基于Air724UG的遠(yuǎn)程土壤參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)

鐘佳薈，王奧陽，岳心想，孟佳琦

(新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)，新疆烏魯木齊 830000)

1 引言

隨著中國經(jīng)濟(jì)和科技水平的快速發(fā)展，人們不斷深入發(fā)展互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)，逐漸進(jìn)入當(dāng)今社會(huì)的大眾視野中。作為國家“十二五”規(guī)劃中新興戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)——泛在網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)業(yè)進(jìn)行大力支持和培養(yǎng)，人們不僅進(jìn)行人與物之間的誘導(dǎo)和通信，還進(jìn)行了物體與物體之間的自主交流、控制、合作。太陽能智能土壤濕度監(jiān)測系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感器技術(shù)、無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)與自動(dòng)化相結(jié)合、互補(bǔ)的科技產(chǎn)品。土壤墑情是用于長期耕作形成的土壤表層中含水量多少的數(shù)據(jù)信息，它是非常重要的土壤參數(shù)，因此在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，利用土壤水分監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測土壤水分狀況十分具有意義。水是生物營養(yǎng)元素的良好溶劑，幫助生命體驗(yàn)輸營養(yǎng)物質(zhì)參與新陳代謝等,農(nóng)作物的生長離不開水。土壤墑情監(jiān)測系統(tǒng)自動(dòng)監(jiān)測土壤墑情情況，通過準(zhǔn)確及時(shí)有效的數(shù)據(jù)積累和分析，不僅有助于做好農(nóng)業(yè)干旱防范工作，指導(dǎo)科學(xué)的灌溉生產(chǎn)，而且能夠在本研究中利用無線遠(yuǎn)程傳輸技術(shù)將使用Air724UG收集的多種土壤信息數(shù)據(jù)有效地傳輸?shù)奖O(jiān)控中心，進(jìn)一步健全土壤墑情監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)。

2 檢測系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

太陽能土壤濕度監(jiān)測站主要利用太陽能面板完成太陽能采集工作，利用特定半導(dǎo)體器件將太陽能轉(zhuǎn)換成電能。將土壤濕度傳感器采集土壤濕度數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)換成電信號，再從模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號[1]，輸入485 總線。微控制器負(fù)責(zé)原土壤數(shù)據(jù)的校正處理、通信聯(lián)絡(luò)當(dāng)數(shù)據(jù)整合完成之后，微控制器在處理封裝數(shù)據(jù)后通過GPRS模塊將其發(fā)送給預(yù)先輸入數(shù)據(jù)中心的固定IP地址[2]，網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器的數(shù)據(jù)中心軟件通過協(xié)議與各區(qū)域模塊搭建連接，接收遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)并存儲(chǔ)在本地?cái)?shù)據(jù)庫中，并且發(fā)送給客戶端,客戶端軟件系統(tǒng)通過TCP 協(xié)議連接訪問服務(wù)器，從服務(wù)器端接收數(shù)據(jù)信息，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)解析/處理分組，顯示每個(gè)測量點(diǎn)的環(huán)境信息，將最終解析的數(shù)據(jù)信息存儲(chǔ)在本地?cái)?shù)據(jù)庫中[3]。系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)原理

本系統(tǒng)的目的是將土壤環(huán)境的溫度、濕度等數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳到監(jiān)測中心，通過有效的數(shù)據(jù)接口分析土壤參數(shù)信息，分析目前農(nóng)田的土壤濕度狀況保證及時(shí)采取應(yīng)對措施。本次系統(tǒng)的硬件結(jié)果分為微控制器處理模塊、土壤參數(shù)采集模塊、系統(tǒng)供電模塊幾個(gè)模塊這樣容易具體明確地開發(fā)分割模塊。

3 硬件設(shè)計(jì)

硬件設(shè)計(jì)主要包括由三部分組成，微控制器處理模塊、土壤參數(shù)采集模塊、系統(tǒng)供電模塊。

3.1 微控制器處理模塊

主控制芯片是整個(gè)系統(tǒng)的核心，是保障系統(tǒng)正常運(yùn)行的心臟，其主要作用是：采集各傳感器數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)分析和文件存儲(chǔ)。本系統(tǒng)采用Air724UG模塊。Air724 是上海合宙物聯(lián)網(wǎng)公司發(fā)布的一款基于UIS8910DM芯片組的物聯(lián)網(wǎng)通訊模塊，模塊通訊性能優(yōu)越，支持的數(shù)據(jù)傳輸速率在10Mbqs～5Mbps之間，具有全功能音頻輸入輸出接口，LCD 接口，Camera 接口，內(nèi)存卡接口，矩陣鍵盤接口，ADC接口，其外設(shè)齊全，功能齊全，是替代2G物聯(lián)網(wǎng)模塊的理想產(chǎn)品。

