的主要問(wèn)題之一，如何有效節(jié)水是政府部門(mén)要解決的重要問(wèn)題。農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)發(fā)展需要大量的水，解決農(nóng)業(yè)的節(jié)水問(wèn)題對(duì)社會(huì)有著重要意義。土壤墑情是用戶(hù)實(shí)現(xiàn)節(jié)水的重要信息。

本文設(shè)計(jì)了一種基于 ARM 和 GPRS 網(wǎng)絡(luò)的土壤墑情分析儀，可實(shí)現(xiàn)對(duì)土壤墑情信息的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)，為用戶(hù)決策提供有力的支持。

二、土壤墑情分析儀工作原理

土壤墑情是反應(yīng)土壤的干濕程度，一般可用土壤中水的質(zhì)量占烘干土重的百分?jǐn)?shù)表示， 也可以用土壤含水率相當(dāng)于田間持水量的百分比， 或相對(duì)于飽和水量的百分比等相對(duì)含水率表示。土壤墑情分析儀采用的是FDR測(cè)量原理，即利用LC電路的振蕩，根據(jù)電磁波在不同介質(zhì)中振蕩頻率的變化來(lái)測(cè)定介質(zhì)的介電常數(shù)，進(jìn)而通過(guò)一定對(duì)應(yīng)關(guān)系反演出土壤水分狀況。

歸一化振蕩頻率SF與土壤含水率的關(guān)系為下式：

θυ=a*SFb ……………………………………………（1）

其中θυ為土壤容積含水量，a、b為待定參數(shù)，SF為L(zhǎng)C振蕩電路的歸一化頻率。

SF=（Fα-Fs）/（Fα-Fw）…………………………………（2）

Fα為分析儀在空氣中所測(cè)量的諧振頻率；Fs為分析儀在土壤中所測(cè)量的諧振頻率；

Fw為分析儀在純水中所測(cè)量的諧振頻率；

諧振頻率F= …………………………………（3）

式（3）中的電感L是土壤分析儀的固定電感值，所以諧振頻率只與電容C有關(guān)。而電容的改變，要受到土壤中含水量的影響。

三、基于ARM的系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

土壤墑情分析儀電路部分的主要功能模塊為：電源部分、溫濕度信號(hào)處理部分、CPU處理中心部分、SIM868無(wú)線通信模塊部分。

（一）電源部分的設(shè)計(jì)

電源部分包括太陽(yáng)能充電電路、電源管理兩部分。電源設(shè)計(jì)的主要原理圖如圖1所示。

由于設(shè)備采用電池供電，此時(shí)就必須考慮省電和自動(dòng)充電。采用太陽(yáng)能自動(dòng)充電可以很好地為電池提供能量。省電部分在待機(jī)狀態(tài)下的省電原則是，除了CPU需要加點(diǎn)外，其它電路都盡可能不加點(diǎn)。省電部分在工作狀態(tài)下的省電原則是，除非是需要測(cè)量此功能模塊的參數(shù)，否則就不供電，并且，測(cè)量參數(shù)在滿(mǎn)足指標(biāo)要求的情況下，測(cè)量時(shí)間要盡可能短。

太陽(yáng)能充電電路采用LT3652給鋰電池充電。LT3652有較寬的輸入電壓范圍，充電電流可以達(dá)到2A，該芯片采用一種特殊的輸入電壓調(diào)整環(huán)路，當(dāng)使用太陽(yáng)能電池板作為輸入電源時(shí)，當(dāng)光伏電池板輸出電壓降低到某一設(shè)定值，LT3652就會(huì)自動(dòng)降低充電電流，使光伏電池板保持在最大峰值功率輸出點(diǎn)。當(dāng)電池電壓達(dá)到浮充電壓的97.5%時(shí)，就停止充電。R8、R9和R10可以調(diào)整浮充電壓。由于采用的是3.7V的鋰電池，故調(diào)整電阻值，使其浮充電壓為4.2V。

升壓電路是把3.6V電池電壓升到穩(wěn)定的5V，以供溫濕度傳感器信號(hào)處理單元和SIM868無(wú)線通信模塊使用。升壓電路由XL6009單元以及其外圍電路組成。R22和R23微調(diào)輸出電壓。XL6009的EN端是控制除了CPU外其它電路需要的供電電源。在休眠模式下，XL6009的EN端為低電平，關(guān)斷了XL6009的5V輸出。在此情況下，所有需要5V電源的電路均不供電。EN為高電平，5V電源有輸出。此時(shí)，再通過(guò)CPU控制5V電源到需要供電的單元。

（二）濕度信號(hào)處理電路的設(shè)計(jì)

濕度信號(hào)的處理電路如圖2所示。

N1模塊及其外圍電感和傳感器環(huán)構(gòu)成濕度測(cè)量電路。它的輸出是一個(gè)隨環(huán)境變化而頻率變化的諧振信號(hào)，其頻率在280mHz以上。產(chǎn)生的百兆級(jí)諧振信號(hào)通過(guò)N2（MC12080）進(jìn)行分頻，使其頻率變成10mHz左右。然后此信號(hào)經(jīng)過(guò)N3（LMV7239）比較器后形成10mHz左右的方波。此方波經(jīng)過(guò)N4（MC74HC4040A）分頻，形成30～40kHz左右的方波。30～40 kHz左右的方波送到Q1后再送到CPU進(jìn)行計(jì)算。CPU計(jì)算1秒內(nèi)的方波個(gè)數(shù)，從而得到分頻后的諧振頻率。

