周金芝， 楊　明

（亳州學(xué)院電子與信息工程系，安徽亳州236800）

?

基于RS - 485總線的土壤濕度監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

周金芝， 楊明

（亳州學(xué)院電子與信息工程系，安徽亳州236800）

摘要：以單片機(jī)STC89C52作為控制核心，采用RS-485主從式多機(jī)通訊協(xié)議，設(shè)計(jì)土壤濕度監(jiān)控系統(tǒng).系統(tǒng)主要由土壤濕度測量模塊、RS-485通信模塊、信息處理模塊、液晶顯示模塊、超限報(bào)警模塊和灌溉控制模塊組成，其中土壤濕度測量采用SHT10溫濕度傳感器，信息顯示采用LCD1602液晶顯示器.測試結(jié)果表明：系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠，符合溫室大棚、園林苗圃、農(nóng)田等的土壤濕度監(jiān)控應(yīng)用要求.

關(guān)鍵詞：土壤濕度監(jiān)控系統(tǒng)；RS-485總線；溫濕度傳感器SHT10；STC89C52

土壤濕度對(duì)作物的正常生長和品質(zhì)產(chǎn)量有著直接和間接的影響.傳統(tǒng)土壤濕度監(jiān)測是采用現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)室分析處理，這種做法耗資耗時(shí)［1］，并且傳統(tǒng)灌溉方式也造成水資源的嚴(yán)重浪費(fèi).如何準(zhǔn)確快速地測定土壤濕度，對(duì)土壤水分進(jìn)行科學(xué)調(diào)控是實(shí)現(xiàn)科學(xué)灌溉、節(jié)水節(jié)能和灌溉自動(dòng)化的前提［2］.采用無線網(wǎng)絡(luò)通信的土壤濕度監(jiān)控系統(tǒng)雖然靈活性、可移動(dòng)性較強(qiáng)，但其通信信號(hào)易受周圍環(huán)境影響而導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定.鑒于以上情況，本文設(shè)計(jì)了一款基于單片機(jī)和RS-485通信的智能土壤濕度監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)土壤濕度監(jiān)控的自動(dòng)化.

1　系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

基于RS-485總線的土壤濕度監(jiān)控系統(tǒng)是由主機(jī)系統(tǒng)和從機(jī)系統(tǒng)組成，如圖1所示.主、從機(jī)系統(tǒng)之間通過RS-485總線協(xié)議進(jìn)行通信.其中主機(jī)系統(tǒng)由單片機(jī)最小系統(tǒng)、串口通信模塊、RS-485通信模塊、液晶顯示模塊及超限報(bào)警模塊組成；從機(jī)系統(tǒng)由單片機(jī)最小系統(tǒng)、串口通信模塊、RS-485通信模塊、土壤濕度測量模塊、控制驅(qū)動(dòng)模塊組成.從機(jī)系統(tǒng)的主要功能是采集土壤濕度數(shù)據(jù)并通過RS-485總線發(fā)送給主機(jī)系統(tǒng)；當(dāng)土壤濕度低于設(shè)定的閾值驅(qū)動(dòng)灌溉系統(tǒng)進(jìn)行灌溉；當(dāng)土壤濕度高于設(shè)定的閾值時(shí)，停止灌溉.主機(jī)系統(tǒng)的功能是通過RS-485總線接收從機(jī)系統(tǒng)發(fā)來的數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示在液晶顯示器上，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，當(dāng)接收到的數(shù)據(jù)超過設(shè)定閾值時(shí)驅(qū)動(dòng)指示燈進(jìn)行指示，驅(qū)動(dòng)蜂鳴器模塊進(jìn)行報(bào)警，然后發(fā)送數(shù)據(jù)給從機(jī)系統(tǒng).

圖1土壤濕度監(jiān)控系統(tǒng)

2　系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1單片機(jī)選擇

單片機(jī)為整個(gè)系統(tǒng)的核心，在系統(tǒng)中所起的作用為信息處理和控制［3］.出于對(duì)系統(tǒng)性能和產(chǎn)品成本等的考慮，系統(tǒng)選用臺(tái)灣宏晶科技推出的STC89C52單片機(jī).該單片機(jī)為40引腳雙排直插式的8位微處理器，工作電壓為3.3～5.5V（5V單片機(jī)），工作頻率范圍為0～40MHZ；擁有8K應(yīng)用程序空間，片上集成512字節(jié)RAM；擁有4個(gè)8位并行I/O端口，具有看門狗功能，共3個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、4路外部中斷和全雙工通用異步串行口.

