CN113848782A - 一种农田环境监测及自动化灌溉*** - Google Patents

Abstract

本发明的农田环境监测及自动化灌溉***，包括微控制器及电源模块、NB‑IoT模块和电子水泵，微控制器的输入端连接有PH酸碱度传感器、EC电导率传感器、浊度传感器、水质温度传感器、土壤温度传感器、土壤湿度传感器、水位传感器、雨滴传感器和水流量传感器；微控制器经传感器检测农田灌溉时灌溉用水的浊度、温度和水流量信息，以及土壤PH、EC电导率、土壤温度、土壤湿度、农田中水位以及是否降雨以及降雨量信息。本发明的农田环境监测及自动化灌溉***，不仅实现了对农田的壤PH、土壤EC电导率、土壤温湿度、田地水位以及是否下雨及降雨量监控，而且还可进行自动灌溉，实现了对农田的自动化、智能化、信息化管理，有益效果显著。

Description

一种农田环境监测及自动化灌溉***

技术领域

本发明涉及一种农田环境监测及自动化灌溉***，更具体的说，尤其涉及一种可实现对农田土壤等环境参数进行全面监控的农田环境监测及自动化灌溉***。

背景技术

随着现代农业的发展，实时地对农田的土壤环境参数以及水文参数监测，能够实时地反映出土壤数据，可以为土壤改良以及农作物的种植提供科学的参考数据。目前有对土壤的单一参数或者多个参数进行在线监测的设备，但所监测的参数不够全面，不能完全反映出土壤的真实环境参数，不能为土壤改良、作物种植、农田灌溉提供精准的参考依据，因此，有必要发展一种土壤参数和环境参数检测全面的监测***，以实现对农田环境的监测。

发明内容

本发明为了克服上述技术问题的缺点，提供了一种农田环境监测及自动化灌溉***。

本发明的农田环境监测及自动化灌溉***，包括微控制器及与其相连接的电源模块、NB-IoT模块和电子水泵，微控制器具有信号采集、数据运算和控制输出的作用，微控制器经继电器模块与电子水泵相连接，电源模块用于提供稳定的直流电压，微控制器经NB-IoT模块与远端的上位机相通信；其特征在于：所述微控制器的输入端连接有PH酸碱度传感器、EC电导率传感器、浊度传感器、水质温度传感器、土壤温度传感器、土壤湿度传感器、水位传感器、雨滴传感器和水流量传感器，浊度传感器、水质温度传感器和水流量传感器设置于电子水泵的进水口或出水口管路上；PH酸碱度传感器、EC电导率传感器、土壤温度传感器、土壤湿度传感器、水位传感器和雨滴传感器设置于待监测农田中；

微控制器经浊度传感器、水质温度传感器和水流量传感器检测农田灌溉时灌溉用水的浊度、温度和水流量信息，微控制器经PH酸碱度传感器、EC电导率传感器、土壤温度传感器、土壤湿度传感器、水位传感器和雨滴传感器分别检测农田的土壤PH、EC电导率、土壤温度、土壤湿度、农田中水位以及是否降雨以及降雨量信息，微控制器经NB-IoT模块将采集的数据上传至上位机，上位机将接收的信息进行显示并判断农田是否需要灌溉，并将相应的控制指令下发至微控制器，微控制器根据接收的上位机指令进行自动灌溉。

本发明的农田环境监测及自动化灌溉***，所述电源模块由12V电源模块、12V转5V电源模块以及5V转3.3V电源模块组成，所述微控制器采用型号为STM32F103C8T6的单片机。

本发明的农田环境监测及自动化灌溉***，所述NB-IoT模块采用型号为WH-NB75-B5的芯片，芯片WH-NB75-B5的***连接有重新加载电路、复位电路、网络指示电路、网络工作电路、收发指示电路，芯片WH-NB75-B5的VIN引脚经电阻R9与12V电源的正极相连接，经电容C13与电解电容C14构成的并联电路接于电源地上，GND引脚接地，芯片WH-NB75-B5的URXD1、UTXD1引脚分别与单片机STM32F103C8T6的PA9、PA10引脚相连接；所述重新加载电路由电阻R10、电容C15、电阻R11和按键SW2组成，按键SW2的一端经电阻R10接于3.3V电源正极、经电容C15接地且与芯片WH-NB75-B5的Reload引脚相连接，按键SW2的另一端经电阻R11接地；所述复位电路由电阻R12、电容C16、按键SW3、电阻R13组成，按键SW3的一端经电阻R12接于3.3V电源正极、经电容C16接地且与芯片WH-NB75-B5的RESET引脚相连接；

所述网络指示电路由发光二极管LED2和NPN型三极管Q2组成，发光二极管LED2的正极经电阻R16接于3.3V电源正极，负极接于Q2的集电极上，Q2的发射极接地，基极经电阻R17与芯片WH-NB75-B5的NET引脚相连接；所述网络工作电路由发光二极管LED1和NPN型三极管Q1组成，发光二极管LED1的正极经电阻R14接于3.3V电源正极，负极与Q1的集电极相连接，Q1的发射极接地，基极经电阻R15接于芯片WH-NB75-B5的WORK引脚上；

