CN113465662A - 一种土壤温湿度及电导率检测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种土壤温湿度及电导率检测系统，包括主机装置、从机装置、上位机，从机装置用于采集各布点处的温湿度及电导率信息，主机装置用于将接收的从机装置采集的信息传递至上位机，主机装置通过mesh组网方式和从机装置进行通讯。本发明能够减少人工手动采集土壤温湿度及电导率数据；满足多个监测点跨距离定时向主机发送数据，并可实现无线传输数据至阿里云云端进行数据存储管理；上位机接收到数据之后，能很好地得到各个监测点的数据，从而方便后续精确调控的实施，同时具有数据实时显示，设备安装方便、易于维护等特点；具有使用方便、适用范围广，可拓展性好等特点。
Description
技术领域
本发明涉及一种土壤温湿度及电导率检测系统，属于土壤温湿度及电导率检测的技术领域。
背景技术
随着世界各国政府对物联网行业的政策倾斜和企业的大力支持和投入，物联网产业被急速的催生。现已布置的农业物联网主要是从管理和物流角度来进行数据收集，并没有从作物生长过程监控角度实现多个节点采集并利用数据。为了达到增产、改善品质、调节生长周期、提高经济效益的目的，物联网精准调控的步伐刻不容缓。
此外，现有物联网技术仅仅是通过单个温湿度及电导率检测装置进行检测土壤的温湿度及电导率，无法同时检测多个土壤监测点的温湿度，那么就会导致得到的检测结果对后续浇水灌溉的精确调控没有指导性意义，影响实施人员的下一步浇水灌溉等其他操作判断，进而导致植株生长环境不能达到最佳调控值。比如“三七”作为我国云南和广西特定区域珍贵中药材，它的生长环境非常苛刻，研究表明三七的生育期年温差11℃左右是优质三七产出的适宜气候条件，并且土壤水分含量为10％～25％时，种苗出苗率随土壤水分含量的增加而增高。因此现有的土壤温湿度检测和电导率设备无法满足该类特殊经济作物的需求。
发明内容
本发明提供了一种土壤温湿度及电导率检测系统，以用于通过合理的构成及连接构建土壤温湿度及电导率检测平台。
本发明的技术方案是：一种土壤温湿度及电导率检测系统，包括主机装置、从机装置、上位机，从机装置用于采集各布点处的温湿度及电导率信息，主机装置用于将接收的从机装置采集的信息传递至上位机，主机装置通过mesh组网方式和从机装置进行通讯。
所述主机装置包括母蓝牙模块1、单片机Ⅰ2、4G模块3、PCB板Ⅰ4、外壳Ⅰ5、供电接口Ⅰ；其中，母蓝牙模块1、单片机Ⅰ2、4G模块3、PCB板Ⅰ4通过外壳Ⅰ5封装，PCB板Ⅰ4用于电连接母蓝牙模块1、单片机Ⅰ2、4G模块3、供电接口Ⅰ；
所述从机装置包括温湿度及电导率传感器6、RS485模块7、单片机Ⅱ8、子蓝牙模块9、PCB板Ⅱ10、外壳Ⅱ11、供电接口Ⅱ；其中RS485模块7、单片机Ⅱ8、子蓝牙模块9、PCB板Ⅱ10通过外壳Ⅱ11封装，PCB板Ⅱ10用于电连接温湿度及电导率传感器6、RS485模块7、单片机Ⅱ8、子蓝牙模块9、供电接口Ⅱ；
所述单片机Ⅰ2通过母蓝牙模块1经子蓝牙模块9发送唤醒数据至单片机Ⅱ8，单片机Ⅱ8会发送问询帧通过RS485模块7传递给温湿度及电导率传感器6，温湿度及电导率传感器6将采集到的温湿度及电导率信息通过RS485模块7传输至单片机Ⅱ8，单片机Ⅱ8再将接收的数据通过子蓝牙模块9传输给母蓝牙模块1，母蓝牙模块1将接收的信息通过单片机Ⅰ2整合通过4G模块3网络透传协议上传至上位机的阿里云平台14。
所述温湿度及电导率传感器6为RS-ECTH-N01-TR-1，单片机Ⅰ2、单片机Ⅱ8为STM32L011K4，子蓝牙模块9为E104-BT10N，母蓝牙模块1为E104-BT10G，4G模块3为WH-LTE-7S4 V2。
本发明的有益效果是：
1、本发明能够减少人工手动采集土壤温湿度及电导率数据，可以多个土壤温湿度及电导率采集点定时定点快速检测且成本较低；
2、本发明可满足多个监测点跨距离定时向主机发送数据，从机设备个数可自行增加或删除，并可实现无线传输数据至阿里云云端进行数据存储管理；
