基于GSM和太阳能的土壤参数测试仪的设计

王伟员，黄艺森，陈进源，饶连周，林惠川，陈俊玮

（1.三明学院 机电工程学院，福建 三明365004;2.福建电视大学 三明分校,福建 三明365000）

基于GSM和太阳能的土壤参数测试仪的设计

王伟员1，黄艺森1，陈进源1，饶连周1，林惠川1，陈俊玮2

（1.三明学院 机电工程学院，福建 三明365004;2.福建电视大学 三明分校,福建 三明365000）

研究了一种基于GSM和太阳能的土壤参数测试仪，它以单片机STM32为主控、STC12为辅控，集太阳能供电模块、GSM模块、NRF24L01无线模块、pH传感器、温湿度传感器、水位传感器、信号处理模块、存储模块等于一体，能实现多点自动测量土壤参数并显示和存储、以及手机实时接收和调用土壤参数的功能，可应用于对农作物生存环境的监测，具有一定的创新性和实用性。

土壤；测试仪；单片机；GSM模块；太阳能供电；无线模块

随着各种农作物的生产规模越来越大，对于土壤参数的测量与分析，如果依靠传统的人工测量很难满足生产的需要，同时人工测量会浪费大量的人力物力。为此笔者采用单片机、GSM传输与发送技术、太阳能供电和无线传输技术为核心设计了一款使人们足不出户就能方便快捷的对田地土壤信息进行实时监控以便及时做出对土壤的改良方案。通过多点采集，使田园工作者对不同田园土壤信息进行采集和对比，从而更科学合理的选择所种农作物的种类，来提高农作物产量和减少管理费用。

1 系统的结构

整个系统的设计是由从机远端采集相关参数发送系统和主机接收系统两大部分组成。从机远端采集相关参数发送系统由太阳能供电、温湿度传感器SHT10、水位传感器、单片机STC12C5A60S2和NRF24L01无线模块为核心，解决了远地对系统供电难题、实现土壤参数的采集、数据的处理、以及处理后数据的发送。主机接收系统由太阳能供电、STM32单片机、NRF24L01无线模块、GSM模块、按键输入、存储器和液晶显示组成，实现供电、系统智能化控处理、数据接收、人机交流、数据存储和显示[1-3]。系统方框图如图1所示。

图1 基于GSM和太阳能的土壤参数测试仪系统方框图

2 系统的硬件设计

2.1 太阳能供电电路设计

太阳能供电控制器是以充电、放电、保护电路3部分组成。

太阳能充电电路使用的是LM2596高频开关稳压电路降压输出13.4 V。配合EG4318铅酸蓄电池充电管理IC，可以使太阳能电力得到高效利用，并且能对铅酸电池进行恒压、恒流、浮充三段式充电控制。图2是太阳能充电及供电电路。

图2 太阳能充电及供电电路

当天气没有太阳时，整个系统由铅酸蓄电池来提供。铅酸电池供电采用开关降压电路。主要为系统提供5V稳压电源。配合LM339组成的滞回电压比较器。可以保护铅酸电池电压低于安全电压的时候，自动关断电路，只有当电池的电压恢复至正常电压时，电路才会恢复供电，这样可以防止其深度过放电造成铅酸蓄电池的永久损坏。两个电路组成的电路可以保证电路的效率在90%以上。远大于线性稳压电路的效率。利用太阳能供电可以解决在户外供电问题，并且绿色、环保、节能，很值得使用[1]。图3是铅酸蓄电池及保护电路。

图3 铅酸蓄电池放电及保护电路

2.2 主机接收系统电路设计

主机接收系统主要由单片机STM32、NRF24L01无线模块、GSM模块、TFTLCD、按键等相关电路构成。其原理图如图4所示。

图4 主机接收系统电路图

主机系统可以显示多个从机发来的各种土壤参数、通过按键的设定实现对菜单的控制、数据的实时存储、还可以通过GSM模块进行人机交流等功能，进一步为农作物的生存提供良好环境。

