基于LabVIEW和GPRS的远程土壤参数监测系统

曾 凯，朱 城，朱泽德，苏 宇，苏亚辉

ZENG Kai, ZHU Cheng, ZHU Ze-de, SU Yu, SU Ya-hui

（安徽大学 电气工程与自动化学院，合肥 230000）

0 引言

近年来，国家对农业的发展越来越重视，如何让农业生产结合现代化科学技术是农业大力发展的动力所在，而想要大力发展农业前提是善用土壤资源，通过改善土壤有效参数，优化作物生长环境，提高经济效益。目前，国内农作物绝大部分生长在户外，传统的有线监测不适合复杂的山地，并且监测中心无法实时监测土壤参数信息，监测界面也不够直观，数据变化趋势难以观测，无法指导农户高效种植农作物[1～3]。本文运用GPRS无线远距离传输技术，将远程采集到的农作物土壤参数信息及时有效地传送回监测中心。运用LabVIEW前面板的人机界面优势，使用本系统的工作人员可以查看到作物的土壤参数走势，通过对数据库有效数据进行分析，可以提前备好应对补救方案来减少损失。

1 系统总体设计

本系统设计的目的是将远程户外农作物土壤环境的温度、湿度、电导率及PH等参数及时回传到上位机监测中心，观看上位机数据波形图界面分析土壤参数信息，及时预备补救方案，实时监控土壤环境异常情况并实时报警指示。根据系统要求，系统的硬件结构可以划分为几个模块，这样开发起来更加具体明确，系统硬件设计图如图1所示。该系统硬件设计主要由下面几部分组成：微控制器处理模块、土壤参数采集模块、远距离无线传输模块、系统供电模块。实际运用过程是STM32微控制器将采集到的土壤数据通过GPRS无线传输到上位机监测中心，最后上位机监测中心根据数据进行处理、存储、报警以及显示等功能[4]。

图1 系统硬件图

2 硬件部分设计

2.1 微控制器处理模块

本文的微控制器选用的是意法半导体（ST）公司基于Cortex-M3为内核的32位系列的单片机STM32F103RCT6[5]。STM32微控制器内部拥有若干个总线接口，工作频率为72MHZ,板载外设比51单片机丰富的多，支持ADC，SPI，UART、I2C等外设模块，STM32F103RCT6可以通过各通道的A/D转换来获得我们传感器采集到土壤参数信息，凭借其处理速度快，低功耗、性能稳定以及性价比高等优点，完全可以满足本次设计的要求。

2.2 土壤参数采集模块

根据农作物信息采集的需求，选择HSTL-102TRDD土壤三合一传感器检测土壤湿度，温度，电导率，该传感器有别于传统传感器单一测量的模式，将三种土壤传感器直接何为一体来测量相应土壤数据，解决了携带困难，单个传感器造价成本高的问题；选择YJ-SPH100土壤pH值传感器来检测土壤PH值，此传感器相比传统土壤PH传感器成本造价高，集成复杂，实时性差，携带不方便的问题，YJ-SPH100土壤PH传感器完全的克服了相应问题，真正起到了土壤PH实时在线监测的功能。以上两个模块都是模拟输出，STM32自带3个ADC控制器，一共支持23个通道，把ADC设置成连续转换模式，待数据采集并处理完成将数据通过DMA控制器传送到存储器中。

2.3 远距离无线传输模块

远距离无线传输模块采用安信可公司的A6 GPRS芯片，工作电压3.5V～4.2V，内置TCP/IP协议，可以通过设置AT指令实现数据传输任务[6]。A6 GPRS模块带有42个引脚，模块本身带有电源、串口通信、SIM卡等接口方便与MCU进行数据通信，图2为A6 GPRS无线通信模块硬件电路图。

2.4 系统供电模块

由于农作物一般都生长在户外，很难直接接入家庭用电直接供电，故本系统供电选择使用太阳能电池板给锂电池充电的方式给系统供电。太阳能电池板选择单晶硅太阳能面板，功率为20W，大容量锂聚合物电池型号为DC1298A，电池容量9800mAh，选择太阳能控制器WP30D，额定电流30A，系统电压12V/24V，此控制器可有效控制太阳能电池板给锂电池充放电。由于MCU工作电压为3.3V，锂电池为DC12V，因此需要降压处理，选择LM2596降压芯片将12V转换为5V，这里5V可作为土壤三合一传感器的输入电压，然后再选择低压差的线性稳压器AMS1117将5V转换为3.3V给MCU供电使用，具体系统降压电路图如图3所示。

图2 A6 GPRS无线通信硬件电路图

3 系统软件设计

明确了软件设计的目标，针对不同功能区采用模块化设计，系统软件可以分为两大模块：1）下位机程序开发模块，可具体划分为两个部分：（1）微处理器控制模块开发，针对该系列微处理器设计程序包括：系统初始化、ADC初始化、GPRS初始化；（2）第二部分为GPRS模块程序开发，主要是A6 GPRS模块初始化，建立GPRS连接，发送数据等程序开发。2）上位机开发模块，通过LabVIEW提供的TCP协议工具包，创建TCP通信同GPRS模块进行通信，开发数据导入数据库的程序框图软件，可供管理者查看存储数据。最终将各个模块整合调试，提高系统软件设计的稳定性。

