基于物聯(lián)網(wǎng)的大承包地土壤數(shù)據(jù)實時分析監(jiān)測系統(tǒng)

關(guān)鍵詞：STM32；土壤數(shù)據(jù)；物聯(lián)網(wǎng)

中圖分類號：TN29 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2024）26-0086-05開放科學（資源服務(wù)）標識碼（OSID） ：

0 引言

隨著全球農(nóng)業(yè)的不斷發(fā)展和城市化進程的加速，土壤的健康和質(zhì)量監(jiān)測顯得日益重要。土壤營養(yǎng)元素對農(nóng)作物生長質(zhì)量產(chǎn)生直接影響。由于土地利用過度、施肥過度等問題，不同土層中的氮磷鉀含量呈現(xiàn)出較大差異[1]。因此，土壤數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測和分析對于提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率、實現(xiàn)土地可持續(xù)管理以及環(huán)境保護至關(guān)重要。規(guī)?；r(nóng)業(yè)種植地區(qū)通常面臨土壤養(yǎng)分不均勻性、養(yǎng)分失衡和水分管理等挑戰(zhàn)。為了解決這些問題，我們設(shè)計了一款基于STM32高性能32位處理器的大承包地土壤數(shù)據(jù)實時分析監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)旨在為規(guī)?；霓r(nóng)業(yè)種植地區(qū)提供先進的土壤監(jiān)測和管理解決方案，以提高土壤質(zhì)量、推動農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率和土地可持續(xù)性。這對于糧食安全和環(huán)境保護至關(guān)重要，也是農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的重要推動力。

1 大承包地土壤數(shù)據(jù)實時分析監(jiān)測系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

本項目終端設(shè)備采用了STM32高性能32位處理器設(shè)計，云平臺采用OneNet云平臺設(shè)計，打造了一款用于規(guī)?；蟪邪赝寥罃?shù)據(jù)實時監(jiān)測分析的系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過土壤數(shù)據(jù)傳感器采集多點土壤氮磷鉀以及pH值，利用RS485通信協(xié)議將數(shù)據(jù)傳輸至單片機。RS485通信協(xié)議具有出色的抗干擾性，適用于工業(yè)環(huán)境。單片機使用RS485通信協(xié)議讀取土壤數(shù)據(jù)，經(jīng)過相應處理后，將結(jié)果上傳至OneNet云平臺服務(wù)器。通過OneNet云平臺實時監(jiān)測數(shù)據(jù)并進行實時顯示，當數(shù)據(jù)異常時，在地圖上標示GPS位置并發(fā)出警報。同時，通過App獲取數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)異常時，地圖將會實時顯示，方便實地考察人員查看，極大地減小了對實地考察人員設(shè)備的要求。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 主控硬件電路設(shè)計

如圖2所示是基于物聯(lián)網(wǎng)的大承包地土壤數(shù)據(jù)實時分析監(jiān)測系統(tǒng)硬件連接圖。

2.1 STM32單片機介紹

STM32單片機是一種較為領(lǐng)先的嵌入式ARM處理器，以其低功耗、高性能和經(jīng)濟成本而聞名。它在各種設(shè)備控制應用中廣泛應用，是不可或缺的組件。STM32的核心處理器是Cortex-M3，它具有32位CPU、嵌套中斷向量控制單元、調(diào)試系統(tǒng)、高效的并行總線結(jié)構(gòu)以及標準的存儲映射。該單片機的工作頻率可達72MHz，擁有512KB 的Flash 存儲器和6～64KB 的SRAM存儲器，為高速數(shù)據(jù)處理提供了強大支持。此外，STM32還提供4個16位定時器，每個定時器可以用作4個ICOCPWM或脈沖計時器，以滿足各種定時和計時需求。供電電壓范圍為2.0～3.6V，在本設(shè)計中，供電電壓被設(shè)置為3.3V[2]。

