鐘 源， 王天勇， 袁仕波，楊 靖

(貴州大學(xué)電氣工程學(xué)院，貴州貴陽 550025)

一種便攜式農(nóng)田小氣候信息采集裝置的設(shè)計

鐘 源， 王天勇， 袁仕波，楊 靖*

(貴州大學(xué)電氣工程學(xué)院，貴州貴陽 550025)

摘要針對農(nóng)田小氣候監(jiān)測的需要設(shè)計了一種便攜式農(nóng)田小氣候信息采集裝置，并對該裝置系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、硬件結(jié)構(gòu)及系統(tǒng)軟件設(shè)計進(jìn)行了詳細(xì)介紹。實(shí)地調(diào)試結(jié)果證明，該裝置具有較好的靈活性，便于攜帶，采集信息范圍較廣，完全能滿足當(dāng)前農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的需求，適用于農(nóng)田、果園、草原等多種農(nóng)業(yè)環(huán)境。

關(guān)鍵詞GPRS；MSP430；nRF905；傳感器；農(nóng)田小氣候

農(nóng)田小氣候是指農(nóng)田中作物層里形成的特殊氣候[1]，是由農(nóng)田貼地氣層、土層與作物群體之間的物理過程和生物過程相互作用所形成的小范圍氣候環(huán)境，常以農(nóng)田貼地氣層中的空氣溫度與濕度、風(fēng)速與風(fēng)向、降雨量以及土壤溫度與濕度、光照強(qiáng)度等農(nóng)業(yè)氣象要素的量值表示，是影響農(nóng)作物生長發(fā)育和產(chǎn)量形成的重要環(huán)境條件。采集并研究農(nóng)田小氣候，對作物生長的環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測，有助于農(nóng)業(yè)氣候資源的調(diào)查、分析和開發(fā)，農(nóng)田技術(shù)措施效應(yīng)的評定及病蟲害發(fā)生滋長的預(yù)測等[2-3]?；谵r(nóng)田小氣候信息采集的重要性以及實(shí)用性，筆者設(shè)計了一種便攜式農(nóng)田小氣候信息采集裝置，以期為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供幫助。

1系統(tǒng)組成

該套裝置旨在采集農(nóng)田小氣候信息，如空氣溫度與濕度、土壤溫度與濕度、風(fēng)速與風(fēng)向、降雨量、光照強(qiáng)度等。借助于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，基于嵌入式技術(shù)、無線通信技術(shù)、微機(jī)電系統(tǒng)、傳感器技術(shù)等，整套裝置的信息來源于底層傳感器采集的數(shù)據(jù)。主控制器MSP430是該系統(tǒng)的核心部分， MSP430自帶有A/D轉(zhuǎn)換模塊，所以該系統(tǒng)不再需要外接A/D轉(zhuǎn)換模塊。監(jiān)控中心即上位機(jī)系統(tǒng)起著存儲數(shù)據(jù)、實(shí)時監(jiān)控農(nóng)田小氣候的作用，該系統(tǒng)位于整套系統(tǒng)最頂層。而電源模塊為整套裝置提供工作電源，串口顯示模塊實(shí)時顯示采集的農(nóng)田小氣候信息。該套裝置系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　便攜式農(nóng)田小氣候信息采集裝置系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意Fig. 1　System structure diagram of a portable sampling device for the collection of field microclimate information

2裝置硬件組成

如圖2所示，該裝置硬件組成主要由主控制器MSP430、電源模塊、傳感器模塊、顯示模塊、通信模塊組成。傳感器將采集到的農(nóng)田小氣候信息傳送至主控制器MSP430，顯示屏將實(shí)時采集到的數(shù)據(jù)顯示出來，再通過遠(yuǎn)程通信模塊將數(shù)據(jù)傳送到上位機(jī)，以達(dá)到對農(nóng)田小氣候的實(shí)時監(jiān)測。

圖2　便攜式農(nóng)田小氣候信息采集裝置硬件結(jié)構(gòu)示意Fig. 2　Hardware structure diagram of a portable sampling device for the collection of field microclimate information

