基于STM32的智慧土壤监测系统

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2024年1月12日发(作者：)

Design& Application电子产品世界�$设计应用嵌入式系统基于STM32的智慧土壤监测系统Intelligent soil monitoring system based on STM32陈 琪 （山东科技大学，山东泰安 271019）摘 要：为了实现更精确、更智能、常态化的土壤成分检测，设计了一种可靠、便利的智慧土壤监测系统。该系统是利用STM32F103单片机连接氮磷钾、土壤PH、电导率传感器以及温湿度传感器综合检测土壤的当前状态。该监测装置一方面利用传感器检测土壤的各项指标，另一方面利用Wi-Fi通信模块进行数据传输，把从STM32主控芯片传输的数据传送到腾讯云服务器，从而在农田与专家之间搭建一个沟通的桥梁，实现智慧 农业。关键词：土壤检测；STM32芯片；Wi-Fi通信；腾讯云服务器；智慧农业近几年来，在素有“大蒜之乡”的金乡县，由于长期重茬种植，每临近收获季节大蒜会出现烂根、坏苗等现象，导致产量和品质不断下降。当地蒜农由于知识水平有限，不了解科学解决办法，盲目大量施肥，不仅没有起到良好效果，反而造成了土质的进一步破坏。同时由于种植方式为个体户种植，蒜田状况多元化，而有关农业方面的专家人数也十分稀缺，指导方式也为传统的线下指导，无法大规模普及。市场上现有的检测装置需耗费大量人力，且在检测常态化方面亦不易实现。为解决此问题，构建了一种高效、便捷、有针对性的土壤监测系统—智慧土壤云监测系统。该系统不仅拓宽了传统线下指导模式的局限性，而且让大蒜种植更加精准化，优化了专家资源配置，减少了化肥、农药等农资消耗，实现技术创新与产业振兴同步共赢。本系统采用STM32F103C8T6芯片作为核心处理器，无线通讯方式采用Wi-Fi（无线保真）通信，系统将传感器实时采集到的氮磷钾、PH值、土壤湿度、电导率等土壤参数信息传送到腾讯云服务器，与专家系统数据库中的土壤数据进行比对和分析，最终将监测数据及指导方案反馈给用户。1 智慧土壤监测系统总体设计1.1

系统性能指标系统设计目标主要是精准实时地检测土壤状况，并将土壤参数传输到平台，由专家进行分析评估，从而给出合理的施肥方案并反馈给农户，从而进行有针对性的施肥，以解决大蒜减产问题。其设计主要体现在以下几个方面。1）将设备的远程监测优势发挥出来，使用户可通过手机、电脑随时查看蒜田的土壤参数。2）主控芯片能实现对土壤各项参数的集中采集，保证系统安全可靠运行。3）为了节省劳动力，增设水泵电机和配肥电机，有手动和远程控制两种方式。4）网络通信系统在保障正常通信的情况下，尽可能地提升信息传递速率，保证用户快速获取指导信息。5）在保证专用性需求的情况下，保证具有一定的可移植性，方便用于其它农作物的土壤参数监测管理。1.2

系统总体设计智慧土壤监测系统主要由电源模块、主控模块、土壤参数检测模块、通信模块几个部分组成。电源模块采用220 V交流电通过变压器变成24 V，然后整形、滤波、稳压芯片获得12 V、5 V和3.3 V的直流电，分别给继36ELECTRONIC ENGINEERING & PRODUCT WORLD 2022.7

esign & Application设计应用电子产品世界电器线圈、土壤参数传感器、Wi-Fi通信模块供电。系控制设备的启停、数据的无线传输等系统需要实现的统中，各种土壤参数传感器负责采集各种数据并传送到功能。主控芯片，主控芯片对数据进行接收并处理。一方面通2.2

传感器接口电路过通信系统传输到终端控制器或用户，另一方面根据反土壤氮磷钾测量传感器采用的是恩赛电子公司生产馈信息可以手动或远程操控完成对水泵和配肥电机的驱的PR-3000-TR-NPK-N01，该传感器由电源模块、变动控制，进而完成对土壤环境参数的调控。系统的总体送模块、温度补偿模块、数据处理模块等部分组成。用设计框架如图1所示。户接口简洁、方便，可以测量土壤中氮磷钾离子含量，电源系统测量量程分别为0～500mg/kg，0～20000mg/kg，12V电源0～30000mg/kg，RS485型传感器，通过MAX485接5V稳压模块单片机的UART（通用异步收发器）3口，其接口电路3.3V稳压模块如图2所示。控制系统通信系统终端水泵电机主控制器控制配肥电机STM32F103WIFI模块器/用户检测系统图2 氮磷钾传感器485通讯引脚接线图PH值传感器采用的是JXBS-3001-TR、电导率传氮磷钾传感器土壤湿度传感器PH值传感器电导率传感器感器采用的是PR-3000-TR-EC-N01，都适用485协议,图1 智慧土壤检测系统总体设计图也通过MAX485与单片机的UATR口连接，其接口电路与土壤氮磷钾测量传感器的连接类似，这里不再赘述。2 系统硬件设计2.3