2.2 五插針土壤多參數(shù)傳感器介紹

五插針土壤多參數(shù)傳感器具有性能穩(wěn)定、靈敏度高、響應迅速、輸出穩(wěn)定的特點，適用于各種土質(zhì)。它是觀測和研究鹽漬土的發(fā)生、演變、改良以及水鹽動態(tài)的重要工具。通過測量土壤的介電常數(shù)，能夠直接、穩(wěn)定地反映各種土壤的實際水分含量。該傳感器可測量土壤水分的體積百分比，符合目前國際標準的土壤水分測量方法。此外，該傳感器可以長期埋入土壤中，具有耐長期電解、耐腐蝕的特性，并經(jīng)過抽真空灌封，完全防水。該傳感器適用于土壤墑情監(jiān)測、科學試驗、節(jié)水灌溉、溫室大棚、花卉蔬菜、草地牧場、土壤速測、植物培養(yǎng)、污水處理、精細農(nóng)業(yè)等場合的溫濕度、電導率、pH值測試。

2.3 北斗定位傳感器介紹

獲取定位信息采用的是ATGM336H-5N 模塊，ATGM336H-5N 系列模塊是小尺寸的高性能BDS/GNSS全星座定位導航模塊系列的總稱。該系列模塊產(chǎn)品都是基于中科微第四代低功耗GNSS SOC單芯片-AT6558，支持多種衛(wèi)星導航系統(tǒng)，包括中國的BDS （北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)）、美國的GPS、俄羅斯的GLONASS、歐盟的GALILEO、日本的QZSS 以及衛(wèi)星增強系統(tǒng)SBAS（WAAS，EGNOS GAGAN，MSAS）。AT6558 是一款真正意義的六合一多模衛(wèi)星導航定位芯片，包含32個跟蹤通道，可以同時接收六個衛(wèi)星導航系統(tǒng)的GNSS 信號，并且實現(xiàn)聯(lián)合定位導航與授時。

2.4 OLED屏幕介紹

本次終端顯示設(shè)計使用的是0.96的OLED。采用的是SSD1306的驅(qū)動器，SSD1306是一款單片CMOSOLED/PLED驅(qū)動器，具有有機聚合物發(fā)光控制器二極管點陣圖形顯示系統(tǒng)。它由128個段和64個公共部分組成。這個IC是為普通陰極型OLED面板設(shè)計。SSD1306內(nèi)置對比度控制、顯示RAM和振蕩器，減少了外部組件和功耗。它有256級亮度控制。數(shù)據(jù)命令是從通用單片機通過硬件可選的6800/8000系列兼容并行接口發(fā)送，I2C接口或串行外圍接口。它適用于許多緊湊型便攜式應用終端，例如手機副顯示屏、MP3播放器、計算器等。本次屏幕的選擇也是因為它的這些特點，并且采用IIC的方式可以大大減小單片機引腳的使用數(shù)量，功耗相對于液晶顯示器更低，符合本次低功耗的設(shè)計。

2.5 通信模塊介紹

無線數(shù)據(jù)通信模塊采用了SIM800C這一款通信模塊，體積較小，價格較低，通信方式簡單。在本次設(shè)計中，不需要實時數(shù)據(jù)傳輸，只需要在1秒之內(nèi)將數(shù)據(jù)傳入云平臺服務(wù)器即可，加之以成本問題，該模塊非常適合本次設(shè)計。該模塊自帶MQTT/TCP協(xié)議，并且只需要使用AT指令即可控制該模塊，大大減小了在單片機上程序的編寫時間，提高了開發(fā)速度。