該模塊內(nèi)置了大量的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，TCP/MQTT/FTP/HTTPS 等協(xié)議。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。串口的連接方式較為靈活。Air724UG_Air723UG模塊功能框圖為圖2所示。

圖2 Air724UG_Air723UG模塊功能框圖

3.2 土壤參數(shù)采集模塊

土壤濕度監(jiān)測是基于介電常數(shù)原理的傳感器。系統(tǒng)終端需要在防水、防潮、穩(wěn)定性好的地面上配置溫度觀測點(diǎn)，地下土壤每隔10cm 配置土壤參數(shù)采集模塊，對不同深度的土壤水分含量和溫度參數(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測，該檢測器至少可以檢測3種不同深度的土壤溫濕度狀態(tài)，而且最多可以檢測5種深度不同的土壤的各種參數(shù)。傾斜角設(shè)備可以監(jiān)測土壤的傾斜角度確定土壤和設(shè)備的狀態(tài)，能夠快速和全面了解土壤濕度信息，然后就可以提前制定預(yù)防方案和解決方案，盡量最少地影響到農(nóng)作物的生長，該產(chǎn)品采用標(biāo)準(zhǔn)Modbus-TOU485通信，最遠(yuǎn)可傳遞2000米，支持二次開發(fā)，該產(chǎn)品外殼采用了PVC塑料管，可以很好地穿透接近1GHz 的高頻探測波，能夠很好地消除土壤中鹽離子對設(shè)備的影響，也可以不受化肥、農(nóng)藥、灌注的影響，產(chǎn)品采用的傾斜角傳感器的測量角度準(zhǔn)確穩(wěn)定。

安裝方法：第一步：使用土鉆在合適的位置開洞

將鉆頭垂直于地面，兩手握著方向盤順時(shí)針慢慢轉(zhuǎn)動(dòng)從孔中取出取土鉆頭，放入桶中，將土鉆頭中的土收集到桶中，使用以下步驟和漿料重復(fù)上述打孔、挖土，在這個(gè)過程中將傳感器輕輕地放入孔中(請勿用力接觸底部設(shè)備)，測試孔的深度是否合適。如果有卡紙的話，用鉆頭修正，保證傳感器的放入和取出順暢打開孔完成，直到孔的深度與傳感器所示的安裝位置平坦為止；

第二步：泥巴挖出土壤中的雜質(zhì)、石頭、草根、難以溶解的泥土等，仔細(xì)擦拭土壤，與泥土混合注入適量的水，充分?jǐn)嚢璩绅こ頎睿?/p>

圖3 土壤濕度檢測管

第三步：安裝漿料慢慢地將漿糊注入孔中，到達(dá)孔1/2的位置慢慢地將傳感器放入孔中，向一個(gè)方向緩慢旋轉(zhuǎn)并向下壓，速度過快的話，氣泡可能無法完全排出。步驟4：安裝完成將設(shè)備連接到電源線和485 通信線，打開電源后，設(shè)備會(huì)發(fā)出聲音啟動(dòng)機(jī)器，正常工作推薦在恢復(fù)正常狀態(tài)后進(jìn)行正常動(dòng)作。

3.3 系統(tǒng)供電模塊

有太陽光的時(shí)候，太陽能電池板會(huì)給鋰電池充電，向系統(tǒng)供電鋰電池所積蓄的能量可以在夜間和雨天向系統(tǒng)供電。選擇型號為955465鋁聚合物大容量電池，電池容量為5000mAh，使用功率2W的單晶硅太陽能電池板作為太陽能電池板。除此之外，太陽能電池控制器可以有效控制太陽能電池板向鋰電池的充放。

4 軟件設(shè)計(jì)