所述收发指示电路由发光二极管LED3、LED4以及PNP型三极管Q3、Q4组成，发光二极管LED3的正极经电阻R18接于3.3V电源正极，负极与Q3的发射极相连接，Q3的集电极基底，基极经电阻R19接于芯片WH-NB75-B5的UTXD1引脚上；LED4的正极经电阻R20接于3.3V电源正极，负极与Q4的发射极相连接，Q4的集电极接地，基极经电阻R21与芯片WH-NB75-B5的URXD2引脚相连接。

本发明的农田环境监测及自动化灌溉***，所述PH酸碱度传感器上设置有VCC、GND、Po、Do、To引脚，PH酸碱度传感器的VCC、GND引脚分别接于5V电源正极和地上，Po引脚接于单片机STM32F103C8T6的PA0引脚上，Do、To引脚悬空；所述EC电导率传感器上设置有VCC、GND、T1、A0引脚，EC电导率传感器的VCC、GND引脚分别接于5V电源正极和地上，A0引脚接于单片机STM32F103C8T6的PA1引脚上，T1引脚悬空；所述浊度传感器采用型号为TSW-20MK，TSW-20MK的V、G引脚分别接于5V电源正极和地上，A引脚接于单片机STM32F103C8T6的PA2引脚上，D引脚悬空。

本发明的农田环境监测及自动化灌溉***，所述水质温度传感器的型号为DS18B20，DS18B20的VCC、GND引脚分别接于5V电源正极和电源地上，DQ引脚接于单片机STM32F103C8T6的PA3引脚上；所述土壤温度传感器的型号也为DS18B20，作为土壤温度传感器的DS18B20的DQ引脚接于单片机STM32F103C8T6的PA4引脚上；所述土壤湿度传感器的型号为FC-28，土壤湿度传感器FC-28的VCC、GND引脚分别接于5V电源正极和电源地上，A0引脚接于单片机STM32F103C8T6的PA5引脚上。

本发明的农田环境监测及自动化灌溉***，所述水位传感器上设置有-、+和S引脚，水位传感器的+、-引脚分别接于5V电源正极和电源地上，S引脚接于单片机STM32F103C8T6的PA6引脚上；所述雨滴传感器上设置有VCC、GND、D0和A0引脚，雨滴传感器的VCC、GND引脚分别接于5V电源正极和电源地上，A0引脚接于单片机STM32F103C8T6的PA7引脚上，D0引脚悬空；所述水流量传感器的型号为YF-S401，水流量传感器YF-S401的+、-、S引脚分别接于5V电源正极、电源地和单片机STM32F103C8T6的PA8引脚上；

所述继电器模块的输入端设置有DC+、DC-和IN引脚，输出端设置有NO、COM和NC引脚，DC+、DC-和IN引脚分别接于5V电源正极、电源地和单片机STM32F103C8T6的PB0引脚上，COM引脚接地，NC引脚悬空；电子水泵的型号为JT-DS3W-3，JT-DS3W-3的-引脚、+引脚分别接于5V电源正极和继电器模块的NO引脚上。

本发明的农田环境监测及自动化灌溉***，所述12V电源模块采用12V蓄电池BT1，蓄电池BT1的正极形成12V电源正极，负极接地；所述12V转5V电源模块采用型号为LM7805的三端稳压集成电路，LM7805的输入端Vin接于12V电源正极，输出端Vout形成5V电源正极；所述5V转3.3V电源模块采用型号为AMS1117的芯片，芯片AMS1117的输入端Vin接于5V电源正极，输出端Vout形成3.3V电源正极。

本发明的农田环境监测及自动化灌溉***，所述微控制器的***设置有电源指示电路、复位电路、BOOT电路、USB-micro接口电路、SWD接口电路和晶振电路。

本发明的农田环境监测及自动化灌溉***的控制方法，其特征在于，通过以下步骤来实现：

a).数据采集和上传，微控制器经传感器实时采集待监测农田的土壤PH、EC电导率、土壤温度、土壤湿度、农田中水位以及是否降雨以及降雨量信息，并经NB-IoT模块将采集是数据信息上传至远端的上位机；