3、本发明可实现将监测点的采集时间、采集点编号和土壤温湿度及电导率数据同时上传阿里云云端进行保存，让上位机接收到数据之后，能很好地得到各个监测点的数据，从而方便后续精确调控的实施，同时具有数据实时显示，设备安装方便、易于维护等特点；
4、本发明具有使用方便、适用范围广，可拓展性好等特点。
附图说明
图1为本发明的原理图；
图2为本发明主机装置配置流程图；
图3为本发明从机装置配置流程图；
图4为本发明主机装置结构图；
图5为本发明从机装置结构图；
图中各标号为：1-母蓝牙模块、2-单片机Ⅰ、3-4G模块、4-PCB板Ⅰ、5-外壳Ⅰ、6-温湿度及电导率传感器、7-RS485模块、8-单片机Ⅱ、9-子蓝牙模块、10-PCB板Ⅱ、11-外壳Ⅱ、12-传感器节点、13-中心节点、14-阿里云平台。
具体实施方式
实施例1：如图1-5所示，一种土壤温湿度及电导率检测系统，包括主机装置、从机装置、上位机，从机装置用于采集各布点处的温湿度及电导率信息，主机装置用于将接收的从机装置采集的信息传递至上位机，主机装置通过mesh组网方式和从机装置进行通讯。
进一步地，可以设置所述主机装置包括母蓝牙模块1、单片机Ⅰ2、4G模块3、PCB板Ⅰ4、外壳Ⅰ5、供电接口Ⅰ；其中，母蓝牙模块1、单片机Ⅰ2、4G模块3、PCB板Ⅰ4通过外壳Ⅰ5封装，PCB板Ⅰ4用于电连接母蓝牙模块1、单片机Ⅰ2、4G模块3、供电接口Ⅰ；
所述从机装置包括温湿度及电导率传感器6、RS485模块7、单片机Ⅱ8、子蓝牙模块9、PCB板Ⅱ10、外壳Ⅱ11、供电接口Ⅱ；其中RS485模块7、单片机Ⅱ8、子蓝牙模块9、PCB板Ⅱ10通过外壳Ⅱ11封装，PCB板Ⅱ10用于电连接温湿度及电导率传感器6、RS485模块7、单片机Ⅱ8、子蓝牙模块9、供电接口Ⅱ；
所述单片机Ⅰ2通过母蓝牙模块1经子蓝牙模块9发送唤醒数据至单片机Ⅱ8，单片机Ⅱ8会发送问询帧通过RS485模块7传递给温湿度及电导率传感器6，温湿度及电导率传感器6将采集到的温湿度及电导率信息通过RS485模块7传输至单片机Ⅱ8，单片机Ⅱ8再将接收的数据通过子蓝牙模块9传输给母蓝牙模块1，母蓝牙模块1将接收的信息通过单片机Ⅰ2整合通过4G模块3网络透传协议上传至上位机的阿里云平台14。
进一步地，可以设置所述温湿度及电导率传感器6为RS-ECTH-N01-TR-1，单片机Ⅰ2、单片机Ⅱ8为STM32L011K4，子蓝牙模块9为E104-BT10N，母蓝牙模块1为E104-BT10G，4G模块3为WH-LTE-7S4 V2。
上述各大型号部件的选择是本申请的专有设计，具体的：
温湿度及电导率传感器为RS-ECTH-N01-TR-1型号，该传感器性能稳定灵敏度高，是观测和研究盐渍土的发生、演变、改良以及水盐动态的重要工具。通过测量土壤的介电常数，能直接稳定地反映各种土壤的真实水分含量。可测量土壤水分的体积百分比，是符合目前标准的土壤水分测量方法。并且该传感器适用于土壤墒情监测、科学试验、节水灌溉、温室大棚、花卉蔬菜、草地牧场、土壤速测、植物培养、污水处理、精细农业等场合。
单片机为STM32L011K4型号，该单片机支持动态电压调整，以优化运行模式下的功耗。以及提供逻辑的内部低压稳压器的电压可以根据系统的最大工作频率和外部电压供应进行调整。几个外围设备直接互连。这允许外围设备之间自主通信，从而节省CPU资源和功耗。此外，这些硬件连接允许快速和可预测的延迟。根据外设的不同，这些互连可以在运行、休眠、低功耗运行、低功耗休眠和停止模式下运行。
子蓝牙模块为E104-BT10N，母蓝牙模块E104-BT10G，E104-BT10型号的蓝牙模块通过mesh自组网模块支持sig mesh V1.0标准，单网络理论最大容纳10922个节点设备。设备在入网之后自动记忆网络信息，入网时间1秒内完成。实现蓝牙mesh组网后，在网内可以进行广播或任意定点数据透传，透传数据单包最大支持80字节。非常适合物联网信息采集，大规模组网通讯场景等应用。
