基于物联网与移动终端的甘蔗地测控系统研究

侯张玲　廖义奎　王博晓

摘要：自然资源的匮乏、人口增长给我国粮食生产带来了严峻的调整，需要找到不增加资源浪费、不损坏生态环境，提高粮食产量的途径。文章所述系统运用ZigBee无线传输技术和STM32开发板作为核心技术对农田的湿度、温度、光照、二氧化碳等进行智能控制，对大棚生产的各个环节给予实时监控，为作物的生长提供最适合的环境，提高农作物的产量和质量。

关键词：数据采集；ZigBee无线技术；实时监控；物联网；移动终端；甘蔗地测控系统 文献标识码：A

中图分类号：TP319 文章编号：1009-2374（2016）19-0009-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.19.005

1 设计背景

在信息快速发展的时代，大量的农作物生产依靠的都是最先进的生产技术，传统人工种植已经不能满足人们的需求。传统人工方式只能小范围小面积实现，而现在大多数农作物的生产不仅要满足自身的需求，更多的是面向市场，从而获得更高的利润。随之而来的就是管理问题，例如浇水施肥，大面积的生产需要很多的人力物力，同时花费大量的时间不能做到实时性、准确性、高效性。在农业、生态环境领域的研究中，需要测量土壤的温度、湿度等数值。由于需测土地具有面积大、观察时间较长等特点，人工检测需要使用土壤传感器插入读数并计数，不仅花费大量的时间和人力，也会因为人为的误差导致数据不准确，所以设计一种通过土壤传感器采集数据并通过无线传至手机分析的检测系统就显得非常重要。

2 特点

2.1 测量误差小

温度传感器DS18B20的测量精度高、测量温度范围宽，可测范围为-55℃～+125℃，在-10℃～+85℃范围内，精度为±0.5℃。可根据不同的气候调节控制湿度传感器的继电器达到想要的值。相比传统的人工采集方式减小误差，得到更精准的数据。

2.2 及时性

相比传统人工采集方式，本系统可以不间断工作，采集每个时间点的数据。同时将所采集到的数据及时发送到手机端，方便操作者了解实时状态。

2.3 对比性

本系统利用两块STM32开发板分别采集两个不同位置的土壤温湿度值，在做对比的同时也可以判断采集到的数据是否正确。如检测地点较近时，但是采集到的数据相差较大的情况下，可能是检测仪器出故障的原因。

2.4 灵活性

可根据不同季节不同农作物所需要的温湿度值改变人为所设定的限值，这种方式可以为不同农作物提供不同的生长环境，有助于农作物在合适的环境下更好地

生长。

2.5 监控性

通过WIFI将数据传送给手机端可以实现实时监控，及时了解土壤温湿度，克服了远距离不可操作的缺点。

3 设计方案

本次设计的主要是监测土壤的含水量，将其采集到的数据通过ZigBee模块传送到手机，当监测数据超出某个阀值时向手机和计算机发出报警信息，在设定时间内没有人发出执行指令，则计算机自动发出执行指令，从而进行浇灌。在甘蔗地要采用多点的监测，这样就可以得到一个比较准确的数据，而减小误差。但不同的测量需要根据各自的特点合理地安排其密度。

第一，嵌入式系统是目前电子系统设计最活跃的领域之一，具有广阔的市场前景。单片机作为嵌入式系统最经典型的代表，在嵌入式系统中占有最大的份额，成为广大高校学生和电子工程技术人员学习和开发嵌入式系统的主流。由单片机开发的产品也广泛地应用到了家电、通信、工商业、航空和军事方面。因此，本次设计选用ALIENTEK MiniSTM32 V3.0开发板来完成。

第二，由于需要工作电压在5V左右，而且能保证成本相对而言比较低。ALIENTEK MiniSTM32开发板载有目前比较通用的液晶显示模块接口。

第三，选用测定两个不同位置土壤温湿度值的方式可以通过对比得出更精准的数据，也可以提高检测

效率。

第四，为实现智能开关设计，本系统选用继电器模块控制水泵开关。STM32开发板将温湿度传感器所采集到的数据进行分析，当达到某个设定条件时继电器开启或关闭。

第五，考虑到农田信息的采集监控网点多、数据更换数量不大、设备成本低、现场环境复杂多变、设备小、电池供电、需要较大的网络覆盖等特点，因此采用一种低功耗、低成本、体积小且能保证数据安全稳定的无线传输成为了必要，而ZigBee正好满足了这些要求。ZigBee是一种无线连接，它具有低功耗、低成本、网络容量大、可靠、安全等特点。可工作在2.4GHz，传输距离从标准的75米到几百米，并且支持无限扩展，是农田信息数据传输的最佳选择。

第六，采用手机和计算机作为管理终端。可以让监控计算机根据各种现场采集回来的数据，对数据进行分析、对比，综合得出现场各方面的情况，自动地对各种终端器发送命令，而不用人为地去干预；当要人为去改变某些量时，可以通过手机向控制终端发送命令，从而使控制终端工作。