2.6 土壤數(shù)據(jù)傳感器數(shù)據(jù)傳輸電路設(shè)計

在本項目中，我們采用了五插針土壤多參數(shù)傳感器作為外部信號采集處理傳感器。在眾多土壤數(shù)據(jù)傳感器中，這款傳感器是一個出色的選擇，其主要優(yōu)勢在于采用了RS485通信，RS485是一種工業(yè)控制環(huán)境中常用的通信協(xié)議，支持多節(jié)點：一般最大支持 32 個節(jié)點；傳輸距離遠：最遠通信距離可達1200米；抗干擾能力強：差分信號傳輸；連接簡單：只需要兩根信號線（A+和B-） 就可以進行正常的通信，確保了數(shù)據(jù)傳輸信號的穩(wěn)定性、掛入節(jié)點的數(shù)量性以及通信的距離足夠遠。不僅如此，五插針土壤多參數(shù)傳感器也不容易受到酸堿鹽的腐蝕而導致數(shù)據(jù)誤差。因此在設(shè)備的一側(cè)，我們只需要設(shè)計一個RS485通信電路，本次設(shè)計根據(jù)單片機IO口耐受電壓從而采用SP3485芯片，將RS485的差分信號轉(zhuǎn)換為TTL串口信號。通過單片機的串口和傳感器的數(shù)據(jù)讀取協(xié)議，我們能夠輕松地獲取傳感器數(shù)據(jù)。由上文可知，我們的項目核心處理器選用了STM32F103VET6，它擁有5個串口，并內(nèi)置專門的串口中斷寄存器，在硬件上我們選擇串口2 當作與土壤傳感器通信的接口，將串口2的接口接入SP3485通信芯片的TTL側(cè)接口，從而與土壤數(shù)據(jù)傳感器進行RS485通信。

2.7 北斗定位傳感器電路設(shè)計

在北斗定位模塊的設(shè)計當中，采用的是串口通信，并且ATGM336H-5N定位模塊的工作機制是每一秒鐘自動向外發(fā)送一次JSON格式數(shù)據(jù)，無須單片機發(fā)送給相應指令進行讀取，因此，連接方式簡單，整個模塊僅需要四根線，分別為電源、地、TXD、RXD四根線，其中與單片機連接的為TXD、RXD兩根線，輸出電平也為3.3V，與單片機的串口直連即可，其余兩根電源線采用的是3.3V供電，可以與單片機使用一個電源，減小了對電源電路的設(shè)計。

2.8 云平臺數(shù)據(jù)傳輸電路設(shè)計

這一部分電路的主要任務(wù)是將終端處理器（MCU） 所采集并處理的土壤數(shù)據(jù)、位置數(shù)據(jù)上傳至云平臺。這個電路部分相對來說比較簡單，主要涉及SIM800C通信模塊與MCU之間的連接（下面稱為通信模塊）。在我們的設(shè)計中，我們采用了通信模塊作為無線傳輸模塊，并使用了該模塊提供的AT指令集。

因此，我們利用了無線模塊的串口功能，將MCU與通信模塊連接起來。MCU通過發(fā)送特定的AT指令來控制通信模塊進行網(wǎng)絡(luò)連接，并最終通過串口將實際的數(shù)據(jù)值傳輸給通信模塊，然后由通信模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送到云平臺。這個電路模塊的目標是通過無線通信模塊將經(jīng)過微控制器單元（MCU） 處理的土壤數(shù)據(jù)傳送至云平臺。該模塊主要由通信模塊和MCU之間的連接組成，通信模塊通過AT指令進行通信，并與MCU 通過串口相連。MCU通過向通信模塊發(fā)送特定的AT 指令來控制網(wǎng)絡(luò)連接，最終，通過串口將準確的數(shù)據(jù)值傳送至通信模塊，由通信模塊將數(shù)據(jù)傳輸至云平臺服務(wù)器。

