基于5TM传感器的土壤温湿度监测系统设计

徐功林，封 蕾

(南京林业大学 信息科学技术学院，江苏 南京 210037)

基于5TM传感器的土壤温湿度监测系统设计

徐功林，封 蕾

(南京林业大学 信息科学技术学院，江苏 南京 210037)

本文采用了Decagon公司生产的5TM传感器，单片机及GSM模块搭建了智能土壤温湿度监测系统。系统工作时，微处理器根据远程指令采集5TM传感器的信号，经过相关的处理之后得到了土壤的湿度、温度信息，并将信息在系统的LCD上显示，同时通过GSM模块给用户发送相关信息。本系统可实时查询土壤湿度温度大小，当土壤湿度低于设定的阈值时控制电磁阀的通断对农作物进行喷灌。

单片机；5TM传感器；GSM；

土壤的温湿度对于农作物的生长来说是比较重要的参量[1]，人们会根据这些参数对其进行合理的灌溉调控，进而获得更好的产量，增加收成。为了适应现代农业智能化的需求，提高农业生产的效率，针对国内一些湿度调控设施还相对简单，国外配套系统过于昂贵的现状，本文设计出一种简单易行，能对土壤温湿度实时精确检测，并通过GSM模块实现远程数据传输和控制的智能监测系统。

1 土壤温湿度传感器5TM测量原理

本系统采用了Decagon公司生产的土壤温湿度传感器5TM来作为测量的主体，该传感器具有体积小，抗腐蚀能力强并且测量精度高，操作简单等优点，其使用领域非常广泛。5TM土壤体积含水量(VWC)测量的基本原理是基于介电理论[2]，传感器电路提供一个70 MHz的振荡波到叉指探头(如图1)，并根据当前介质的介电常数进行充电，而存储的电荷与土壤的介电常数成一定的比例关系，5TM会测量这个电荷量，并输出相应的介电常数值。土壤的介电常数主要取决于土壤的含水量，通过测量土壤当前的介电常数，进而来确定土壤的体积含水量。此外，土壤的温度值则是通过传感器表面的热敏电阻来获得的。

图1 5TM传感器

5TM传感器的主要测量指标如表1所示。

表1 5TM传感器的主要指标

由介电常数值得到体积含水量的转换公式是著名的Topp方程式[3]：

θ=4.3×10-6×ε3-5.5×10-4×ε2+2.92×10-2×ε-5.3×10-2.

(1)

其中，θ代表体积含水量，ε代表介电常数。

该传感器是数字接口输出，可采用串口或SDI-12协议与MCU进行通信，其三个引脚分别是Excitation(电源)，GND，Digital-out。

2 系统整体设计

本系统的核心处理器采用STC15F2K60S2单片机，整体系统框架包括电源模块，5TM传感器模块，显示模块，GSM模块，电磁阀控制模块，系统的整体设计框架如图2所示。

图2 系统整体设计框架图

其中单片机作为核心部件用来进行接收5TM传感器的数据并分析转换成所需要的介电常数值，经过相关的计算得到温湿度值，同时单片机控制GSM模块和显示模块。GSM模块可在接收到外部相关控制信息后发送数据，借助于此，我们可以设定何时进行发送，或设定含水量的相关阈值、控制电磁阀开关。

3 系统硬件设计

3.1 主控模块

综合考虑设计成本及性能要求，本设计采用的是STC15F2K60S2单片机，该微处理器具有大容量2 048字节片内RAM数据存储器[4]，速度比传统的51型快7倍～12倍，并且拥有双串口(两个独立高速的UART)，分时切换可用作5组串口，能够满足本次设计要求。

3.2 5TM传感器模块

本设计采用的传感器5TM主要有两种工作方式，其一是可以通过串口与单片机连接，其二是可以通过SDI-12协议与MCU进行通信。前者方式简单易行，供电仅需3.6 V，后者一个主机可带多达62个传感器，需要12 V供电[5]。综合考虑系统供电及操作等原因，本设计采用串口复用的方式挂载多个传感器。

值得注意的是，如果采用串口方式，5TM传感器需要在完成一次测量后关闭电源，并在下一次测量时重新供电，因此本文采用三极管开关电路来控制传感器电源的通断。

图3 5TM传感器控制电路

3.3 GSM模块

作为本设计的传输模块，GSM模块的地位举足轻重。本文选择SIMCOM的SIM900A作为通信模块，该模块是一款体积小，可靠性高，使用范围广泛的双频GSM/GPRS产品[6]。

需要注意的是该模块在发射信号时会导致电压跌落，因为这时的电流峰值会达到2 A以上，因此供给该模块的电源输出电流应大于2 A。

图4 GSM模块实物图

由于本模块内部已经具有TTL电平匹配电路，所以在与MCU相接时，将模块的TXD与单片机的RXD相连，模块的RXD与单片机的TXD相连即可。

3.4 显示模块

这里主要采用的是LCD1206点阵液晶作为显示模块，该模块功耗体积小，显示清晰，是显示交互常用的器件之一，因此这里不再赘述。此外本设计增加几组LED灯来标识单片机的运行状态，也能方便进行调试。

