稻田水分监测无线传感器设计

陈耀宝 胡均万 陈江丽 莫月玲 廖伟成 周 莹

（梧州学院电子与信息工程学院，广西 梧州 543000）

0 引言

稻田是中国常见的一种农田类型，传统的水稻种植方式对水分要求较高。稻田水分信息的可靠感知、大范围实时获取、智慧化管理是实现现代精准农业的关键，对提高水分的利用率、节约水资源、实现水稻生产的高产优质具有重要意义［1］。常用的土壤水分检测法有时域反射法（TDR）、频域反射法（FDR），但这些方法使用的仪器生产成本较高，不适合大规模使用。本研究基于STM32 微控制器和LoRa 无线通信技术，设计出一种用于监测稻田水分的无线传感器。该传感器能取代传统的人工监测方式，能对稻田水分情况进行实时监测，能准确识别出稻田水位、土壤水分，可用于监测水稻早期生长阶段的水分供应和中后期土壤中的水分情况。

1 硬件设计

稻田水分监测无线传感器整体结构如图1 所示。稻田水分监测无线传感器的硬件部分以STM32F103C8T6 微控制器为核心，包括水位识别传感器、土壤水分传感器、电源模块和LoRa 无线通信模块。

图1 稻田水分监测无线传感器整体结构

1.1 主控芯片

以ST 意法半导体公司生产的STM32F103C8T6为主控芯片。该芯片包含32 位高密度性能线路微控制器单元、3个12位A/D转换器、4个通用16位计时器和USART 通信接口（用于与其他设备进行串行通信）、通用定时器（TIM）或实时时钟（RTC）（实现闹钟定时唤醒功能）。其中，GPIO 用于连接外部设备和传感器的数字输入输出引脚。

1.2 LoRa无线通信模块

在对监测数据进行传输时，使用远距离无线传输技术（LoRa）进行无线通信，该技术是由Semtech公司创建的低功耗局域网无线标准。LoRa 通信模块具有低功耗、长距离传输、强穿透能力等优点，是农田水分传感器监测的理想选择，能实现高效的数据传输，有助于提高农田水资源的利用率［2］。本研究设计的传感器与LoRa 模块采用一主多从的连接方式，将从机采集到的数据打包发送给主机，主机再发送给用户。

1.3 水位识别传感器

水位识别电路原理如图2 所示。水位识别传感器采用耐腐蚀的双电极结构，电极一端与一个高精度电阻测量电路相连，另一端则接地，采用NPN三极管来检测电阻值发生的微小变化。当电极与水未发生接触时，此时的电路电阻较高；当水与双电极表面发生接触时，双电极之间的电阻会迅速降低。水位越高，放大器输出端的电压就越高，即通过电压的高低可反映出水位变化情况。

图2 水位识别电路原理

1.4 土壤水分传感器

由于土壤相对介电常数受含水量影响，因此，可将稻田土壤被测物当作电容器的极间介质。对电容器容值的测量相当于对土壤水分含量的测量，使用电容法测量土壤水分的方法可分为高频和低频两种，高频电容法测量的频率通常在数十兆赫兹，甚至数吉赫兹［3］。高频电容法通过提高测量频率来减小土壤盐分、孔隙等因素产生的影响，但目前测量精度较高的高频传感器的价格偏高，多用于实验室研究中［4］。低频电容法测量土壤水分的方法具有成本低、抗干扰强等优点。故本研究设计的传感器采用普通低频电容法，能有效降低成本。在低频电容法中，提供测量频率的文氏桥电路如图3所示，其可提供稳定的正弦波信号，可作为电容测量电路的输入信号［5］。在图3 中，R3、C1、R4、C2 构成RC串并联选频网络。测电容电路如图4 所示。文氏桥电路产生的输入信号（IN）会先经过运放U1.2，起到隔离器和信号增益的作用，确保文氏桥电路能正常工作。经过放大的信号在通过土壤时，信号发生衰减，与含水量成反比。为保证测量结果准确，衰减信号要再经过一个运放U2.1进行隔离和放大。为了去除干扰信号，使用运放U2.2和R13来组成滤波器。该滤波器能隔离干扰信号，从而保证结果真实有效。滤波后的信号的变化能反映出被测土壤水分的变化。通过整流、稳压和过压保护的处理，即可将能反映土壤水分变化的输出信号(OUT)上传至单片机。