2.9 電源電路設(shè)計

本項目的主要目標是設(shè)計一個用于監(jiān)測大承包地土壤數(shù)據(jù)的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，實現(xiàn)實時分析。為了確保系統(tǒng)的持續(xù)穩(wěn)定運行和實時性，我們決定采用太陽能電池作為主要的電源供應方式。在電池選擇方面，采用了可充電鋰電池，鋰電池體積小，能量密度高，與鉛酸電池相比更適合本次系統(tǒng)設(shè)計。通過增加電池，確保系統(tǒng)具備持續(xù)供電能力。系統(tǒng)的能源來源主要依賴于小型太陽能板為鋰電池充電，足以滿足系統(tǒng)正常運行時的電能需求。太陽能板通過吸收太陽能為電池充電，電池成為系統(tǒng)的可靠電源。這一設(shè)計保證了系統(tǒng)在白天能夠持續(xù)運行，而在夜間則通過鋰電池提供穩(wěn)定電力支持。通過這種方案，不僅滿足了系統(tǒng)的電力需求，還避免了傳統(tǒng)電線布線所需的費用和工程成本。總的來說，以太陽能和鋰電池為基礎(chǔ)的供電方式，為系統(tǒng)的實時性和穩(wěn)定性提供了可靠的支持。

2.10 顯示電路設(shè)計

顯示電路的存在是為系統(tǒng)出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)問題或者當下數(shù)據(jù)采集者需要實地考察數(shù)據(jù)時，不方便再通過上位機的方式進行數(shù)據(jù)查看時的一種查看方式。在這里采用的是OLED屏幕顯示的方式，這種屏幕相對于其他屏幕對電的消耗是非常友好的，其他液晶類屏幕會有背光的存在，從而無法達到完全不顯示，進而使得耗電相對較高。OLED屏幕不需要背光，在黑色情況下是完全黑色的。OLED屏幕在這里主要是減小這種消耗，從而提高對電池電量的保護，確保采集電路的準確性，并減少了因耗電高而導致電源系統(tǒng)成本的增加。該屏幕主要是使用的是3.3V即可供電，采用與單片機使用同一個電壓即可。通信方式使用的是IIC 通信方式 ，除電源線外僅需兩根線接入單片機的IO 口即可。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

如圖3所示是基于物聯(lián)網(wǎng)的大承包地土壤數(shù)據(jù)實時分析監(jiān)測系統(tǒng)軟件設(shè)計流程圖。

3.1 網(wǎng)絡(luò)傳輸驅(qū)動程序設(shè)計

本設(shè)計采用了端口初始定義的方式，以啟動入網(wǎng)請求，以便判斷是否成功入網(wǎng)。如果入網(wǎng)失敗，系統(tǒng)將嘗試重新發(fā)送入網(wǎng)請求，一直等待入網(wǎng)成功后再進行下一步操作。成功入網(wǎng)后，系統(tǒng)執(zhí)行數(shù)據(jù)檢測。如果沒有檢測到數(shù)據(jù)，系統(tǒng)將返回到先前的檢測狀態(tài)，再次進行檢測。當檢測到數(shù)據(jù)時，數(shù)據(jù)將被解析與分析后直接傳送到OneNet云平臺。這一過程需要編寫RS485通信應用程序，以偵測傳感器的土壤各數(shù)據(jù)，并使用相應的轉(zhuǎn)換算法將其轉(zhuǎn)化為土壤數(shù)據(jù)。最終，通過MQTT協(xié)議將數(shù)據(jù)傳輸至OneNet云平臺服務(wù)器。MQTT協(xié)議作為一種輕量級的消息傳輸協(xié)議，MQTT（Message Que+861NUxy7l32SUg0/LZ6uhL3B5LdqVDQdYkpPzQqd6Y=uing Telemetry Transport） 協(xié)議通常被用于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備之間的通信。它是一種應用層協(xié)議，具有低帶寬和網(wǎng)絡(luò)開銷小的特點，其工作方式是發(fā)布者（Publisher） 將消息發(fā)布到主題（Topic） ，而訂閱者（Sub?scriber） 則可以通過訂閱主題并接收相應的消息，這種模式使得設(shè)備之間的通信更加靈活、可靠和易于擴展。MQTT協(xié)議也被廣泛應用于大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)應用程序中，例如，智能家居、工業(yè)自動化、智能交通等，已成為物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的標準協(xié)議之一[3]。云平臺服務(wù)器獲取數(shù)據(jù)后，在網(wǎng)頁端實時顯示，并繪制曲線，直觀地看出數(shù)據(jù)變化；通過手機客戶端實時查看并監(jiān)測數(shù)據(jù)。在編程過程中，我們使用了Keil編程開發(fā)環(huán)境，以確保程序正常運行。在網(wǎng)絡(luò)傳輸方面，我們主要關(guān)注模塊與服務(wù)器的連接。通信模塊通過AT指令方式與單片機進行通信，單片機通過AT指令控制通信模塊與服務(wù)器通信。這減少了對通信模塊的開發(fā)工作，只需通過串口將字符串傳遞給通信模塊。通過AT指令的控制，模塊會自動將字符串通過網(wǎng)絡(luò)傳送至OneNet云平臺服務(wù)器，并等待服務(wù)器的應答。如果應答成功，模塊將返回相應字符，單片機會繼續(xù)發(fā)送下一步指令。如果沒有得到相應字符，單片機會等待一段時間，然后重新發(fā)送相應字符串，以再次請求連接，直到成功為止。