b).土壤酸碱度判断，上位机将获取的土壤PH显示出来，如果土壤PH小于6.0则给出改良酸性土壤的提示；如果土壤PH大于7.5则给出改良碱性土壤的提示；

c).EC电导率判断，上位机将获取的土壤EC电导率显示出来，如果土壤EC电导率大于设定的临界值，则给出改良土壤的提示；

d).土壤温度显示，上位机将获取的土壤温度信息显示出来，以供农田管理人员参考；

e).农田降雨判断，上位机根据微控制器上传的雨滴传感器的数据，判断出待监测农田是否降雨以及降雨量的大小，并将降雨信息显示出来；

f).土壤湿度判断，上位机将获取的农田土壤湿度信息显示出来，并判断土壤湿度是否低于设定的灌溉湿度阈值，如果低于灌溉湿度阈值，则向微控制器发送开启灌溉指令；

g).农田自动灌溉，微控制器经NB-IoT模块接收到上位机发送的灌溉指令后，经继电器模块开启电子水泵，对农田进行灌溉；

h).灌溉数据上传，在农田灌溉过程中，微控制器将采集的灌溉用水的浊度、温度和水流量信息实时上传至上位机；上位机将接收的灌溉用水的浊度、温度和水流量信息实时显示出来；

i).灌溉完毕判断，微控制器根据检测的数据判断灌溉水量是否达到了要求，以及农田的水位是否达到了要求，当两者之一满足要求时，则关闭电子水泵停止灌溉。

本发明的有益效果是：本发明的农田环境监测及自动化灌溉***，设置有微控制器及与其相连接的PH酸碱度、EC电导率、浊度、水质温度、土壤温度、土壤湿度、水位、雨滴和水流量传感器，可实时监测农田的土壤PH、土壤EC电导率、土壤温湿度、田地水位以及是否下雨及降雨量，并通过NB-IoT模块上传至上位机并实时显示出来，当判断出土壤湿度低于灌溉湿度阈值时，则通过开启电子水泵进行农田灌溉；当灌溉水量或水位达到了要求时则停止灌溉。可见，本发明的农田环境监测及自动化灌溉***，不仅实现了对农田的壤PH、土壤EC电导率、土壤温湿度、田地水位以及是否下雨及降雨量监控，而且还可进行自动灌溉，实现了对农田的自动化、智能化、信息化管理，有益效果显著。

附图说明

图1为本发明的农田环境监测及自动化灌溉***的原理图；

图2为本发明中微控制器的电路图；

图3为本发明中NB-IoT模块的电路图；

图4为本发明中PH酸碱度传感器的电路图；

图5为本发明中EC电导率传感器的电路图；

图6为本发明中浊度传感器的电路图；

图7为本发明中水质温度传感器的电路图；

图8为本发明中土壤温度传感器的电路图；

图9为本发明中土壤湿度传感器的电路图；

图10为本发明中水位传感器的电路图；

图11为本发明中雨滴传感器的电路图；

图12为本发明中水流量传感器的电路图；

图13为本发明中继电器模块的电路图；

图14为本发明中电子水泵的电路图；

图15为本发明中12V电源模块的电路图；

图16为本发明中12V转5V电源模块的电路图；

图17为本发明中5V转3.3V电源模块的电路图；

图18为本发明中微控制器的电源指示电路的电路图；

图19为本发明中微控制器的复位电路的电路图；

图20为本发明中微控制器的BOOT电路的电路图；

图21为本发明中微控制器的SWD接口电路的电路图；

图22为本发明中微控制器的USB-micro接口电路的电路图；

图23为本发明中微控制器的晶振电路的电路图。

图中：1微控制器，2 NB-IoT模块，3电源模块，4电子水泵，5 PH酸碱度传感器，6 EC电导率传感器，7浊度传感器，8水质温度传感器，9土壤温度传感器，10土壤湿度传感器，11水位传感器，12雨滴传感器，13水流量传感器，14继电器模块。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，给出了本发明的农田环境监测及自动化灌溉***的原理图，其由微控制器1及与其相连接的电源模块3、NB-IoT模块2、PH酸碱度传感器5、EC电导率传感器6、浊度传感器7、水质温度传感器8、土壤温度传感器9、土壤湿度传感器10、水位传感器11、雨滴传感器12、水流量传感器13，微控制器1具有信号采集、数据运算和控制输出的作用，微控制器1经继电器模块14对电子水泵4的开关进行控制。电源模块3用于给各模块和微控制器1的工作提供稳定的直流电压。浊度传感器7、水质温度传感器8和水流量传感器13均设置在电子水泵4入水口或出水口的管路上，微控制器1经浊度传感器7检测灌溉水的浊度，经水质温度传感器8检测灌溉水的温度，经水流量传感器13测量灌溉水量。

所示的PH酸碱度传感器5、EC电导率传感器6、土壤温度传感器9、土壤湿度传感器10、水位传感器11和雨滴传感器12均设置于待监测农田中，微控制器1经PH酸碱度传感器5测量土壤的PH，经EC电导率传感器6测量土壤的EC电导率，经土壤温度传感器9和土壤湿度传感器10检测土壤的温度和湿度，经水位传感器11测量田地中的水位，经雨滴传感器12检测农田中是否降雨及降雨量。