4G模块为WH-LTE-7S4 V2，WH-LTE-7S4 V2是一款体积小巧，功能丰富的M2M 4G产品，适用于移动、联通、电信4G和移动、联通3G和2G网络制式。以“透传”作为功能核心，高度易用性,采用双排针的封装形式，用户可方便快速的集成于自己的系统中。该模块软件功能完善，覆盖绝大多数常规应用场景，用户只需通过简单的设置，即可实现串口到网络的双向数据透明传输。并且支持自定义注册包，心跳包等功能，支持2路Socket连接，支持httpd，UDC等协议通信。具有高速率，低延时的特点。在网络透传模式下，用户可以选择让模块向服务器发送注册包。注册包是为了让服务器能够识别数据来源设备，或作为获取服务器功能授权的密码。注册包可以在模块与服务器建立连接时发送，也可以在每个数据包的最前端接入注册包数据，组成一个数据包发送到网络端。注册包的数据可以是ICCID码，IMEI码，透传云注册包，或自定义注册数据。
其中PCB板以及外壳由自己设计打印而成，具有携带便利，安装方便的优点，并且耗费材料较少，防水防电，非常适合实际农作物栽培环境。
综上，本申请中温湿度及电导率传感器6采用特定型号的集成式传感器，该RS-ECTH-N01-TR-1传感器输出信号满足modbus协议能直接通过RS485模块7进行数据获取，组装简单，使用方便；再进一步地，配合RS485模块7可以通过串口通信将数据传至STM32L011K4单片机，该单片机可以与本申请的E104-BT10N连接，进而实现mesh组网，从而满足多个监测点跨距离定时向主机发送数据，且从机设备个数可自行增加或删除，以实现一对多通讯，从而使得本系统较好地应用于大面积需要布点的区域，同时数据传输距离和稳定性在物联网信息采集和大规模组网通讯场景具有好的运用；再进一步地，主机装置中单片机与从机装置一致，可以更好地兼容，同时可以与本申请特定的WH-LTE-7S4 V2模块进行配合，进而以网络透传协议上传至阿里云平台，且组装简单，使用方便，并可实现无线传输数据至阿里云云端进行数据存储管理，整个的系统设计可以更好地适应智能化发展需求。
以下详细描述温湿度及电导率检测装置的工作原理：
如图1所示，图1揭示了本申请一种应用于土壤温湿度及电导率检测系统的原理图，其中传感器节点12就是各个从机装置，中心节点13为主机装置，温湿度及电导率检测系统包括传感器节点12、中心节点13和阿里云平台14。其中温湿度及电导率检测系统中包括至少一个传感器节点12，传感器节点12安装在待测土壤监测点旁边，可以方便更替土壤监测点位置。当然，为了方便管理也可以做成集成式装盒，让传感器节点12和中心节点13放在一个盒子中，整体来说，该套系统的装置可操作性高，并且传感器节点可以添加删除，可拓展性非常好。
从机装置与主机装置在预设距离内建立蓝牙mesh组网，主机装置的母蓝牙模块1通过mesh组网方式可以和从机装置的子蓝牙模块9实现一对多通讯。传感器节点12采集到土壤监测点的温湿度信息和电导率信息后，传感器节点12通过子蓝牙模块9将温湿度信息和电导率信息发送至中心节点13，中心节点13中母蓝牙模块1做接收，将接收到的数据通过主机单片机Ⅰ2整合过后，通过4G模块3网络透传协议上传至阿里云平台14。阿里云平台14对土壤的温湿度信息和电导率信息进行存储和管理，具体地，阿里云云端分析温湿度信息和电导率信息，通过预设温湿度信息和电导率信息阈值检测是否满足特定生产作物的土壤温湿度和电导率要求，以保证生产作物能够在特定的土壤环境下生长要求。进一步地，本地计算机还可以在阿里云云端下载温湿度信息和电导率信息，我们可以结合下载的数据以表格、图像、实时曲线的方式显示出来，为后续的数据分析做样本数据集支撑。
在土壤温湿度及电导率检测过程中，由于温湿度及电导率检测装置的安装简易，因此适用于各种地形地况安装，不会因为土壤待检测点的位置周围环境不好而导致安装不易。具体地，温湿度及电导率检测装置中的从机装置安装在土壤待检测点旁边，温湿度及电导率检测装置主机装置用于采集土壤待检测点的温湿度信息和电导率信息。