水肥控制电路根据系统总体设计，硬件电路主要包括主控制器当传感器测试的数据经平台专家系统诊断后，根据STM32F103C8T6电路、传感器接口电路、电机启停电反馈结果可以采用手动方式或者远程操控方式启动水泵路和无线传输电路，各模块之间相互配合，共同完成对电机进行灌溉，也可以同时启动配肥电机完成肥料的同土壤参数的检测与反馈工作。时加配。水肥控制电路如图3所示。单片机的信号通过2.1

STM32主控模块光电隔离TLP281进行隔离后再经过MMBTA06三极管本系统的主控芯片选用的是STM32F103C8T6，一驱动后控制直流12V继电器的通断，进而控制水泵电款基于Cortex-M3内核的单片机，其电压供电范围为机的启停。2.0V～3.6V，CPU（中央处理器）的最大工作频率可以达到72MHz，具有接口多、功耗低、功能强大、性能稳定等特点。丰富的外部接口，保障了系统的开发需要。其卓越的单周期乘法指令和硬件除法，以及优先级可编程的中断系统使其数据处理快、性能优越。该芯片完善的功能模块，极大简化了系统电路设计并减少了外围电路的成本。因此智慧土壤系统设计选用STM32F103C8T6作为主控芯片能实现多个传感器连接、图3 水泵控制电路图 2022.737

Design& Application2.4

无线传输电路电子产品世界�$设计应用嵌入式系统复位引脚，连接PA6引脚，工作时保持高电平。引脚GPIO 0外接一个按键，通过10 kΩ的电阻接3.3 V电压，用于工作模式选择，ESP8266有两种工作模式，当按键按下时，GPIO 0接地，此时为烧录模式，不按则为VCC，正常工作[5]。电路连接完成后，需将GPIO 0引脚悬空，通过串口调试助手发送AT指令，对ESP8266进行设置。发送AT+CIPMUX = 0设置为单路连接模式，再通过AT+CIPSTART =“TCP”，“IP”，port设置上报服务器，当设备运行后，会自动向服务器发起TCP连接请求，成功并建立连接后，服务器端即可获取客户端鉴权数据，并做好数据通信准备。无线通信采用ESP8266Wi-Fi通信模块。ESP8266是上海乐鑫信息科技设计的低功耗Wi-Fi芯片，集成完整的TCP/IP协议栈和MCU（微控制器），通过串口AT指令与单片机进行通讯，具有成本低、使用简便、功能强大等特点。ESP8266通信模块接口芯片共有8个引脚，其引脚功能如表1所示。表1 ESP8266Wi-Fi通信模块引脚功能介绍表序号12345引脚名称URXDUTXDGPIO

16GNDVCC引脚功能串行输入端，用于接收信号串行输出端，用于发送信号外部Reset信号，低电平复位地3.3

V电源外接按键，用于工作模式选择：①悬空：Flash

Boot，工作模式；②下拉：UART

Download，下载/烧录模式。芯片通断电控制。高电平时芯片工作；低电平时电源关掉。①开机上电时须保持为高电平，禁止硬件下拉；②该引脚内部默认已被拉高。3 系统软件设计如图5所示，底层检测设备通过互联网将数据传送到数据库，有两种通讯方式，一种是将下位机连接网关，然后与服务器实现连接，优点是直接与网关连接,操作简单，连接稳定，持续运营成本较低，但是存在网络布线成本，需要检测设备被网络覆盖。另一种方式为下位机通过物联网卡等通过移动网络直接与服务器相连接，这种方式的优点在于可以不需要进行网络布线，能够摆脱地理位置的限制，但成本高，且连接可能存在不稳定的情况。6GPIO

078CH_PDGPIO

2正常工作时该模块与单片机的接口电路如图4所示，VCC接3.3 V电源正极。UTXD和URXD引脚分别接单片机UART2口的PA2与PA3。其中UTXD为串行输出端，URXD是串行输入端，完成系统的串行通讯任务。当使用串口调试时把模块与下载器的TXD和RXD交叉连接,通过串口助手进行系统调试。引脚CH_PD为芯片通断电控制，因需频繁启动，连接10

