查看: 47590 | 回复: 0

发表于: 2022-4-12 17:24:03 | 显示全部楼层

在本篇文章中，我们将学习如何使用Arduino和ESP32制作基于物联网的土壤养分在线监测和分析系统。土壤是农业的基础，它提供促进作物生长的养分。土壤的一些化学和物理特性，例如其水分、温度、土壤氮、磷和钾含量严重影响作物的产量。这些属性可以被开源硬件感知，并且可以在现场使用。

在本文中，我们提出了一个土壤养分监测和分析系统，农民将能够监测土壤水分、土壤温度和土壤养分含量，如氮、磷和钾。同时还可以在手机上无线监控所有这些参数。

为了测量土壤水分，我们将使用电容式土壤湿度传感器。使用DS18B20防水温度传感器测量土壤温度。同样，为了测量土壤NPK值，我们将使用土壤NPK传感器。所有这些传感器都可以轻松地实现与Arduino的无缝连接。

我们使用Thingspeak服务器以图形和数字格式监控数据。本文使用NRF2401无线收发模块将数据从传感器节点发送到网关。来自发射器的数据可以从一公里外无线传输到接收器。接收器使用ESP32 WiFi模块构建，可访问WiFi网络。通过这个WiFi网络，数据可以上传到Thingspeak服务器。

所需的组件

● Arduino Nano开发板

● ESP-32S开发板 (ESP-WROOM-32)

● NRF24L01无线收发器模块

● 土壤NPK传感器

● 电容式土壤湿度传感器

● DS18B20防水温度传感器

● MAX485 Modbus模块

● 9V - 12V直流电源

● 连接跳线

● 面包板

使用的传感器：土壤湿度、温度和NPK

基于物联网的土壤养分监测、分析和测试项目需要一些传感器，这些传感器将在下面详细说明。

电容式土壤湿度传感器

要测量土壤水分含量，我们需要一个土壤湿度传感器。对于此应用，首选电容式土壤湿度传感器（Capacitive Soil Moisture Sensor）。我们将使用模拟电容式土壤湿度传感器，通过电容式感应测量土壤湿度值。这意味着电容会根据土壤中的含水量而变化。测得的电容转换成电压，最大值为1.2V至3.0V。电容式土壤湿度传感器的优点是它们由耐腐蚀材料制成，使用寿命长。

电容式土壤湿度传感器工作在3.3V-5.5V，输出为模拟形式，最高可达3V。我们可以将输出电压转换为百分比值。

DS18B20防水温度传感器

这是DS18B20传感器的接线防水版本，用于测量潮湿条件下的物体。传感器可以测量-55 到125°C（-67°F 到 +257°F）之间的温度。电缆采用PVC护套。这些1线数字温度传感器相当精确，即在大部分范围内为 ±0.5°C。它们适用于使用单个数字引脚的任何微控制器。

NPK传感器

土壤氮磷钾传感器（NPK Sensor）适用于检测土壤中氮、磷、钾的含量。它有助于确定土壤的肥力。传感器可以长时间埋在土壤中。

该传感器不需要任何化学试剂，同时该传感器测量精度高、响应速度快、互换性好，可与任何单片机配合使用。要读取 NPK 数据，您需要Modbus模块，例如RS485/MAX485模块。 Modbus模块连接到微控制器和传感器。

传感器工作在9-24V下。传感器的精度高达2%以内。氮、磷和钾的测量分辨率高达 1mg/kg (mg/l)。

使用Arduino和ESP32进行基于物联网的土壤养分监测的硬件电路

现在，让我们来看看使用Arduino和ESP32进行基于物联网的土壤养分监测的硬件电路。需要制作两个电路。一个电路称为传感器节点，使用Arduino Nano开发板板和一些传感器以及NRF24L01收发器模块制成的。另一个电路时网关，我们使用了ESP32 WiFi模块和NRF24L01收发器模块。传感器节点将数据发送到网关，网关将数据上传到Thingspeak服务器。

传感器节点电路

传感器节点电路和连接图如下。传感器节点包括Arduino Nano开发板、NRF24L01收发器模块、土壤湿度传感器、DS18B20温度传感器和土壤氮磷钾传感器。

电容式土壤湿度传感器的模拟引脚连接到Arduino的A0。同样，DS18B20传感器连接到Arduino的D5。氮磷钾传感器通过Modbus引脚连接到Arduino的 2,3,7,8 引脚。NPK 传感器工作在9V-24V之间。因此，电路需要外接电源。其余所有组件均可通过Arduino的5V/3.3V 引脚供电。