图3 文氏桥电路

图4 测电容电路

1.5 电源模块

太阳能作为可再生能源，具有环保和可持续性的特点。为避免太阳能板受天气等因素的影响，导致输出功率不稳定，同时，为降低高电压和过充的风险，可使用MPPT 模块。MPPT 模块集成了最大功率点追踪技术［6］，能充分发挥太阳能板的输出能力。

2 软件设计

2.1 系统设计

系统设计流程如图5 所示。在待机模式下唤醒系统，对串口USART、数模转换ADC、RTC 闹钟、控制测土壤水分、测水位引脚及LoRa 模块工作状态控制引脚进行初始化，随后执行ADC 采集程序，每隔10 ms 采集一次，连续采集10 s。采集完成后，对采集到的信息进行数据滤波，从而确保数据的准确性和可靠性。接着，判断当前是主机还是从机，若是主机，则等待所有节点的数据发送完毕后，再通过LoRa 模块将数据传输至上位机，传输完成后进入待机模式；若是从机，在发送完成数据后，直接进入待机模式。

图5 系统设计流程

2.2 闹钟定时程序设计

RTC 闹钟程序流程如图6 所示。由STM32 闹钟定时或用户上位机来唤醒传感器，可通过USART 来设置唤醒条件。上位机可通过发送数据从外部先唤醒主机，再唤醒从机，从而修改从机唤醒时间。

图6 RTC闹钟程序流程

3 传感器数据测试

3.1 土壤水分测试

为确保试验数据的准确性，测试使用烘干后的稻田土壤及稻田水。试验时，先称量干土重和水重，并进行调配，如将100 g 干稻田土壤和50 g 稻田水进行混合均匀调配，调配的土壤质量湿度为50%。对不同湿度的土壤进行测量（土壤湿度为0%～100%），测量输出端（OUT）的电压。不同湿度稻田土壤与输出电压关系如图7 所示。试验结果表明，稻田土壤的含水量与输出电压大致呈线性关系。

图7 不同湿度稻田土壤与输出电压关系

3.2 水位识别测试

不同水位识别测试结果见表1。随着水位电极浸入水深的增加，传感器输出电压也逐渐升高（0.03～4.50 V），表明所用的水位识别传感器对水位变化敏感，具有良好的线性关系。试验结果表明，该传感器在水位测量中具有较高的可靠性和准确性，但当水深超过8 cm 后，输出电压变化相对较小，表明在大水深下传感器的测量精度受到限制。

表1 不同水位识别测试结果

3.3 LoRa无线通信

试验结果表明，利用4 个LoRa 模块成功构建4个LoRa 节点网络，在稻田环境测试过程中，节点之间的数据传输率在95%以上，但信号强度会随距离增加而下降，导致延迟增加。4个LoRa节点网络适用于中心节点与多个外围节点通信的场景，但需要进一步增强信号强度，才能解决信号的延迟问题。

4 结论

本研究介绍了稻田水分监测无线传感器的硬件设计与软件设计过程，并对无线传感器的水位识别模块、土壤水分检测模块、LoRa 无线通信模块、电源模块、定时唤醒模块进行测试验证，表明稻田水分监测无线传感器的有效性。试验测试结果表明，稻田水分监测无线传感器能实现对水位的识别与土壤水分的监测，通过LoRa 无线通信技术将监测到的稻田水分信息将数据传输至用户端，并对异常数据信息发出警报。