3.2 土壤數(shù)據(jù)傳感器驅(qū)動程序設(shè)計

隨著微型傳感器技術(shù)、信號處理技術(shù)和微處理器技術(shù)的迅猛發(fā)展，土壤數(shù)據(jù)檢測技術(shù)已經(jīng)從傳感器檢測單一信號演變?yōu)閭鞲衅髋c物聯(lián)網(wǎng)相結(jié)合的發(fā)展趨勢，如我們本次使用的RS485協(xié)議傳感器。這種趨勢使土壤數(shù)據(jù)的獲取和分析能夠?qū)崿F(xiàn)更高的實時性。在我們的傳感器中，我們選擇了一種集成式傳感器，將土壤的pH值、氮、磷、鉀等數(shù)據(jù)統(tǒng)一采集，這種傳感器的好處就是能夠極大地簡化傳感器的數(shù)量，減小了物理實體的損壞率，使得設(shè)備更加穩(wěn)定。土壤數(shù)據(jù)傳感器的數(shù)據(jù)采集主要依賴于單片機通過串口直接讀取傳感器的數(shù)據(jù)。在圖3中，我們展示了串口初始化函數(shù)的流程圖，我們在這里使用串口2，通過單片機的串口2發(fā)送相應的指令以獲取傳感器數(shù)據(jù)，然后將數(shù)據(jù)顯示在OLED屏上。

3.3 北斗定位傳感器程序設(shè)計

北斗定位傳感器的驅(qū)動程序主要是對單片機串口程序的編寫以及JSON數(shù)據(jù)的解析，串口程序的編寫主要是串口的初始化，串口的中斷程序以及中斷的優(yōu)先級的選擇，波特率設(shè)置等。在定位信息當中，時間信息以及經(jīng)緯度信息與我們平時用的信息是不同的，如在時間上，我們拿到的數(shù)據(jù)是小8個時區(qū)的，也就是當前的時間為返回時間加8小時才是我們當?shù)氐臅r間；在經(jīng)緯度上，我們常用的地圖與北斗實際采集到的定位經(jīng)緯度是需要糾偏的，也就是使用的坐標系是不同的。定位模塊返回的是JSON格式的數(shù)據(jù)，無法使我們直接使用，所以需要將JSON個失敗的數(shù)據(jù)解析成變量的數(shù)據(jù)，再將數(shù)據(jù)，如時間、經(jīng)緯度進行相應調(diào)整，糾偏后，再通過網(wǎng)絡(luò)傳輸功能將數(shù)據(jù)發(fā)送至云平臺服務(wù)器，使得時間以及經(jīng)緯度準確，進而方便使用人員精確無誤地查看數(shù)據(jù)，從而做出判斷。