微控制器1经NB-IoT模块2与远端的上位机相通信，以便将所采集的农田环境信息数据上传至远端的上位机，上位机接收到农田环境信息数据之后，将其显示出来，并判断是否需要灌溉，如果需要灌溉，则下发灌溉农田的指令至微控制器1，微控制器1接收到灌溉农田的指令后，开启电子水泵4对农田进行灌溉作业。

本发明的农田环境监测及自动化灌溉***的控制方法，通过以下步骤来实现：

a).数据采集和上传，微控制器经传感器实时采集待监测农田的土壤PH、EC电导率、土壤温度、土壤湿度、农田中水位以及是否降雨以及降雨量信息，并经NB-IoT模块将采集是数据信息上传至远端的上位机；

b).土壤酸碱度判断，上位机将获取的土壤PH显示出来，如果土壤PH小于6.0则给出改良酸性土壤的提示；如果土壤PH大于7.5则给出改良碱性土壤的提示；

c).EC电导率判断，上位机将获取的土壤EC电导率显示出来，如果土壤EC电导率大于设定的临界值，则给出改良土壤的提示；

d).土壤温度显示，上位机将获取的土壤温度信息显示出来，以供农田管理人员参考；

e).农田降雨判断，上位机根据微控制器上传的雨滴传感器的数据，判断出待监测农田是否降雨以及降雨量的大小，并将降雨信息显示出来；

f).土壤湿度判断，上位机将获取的农田土壤湿度信息显示出来，并判断土壤湿度是否低于设定的灌溉湿度阈值，如果低于灌溉湿度阈值，则向微控制器发送开启灌溉指令；

g).农田自动灌溉，微控制器经NB-IoT模块接收到上位机发送的灌溉指令后，经继电器模块开启电子水泵，对农田进行灌溉；

h).灌溉数据上传，在农田灌溉过程中，微控制器将采集的灌溉用水的浊度、温度和水流量信息实时上传至上位机；上位机将接收的灌溉用水的浊度、温度和水流量信息实时显示出来；

i).灌溉完毕判断，微控制器根据检测的数据判断灌溉水量是否达到了要求，以及农田的水位是否达到了要求，当两者之一满足要求时，则关闭电子水泵停止灌溉。

如图2所示，给出了本发明中微控制器的电路图，微控制器1采用型号为STM32F103V8T6的单片机，标号为U1，芯片TM32F103V8T6的VBAT引脚接5V电源，STM32F103V8T6芯片U1的VSSA引脚、VSS_1引脚、VSS_2引脚和VSS_3引脚都接3.3V电源，STM32F103V8T6芯片U1的VDDA引脚、VDD_1引脚、VDD_2引脚和VDD_3引脚都接地。

如图3所示，给出了本发明中NB-IoT模块的电路图，所示的NB-IoT模块2采用型号为WH-NB-B575的芯片，NB-IoT通信模块电路包括WH-NB-B575芯片U2、OR电阻R9、100nF电容C13、100uF电解电容C14、4.7K电阻R10、按键SW2、100nF电容C15、27R电阻R11、4.7K电阻R12、按键SW3、100nF电容C16、27R电阻R13、1K电阻R14、LED灯LED1、S9014三极管Q1、1K电阻R15、1K电阻R16、LED灯LED2、S9014三极管Q2、1K电阻R17、1K电阻R18、LED灯LED3、S8050三极管Q3、1K电阻R19、1K电阻R20、LED灯LED4、S8050三极管Q4、1K电阻R21。0R电阻R9的一端接12V电源，0R电阻R9的另一端与100nF电容C13的一端、100uF电解电容C14的正极、WH-NB-B575芯片U2的VIN引脚电气连接，100nF电容C13的另一端与100uF电解电容C14的负极电气连接并接地。

4.7K电阻R10的一端接3.3V电源，另一与WH-NB-B575芯片U2的Reload引脚、按键SW2的一端、100nF电容C15的一端电气连接，按键SW2的另一端与27R电阻R11的一端电气连接，27R电阻R11的另一端与100nF电容C15的另一端电气连接并接地。4.7K电阻R12的一端接3.3V电源，另一与WH-NB-B575芯片U2的RESET引脚、按键SW3的一端、100nF电容C16的一端电气连接，按键SW3的另一端与27R电阻R13的一端电气连接，27R电阻R13的另一端与100nF电容C16的另一端电气连接并接地。

1K电容R14的一端接3.3V电源，1K电阻R14的另一端与LED灯LED1的正极电气连接，LED灯LED1的负极与S9014三极管Q1的集电极电气连接，S9014三极管Q1的发射极接地，S9014三极管Q1的基极与1K电阻R15的一端电气连接，1K电阻R15的另一端与WH-NB-B575芯片U2的WORK引脚电气连接，1K电阻R16的一端接3.3V电源，1K电阻R14的另一端与LED灯LED2的正极电气连接，LED灯LED2的负极与S9014三极管Q2的集电极电气连接，S9014三极管Q1的发射极接地，S9014三极管Q1的基极与1K电阻R17的一端电气连接，1K电阻R17的另一端与WH-NB-B575芯片U2的NET引脚电气连接。