（三）CPU電路的設(shè)計(jì)

CPU電路是土壤墑情分析儀的核心部分，主要完成系統(tǒng)的電源管理、電池電壓和溫濕度數(shù)據(jù)的采集、GPS信息的讀取、傳送GPRS發(fā)送數(shù)據(jù)等功能。CPU電路由ARM和SIM868聯(lián)合組成。

CPU電路的控制中心是32位的ARM STM32F103。STM32F103 是意法半導(dǎo)體（ST）公司出品32位ARM微控制器，其內(nèi)核是32位的Cortex-M3，最高72MHz工作頻率，內(nèi)嵌內(nèi)嵌經(jīng)出廠調(diào)教的8MHz的RC振蕩器、帶校準(zhǔn)的40KHz的RC振蕩器和帶校準(zhǔn)的32KHz的RC振蕩器，以及產(chǎn)生CPU時(shí)鐘的鎖相環(huán)；含有2個(gè)DMA控制器，共12個(gè)DMA通道，2個(gè)12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，雙采樣和保持功能，多達(dá)112個(gè)快速I(mǎi)/O端口，多達(dá)9個(gè)通信接口。豐富的系統(tǒng)資源大大簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)施。

SIM868是GSM/GPRS+GNSS模塊。該模塊采用四頻GSM/GPRS網(wǎng)絡(luò)，并提供GPS定位功能，可廣泛應(yīng)用于車(chē)隊(duì)管理、無(wú)線支付、個(gè)體跟蹤、醫(yī)療健康等領(lǐng)域。具有尺寸小，功耗低，功能全的特點(diǎn)。SIM868首次采用供應(yīng)商開(kāi)發(fā)的物聯(lián)網(wǎng)專(zhuān)用芯片，整體面積下降約40%，模塊尺寸最終為17.6*15.7*2.3mm，是當(dāng)前芯訊通同類(lèi)型模塊中尺寸最小的一款。模塊外圈為城堡孔，內(nèi)圈為L(zhǎng)GA焊盤(pán)，能滿(mǎn)足客戶(hù)的多種需求，并顯著降低用戶(hù)的開(kāi)發(fā)成本，節(jié)省開(kāi)發(fā)時(shí)間。溫度范圍支持-40°c到85°c，并提供包括USB2.0、SD、GPIO、I2C等在內(nèi)的豐富的應(yīng)用接口。在產(chǎn)品功能方面，SIM868除了支持GSM/GPRS和GPS外，還支持彩信、語(yǔ)音、藍(lán)牙，未來(lái)還將支持雙SIM卡，方便終端客戶(hù)在需要漫游和多運(yùn)營(yíng)商的場(chǎng)合，自由選擇資費(fèi)套餐，節(jié)省客戶(hù)的運(yùn)營(yíng)成本，并有效提升網(wǎng)絡(luò)覆蓋較差區(qū)域的產(chǎn)品表現(xiàn)（圖3）。

土壤墑情分析儀使用的是SIM868的GPRS無(wú)線通信、GPS定位及授時(shí)等主要功能。SIM868與CPU通過(guò)兩個(gè)串口完成通信。一個(gè)完成GPS功能的通信，一個(gè)完成無(wú)線收發(fā)數(shù)據(jù)的功能。

SIM868工作電流較大。為了節(jié)約用電，僅僅在需要讀取GPS數(shù)據(jù)和無(wú)線收發(fā)數(shù)據(jù)時(shí)才加電，其余時(shí)間處于關(guān)斷狀態(tài)。

CPU電路處理流程圖如圖4。

四、監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)

土壤墑情分析儀在多種條件下的進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試。利用分析儀測(cè)量30、50厘米的墑情，在不同時(shí)段取土進(jìn)行實(shí)際測(cè)量，兩個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。下表為采集值與測(cè)量值之間的比較：

通過(guò)以上數(shù)據(jù)和曲線來(lái)分析，兩組采集數(shù)據(jù)與真實(shí)數(shù)據(jù)的一致性比較理想，其中50 cm 深度的土壤墑情信息的采集值與實(shí)測(cè)值誤差最大不超過(guò)2.11%，證明土壤墑情分析儀具有較高的采集精度。

五、結(jié)論

本文根據(jù)土壤墑情原理設(shè)計(jì)了基于ARM嵌入式芯片、SIM868 模塊為基礎(chǔ)的墑情信息采集、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了土壤墑情信息的自動(dòng)連續(xù)采集、監(jiān)測(cè)，墑情的數(shù)據(jù)能夠通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸以多種方式傳送至用戶(hù)，為用戶(hù)的灌溉提供了有力的支持。經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)，土壤墑情分析儀對(duì)不同深度的土壤墑情監(jiān)測(cè)與實(shí)測(cè)值誤差不超過(guò) 2.11%，具有較高的準(zhǔn)確度，能夠反應(yīng)土壤中含水的實(shí)際情況，為節(jié)水灌溉提供依據(jù)。

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