如图2所示为温湿度及电导率检测装置主机配置流程图。首先主机装置上的母蓝牙模块1先通过串口模拟器与从机装置的子蓝牙模块9进行蓝牙mesh组网操作。E104-BT10蓝牙mesh自组网模块支持sig mesh V1.0标准，单网络理论最大容纳10922个节点设备。设备在入网之后自动记忆网络信息，入网时间1秒内完成。实现蓝牙mesh组网后，在网内可以进行广播或任意定点数据透传，透传数据单包最大支持80字节。非常适合物联网信息采集，大规模组网通讯场景等应用。其次主机装置中单片机Ⅰ2初始化配置信息，中心节点13向传感器节点12发送唤醒数据，并校验是否接收到数据，如果主机没有接收到数据，重新发送唤醒数据给从机，直到中心节点13接收到传感器节点12发送来的数据做校验完毕后，并将接收到的数据进行整合，整合完毕的数据通过4G模块3上传至阿里云平台14，阿里云平台14对土壤的温湿度信息和电导率信息进行存储和管理。
如图3所示为温湿度及电导率检测装置从机配置流程图。首先从机装置上的子蓝牙模块响应主机装置上的母蓝牙模块进行蓝牙mesh入网操作，其次从机装置等待主机装置发送唤醒数据进入工作状态。从机装置在唤醒之后，单片机Ⅱ8会发送问询帧给传感器6，传感器将采集到的数据通过RS485模块7传输回单片机Ⅱ8进行处理，处理好的数据通过子蓝牙模块9传输给主机装置母蓝牙模块1。
温湿度及电导率检测从机装置会对需要采集的土壤待测点的温湿度信息及电导率信息进行采集，具体地，当上述土壤温湿度及电导率检测从机装置安装在待监测点附近时，温湿度及电导率检测从机装置可以是多个检测装置同时检测土壤待检测点的温湿度信息及电导率信息。
如图5所示为温湿度及电导率检测装置从机装置图，温湿度及电导率传感器6连接RS485模块7。具体地，温湿度及电导率传感器6在连接线作用下连接至PCB板Ⅱ10上引出脚，PCB板Ⅱ10上连接温湿度及电导率传感器6引脚提供正负引脚作为供电，其中通过供电接口Ⅱ(即micro USB接口Ⅱ16)供电至连接线为温湿度及电导率传感器6提供电源。温湿度及电导率传感器6上连接线连接引脚作为PinA并在连接线作用下连接至RS485模块7的A接口，即图中PinD；温湿度及电导率传感器6上连接线引脚作为PinB并在连接线作用下连接至RS485模块7的B接口，即图中PinC。按照操作连接完毕后，RS485模块7就可以对温湿度及电导率传感器6传输过来的电信号进行初步解析成串口信号。
经过RS485模块7处理过温湿度及电导率传感器6传输过来的电信号解析成串口信号，其中RS485模块7通过PCB板Ⅱ10电源引脚进行供电，其中通过连接线为RS485模块7提供电源。RS485模块7对解析完毕的串口信号通过RXD接口即PinE通过连接线接到从机装置的单片机Ⅱ8上D0/RXD引脚即PinH，并且通过TXD接口PinF通过连接线接到从机装置的单片机Ⅱ8上D1/TXD引脚PinG。按照操作连接完毕后，从机装置上的单片机Ⅱ8就可以对RS485模块7传送过来的串口信号进行解析显示实时的温湿度及电导率传感器6数据。
通过从机装置上的单片机Ⅱ8编程实现对RS485模块7传送过来的串口信号进行解析可以用于上位机后期显示实时的温湿度及电导率传感器6数据，其中单片机Ⅱ8通过PCB板Ⅱ10电源引脚进行供电，其中通过连接线为单片机Ⅱ8提供电源。单片机Ⅱ8通过解析串口完毕之后，以单片机Ⅱ8上A1/TXD引脚PinI的引出接口PinK通过连接线连接子蓝牙模块9上RXD引脚PinN引出的过孔PinP；以单片机Ⅱ8上A0/RXD引脚PinJ的引出接口PinL通过连接线连接子蓝牙模块9上TXD引脚PinM引出的过孔PinO。按照操作连接完毕后，从机装置上单片机Ⅱ8就可以通过编程实现将温湿度及电导率传感器6的实时数据传输给子蓝牙模块9。