1K电阻R18的一端接3.3V电源，1K电阻R18的另一端与LED灯LED3的正极电气连接，LED灯LED3的负极与S8050三极管的发射极电气连接，S8050三极管的集电极接地，S8050三极管的基极与1K电阻R19的一端电气连接，1K电阻R19的另一端与WH-NB-B575芯片U2的UTXD1引脚电气连接，1K电阻R20的另一端与LED灯LED4的正极电气连接，LED灯LED4的负极与S8050三极管的发射极电气连接，S8050三极管的集电极接地，S8050三极管的基极与1K电阻R21的一端电气连接，1K电阻R21的另一端与WH-NB-B575芯片U2的URXD1引脚电气连接，WH-NB-B575芯片U2的UTXD1引脚和URXD1引脚分别与STM32F103V8T6芯片U1的PA10引脚和PA9引脚电气连接。

如图4所示，给出了本发明中PH酸碱度传感器的电路图，PH酸碱值值监测电路包括PH酸碱度传感器U3。PH酸碱度传感器U3的VCC引脚接5V电源，PH酸碱度传感器U3的GND引脚接地，PH酸碱度传感器U3的Po引脚与STM32F103V8T6芯片U1的PA0引脚电气连接，PH酸碱度传感器U3的其余引脚悬空。

如图5所示，给出了本发明中EC电导率传感器的电路图， EC电导率传感器U4的VCC引脚接5V电源，EC电导率传感器U4的GND引脚接地，EC电导率传感器U4的A0引脚与STM32F103V8T6芯片U1的PA1引脚电气连接，EC电导率传感器U4的其余引脚悬空。

如图6所示，给出了本发明中浊度传感器的电路图，其采用型号为TSW-20MK浊度传感器U5。TSW-20MK浊度传感器U5的V引脚接5V电源，TSW-20MK浊度传感器U5的G引脚接地，TSW-20MK浊度传感器U5的A引脚与STM32F103V8T6芯片U1的PA2引脚电气连接，TSW-20MK浊度传感器U5的其余引脚悬空。

如图7所示，给出了本发明中水质温度传感器的电路图，水质温度值监测电路采用型号为DS18B20的水质温度传感器U6。DS18B20水质温度传感器U6的VCC引脚接5V电源，DS18B20水质温度传感器U6的GND引脚接地，DS18B20水质温度传感器U6的DQ引脚与STM32F103V8T6芯片U1的PA3引脚电气连接。

如图8所示，给出了本发明中土壤温度传感器的电路图，土壤温度值监测电路采用型号为DS18B20的土壤温度传感器U7。DS18B20土壤温度传感器U7的VCC引脚接5V电源，DS18B20土壤温度传感器U7的GND引脚接地，DS18B20土壤温度传感器U7的DQ引脚与STM32F103V8T6芯片U1的PA4引脚电气连接。

如图9所示，给出了本发明中土壤湿度传感器的电路图，土壤湿度值监测电路采用型号为FC-28的土壤湿度传感器U8。FC-28土壤湿度传感器U8的VCC引脚接5V电源，FC-28土壤湿度传感器U8的GND引脚接地，FC-28土壤湿度传感器U8的A0引脚与STM32F103V8T6芯片U1的PA5引脚电气连接，FC-28土壤湿度传感器U8的其余引脚悬空。

如图10所示，给出了本发明中水位传感器的电路图，其采用WaterDepth Sensor水位传感器U9，WaterDepth Sensor水位传感器U9的+引脚接5V电源，WaterDepth Sensor水位传感器U9的-引脚接地，WaterDepth Sensor水位传感器U9的S引脚与STM32F103V8T6芯片U1的PA6引脚电气连接。

如图11所示，给出了本发明中雨滴传感器的电路图，所示RainFall Sensor雨滴传感器U10的VCC引脚接5V电源，RainFall Sensor雨滴传感器U10的GND引脚接地，RainFallSensor雨滴传感器U10的A0引脚与STM32F103V8T6芯片U1的PA7引脚电气连接，RainFallSensor雨滴传感器U10的其余引脚悬空。

如图12所示，给出了本发明中水流量传感器的电路图，水流量传感器采用型号为YF-S401水流量传感器U11，YF-S401水流量传感器U11的+引脚接5V电源， YF-S401水流量传感器U11的-引脚接地，水流量值监测电路包括YF-S401水流量传感器U11的S引脚与STM32F103V8T6芯片U1的PA8引脚电气连接。

如图13所示，给出了本发明中继电器模块的电路图，继电器模块电路包括5V继电器模块U12。5V继电器模块U12的DC+引脚接5V电源，5V继电器模块U12的DC-引脚接地，5V继电器模块U12的IN引脚接与STM32F103V8T6芯片U1的PB0引脚电气连接，5V继电器模块U12的NO引脚与T-DS3W-3电子水泵U13的+引脚电气连接，5V继电器模块U12的COM引脚接地，5V继电器模块U12的其余引脚悬空。