4.1 無線通信協(xié)議模塊

MQTT(Message Queuing Telemetry Transport,消息隊(duì)列遙測傳輸協(xié)議)是由IBM 在1999 年發(fā)布的一個(gè)基于Publish/Subscribe(發(fā)布訂閱)模式的物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議，MQTT 的優(yōu)點(diǎn)在于具有開放的消息協(xié)議，簡單容易實(shí)現(xiàn)，基于TCP/IP 網(wǎng)絡(luò)連接將建立客戶端到服務(wù)器的連接,提供兩者之間的一個(gè)有序，無損，雙向連接，對負(fù)載(協(xié)議攜帶的應(yīng)用數(shù)據(jù))內(nèi)容屏蔽的消息基于字節(jié)流的雙向傳輸[4]。MQTT客戶端可以發(fā)布其他客戶端可能會(huì)訂閱的信息，因?yàn)镸QTT 具有這么多優(yōu)點(diǎn)，使其在物聯(lián)網(wǎng)鄰域具有廣泛的應(yīng)用，例如：物聯(lián)網(wǎng)M2M通信，物聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)采集；Android 消息推送，WEB 消息推送；車聯(lián)網(wǎng)通信，電動(dòng)車站樁采集；智慧城市、遠(yuǎn)程醫(yī)療、遠(yuǎn)程教育等，并且該協(xié)議還支持所有的平臺(tái)。使MQTT 在物聯(lián)網(wǎng)鄰域和各種小型設(shè)備之間具有很廣泛的使用。可以把聯(lián)網(wǎng)的物品和其他東西聯(lián)系起來，真正做到了萬物互聯(lián)。

本系統(tǒng)主要選取RS-485串行總線標(biāo)準(zhǔn)，RS-485方式組成的多極通信系統(tǒng)采用主機(jī)控制從機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)或命令且只能由主機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)信息，從機(jī)之間不可相互交換數(shù)據(jù)信息或者通信。RS-485 多級通訊中一次完整的通信過程分為主機(jī)詢問、從機(jī)應(yīng)答和鏈路釋放這三個(gè)階段[5]。在第一階段，目標(biāo)從機(jī)接收到主機(jī)發(fā)送的命令和數(shù)據(jù)；在第二階段，主機(jī)接收到從機(jī)解釋的命令碼；在第三階段，從機(jī)清除接收緩沖區(qū)及相關(guān)變量，準(zhǔn)備與主機(jī)下次通信[6]。

MODBU 協(xié)議已經(jīng)成為通用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，通過協(xié)議實(shí)現(xiàn)了控制器與控制器、控制器通過網(wǎng)絡(luò)與其他設(shè)備之間串行通信。由于485 并不具備沖突檢測的硬件機(jī)制，所以它必須遵從MODBUS協(xié)議中一個(gè)主機(jī)和多個(gè)從機(jī)的模式，完美解決了數(shù)據(jù)沖突的危機(jī)。其次，從機(jī)的地址是其唯一標(biāo)識(shí)，當(dāng)主機(jī)想找某一臺(tái)從機(jī)需要發(fā)送RTU 數(shù)據(jù)格式的信息，向其發(fā)送數(shù)據(jù)包時(shí)，每一個(gè)從機(jī)設(shè)備都要執(zhí)行主機(jī)要求的動(dòng)作，為了避免RS485通訊線的數(shù)據(jù)混亂，所有從機(jī)在主機(jī)發(fā)地址時(shí)不予數(shù)據(jù)包答應(yīng)。因此MODBUS協(xié)議保障了數(shù)據(jù)的有效傳輸。

4.2 485參數(shù)配置軟件

圖4 參數(shù)設(shè)置

軟件系統(tǒng)的配置和設(shè)計(jì)軟件部分主要包括服務(wù)器側(cè)的數(shù)據(jù)中心軟件、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)和遠(yuǎn)程客戶端的數(shù)據(jù)處理軟件。

5 總結(jié)

在太陽能供電的條件下，土壤墑情傳感器采集到的土壤數(shù)據(jù)信息通過遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸?shù)椒?wù)器端，客戶能夠?qū)崟r(shí)有效地查看到最真實(shí)的監(jiān)控區(qū)域土壤溫濕度情況和變化，現(xiàn)代農(nóng)業(yè)要想有較大較快的發(fā)展，土壤墑情監(jiān)測系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測土壤的濕度情況，提高監(jiān)測效率。而且在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)規(guī)?；l(fā)展的過程中，生產(chǎn)方式和模式都在發(fā)生轉(zhuǎn)變，檢測儀器的應(yīng)用是提高農(nóng)業(yè)效率和效益的重要途徑，因此可以說該儀器是中國農(nóng)業(yè)發(fā)展的迫切需要，具有非常廣闊的應(yīng)用前景。