3.5 电磁阀控制模块

该模块的作用是在土壤的湿度低于设定的阈值时通过单片机控制电磁阀，从而使得土壤湿度可以控制在一个合理的范围内，此外还可以通过GSM远程控制电磁阀的通断。

图5 继电器驱动电路

电磁阀控制电路较为简单，主要采用三极管驱动电路来进行控制，单片机通过端口输出高低电平来控制三极管通断，从而控制电磁阀继电器的开关。

4 系统软件设计

本文系统上电运行后进行各项初始化的工作，初始化完成后显示就绪状态，此时系统等待远程命令从而进行下一步的工作。

4.1 系统软件流程图

系统初始化后检测是否收到相关的控制短信，如果没有就一直等待，如果收到则立即判断短信的内容，并根据内容进入相应的控制逻辑。

图6 系统软件流程图

4.2 系统调试

本文中的5TM传感器以及GSM模块都是工作在串口模式下，其中5TM的串口工作在1 200波特率，1 bit起始位，8 bit数据位，1 bit停止位，无校验位。一个典型的输出格式如下：

DDD EEE TTT<0x0D>xG<0x0D><0x0A>

(1)

其中D除以50得到介电常数值，该值通过式(1)计算得到含水量。E除以100得到电导率，T值与温度相关，x是传感器的标识，G代表CRC校验信息，在实际中可以通过G值校验之前的数据是否正确。

GSM模块默认工作在9 600的波特率下(可调节)，数据格式同样是1 bit起始位，1 bit停止位，8bit数据位。我们通过单片机串口向SIM900A发送命令来控制其工作，这个命令就是AT指令。通过AT指令我们可以方便的对模块进行短信，电话，数据业务等方面的控制。

表2 与本文设计相关的部分AT指令

在系统的实际调试过程中，采用模块化的思想[7]，自下而上进行测试，分别对子模块逐个调试，最终进行系统联调。最终实验表明本系统能稳定运行，正常收发数据，正常控制电磁阀的通断，达到预期效果。另外，为了防止SIM卡收到其他干扰信息，特对命令做出一些规范，便于管理与控制：

表3 系统控制命令

系统只有在收到以上特定的短消息时才会做出反应，完成相关的工作。

5 结语

本文设计并实现了智能的农业土壤环境监测系统，能够远程监测土壤的温湿度，显示相关信息并根据实际情况控制电磁阀的通断，实验表明在一定的区域内该智能系统工作正常，当接收到相关信息时系统能够自动完成测量并返回数据、控制电磁阀、设定阈值等一系列项目，这对于解放生产力，提高效率有重要的帮助。

此外，本系统还可加入其他监测农业生态环境的传感器，如光照传感器，二氧化碳传感器等其他种类传感器，从而获得更多的生态环境信息，为更好的提升生产效益做数据支撑。未来考虑加入ZigBee无线传感网络技术和GPRS网络来实现组网并以上位机的形式进行操作[8]，将各个分系统置于不同的区域中，可以获得更大区域的监测以及更广阔的作业范围。

[1] Deng, Lei, et al. Effect of Soil Moisture and Atmospheric Humidity on Both Plant Productivity and Diversity of Native Grasslands Across the Loess Plateau, China[J]. Ecological Engineering，2016，94:525-531.

[2] 5TM Water Content and Temperature Sensors Operator’s Manual Version 0[Z].Decagon.

[3] Topp G C,Davis J L,Annan A P,Electromagnetic Determination of Soil Water Content: Measurements in Coaxial Transmission Lines[J].Water Resources Research,1980,16(3):574-582.

[4] 丁向荣,陈崇辉.单片机原理与应用:基于可在线仿真的STC15F2K60S2单片机[M].北京：清华大学出版社,2015.

[5] SDI-12A Serial-Digital Interface Standard for Microprocessor-Based Sensors[S].SDI-12 Support Group，2009.

[6] 李瑞芳.双向通讯在节水灌溉系统中的应用[D].天津：河北工业大学,2012.

[7] 夏明忠,夏以轩,李兵元.软件模块化设计和模块化管理[J].中国信息界，2012(11):58-61.

[8] 顾敏明.基于3G技术的林业生态环境监测系统设计[D].南京：南京林业大学,2013.

Design of Soil Temperature and Humidity Monitoring System Based on 5TM Sensor

Xu Gonglin, Feng Lei

(SchoolofInformationScienceandTechnology,NanjingForestryUniversity,NanjingJiangsu210037,China)

In this paper, it builds the intelligent soil temperature and humidity monitoring system based on 5TM sensor, MCU and GSM module. When the system is working, the microprocessor collects the sensors’ signal according to the remote instructions, after the relevant process, it gets the soil humidity and temperature information, then the information is displayed on the LCD screen and sent to users by the GSM module. With this system, the humidity and temperature can be monitored in real time, and when the value of humidity is lower than the threshold, the system will control the solenoid valve to irrigate the crops.

MCU; 5TM sensor; GS

2017-03-08

徐功林(1991- )，男，江苏南通人，硕士研究生，主要研究方向为测试计量技术及仪器。

1674- 4578(2017)02- 0035- 03

TP273

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