如图14所示，给出了本发明中电子水泵的电路图，电子水泵采用型号为JT-DS3W-3的电子水泵U13。JT-DS3W-3电子水泵U13的+引脚与5V继电器模块U12的NO引脚电气连接，JT-DS3W-3电子水泵U13的-引脚接5V电源。

如图15所示，给出了本发明中12V电源模块的电路图，所示的电源电路包括12V电池BT1,12V电池BT1的正极形成12V电源正极，并与LM7805芯片VR1的Vin引脚电气连接，12V电池BT1的负极接地。

如图16所示，给出了本发明中12V转5V电源模块的电路图，其包括LM7805芯片VR1、220u电解电容C7、0.1电容C8、100u电解电容C9和0.1电容C10。LM7805芯片VR1的Vin引脚、220u电解电容C7的正极、0.1电容C8的一端连接12V电源，LM7805芯片VR1的Vout引脚输出5V电压并与100u电解电容C9的正极、0.1电容C10的一端电气连接，LM7805芯片VR1的GND引脚、220u电解电容C7的负极、0.1电容C8的另一端、100u电解电容C9的负极、0.1电容C10的另一端接地。

如图17所示，给出了本发明中5V转3.3V电源模块的电路图，其包括AMS1117芯片VR2、10u电解电容C11和22u电解电容C12。AMS1117芯片VR2的Vin引脚与10u电解电容C11的正极接5V电源，AMS1117芯片VR2的Vout引脚输出3.3V电压并与22u电解电容C12的正极，AMS1117芯片VR2的GND引脚、10u电解电容C11的负极和22u电解电容C12的负极接地。

如图18所示，给出了本发明中微控制器的电源指示电路的电路图，电源指示电路包括LED灯D1和510R电阻R1。LED灯D1的正极接3.3V电源，负极与510R电阻R1的另一端电气连接，510R电阻R1的另一端接地。

如图19所示，给出了本发明中微控制器的复位电路的电路图，复位电路包括10K电阻R2、105电容C2和按键SW1。10K电阻R2的一端接3.3V电源，另一端与105电容C2电气连接，连接处与STM32F103V8T6芯片U1的NRST引脚电气连接，105电容C2的另一端接地，按键SW1的两端分别与105电容C2的两端电气连接。

如图20所示，给出了本发明中微控制器的BOOT电路的电路图，BOOT模式配置电路包括3X2接插件P1、10K电阻R3和10K电阻R4。3X2接插件P1的1引脚和2引脚接3.3V电源，3X2接插件P1的5引脚和6引脚接地，10K电阻R3的一端与3X2接插件P1的3引脚电气连接，另一端与STM32F103V8T6芯片U1的BOOT0引脚电气连接，10K电阻R4的一端与3X2接插件P1的4引脚电气连接，另一端与STM32F103V8T6芯片U1的BOOT1引脚电气连接。

如图21所示，给出了本发明中微控制器的SWD接口电路的电路图，USB-micro接口电路包括USB-micro接口P3、20R电阻R5、20R电阻R6和4.7K电阻R7。USB-micro接口P3的Vbus引脚接5V电源，USB-micro接口P3的ID引脚和G引脚接地，USB-micro接口P3的D-引脚与20R电阻R5的一端电气连接，20R电阻R5的另一端与STM32F103V8T6芯片U1的PA11电气连接，USB-micro接口P3的D+引脚与20R电阻R6的一端电气连接，20R电阻R6的另一端与STM32F103V8T6芯片U1的PA12电气连接，连接处与4.7K电阻R7的一端电气连接，4.7K电阻R7的另一端接地。

如图22所示，给出了本发明中微控制器的USB-micro接口电路的电路图，USB-micro接口电路包括SWD接口P2和104电容C1。SWD接口P2的4引脚与104电容C1的一端电气连接并接3.3V电源，SWD接口P2的1引脚与104电容C1的另一端电气连接并接地，SWD接口P2的3引脚和2引脚分别与STM32F103V8T6芯片U1的SWDIO引脚和SWDCLK引脚电气连接。

如图23所示，给出了本发明中微控制器的晶振电路的电路图，晶振电路包括32.768MHz晶振Y1、8MHz晶振Y2、1M电阻R8、22P电容C3、22P电容C4、22P电容C5和22P电容C6。22P电容C3、22P电容C4、22P电容C5和22P电容C6的一端接地，22P电容C3的另一端与32.768MHz晶振Y1的一端电气连接并与STM32F103V8T6芯片U1的PC14引脚电气连接，22P电容C4的另一端与32.768MHz晶振Y1的另一端电气连接并与STM32F103V8T6芯片U1的PC15引脚电气连接，22P电容C5的另一端与8MHz晶振Y2的一端电气连接并与STM32F103V8T6芯片U1的OSCIN引脚电气连接，22P电容C6的另一端与8MHz晶振Y2的另一端电气连接并与STM32F103V8T6芯片U1的OSCOUT引脚电气连接，1M电阻R8的两端分别与8MHz晶振Y2的两端电气连接。