3.1 下位机软件设计

下位机软件设计主要由两部分组成，分别是数据采集及处理模块和GPRS无线传输模块，图4为下位机软件设计流程图。

图3 系统降压电路图

图4 下位机软件设计流程图

3.1.1 数据采集及处理模块

HSTL-102TRDD土壤三合一传感器输入电压为5～24V，输出电压为0～5V，采集完模拟信号后，还要对信号进行数据转换，根据HSTL-102TRDD数据手册提供的换算公式可得到相应的土壤实际参数信息，具体公式如下：

θv：土壤容积含水量；℃：土壤温度；θE：土壤电导率，单位uS/cm；V：采集器采集到的电压值，单位：V。

YJ-SPH100土壤PH传感器测量的工作原理是将原电池系统的化学能转化为电能，测量范围：0～14pH，供电方式：DC12V，输出电压为0～5V，采集完模拟电压后，对数据进行处理，具体换算公式如下，

其中D为测量PH值，0.00≤D≤14.00，V为输出电压（V）。

理论上数据采集及处理已完成，但STM32数据采集的参考电压为3.3V，而输出信号最大为5V，因此要进行分压处理，分压公式如下：

这里R1=R2，土壤三合一传感器和土壤PH传感器输出电压为0～5V，分压处理都输出0～2.5V，然后再将上面数值转换公式乘以2可得土壤实际参数。

3.1.2 GPRS无线传输模块

GPRS模块与STM32数据通信是通过片上的串口2实现，所以A6 GPRS上U_RXD和U_TXD接口需要通过SP3232电平芯片连接到单片机PA2（RXD2）和PA3（TXD2）。串口通信初始化完成后，下一步是GPRS初始化设置，通过软件对模块的IP地址与端口信息进行输入，利用TCP/IP协议建立数据连接。无线通信的操作主要由GPRS网络登录，发送数据并维持网络连接，数据传输读操作和写操作，GPRS无线传输模块流程图如图5所示。

图5 GPRS无线传输模块流程图

3.2 基于LabVIEW上位机程序开发

我们平常所用的诸如C语言、VB语言以及JAVA语言等都属于文本编程语言，文本编程语言在不同的应用领域具有不同的使用方法，但其本质基本相同都是使用字母来进行编程。文本编程语言是一种抽象的编程语言，其优点体现在编程效率高，通过简短的语句即可实现复杂的操作，缺点主要体现在语言的学习上，需要记忆大量的关键字和函数名[7]。LabVIEW程序设计语言使用的图形化编辑语言，产生的程序代码是程序框图形式，上手较容易，通过短暂的基础知识学习，就可以进行软件设计开发工作，大大缩短程序开发周期，并且LabVIEW所生成的代码不用进行任何修改就可运行在不同的操作系统上，程序可移植性好。

3.2.1 上位机界面开发

LabVIEW2011前面板将GPRS传送打包的数据依次转换为波形图表，可以实时在线直观监测土壤温度，湿度，电导率，PH值等参数，然后将土壤参数实时值，上限值，下限值，报警灯依次展示出来，上位机监测界面如图6所示。运用LabVIEW前面板监测土壤参数，使得数据简洁明了，界面较为友好，符合人体审美习惯。

图6 监测中心上位机界面

3.2.2 上位机程序开发

基于LabVIEW开发上位机监测中心程序通过建立服务器，与下位机客户端互连，实现数据通信功能，之后对数据进行处理实现前面板监测中心展示、报警显示以及数据存储功能，上位机监测中心程序框图如图7所示。首先设置LabVIEW函数面板中的TCP面板建立侦听端口，TCP连接有两个端点，为了指明一个端点，TCP用主机的IP地址加上主机的端口号作为TCP连接的端点，由于上位机监测中心的IP是动态的，使用花生壳“动态域名解析+动态IP”的方式起到静态IP的作用[8]，下位机客户端发送连接请求，上位机侦听到对应端口建立TCP连接，下位机开始发送土壤参数到上位机监测中心，然后通过扫描字符串子VI将上传的字符串进行处理得到相应土壤参数，添加报警显示程序和数据导入表格程序实现报警显示和数据存储功能，土壤电子表格数据如图8所示。

图7 上位机监测中心程序框图

图8 土壤实时数据

4 结语

本文利用土壤传感器采集及处理模块、A6 GPRS数据通信模块以及上位机监测中心模块组建了基于LabVIEW和GPRS的远程土壤参数监测系统成功实现了土壤温度、湿度、电导率和PH等有效土壤数据的远程传输，并通过LabVIEW实时无线监控，报警显示以及数据存储等功能。经多次实践可得，该系统集功耗低、携带方便、造价成本低、实时性好，抗干扰性强以及人机交互界面友善等优点，具有广泛的市场应用价值。