（1）GSM模块的设计：GSM模块与单片机STM32采用串口通信，只需要提供电源和两个接口GSM_RXD和GSM_TXD就可以实现用户与主机之间的交流。

（2）存储器模块的设计：存储器是采用W25Q64芯片，具有低功耗和8 Mb的容量，通过STM32内部硬件SPI协议进行通信，确保了数据准确性的读写。利用存储器可以方便用户实时调用土壤各种参数，通过不同时段的对比，更利于掌管农作物。

2.3 从机发送系统电路设计

从机系统主要有单片机STC12、SHT10传感器、无线模块、pH传感器和太阳能供电组成[2-3]。

（1）pH值传感器工作原理：采用雷磁EC-201-C PH值电极将溶液的pH值变化的信号转换成电信号，通过精密放大器TLC4502将电信号进行放大，数据引脚p_AOUT接STC12单片机ADC0进行A/D采集，并利用多组标准浓液的pH值测出对应电压，再用直线拟合算法把电压值转换成pH值。pH值放大电路如图5所示。

（2）SHT10传感器工作原理：温湿度传感器采用SHT10，具有数字化、分辨率高达14比特、内部自校准、采用I2C串行接口通信等特点。如图6所示，其典型电路与STC12相连接。

（3）水位高低传感器工作原理

水位传感器是通过水位高于或低于所设定的水位线，利用I/O口的电位变化来判断。如图7所示，当水位较低时P12口为低电平，P12口为低电平且P13口为高电位则水位正常，P13口为低电平则水位为高状态。

图5 pH值放大电路

图6 SHT10温湿度传感器应用电路

图7 水位传感器电路图

3 软件设计

3.1 从机采集参数发送系统软件设计

从机远端采集数据发送系统主要由pH值传感器、无线模块NRF24L01发送数据、水位传感器和温湿度SHT10传感器4部分组成。其从机发送软件结构，见图8。

从机系统先初始化硬件设备，接着单片机开始对土壤各种参数进行采集处理，利用无线模块把整个采集的土壤参数用结构体形式进行发送到主机，若未成功接收发送指令则从新进行采集，直到成功发送。

3.2 主机接收系统软件设计

主机接收系统软件设置主要分成3部分：第一，通过按键实现菜单的选择，可以进行数据存储时间的设置、日期的设置、查询存储过任意一天的土壤参数、Flash擦除等功能；第二，对接收到多个从机的数据根据设置好存储时间段进行处理，直到成功存储；第三，利用串口中断的形式进行用户手机与主机之间的通信，方便进一步实时掌握各地不同时间段采集点彼此间土壤参数，还可以实时监测各点的土壤参数以便用户对农作物生长土壤环境进行调整。其主机接收系统流程图，见图9。

图8 从机发送系统流程图

图9 主机接收系统流程图

4 结论

提出了一款基于GSM和太阳能的土壤参数测试仪的设计方案，实现了高效节能环保供电、多点自动测量土壤参数、并进行显示和存储数据以及手机实时接收和调用土壤参数。打破的以往管理农田的方法，节省了大量物力和人力，且满足用户们足不出户就能方便快捷对监测点进行实时监以便及时做出改良方案。在此基础上，进一步集更多传感器，还可用于地质监控部门、矿业部门、水质监控部门等环境监测部门，具有一定的创新性和实用性。

［1］陈大钦．电子技术基础：模拟部分［M］．5版．北京：高等教育出版社，2005．

［2］孟立凡，蓝金辉．传感器原理与应用［M］．2版．北京：电子工业出版社，2013．

［3］黄明英，张登玉，肖小明．基于STC单片机的太阳能控制器设计［J］．无线互联科技，2012（2）：60-61．

(责任编辑：朱联九）

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

国家级大学生创新性创业训练计划项目（201311311011,201211311008）；卓越工程师教育培养计划改革试点项目（SD1108）；

王伟员，男，福建南安人，大学生；通信作者：饶连周，男，福建明溪人，教授。研究方向：光电技术及自动控制。