Claims (9)

1.一种农田环境监测及自动化灌溉***，包括微控制器（1）及与其相连接的电源模块（3）、NB-IoT模块（2）和电子水泵（4），微控制器具有信号采集、数据运算和控制输出的作用，微控制器经继电器模块（14）与电子水泵相连接，电源模块用于提供稳定的直流电压，微控制器经NB-IoT模块与远端的上位机相通信；其特征在于：所述微控制器（1）的输入端连接有PH酸碱度传感器（5）、EC电导率传感器（6）、浊度传感器（7）、水质温度传感器（8）、土壤温度传感器（9）、土壤湿度传感器（10）、水位传感器（11）、雨滴传感器（12）和水流量传感器（13），浊度传感器、水质温度传感器和水流量传感器设置于电子水泵的进水口或出水口管路上；PH酸碱度传感器、EC电导率传感器、土壤温度传感器、土壤湿度传感器、水位传感器和雨滴传感器设置于待监测农田中；

微控制器经浊度传感器、水质温度传感器和水流量传感器检测农田灌溉时灌溉用水的浊度、温度和水流量信息，微控制器经PH酸碱度传感器、EC电导率传感器、土壤温度传感器、土壤湿度传感器、水位传感器和雨滴传感器分别检测农田的土壤PH、EC电导率、土壤温度、土壤湿度、农田中水位以及是否降雨以及降雨量信息，微控制器经NB-IoT模块将采集的数据上传至上位机，上位机将接收的信息进行显示并判断农田是否需要灌溉，并将相应的控制指令下发至微控制器，微控制器根据接收的上位机指令进行自动灌溉。

2.根据权利要求1所述的农田环境监测及自动化灌溉***，其特征在于：所述电源模块（3）由12V电源模块、12V转5V电源模块以及5V转3.3V电源模块组成，所述微控制器（1）采用型号为STM32F103C8T6的单片机。

3.根据权利要求2所述的农田环境监测及自动化灌溉***，其特征在于：所述NB-IoT模块（2）采用型号为WH-NB75-B5的芯片，芯片WH-NB75-B5的***连接有重新加载电路、复位电路、网络指示电路、网络工作电路、收发指示电路，芯片WH-NB75-B5的VIN引脚经电阻R9与12V电源的正极相连接，经电容C13与电解电容C14构成的并联电路接于电源地上，GND引脚接地，芯片WH-NB75-B5的URXD1、UTXD1引脚分别与单片机STM32F103C8T6的PA9、PA10引脚相连接；所述重新加载电路由电阻R10、电容C15、电阻R11和按键SW2组成，按键SW2的一端经电阻R10接于3.3V电源正极、经电容C15接地且与芯片WH-NB75-B5的Reload引脚相连接，按键SW2的另一端经电阻R11接地；所述复位电路由电阻R12、电容C16、按键SW3、电阻R13组成，按键SW3的一端经电阻R12接于3.3V电源正极、经电容C16接地且与芯片WH-NB75-B5的RESET引脚相连接；

所述网络指示电路由发光二极管LED2和NPN型三极管Q2组成，发光二极管LED2的正极经电阻R16接于3.3V电源正极，负极接于Q2的集电极上，Q2的发射极接地，基极经电阻R17与芯片WH-NB75-B5的NET引脚相连接；所述网络工作电路由发光二极管LED1和NPN型三极管Q1组成，发光二极管LED1的正极经电阻R14接于3.3V电源正极，负极与Q1的集电极相连接，Q1的发射极接地，基极经电阻R15接于芯片WH-NB75-B5的WORK引脚上；

所述收发指示电路由发光二极管LED3、LED4以及PNP型三极管Q3、Q4组成，发光二极管LED3的正极经电阻R18接于3.3V电源正极，负极与Q3的发射极相连接，Q3的集电极基底，基极经电阻R19接于芯片WH-NB75-B5的UTXD1引脚上；LED4的正极经电阻R20接于3.3V电源正极，负极与Q4的发射极相连接，Q4的集电极接地，基极经电阻R21与芯片WH-NB75-B5的URXD2引脚相连接。

4.根据权利要求2或3所述的农田环境监测及自动化灌溉***，其特征在于：所述PH酸碱度传感器（5）上设置有VCC、GND、Po、Do、To引脚，PH酸碱度传感器的VCC、GND引脚分别接于5V电源正极和地上，Po引脚接于单片机STM32F103C8T6的PA0引脚上，Do、To引脚悬空；所述EC电导率传感器（6）上设置有VCC、GND、T1、A0引脚，EC电导率传感器的VCC、GND引脚分别接于5V电源正极和地上，A0引脚接于单片机STM32F103C8T6的PA1引脚上，T1引脚悬空；所述浊度传感器（7）采用型号为TSW-20MK，TSW-20MK的V、G引脚分别接于5V电源正极和地上，A引脚接于单片机STM32F103C8T6的PA2引脚上，D引脚悬空。