3.4 OLED屏幕驅(qū)動程序的設(shè)計

OLED屏幕使用的通信方式是IIC的通信。其中顯示方式只需要通過IIC協(xié)議向SSD1306發(fā)送相應的指令數(shù)據(jù)以及相應的顯示數(shù)據(jù)，從而達到顯示的效果，IIC的通信方式大大減小引腳的使用，也減小了通信的難度，提高了開發(fā)速度。

3.5 手機客戶端程序的設(shè)計

手機客戶端的開發(fā)使用的是Android Studio軟件[4]進行開發(fā)，其使用的開發(fā)語言為JAVA語言，分為后端功能板塊與前端界面板塊。在本次開發(fā)的App當中，后端中主要使用了MQTT協(xié)議來讀取OneNet云平臺服務(wù)器數(shù)據(jù)值，讀到JSON 格式的數(shù)據(jù)值之后，將JSON 數(shù)據(jù)解析，拿到相應數(shù)據(jù)，如土壤中的五大數(shù)據(jù)，以及經(jīng)緯度等。將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后，在前端界面板塊進行數(shù)據(jù)的實時顯示，并且調(diào)用高德地圖的API進行相關(guān)的地圖定點顯示，將數(shù)據(jù)顯示到坐標點上，數(shù)據(jù)也會實時判斷，當數(shù)據(jù)超過相應閾值時，坐標點將會變成紅色，從而達到相應的預警效果。

3.6 OneNet云平臺數(shù)據(jù)顯示設(shè)計

OneNet云平臺采用的是模塊化顯示，并且在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域持有開放性，實用性以及可拓展性[5]，這種方式的好處是降低了開發(fā)難度，不再需要對UI界面的開發(fā)，只需要進行拖取相應的模塊，就可以進行相應的界面設(shè)計，在這里主要使用到了其三種模塊，儀表模塊、曲線模塊、地圖模塊。在服務(wù)器中拿取數(shù)據(jù)以及處理使用的是JavaScript進行的相應處理，但代碼量是非常小非常適合非計算機類人員的開發(fā)使用，大大減小了開發(fā)時間，提高了開發(fā)效率。

4 總結(jié)與展望

土地承包中，土壤數(shù)據(jù)是至關(guān)重要的。在過去的土壤數(shù)據(jù)測量中，市場上的大多數(shù)產(chǎn)品都依賴于采樣和手動檢測，然后根據(jù)結(jié)果進行土壤成分的調(diào)整。這種方法存在一系列問題，包括需要大量檢測人員、數(shù)據(jù)分析不及時，導致土壤成分誤差較大，最終對農(nóng)作物產(chǎn)生損失。然而，通過利用物聯(lián)網(wǎng)實時監(jiān)測技術(shù)，可以顯著減小這些損失。借助高精度傳感器，結(jié)合4G模塊將數(shù)據(jù)上傳至OneNet服務(wù)器，用戶可以通過手機客戶端或PC端實時訪問服務(wù)器并將數(shù)據(jù)可視化為曲線圖，以監(jiān)測土壤數(shù)據(jù)的動態(tài)變化。這有助于提高土地產(chǎn)量和管理方法技術(shù)，為土地承包人員提供了極大的便利。因此，研究開發(fā)一種多點土壤數(shù)據(jù)實時檢測系統(tǒng)變得至關(guān)重要。

本設(shè)計還有一些相對不足的問題，如數(shù)據(jù)的安全性，服務(wù)器使用的并不是自己的服務(wù)器，這樣會導致數(shù)據(jù)的泄漏；使用人員學歷問題導致的使用復雜程度，在軟件優(yōu)化上是否可以解決掉；在當下人工智能的大時代下，分析土壤數(shù)據(jù)的同時，是否可以通過攝像頭分析植株葉子從而達到對土壤的分析，從而推斷土壤缺少哪些成分，以達到對土壤數(shù)據(jù)分析的結(jié)果。這將對未來現(xiàn)代化土地種植作物會起到一個非常大的推動。