4 实现与应用

系统主要是由三块STM32开发板、ZigBee组网、温度传感器DS18B20、土壤湿度传感器、水泵及显示模块组成。如图1所示：

整个系统由三个STM32板组成，其中A板B板为采集数据板，用于采集土壤的湿度与温度以及控制水泵的开关；C板用于数据的显示以及土壤湿度上限值的设定，并通过C板的WIFI模块与手机终端相连接，可在手机终端上显示相应的采集数据。

当系统运行时，DS18B20采集到土壤的温度值，土壤湿度传感器采集到土壤的湿度值，通过A、B板的AD转换，并同时在A、B板中进行判断，当在C板中设置的土壤湿度上限值大于相应A、B板的土壤湿度采集值时，A、B板会触发对应的水泵开起；当在C板中设置的土壤湿度上限值小于相应A、B板的土壤湿度采集值时，A、B板会触发对应的水泵会关闭。与此同时，A、B板会把相应的数据通过串口连接在A、B板上的ZigBee发送出去，通过广播的模式，把数据发送到同样连接着一块ZigBee的C板上。然后C板经过数据处理，将其显示到TFT液晶显示屏上，并通过WIFI模块，把数据发送到手机终端，通过手机终端也能检测到相应的土壤信息。

4.1 系统结构

4.1.1 STM32开发板模块。本系统需要用到三块STM32开发板，用两块STM32开发板连接土壤传感器及温度传感器DS18B20采集两个不同位置的土壤数据，并且通过串口将数据传送给ZigBee组网，实现数据的传输。另一块STM32开发板用于数据的显示和判断，实现手动和自动切换来设置限值，并且做出实际值与设置限值的对比，控制水泵的开关。

4.1.2 ZigBee模块。ZigBee模块为本次设计的核心模块，主要是将STM32开发板采集到的数据传送给另一块STM32开发板显示及判断，主要实现无线传输。

4.1.3 土壤传感器模块。本次设计所选用的土壤传感器使用方便、测量数据精准，具有很高的灵敏性。通过将土壤传感器插入土壤中，同时结合程序控制得到土壤当前湿度值，将所得到的当前湿度值与限值相比较实现最终的智能控制过程。

4.1.4 温度传感器DS18B20模块。本次设计所选用的温度传感器DS18B20主要是通过结合程序控制实现温度的测量，与湿度值一样将传送给开发板与设定的限值相比较从而决定是否需要打开水泵进行浇水。

4.2 系统操作步骤

4.2.1 检查各个模块是否正常工作，接好连接线，并确认正负极是否正确等。

4.2.2 给A、B、C板分别上电，本系统采用的是USB供电的方式，方便快捷。

4.2.3 观察系统是否正常工作，数据是否正常显示在显示屏上，连接WIFI的手机端是否能正常显示采集信息，都正常后便可设置相应湿度值。

4.2.4 观察传感器所采集到的当前土壤温湿度值与单片机人为设定的限值，当当前温湿度值小于限值的时候观察水泵是否打开，同时看单片机上显示是否与预想的一样。

4.2.5 对比两处土壤所采集到的数值，当我们设定不一样的限值时，观察水泵的打开及关闭时间是否不一样。

自动状态：当程序处在自动状态下时，系统会自动检测此时土壤的温度与湿度，我们已经将土壤湿度的值设定在一个合理范围内，当土壤湿度低于这个值时，系统会自动打开浇水模块，自动给植物浇水，当土壤湿度高于我们预设值时，浇水模块会自动关闭。

手动状态：当程序在手动状态下时，我们可以通过STM32开发板上的按键控制是否需要浇水或通过手机控制是否浇水并且显示此时系统的数据。

本系统以STM32开发板及ZigBee模块为核心部件，实现土壤温湿度采集并传输显示，水位箱检测水箱里是否有水并发出提示信息。液晶屏显示土壤温湿度值。

系统下载程序接通各个电源后，单片机液晶屏上显示所设定的固定语句，经过一系列初始化后会显示当前土壤温湿度值及水箱是否需要加水，当土壤温湿度值小于限值时开始浇水工作。系统流程图如图2所示。

5 软件测试

5.1 显示板C代码

Uart_Change为串口接收到有效数据的标志，当接收到有效数据时，判断如果接收到的是0xa1开头，则为检测点A的数据，如果接收到0xa2开头，则为检测点B的数据，然后进行相关的数据处理。

5.2 采集板A代码

UART_SendByte（0XA1）为发送标志A板采集信息，用以给C板判断是哪块板发出的数据，本程序用了串口1的中断，当A板的串口1空闲时，Uart_Change为1，A板串口1发送数据，并使Uart_Change为0，同时判断Uart_Data[0]是否有数据被采集到，当Uart_Data[0]为1时表示A板接收到C板传来开启继电器信息，此时Relay_OUT=0；否则Relay_OUT=1，表示关闭继电器。采集板B程序代码与A板类似。

6 结语

本系统采用了通过传感器对土壤温湿度的采集、结合STM32开发板的分析和ZigBee组网的无线传输最终实现手机端的控制，实现了远程监测土壤温湿度值的功能，满足了现代化生活对智能化的需求。

（责任编辑：黄银芳）