5.根据权利要求2或3所述的农田环境监测及自动化灌溉***，其特征在于：所述水质温度传感器（8）的型号为DS18B20，DS18B20的VCC、GND引脚分别接于5V电源正极和电源地上，DQ引脚接于单片机STM32F103C8T6的PA3引脚上；所述土壤温度传感器（9）的型号也为DS18B20，作为土壤温度传感器的DS18B20的DQ引脚接于单片机STM32F103C8T6的PA4引脚上；所述土壤湿度传感器（9）的型号为FC-28，土壤湿度传感器FC-28的VCC、GND引脚分别接于5V电源正极和电源地上，A0引脚接于单片机STM32F103C8T6的PA5引脚上。

6.根据权利要求2或3所述的农田环境监测及自动化灌溉***，其特征在于：所述水位传感器（11）上设置有-、+和S引脚，水位传感器的+、-引脚分别接于5V电源正极和电源地上，S引脚接于单片机STM32F103C8T6的PA6引脚上；所述雨滴传感器（12）上设置有VCC、GND、D0和A0引脚，雨滴传感器的VCC、GND引脚分别接于5V电源正极和电源地上，A0引脚接于单片机STM32F103C8T6的PA7引脚上，D0引脚悬空；所述水流量传感器（13）的型号为YF-S401，水流量传感器YF-S401的+、-、S引脚分别接于5V电源正极、电源地和单片机STM32F103C8T6的PA8引脚上；

所述继电器模块（14）的输入端设置有DC+、DC-和IN引脚，输出端设置有NO、COM和NC引脚，DC+、DC-和IN引脚分别接于5V电源正极、电源地和单片机STM32F103C8T6的PB0引脚上，COM引脚接地，NC引脚悬空；电子水泵的型号为JT-DS3W-3，JT-DS3W-3的-引脚、+引脚分别接于5V电源正极和继电器模块的NO引脚上。

7.根据权利要求2或3所述的农田环境监测及自动化灌溉***，其特征在于：所述12V电源模块采用12V蓄电池BT1，蓄电池BT1的正极形成12V电源正极，负极接地；所述12V转5V电源模块采用型号为LM7805的三端稳压集成电路，LM7805的输入端Vin接于12V电源正极，输出端Vout形成5V电源正极；所述5V转3.3V电源模块采用型号为AMS1117的芯片，芯片AMS1117的输入端Vin接于5V电源正极，输出端Vout形成3.3V电源正极。

8.根据权利要求2或3所述的棉花仓储着火预警应急***，其特征在于：所述微控制器（1）的***设置有电源指示电路、复位电路、BOOT电路、USB-micro接口电路、SWD接口电路和晶振电路。

9.一种基于权利要求1所述的农田环境监测及自动化灌溉***的控制方法，其特征在于，通过以下步骤来实现：

a).数据采集和上传，微控制器经传感器实时采集待监测农田的土壤PH、EC电导率、土壤温度、土壤湿度、农田中水位以及是否降雨以及降雨量信息，并经NB-IoT模块将采集是数据信息上传至远端的上位机；

b).土壤酸碱度判断，上位机将获取的土壤PH显示出来，如果土壤PH小于6.0则给出改良酸性土壤的提示；如果土壤PH大于7.5则给出改良碱性土壤的提示；

c).EC电导率判断，上位机将获取的土壤EC电导率显示出来，如果土壤EC电导率大于设定的临界值，则给出改良土壤的提示；

d).土壤温度显示，上位机将获取的土壤温度信息显示出来，以供农田管理人员参考；

e).农田降雨判断，上位机根据微控制器上传的雨滴传感器的数据，判断出待监测农田是否降雨以及降雨量的大小，并将降雨信息显示出来；

f).土壤湿度判断，上位机将获取的农田土壤湿度信息显示出来，并判断土壤湿度是否低于设定的灌溉湿度阈值，如果低于灌溉湿度阈值，则向微控制器发送开启灌溉指令；

g).农田自动灌溉，微控制器经NB-IoT模块接收到上位机发送的灌溉指令后，经继电器模块开启电子水泵，对农田进行灌溉；

h).灌溉数据上传，在农田灌溉过程中，微控制器将采集的灌溉用水的浊度、温度和水流量信息实时上传至上位机；上位机将接收的灌溉用水的浊度、温度和水流量信息实时显示出来；

i).灌溉完毕判断，微控制器根据检测的数据判断灌溉水量是否达到了要求，以及农田的水位是否达到了要求，当两者之一满足要求时，则关闭电子水泵停止灌溉。

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