2.2電源模塊電路設(shè)計(jì)

圖2電源模塊電路

電源模塊用于為整個(gè)系統(tǒng)供電.系統(tǒng)的電源類型有+5V和+12V兩種.單片機(jī)最小系統(tǒng)、串行通信模塊、液晶顯示模塊、RS-485通訊模塊、超限報(bào)警模塊、土壤濕度測量模塊采用+5V電源，而驅(qū)動(dòng)控制模塊則同時(shí)需要+5V和+12V兩種電源.根據(jù)系統(tǒng)需求，設(shè)計(jì)電源模塊電路如圖2.其中，LM7805是被廣泛使用的三端穩(wěn)壓集成電路，作用是輸出DC 5V的正電壓，一般使用TO-220的封裝，電路內(nèi)部包含過流及過載保護(hù)電路［4］.

2.3RS-485通信接口電路設(shè)計(jì)

圖3 RS-485通信接口電路

RS-485總線因其接口簡單、組網(wǎng)方便、傳輸距離遠(yuǎn)、靈敏度高等特點(diǎn)而得到廣泛應(yīng)用.作為目前最常用的串行通訊協(xié)議，RS-485最遠(yuǎn)通信距離可達(dá)1 219.2m，最大數(shù)據(jù)傳輸速率為10Mb/S［5］.平衡發(fā)送和差分接收使RS-485總線具有抑制共模干擾能力；再加上總線收發(fā)器能檢測低至200mV電壓的高靈敏度，故傳輸信號(hào)能在千米以外得到恢復(fù).實(shí)際上，RS-485在通信過程中可以通過增加最多8個(gè)中繼的方法來放大信號(hào)；理論上，其最大傳輸距離可達(dá)9.6km.該總線采用半雙工方式進(jìn)行通信，發(fā)送的同時(shí)不能接收，任何時(shí)刻只能有一點(diǎn)在發(fā)送數(shù)據(jù)，故發(fā)送電路須加使能信號(hào)進(jìn)行控制.這種通訊一般采用的是一個(gè)主機(jī)帶多個(gè)從機(jī)的主從通信方式.大多數(shù)情況下，RS-485的通信鏈路只是簡單地將各個(gè)接口的“A”、“B”端用一對(duì)雙絞線連接起來. RS-485總線接口電路如圖3.該電路采用MAX485作為發(fā)送器、接收器芯片，發(fā)送器和接收器的A、B引腳是對(duì)應(yīng)相連的. MAX485芯片為RS-485通信的特制芯片，可以有效擴(kuò)展通信網(wǎng)絡(luò)的結(jié)點(diǎn)數(shù).

2.4土壤濕度采集模塊設(shè)計(jì)

系統(tǒng)選用了SHT10作為土壤濕度傳感器.土壤型溫濕度探頭采用原裝進(jìn)口溫濕度傳感器為核心部件，銅燒結(jié)網(wǎng)的防護(hù)增探頭的耐溫、耐壓、耐損能力.傳感器內(nèi)部包含一個(gè)電容性聚合體測濕敏感元件和一個(gè)用能隙材料制成的測溫元件，這2個(gè)元件與一個(gè)14位的A/D轉(zhuǎn)換器和一個(gè)串行接口電路無縫連接在同一塊芯片上［6］.把傳感元件和信號(hào)處理集成起來，輸出全標(biāo)定的數(shù)字信號(hào)，可直接連接單片機(jī)使用.其濕度測量范圍為0～100%RH；濕度測量精度為±4.5%RH；響應(yīng)時(shí)間為8s（tau63%）；低功耗80μW（12位測量，1 次/s）.因此，該模塊具有響應(yīng)速度快、抗干擾能力強(qiáng)，適合農(nóng)業(yè)溫室大棚、花卉、苗圃、草坪等需要檢測土壤溫濕度環(huán)境的場合（該模塊電路設(shè)計(jì)如圖4）.

2.5超限報(bào)警模塊電路設(shè)計(jì)

圖4土壤濕度采集模塊電路

圖5超限報(bào)警模塊電路

超限報(bào)警模塊電路如圖5，其作用是當(dāng)接收到的數(shù)據(jù)信息高于或低于設(shè)定的閾值時(shí)，蜂鳴器發(fā)出蜂鳴聲進(jìn)行報(bào)警提示.該模塊電路中用到了PNP型三極管，起開關(guān)作用，當(dāng)收到的數(shù)據(jù)低于設(shè)定的閾值1或高于閾值2時(shí)，程序設(shè)定與該模塊電路相連的單片機(jī)的引腳P07為低電平，從而使PNP三極管導(dǎo)通，該模塊電路導(dǎo)通，蜂鳴器發(fā)出聲音進(jìn)行報(bào)警.

