基于Air724UG的远程土壤参数监测系统

钟佳荟，王奥阳，岳心想，孟佳琦

(新疆农业大学，新疆乌鲁木齐 830000)

1 引言

随着中国经济和科技水平的快速发展，人们不断深入发展互联网和物联网，逐渐进入当今社会的大众视野中。作为国家“十二五”规划中新兴战略产业——泛在网络产业进行大力支持和培养，人们不仅进行人与物之间的诱导和通信，还进行了物体与物体之间的自主交流、控制、合作。太阳能智能土壤湿度监测系统是计算机技术、传感器技术、无线传感网络技术和网络通信技术与自动化相结合、互补的科技产品。土壤墒情是用于长期耕作形成的土壤表层中含水量多少的数据信息，它是非常重要的土壤参数，因此在农业生产中，利用土壤水分监测系统监测土壤水分状况十分具有意义。水是生物营养元素的良好溶剂，帮助生命体验输营养物质参与新陈代谢等,农作物的生长离不开水。土壤墒情监测系统自动监测土壤墒情情况，通过准确及时有效的数据积累和分析，不仅有助于做好农业干旱防范工作，指导科学的灌溉生产，而且能够在本研究中利用无线远程传输技术将使用Air724UG收集的多种土壤信息数据有效地传输到监控中心，进一步健全土壤墒情监测网络。

2 检测系统总体设计

太阳能土壤湿度监测站主要利用太阳能面板完成太阳能采集工作，利用特定半导体器件将太阳能转换成电能。将土壤湿度传感器采集土壤湿度数据信息转换成电信号，再从模拟信号转换成数字信号[1]，输入485 总线。微控制器负责原土壤数据的校正处理、通信联络当数据整合完成之后，微控制器在处理封装数据后通过GPRS模块将其发送给预先输入数据中心的固定IP地址[2]，网络服务器的数据中心软件通过协议与各区域模块搭建连接，接收远程数据并存储在本地数据库中，并且发送给客户端,客户端软件系统通过TCP 协议连接访问服务器，从服务器端接收数据信息，然后进行数据解析/处理分组，显示每个测量点的环境信息，将最终解析的数据信息存储在本地数据库中[3]。系统设计图如图1所示。

图1 系统原理

本系统的目的是将土壤环境的温度、湿度等数据实时上传到监测中心，通过有效的数据接口分析土壤参数信息，分析目前农田的土壤湿度状况保证及时采取应对措施。本次系统的硬件结果分为微控制器处理模块、土壤参数采集模块、系统供电模块几个模块这样容易具体明确地开发分割模块。

3 硬件设计

硬件设计主要包括由三部分组成，微控制器处理模块、土壤参数采集模块、系统供电模块。

3.1 微控制器处理模块

主控制芯片是整个系统的核心，是保障系统正常运行的心脏，其主要作用是：采集各传感器数据、数据分析和文件存储。本系统采用Air724UG模块。Air724 是上海合宙物联网公司发布的一款基于UIS8910DM芯片组的物联网通讯模块，模块通讯性能优越，支持的数据传输速率在10Mbqs～5Mbps之间，具有全功能音频输入输出接口，LCD 接口，Camera 接口，内存卡接口，矩阵键盘接口，ADC接口，其外设齐全，功能齐全，是替代2G物联网模块的理想产品。

该模块内置了大量的网络协议，TCP/MQTT/FTP/HTTPS 等协议。支持SIM 卡，SIM 卡接口支持ETSI 和IMT-2000 卡范，支持1.8V 和3.0V USIM 卡。串口的连接方式较为灵活。Air724UG_Air723UG模块功能框图为图2所示。

图2 Air724UG_Air723UG模块功能框图

3.2 土壤参数采集模块

土壤湿度监测是基于介电常数原理的传感器。系统终端需要在防水、防潮、稳定性好的地面上配置温度观测点，地下土壤每隔10cm 配置土壤参数采集模块，对不同深度的土壤水分含量和温度参数进行动态监测，该检测器至少可以检测3种不同深度的土壤温湿度状态，而且最多可以检测5种深度不同的土壤的各种参数。倾斜角设备可以监测土壤的倾斜角度确定土壤和设备的状态，能够快速和全面了解土壤湿度信息，然后就可以提前制定预防方案和解决方案，尽量最少地影响到农作物的生长，该产品采用标准Modbus-TOU485通信，最远可传递2000米，支持二次开发，该产品外壳采用了PVC塑料管，可以很好地穿透接近1GHz 的高频探测波，能够很好地消除土壤中盐离子对设备的影响，也可以不受化肥、农药、灌注的影响，产品采用的倾斜角传感器的测量角度准确稳定。