2.1主控制器模塊該裝置采用MSP430微處理器作為主控制器(圖3)，MSP430系列單片機(jī)是美國德州儀器(TI)1996年開始推向市場的一種16位超低功耗、具有精簡指令集(RISC)的混合信號處理(Mixed signal processor)。它可將多個不同功能的模擬電路、數(shù)字電路模塊和微處理器集成在一個芯片上，以提供“SOC”解決方案。該系列單片機(jī)多應(yīng)用于需要電池供電的便攜式儀器儀表中。

圖3　系統(tǒng)主控制器Fig. 3　 The main controller of the system

2.2電源模塊采用太陽能板和鋰蓄電池為該系統(tǒng)晝夜交替供電，這樣不僅能提供更穩(wěn)定的工作電源，而且還能達(dá)到新能源的合理利用，既環(huán)保又實(shí)用。鋰蓄電池比傳統(tǒng)鉛蓄電池更環(huán)保、節(jié)能，由于這套裝置各傳感器工作電壓多為3.3～5.0 V，所以擬采用12 V鋰蓄電池，額定電壓：12.0 V，充電電壓：14.6 V，額定容量：20 Ah，持續(xù)放電電流：55 A。考慮到太陽能電池板要為鋰蓄電池充電以便于在沒有太陽能的天氣繼續(xù)為該套裝置供電，太陽能電池板擬采用18 V多晶10 W太陽能光伏發(fā)電板，該電池板可為12 V蓄電池直接充電，其組件尺寸為255 mm×345 mm×17 mm，最大工作電壓為17.6 V，最大工作電流為0.57 A。

2.3傳感器模塊系統(tǒng)中空氣溫度傳感器選用型號為DS18B20，其供電電壓為3.0～5.5 V，測量范圍為-55～125 ℃；空氣濕度傳感器選用型號為AM2306，供電電壓為2.4～5.5 V，該傳感器測量濕度范圍為0～100%(RH)；土壤溫度傳感器選用型號為DS18B20，工作電壓為3.0～5.5 V，測量范圍為-55～125 ℃；土壤含水量傳感器選用型號為GZUSH1000，供電電壓為5～12 V，測量范圍為0～100%(RH)；風(fēng)向傳感器選用型號為GZUWD1000，在5～12 V均可正常工作，其測量范圍可達(dá)16個方位；風(fēng)速傳感器選用型號為GZUWS1000，供電電壓為5～12 V，測量范圍為0～30 m/s；光照強(qiáng)度傳感器選用型號為GZUL1000，供電電壓為5～12 V，測量范圍為0～100 klx；降雨量傳感器選用型號為GZUR1000，供電電壓為5～12 V，測量范圍為0～3.0 mm/min。2.4顯示模塊顯示模塊擬采用的是液晶(LCD)顯示屏，LCD模塊分為屏和背光燈組件。所選型號為廣州大彩公司生產(chǎn)的ET070，該顯示屏尺寸為7寸,工作電壓范圍為12～28 V。

2.5通信模塊通信模塊分為遠(yuǎn)程通信和短距離通信。

2.5.1遠(yuǎn)程通信。遠(yuǎn)程通信是將主控制器MSP430采集到的數(shù)據(jù)信息發(fā)送到監(jiān)控中心即上位機(jī)。遠(yuǎn)程通信擬采用SIM900A,SIM900A是一個2頻的GSM/GPRS模塊，工作的頻段為ESGM 900 MHz和DCS 1 800 MHz,SIM900A支持GPRS multi-slot chass 10/class8(可選)和GPRS編碼格式CS-1、CS-2、CS-3、CS-4。

2.5.2短距離通信。 短距離通信即底層傳感器和主控制器間的數(shù)據(jù)傳遞，短距離通信擬采用nRF905，nRF905芯片是由挪威NORDIC公司出品的低于1 GHz無線數(shù)傳芯片，主要工作于433、868和915 MHz的ISM頻段。芯片內(nèi)置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器和調(diào)制器等功能模塊，輸出功率和通信頻道可通過程序進(jìn)行配置。非常適用于低功耗、低成本的系統(tǒng)設(shè)計。nRF905有2種活動模式：典型ShockBurst TX模式和典型ShockBurst RX模式，2種節(jié)電模式：掉電和SPI編程以及STANDBY和SPI編程[4]。