圖6驅(qū)動(dòng)控制模塊電路

2.6驅(qū)動(dòng)控制模塊電路設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)控制模塊電路如圖6.當(dāng)測量的土壤濕度值低于設(shè)定的閾值1時(shí)，軟件設(shè)定與該模塊相連的單片機(jī)的P25引腳為低電平，從而三極管PNP導(dǎo)通，繼電器動(dòng)觸點(diǎn)與常開觸點(diǎn)吸合，灌溉系統(tǒng)電路導(dǎo)通，開始對(duì)土壤進(jìn)行灌溉；當(dāng)測得土壤濕度超過設(shè)定的閾值2時(shí)，軟件設(shè)定與該模塊相連的單片機(jī)的P25引腳為高電平，三極管PNP截止，灌溉系統(tǒng)電路斷開，停止灌溉.

3　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用Keil uVision4作為軟件開發(fā)工具，以C語言為開發(fā)語言.系統(tǒng)軟件由RS-485通信模塊、土壤濕度采集模塊、液晶顯示模塊、超限報(bào)警模塊和驅(qū)動(dòng)控制模塊組成.主機(jī)系統(tǒng)和從機(jī)系統(tǒng)之間通過RS-485總線通信協(xié)議進(jìn)行通信，采用單片機(jī)串口中斷來接收數(shù)據(jù). RS-485通信流程是先由主機(jī)系統(tǒng)發(fā)送包含從機(jī)地址編號(hào)的控制命令給從機(jī)系統(tǒng)，從機(jī)系統(tǒng)在收到命令后將其中的地址編號(hào)與自己的地址進(jìn)行比較，如果相符，則將自己采集到的土壤濕度數(shù)據(jù)傳送給主機(jī)系統(tǒng)［7］.主機(jī)系統(tǒng)對(duì)收到的濕度數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，通過液晶顯示器LCD1602進(jìn)行顯示.如果濕度數(shù)據(jù)低于系統(tǒng)設(shè)定的閥值1，則超限報(bào)警模塊進(jìn)行報(bào)警，同時(shí)驅(qū)動(dòng)控制模塊電路導(dǎo)通，開始對(duì)土壤進(jìn)行灌溉；若檢測到的濕度數(shù)據(jù)高于設(shè)定的閾值2，則驅(qū)動(dòng)控制模塊電路斷開，停止灌溉.如圖7和8分別為主機(jī)系統(tǒng)和從機(jī)系統(tǒng)流程圖.

圖7主機(jī)系統(tǒng)流程

圖8從機(jī)系統(tǒng)流程

4　實(shí)例

本文對(duì)亳州地區(qū)5月初農(nóng)田土壤隨機(jī)采樣，得到10份采樣并進(jìn)行檢測以驗(yàn)證該系統(tǒng)的穩(wěn)定性與準(zhǔn)確性.檢測所使用的傳感器為SHT10土壤型溫濕度傳感器，系統(tǒng)依據(jù)小麥灌漿期最適宜生長的土壤相對(duì)含水量設(shè)定的最低閾值1、最高閾值2分別為70%和80%，土壤的監(jiān)測數(shù)據(jù)和系統(tǒng)測定數(shù)據(jù)見表1.

表1　檢測儀檢測與系統(tǒng)檢測土壤相對(duì)濕度數(shù)據(jù)

如表1所示，系統(tǒng)測量的土壤濕度數(shù)據(jù)與專用的土壤濕度檢測儀測得的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，得到系統(tǒng)的土壤相對(duì)濕度測量誤差值在±4.5%RH.表明系統(tǒng)各模塊功能正常，能夠較準(zhǔn)確地檢測出樣本土壤的相對(duì)濕度.在測量數(shù)據(jù)低于閾值1時(shí)紅色的指示燈亮，蜂鳴器發(fā)出報(bào)警，同時(shí)驅(qū)動(dòng)灌溉系統(tǒng)進(jìn)行灌溉，直至濕度值高于閾值2黃色的指示燈亮，灌溉系統(tǒng)停止灌溉；當(dāng)監(jiān)測到相對(duì)濕度數(shù)據(jù)超過閾值2時(shí)，系統(tǒng)點(diǎn)亮黃色的指示燈進(jìn)行相對(duì)濕度過高的提醒.系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)期的功能.