如图4所示为温湿度及电导率检测装置主机装置图，主机装置的母蓝牙模块1通过mesh组网方式可以和从机装置的子蓝牙模块9实现一对多通讯。温湿度及电导率检测从机装置采集到土壤监测点的温湿度信息和电导率信息后，温湿度及电导率检测从机装置通过子蓝牙模块9将温湿度信息和电导率信息发送至主机装置，主机装置母蓝牙模块1做接收。具体地，主机装置的母蓝牙模块1上TXD引脚PinR通过连接线经由引脚PinT连接到主机装置上单片机Ⅰ2A0/RXD引脚PinV，母蓝牙模块1上RXD引脚PinS通过连接线经由引脚PinU连接到主机装置上单片机Ⅰ2A1/TXD引脚PinW，其中通过PCB板Ⅰ4上供电接口Ⅰ(即micro USB接口Ⅰ15)供电在连接线上，并且有过孔PinQ为主机装置的母蓝牙模块1提供电源。按照操作连接完毕后，主机装置的母蓝牙模块1就可以将各个从机装置的数据传输给主机上的单片机Ⅰ2。
在主机装置的母蓝牙模块1将各个从机装置的数据传输给主机上的单片机Ⅰ2之后，单片机Ⅰ2对多个从机装置的数据进行整合，对多个从机装置过来的数据进行编号整理，其中单片机Ⅰ2通过PCB板Ⅰ4电源引脚进行供电，其中通过连接线为单片机Ⅰ2提供电源。然后单片机Ⅰ2上D0/TXD引脚PinX通过连接线连接到4G模块3URXD0引脚PinZ；单片机Ⅰ2上D1/RXD引脚PinY通过连接线连接到4G模块3UTXD0引脚Pina。按照操作连接完毕后，经过单片机Ⅰ2编程实现将各个从机数据整合完毕传输给4G模块3。
在单片机Ⅰ2编程实现将各个从机数据整合完毕传输给4G模块3后，4G模块3将整合好的数据传输到阿里云云端进行数据存储管理。其中4G模块3通过PCB板Ⅰ4电源引脚进行供电，其中通过连接线为4G模块3提供电源。
上面结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。
Claims (3)
1.一种土壤温湿度及电导率检测系统，其特征在于：包括主机装置、从机装置、上位机，从机装置用于采集各布点处的温湿度及电导率信息，主机装置用于将接收的从机装置采集的信息传递至上位机，主机装置通过mesh组网方式和从机装置进行通讯。
2.根据权利要求1所述的土壤温湿度及电导率检测系统，其特征在于：所述主机装置包括母蓝牙模块(1)、单片机Ⅰ(2)、4G模块(3)、PCB板Ⅰ(4)、外壳Ⅰ(5)、供电接口Ⅰ；其中，母蓝牙模块(1)、单片机Ⅰ(2)、4G模块(3)、PCB板Ⅰ(4)通过外壳Ⅰ(5)封装，PCB板Ⅰ(4)用于电连接母蓝牙模块(1)、单片机Ⅰ(2)、4G模块(3)、供电接口Ⅰ；
所述从机装置包括温湿度及电导率传感器(6)、RS485模块(7)、单片机Ⅱ(8)、子蓝牙模块(9)、PCB板Ⅱ(10)、外壳Ⅱ(11)、供电接口Ⅱ；其中RS485模块(7)、单片机Ⅱ(8)、子蓝牙模块(9)、PCB板Ⅱ(10)通过外壳Ⅱ(11)封装，PCB板Ⅱ(10)用于电连接温湿度及电导率传感器(6)、RS485模块(7)、单片机Ⅱ(8)、子蓝牙模块(9)、供电接口Ⅱ；
所述单片机Ⅰ(2)通过母蓝牙模块(1)经子蓝牙模块(9)发送唤醒数据至单片机Ⅱ(8)，单片机Ⅱ(8)会发送问询帧通过RS485模块(7)传递给温湿度及电导率传感器(6)，温湿度及电导率传感器(6)将采集到的温湿度及电导率信息通过RS485模块(7)传输至单片机Ⅱ(8)，单片机Ⅱ(8)再将接收的数据通过子蓝牙模块(9)传输给母蓝牙模块(1)，母蓝牙模块(1)将接收的信息通过单片机Ⅰ(2)整合通过4G模块(3)网络透传协议上传至上位机的阿里云平台(14)。
3.根据权利要求2所述的土壤温湿度及电导率检测系统，其特征在于：所述温湿度及电导率传感器(6)为RS-ECTH-N01-TR-1，单片机Ⅰ(2)、单片机Ⅱ(8)为STM32L011K4，子蓝牙模块(9)为E104-BT10N，母蓝牙模块(1)为E104-BT10G，4G模块(3)为WH-LTE-7S4V2。
Priority Applications (1)
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