3系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1系統(tǒng)主程序設(shè)計系統(tǒng)主程序流程如圖4所示。主控制器作為整個系統(tǒng)的核心控制部分，主要是采集來自傳感器的數(shù)據(jù)，再將數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)中心。MSP430通過自帶的A/D通道進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，MSP430與SIM900A模塊之間的通信采用單片機(jī)的串口0(UART0)來實(shí)現(xiàn)。此外，單片機(jī)還與串行存儲器接口以記錄某些關(guān)鍵數(shù)據(jù)。由于主控制器單片機(jī)要同時接受多個傳感器的數(shù)據(jù)信息，所以在主程序中有必要設(shè)置多個斷點(diǎn)以便于傳感器出現(xiàn)問題時進(jìn)行檢查。

3.2傳感器采集控制程序設(shè)計傳感器采集得到的都是模擬量，模擬量可通過單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換通道將信號進(jìn)行處理，得到單片機(jī)能識別的數(shù)字信號。MSP430的A/D轉(zhuǎn)換有

圖4　系統(tǒng)主程序流程Fig. 4　 Main program flowchart of the system

2種模式：序列通道單次轉(zhuǎn)換、系列通道多次轉(zhuǎn)換[5]。關(guān)于轉(zhuǎn)換模式的選擇主要通過設(shè)置相應(yīng)的A/D轉(zhuǎn)換的寄存器來實(shí)現(xiàn)。 數(shù)據(jù)采集的時間間隔通過定時器A來完成，即在每次定時器A中斷到來時轉(zhuǎn)換，當(dāng)讀取數(shù)據(jù)完畢后啟動A/D轉(zhuǎn)換，如果得到數(shù)據(jù)，則設(shè)置一個標(biāo)志位通知主程序，告訴主程序以及得到新的數(shù)據(jù)，主程序進(jìn)入中斷服務(wù)程序。

4結(jié)語

該裝置具有較好的靈活性，便于攜帶。實(shí)地調(diào)試結(jié)果證明，該裝置能較好地采集農(nóng)田小氣候的基本信息，采集信息的范圍較廣，完全能滿足當(dāng)前農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的需求，適用于農(nóng)田、果園、草原等多種農(nóng)業(yè)環(huán)境，能讓生產(chǎn)者實(shí)時掌握農(nóng)田小氣候的信息，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)有較大的幫助。

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Design of a Portable Sampling Device for the Collection of Field Microclimate Information

ZHONG Yuan, WANG Tian-yong, YUAN Shi-bo, YANG Jing*

(College of Electrical Engineering, Guizhou University, Guiyang, Guizhou 550025)

AbstractA portable sampling device for the collection of field microclimate information was designed to meet the needs of field microclimate monitoring. Detailed introduction was carried out on the system structure, hardware structure, and system software design of this device. Results of field investigation showed that this system had relatively good flexibility, easy to carry, and a wide range of gathering information. It could meet the requirements of current agricultural production, which was suitable for various agricultural environments of farmland, orchard and grassland.

Key wordsGPRS; MSP430; nRF905; Sensor; Field microclimate

基金項目貴州省工業(yè)攻關(guān)項目(黔科合 GY字[2013]3061)；貴州省人才培養(yǎng)項目[黔科合 人字(2013)11號]；貴州省科技基金項目(黔科合J字[2013]2117號)；貴州省農(nóng)業(yè)攻關(guān)項目(黔科合 NY字[2011]3108)；大學(xué)生創(chuàng)新項目[貴大(國)創(chuàng)字2014(011)]；貴州省人才團(tuán)隊項目[黔科合人才團(tuán)隊(2015)4014]；貴州省科技廳合作項目(2015)。

作者簡介鐘源(1993- )，男，貴州遵義人，本科生，專業(yè)：自動化。*通訊作者，教授，博士，從事自動化技術(shù)研究。

收稿日期2016-03-07

中圖分類號S 220.2

文獻(xiàn)標(biāo)識碼A

文章編號0517-6611(2016)11-258-02