K上拉电阻，方便进行供电。引脚GPIO16为RST外部图4 Wi-Fi通信引脚接线图38ELECTRONIC ENGINEERING & PRODUCT WORLD 2022.7

esign & Application设计应用电子产品世界综合考虑，我们采用下位机通过网关与服务器相连的连通性，同时便于数据库进行备份。另设一台物理服接的方式，数据通过网关连接到数据上报接口，从而连务器，将云服务器中的数据实时备份至本地，便于数据接到服务器，服务器分为数据处理服务器和数据存储服管理[7]。务器，数据处理服务器主要用来处理下位机上报的数据，在线服务器单台采用腾讯云8核16G云服务器，进行用户鉴权，同时判断是否需发出警告信息，并将数保证足够的数据吞吐能力，本地物理服务器采用E5-据上报至数据存储接口，最终保存至数据库中。2651V2，24核，128G，ECC内存，同时增设RAID（磁数据处理服务器对性能要求更高，因此采用一主一盘阵列）1保证数据可用性。副一备的设计，保证稳定运行，而数据库采用一主一备的设计，保证数据安全。最终，用户端通过APP或网页端，4 系统调试访问数据库中的数据。首先给整个系统通电，系统对各个模块初始化配置，下位机客户端通过ESP8266串口Wi-Fi模块，电源灯亮表示通电正常。接着看LED（发光二极管）屏连接至Wi-Fi，通过互联网上报至位于腾讯云的服务幕显示各数据是否精确，若显示精确，则开始测试通信器，云服务器获取数据后，通过用户登录的User_ID及模块是否能正常工作。access_token确定用户身份，将其上报的数据分析，将在安装好USB-TTL模块的驱动程序后，接通设备，数据存入数据库。通过设备管理器查看模块串口号，打开串口调试工具下位机XCOM，选择模块所对应的串口号，其中默认波特率为115200，数据-停止-校验-流控：8-1-None-None，路由器/网关勾选“发送新行”，点击“打开串口”按钮，然后发送AT指令，若串口打印乱码后看到“OK”，则说明模块数据上报接口此时进入AT模式。和某些需要按键进入AT指令模式备用主服务器的蓝牙模块不同，ESP8266上电后就自动运行在AT指服务器副服务器令模式下，极大简化了操作流程。数据存储接口数据库机组备用/备份数据库机组用户端图5 系统数据传输架构图

接口服务器组采用一主一副一备的设计，主、副服务器组位于同一区域，当主服务器出现超负载时，及时启用副服务器进行数据分流，倘若主副服务器所在区域遭遇网络障碍或其他故障，及时启用不同区域内的备用服务器，保证业务畅通。数据库采用单独的服务器来保证在接口服务器切换时的可靠性以及与其他组件（如用户面板，监测系统等） 图6 传感器检测结果对比图

(下转第86页) 2022.739

Design& Application电子产品世界�$设计应用电源次级输出波形在横向上的逻辑关系，二者高度统一，揭示“摘要”提到的“自激式开关电源核心本质”。（3）由表1可知，开关管截止时，漏-源极之间的电压与直流输入电压UI不是正比关系——这对于选MOS管的耐压等级至关重要。（4）由表1可知，占空比与直流输入电压UI也不是反比关系——这对于设计占空比D至关重要。有的开关电源只适用于AC110 V，有的只适用于AC220 V，还有的则全网通用，适应的电压范围宽。之所以出现这些状况，就是参数设计恰当，使得电源在AC220 V工作时D不会太小，转到AC110 V工作时D又不至于太大。参考文献：[1] 葛中海.开关电源实例电路测试分析与设计图书目录(第2版)[M].北京:电子工业出版社,2015:89-92.使开关管开启电压提前到来，充放电速度加快、振荡频率升高。如图4（AC110 V供电）和图6（AC220 V供电）所示，在负载同为100 Ω时，后者的工作频率明显高于前者。5 结语U（1）公式UDS=UI×1+2(+)的物理意义与是U2(−)1UDS=UI×统一的，连接二者的纽带：一、是变压1−D器的匝比等于电压之比（即公式1）；二、是自激式开关电源的“伏·秒”平衡原则（即公式（6）。（2）公式D=U2(+)U2(−)+U2(+)×100%，代表自激式开关电源次级输出波形在纵向上的逻辑关系，公式：=DtONtON=×100%，代表自激式开关电源TtON+tOFF(上接第39页)行比对分析，从而有针对性的对蒜田进行施肥指导。用户可通过登录网址实时查看土壤各项参数指标，实现对蒜田蒜苗生长状况的随时监测，让每块蒜田都能得到专业的守护，摆脱农业专家传统线下指导带来的局限，实现真正的高效现代农业。参考文献：[1] 赵丹丹,李红.基于STM32的远程厨房安全系统设计[J].电子产品世界,2021,28(11):74-76.[2] 李学亮.基于WSN的土壤环境质量智能监测研究[D].南京:南京林业大学,2013.[3] 程丽平,谢清勇,孙茜,等,一种智能土壤检测用土壤快速筛分设备[P].国家实用新型专利,第14221817号.[4] 李得至,邓鹏,唐文涛,等.基于云平台的智能实验室远程监控系统[J].机电工程技术,2021,50(3):132-134.[5] 张彬露.农业专家系统概述与优化研究[J].农村经济与科技,2020,

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本文标签： 系统土壤服务器数据模块