5　結(jié)語

本文以STC89C52單片機(jī)作為控制核心，以RS-485總線協(xié)議作為通信標(biāo)準(zhǔn)，通過溫濕度傳感器SHT10采集濕度數(shù)據(jù)，以液晶顯示器LCD1602作為數(shù)據(jù)的顯示工具，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一個(gè)土壤濕度監(jiān)控系統(tǒng).系統(tǒng)由濕度采集、液晶顯示、報(bào)警提示、驅(qū)動(dòng)控制、數(shù)據(jù)通信等模塊組成.當(dāng)傳感器采集到的數(shù)據(jù)低于設(shè)定的閾值1或高于設(shè)定的閾值2時(shí)，主機(jī)板聲光報(bào)警模塊進(jìn)行報(bào)警，同時(shí)從機(jī)板的驅(qū)動(dòng)控制模塊電路做出相應(yīng)的通斷反應(yīng).系統(tǒng)測量精確度相對(duì)較高，具有良好的靈敏度和穩(wěn)定性，可以實(shí)現(xiàn)24小時(shí)不間斷的監(jiān)控，符合溫室大棚、園林苗圃等的土壤濕度監(jiān)控的應(yīng)用要求.

不足之處在于只是在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)檢測土壤樣本濕度以驗(yàn)證系統(tǒng)的靈敏度、精確度和穩(wěn)定性，對(duì)于實(shí)際應(yīng)用時(shí)的系統(tǒng)供電問題沒有進(jìn)行考慮，后續(xù)工作是在系統(tǒng)中增設(shè)太陽能供電模塊、對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)展并用于農(nóng)田等土壤濕度監(jiān)控中進(jìn)行實(shí)測.

參考文獻(xiàn)：

［1］杜英.基于GSM的土壤濕度監(jiān)測系統(tǒng)的研究［J］.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)∶自然科學(xué)版，2014，34（1）∶81-83，92.

［2］姚蕾.分布式無線土壤濕度監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.農(nóng)機(jī)化研究，2013（3）∶88-91.

［3］謝彤.基于單片機(jī)的溫室智能灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2013，41（18）∶8048-8049，8068.

［4］王澤師.基于單片機(jī)的大功率數(shù)碼管倒計(jì)時(shí)系統(tǒng)［J］.科技信息，2011（11）∶108-109.

［5］張五一，羅冬冬，程賓.基于RS485多機(jī)通信的四軸步進(jìn)電機(jī)同步控制系統(tǒng)［J］.中原工學(xué)院學(xué)報(bào)，2015，26（3）∶19-23.

［6］王麗芬，馬明濤.基于ARM的農(nóng)業(yè)環(huán)境因子監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)的探析［J］.中國農(nóng)機(jī)化學(xué)報(bào)，2013，34（4）∶231-233，256.

［7］楊藝，李強(qiáng)，劉基宏.細(xì)紗斷紗遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用［J］.自動(dòng)化儀表，2016，37（2）∶45-48，53.

（責(zé)任編輯：饒超）

Design and Implementation of Soil Moisture Monitoring System Based on RS-485 Bus

ZHOU Jinzhi，YANG Ming
（Electronics and Information Engineering Department，Bozhou University，Bozhou 236800，China）

Abstract:A soil moisture monitoring system was designed and implemented，which takes STC89C52 MCU as control core，and adopts RS-485 master-slave type multicomputer communication protocol. System is mainly composed of soil moisture measurement module，RS-485 communication module，information processing module，liquid crystal display module，transfinite alarm module and irrigation control module，of which using SHT10 temperature and humidity sensor to measure soil moisture，and using LCD1602 liquid crystal display to display message. Testing results show that the system is stable and reliable，and can meet application requirements of soil moisture monitoring of greenhouses，garden nurseries，farmland etc.

Key words:Soil moisture monitoring system；RS-485 bus；Temperature and humidity sensor SHT10；STC89C52

中圖分類號(hào)：TP23

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：2095-4476（2016）05-0012-05

收稿日期：2016-04-18；

修訂日期：2016-05-15

基金項(xiàng)目：亳州學(xué)院2015年度校級(jí)科研課題（BSKY201538）；亳州市2014年度科技攻關(guān)自籌經(jīng)費(fèi)項(xiàng)目；安徽省2016年高校優(yōu)秀青年人才支持計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目（gxyqZD2016521）.

作者簡介：周金芝（1982—），女，安徽碭山人，亳州學(xué)院電子與信息工程系講師.

通訊作者：楊明（1982—），男，安徽淮北人，亳州學(xué)院電子與信息工程系副教授，博士在讀.