冬小麦生产土壤墒情与环境信息多参数监测站设计与实现

0 引 言

我国是农业生产大国，也是粮食消费大国，粮食安全问题始终是关系我国国民经济发展、社会稳定与国家自立的全局性重大战略问题 [1-2]。小麦是我国重要的粮食作物之一， 在我国粮食总产量中占据较高比重。小麦生产过程中，化肥、农药的滥用，水资源不足，气候环境的波动，耕地面积的减少等都会对小麦生产产生不利影响 [3-7]。为促进小麦生产的可持续发展，利用物联网等现代技术手段，对小麦生产过程中的土壤墒情、环境信息进行实时监测，及时了解小麦生产环境现状与变化趋势，并对小麦生产管理策略进行调整，促进小麦生产供给侧改革与转型升级 [8-10]。

为此，本文研发大田物联网测控平台，实现数据查询、展示、管理与分析等功能，其中冬小麦生产土壤墒情与环境信息多参数监测站为大田物联网测控平台提供数据来源。

1 总体架构

冬小麦生产土壤墒情与环境信息监测站主要由主控模块、RS 485 数据采集模块、以太网通信模块、电源模块四部分组成，以完成冬小麦生产现场对风速、风向、雨量、空气温湿度、土壤水分等参数的采集与传输。主控模块（STM32） 是整个系统的核心，实现对系统的总体控制。RS 485 数据采集模块实现多种数据的采集、传输。以太网通信模块实现多参数监测站与平台（大田物联网测控平台）的双向通信。电源模块为各个模块供电，以满足系统对电源的需求。土壤墒情与环境信息监测站结构如图 1 所示。

2 硬件设计

2.1 主控模块

主控模块选用高性能、低成本、低功耗的 STM32F103 单片机。STM32F103 单片机基于 ARMv7 架构的 Cortex-M3 内核，外设丰富，功耗较低，且具有丰富的技术文档，方便开发的同时也能满足系统需求。多参数监测站主控模块电路主要涉及 STM32F103 最小系统电路及其 SPI 通信、串口通信功能。主控模块电路如图 2 所示。

2.2 RS 485数据采集模块设计

RS 485 接口以良好的抗干扰能力、传输速率高、传输距离远等优势得到了广泛应用，多参数监测站中各个传感器通过 RS 485 接口与主控模块相连，以获取数据信息。STM32F103 单片机中无 RS 485 通信功能，因此设计如图 3 所示电路，以实现 RS 485 通信功能。

2.3 以太网通信模块设计

以太网通信模块采用 W5500 以太网控制器进行设计。W5500 集成有 TCP/IP 协议栈、10/100 Mbit/s 以太网数据链路层、物理层，用户仅需实现上层应用即可。W5500 通过SPI 接口与 STM32 通信， 支持高达 80 MHz 的速率， 通过HR911105A 集成网络变压器 RJ 45 接头与以太网连接，实现网络通信功能。以太网通信模块电路组成如图 4 所示。

2.4 电源模块设计

多参数监测站内部使用 5 V，3.3 V 两种电压类型。系统中 STM32 主控模块及 W5500 以太网通信模块为 3.3 V 供电， RS 485 数据采集模块为 5 V 供电。为满足系统对电源的需求， 系统采用 MC34063AD 降压开关型集成稳压电路将 24 V 直流电源调整至 5 V，并通过 REG1117 降压到 3.3 V。电源模块电路如图 5 所示。

3 软件设计

系统软件包括主控单元与传感器两部分。主控单元采用主动轮询的方式获取传感器数据，并将获取到的数据重新组包， 通过以太网通信模块将数据发送至云平台（大田物联网测控平台）。传感器部分主要接收并解析主控单元发送的数据上传指令，按照一定的协议组数据包并发送数据。

系统通电后主控单元首先进行系统初始化（主要完成系统相关的初始化以及 RS 485，W5500 通信相关的硬件初始化），初始化完成后系统开启定时器中断。定时器中断的目的是在系统休眠一定时间后轮询各传感器以获取相应数据。定时器中断溢出后，主控单元进入中断处理程序。在中断处理程序中，主控单元分别向各传感器发送读数据指令， 传感器接收到指令后按照 Modbus 协议对数据进行组包，并通过 RS 485 传输至主控单元，主控单元接收到数据后按照Modbus 协议解析数据并按照云平台（大田物联网平台）通信协议组包，通过 W5500 上传数据。系统软件设计流程如图 6 所示。

4 实验情况

为测试土壤墒情与环境信息多参数监测站工作稳定性，将设备安装在德州市德农种业小麦基地进行测试，安装现场如图 7 所示。通过监测站采集多种参数（风速、风向、雨量、空气温湿度、土壤水分等），并通过以太网传输至本文开发的大田物联网测控平台中，通过大田物联网测控平台查看、分析数据。

设备部署完成并通电，系统开始运行，在大田物联网测控平台（手机 APP）中查看采集数据及视频信息，手机 APP数据视频监测图如图 8 所示，各监测数据均可正常采集与上传。为测试多参数监测站工作稳定性，待其长时间工作后在平台中查看其采集数据的连续性，并查看有无异常数据。图 9所示为监测站运行两周采集数据的走势图。由图 9 可知，每天均有数据上传且数据走势平缓，系统工作较为稳定。

实验结果表明，本文设计的土壤墒情与环境信息多参数采集监测站可实时采集风速、风向、雨量、空气温湿度、土壤水分等多种参数，并将其上传至大田物联网测控平台，实现与平台的无缝对接，设备可进行长时间的数据采集上传，稳定性高。

5 结 语

为了促进小麦生产的可持续发展，利用物联网等现代技术手段对小麦生产过程中土壤墒情、环境信息进行实时监测，结合自主研发的大田物联网测控平台，本文研究设计了一种基于 STM32 的土壤墒情与环境信息多参数监测站。实验结果表明，该监测站可实现多种参数的采集、上传工作，可与大田物联网测控平台无缝对接，且稳定性高。