安装方法：第一步：使用土钻在合适的位置开洞

将钻头垂直于地面，两手握着方向盘顺时针慢慢转动从孔中取出取土钻头，放入桶中，将土钻头中的土收集到桶中，使用以下步骤和浆料重复上述打孔、挖土，在这个过程中将传感器轻轻地放入孔中(请勿用力接触底部设备)，测试孔的深度是否合适。如果有卡纸的话，用钻头修正，保证传感器的放入和取出顺畅打开孔完成，直到孔的深度与传感器所示的安装位置平坦为止；

第二步：泥巴挖出土壤中的杂质、石头、草根、难以溶解的泥土等，仔细擦拭土壤，与泥土混合注入适量的水，充分搅拌成黏稠状；

图3 土壤湿度检测管

第三步：安装浆料慢慢地将浆糊注入孔中，到达孔1/2的位置慢慢地将传感器放入孔中，向一个方向缓慢旋转并向下压，速度过快的话，气泡可能无法完全排出。步骤4：安装完成将设备连接到电源线和485 通信线，打开电源后，设备会发出声音启动机器，正常工作推荐在恢复正常状态后进行正常动作。

3.3 系统供电模块

有太阳光的时候，太阳能电池板会给锂电池充电，向系统供电锂电池所积蓄的能量可以在夜间和雨天向系统供电。选择型号为955465铝聚合物大容量电池，电池容量为5000mAh，使用功率2W的单晶硅太阳能电池板作为太阳能电池板。除此之外，太阳能电池控制器可以有效控制太阳能电池板向锂电池的充放。

4 软件设计

4.1 无线通信协议模块

MQTT(Message Queuing Telemetry Transport,消息队列遥测传输协议)是由IBM 在1999 年发布的一个基于Publish/Subscribe(发布订阅)模式的物联网通信协议，MQTT 的优点在于具有开放的消息协议，简单容易实现，基于TCP/IP 网络连接将建立客户端到服务器的连接,提供两者之间的一个有序，无损，双向连接，对负载(协议携带的应用数据)内容屏蔽的消息基于字节流的双向传输[4]。MQTT客户端可以发布其他客户端可能会订阅的信息，因为MQTT 具有这么多优点，使其在物联网邻域具有广泛的应用，例如：物联网M2M通信，物联网大数据采集；Android 消息推送，WEB 消息推送；车联网通信，电动车站桩采集；智慧城市、远程医疗、远程教育等，并且该协议还支持所有的平台。使MQTT 在物联网邻域和各种小型设备之间具有很广泛的使用。可以把联网的物品和其他东西联系起来，真正做到了万物互联。

本系统主要选取RS-485串行总线标准，RS-485方式组成的多极通信系统采用主机控制从机发送数据或命令且只能由主机转发信息，从机之间不可相互交换数据信息或者通信。RS-485 多级通讯中一次完整的通信过程分为主机询问、从机应答和链路释放这三个阶段[5]。在第一阶段，目标从机接收到主机发送的命令和数据；在第二阶段，主机接收到从机解释的命令码；在第三阶段，从机清除接收缓冲区及相关变量，准备与主机下次通信[6]。

MODBU 协议已经成为通用工业标准，通过协议实现了控制器与控制器、控制器通过网络与其他设备之间串行通信。由于485 并不具备冲突检测的硬件机制，所以它必须遵从MODBUS协议中一个主机和多个从机的模式，完美解决了数据冲突的危机。其次，从机的地址是其唯一标识，当主机想找某一台从机需要发送RTU 数据格式的信息，向其发送数据包时，每一个从机设备都要执行主机要求的动作，为了避免RS485通讯线的数据混乱，所有从机在主机发地址时不予数据包答应。因此MODBUS协议保障了数据的有效传输。

4.2 485参数配置软件

图4 参数设置

软件系统的配置和设计软件部分主要包括服务器侧的数据中心软件、数据库系统和远程客户端的数据处理软件。

5 总结

在太阳能供电的条件下，土壤墒情传感器采集到的土壤数据信息通过远程数据传输到服务器端，客户能够实时有效地查看到最真实的监控区域土壤温湿度情况和变化，现代农业要想有较大较快的发展，土壤墒情监测系统能够实时监测土壤的湿度情况，提高监测效率。而且在现代农业规模化发展的过程中，生产方式和模式都在发生转变，检测仪器的应用是提高农业效率和效益的重要途径，因此可以说该仪器是中国农业发展的迫切需要，具有非常广阔的应用前景。