張燁

摘要：針對現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)蔬菜大棚生產(chǎn)過程中需要對大棚的環(huán)境信息進(jìn)行采集和處理，以便為農(nóng)戶的決策服務(wù)，設(shè)計了基于Arduino控制板的大棚環(huán)境信息無線采集系統(tǒng)。系統(tǒng)使用基于AVR單片機(jī)的Arduino控制板作為采集控制設(shè)備，實現(xiàn)對大棚的溫度、土壤溫濕度、光照等特征信息的采集、顯示、存儲及監(jiān)測報警等功能。適用于對精細(xì)化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中的信息采集等場合。

關(guān)鍵詞：Arduino控制板；傳感器；無線模塊；數(shù)據(jù)采集

中圖分類號： N945；TP274+.2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號：1002-1302（2016）07-0439-04

實現(xiàn)農(nóng)業(yè)的現(xiàn)代化是我國發(fā)展的一個重要目標(biāo)，而精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)又是目前農(nóng)業(yè)發(fā)展的大趨勢，代表了未來農(nóng)業(yè)的發(fā)展方向。隨著我國城市化進(jìn)程的推進(jìn)，會占用大量的可耕地，我國的國情又是人多地少，需要大幅度提高土地的生產(chǎn)效率，才能產(chǎn)出更多的糧食，達(dá)到保證我國的糧食安全的目的。近幾年快速發(fā)展的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為實現(xiàn)我國農(nóng)業(yè)的精細(xì)化生產(chǎn)提供了可能。我國已經(jīng)把“農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)”納入到“十二五”“863”計劃中，可見國家對其的重視。

溫室大棚是我國北方農(nóng)業(yè)中非常普遍的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)設(shè)施，為我國人們的“菜籃子”作出了很大貢獻(xiàn)，使大家在寒冷的冬天也能吃到豐富多樣的夏季時令蔬菜。但是，溫室大棚的生產(chǎn)設(shè)備普遍簡陋，大部分還是完全依靠人工來進(jìn)行監(jiān)控和操作，而且?guī)缀跻矝]有什么監(jiān)控設(shè)施，嚴(yán)重影響蔬菜大棚的生產(chǎn)效率，造成了產(chǎn)出投入比低下的情況。冬天菜農(nóng)最關(guān)心的是大棚內(nèi)的光照度與空氣及土壤的溫濕度，因為這些信息對植物的種植和生長有非常大的關(guān)系。如果能夠?qū)崟r監(jiān)控這些關(guān)鍵信息，對提高蔬菜大棚的生產(chǎn)效率、增加菜農(nóng)的收入、降低菜農(nóng)的勞動強度及提高蔬菜種植的自動化程度非常有幫助。

目前有不少關(guān)于蔬菜大棚環(huán)境信息采集的文獻(xiàn)[1-13]，如文獻(xiàn)[1]提出了基于LabVIEW的蔬菜大棚監(jiān)控系統(tǒng)，分布放置的傳感器將溫濕度、光照度和氣體濃度等環(huán)境參數(shù)變換成電信號，經(jīng)處理上傳至PC機(jī)后，上位機(jī)軟件采用LabVIEW編寫，具有直觀效率高的特點，但該系統(tǒng)需要進(jìn)行現(xiàn)場的布線是一大缺點。文獻(xiàn)[2]提出了基于ZigBee技術(shù)的農(nóng)田信息服務(wù)系統(tǒng)，該系統(tǒng)結(jié)合基于32位單片機(jī)和數(shù)字信號處理器的嵌入式移動終端及WebGIS農(nóng)田信息管理系統(tǒng)來獲得各種農(nóng)田信息。文獻(xiàn)[3]提出了基于CC2533的ZigBee和ARM處理器的蔬菜大棚環(huán)境數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，實現(xiàn)了和3G無線通信進(jìn)行數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸。文獻(xiàn)[4]提出了基于 ZigBee 技術(shù)通過對傳感器節(jié)點、協(xié)調(diào)器節(jié)點、路由器節(jié)點和終端控制器的硬件和軟件設(shè)計，解決了傳統(tǒng)蔬菜大棚中布線難、節(jié)點移動性差和系統(tǒng)可擴(kuò)展性差等問題，滿足了蔬菜大棚中環(huán)境參數(shù)自動監(jiān)測的需要。

本研究結(jié)合我國北方蔬菜大棚的發(fā)展?fàn)顩r和特點，也為了推進(jìn)我國精細(xì)化農(nóng)業(yè)的信息化發(fā)展水平，結(jié)合嵌入式技術(shù)和無線傳輸模塊，設(shè)計了基于Arduino控制板和無線數(shù)據(jù)采集和傳輸?shù)臏厥掖笈锃h(huán)境信息的無線采集系統(tǒng)。系統(tǒng)主要包括環(huán)境信息如空氣的溫度、濕度及光照度，土壤的溫度、濕度等信息的采集處理模塊，無線傳輸模塊，上位機(jī)顯示。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計

系統(tǒng)由Arduino Meag2560控制板、土壤溫度和濕度傳感器、空氣溫濕度傳感器、光照度轉(zhuǎn)換模塊和無線數(shù)據(jù)傳輸模塊組成，其中Meag2560控制板是系統(tǒng)控制中心，負(fù)責(zé)把采集上來的數(shù)據(jù)按照定義好的通信協(xié)議發(fā)送給上位機(jī)，數(shù)據(jù)主要包括溫室土壤的溫濕度、溫室空氣的溫濕度和光照度等。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 Arduino Mega 2560控制板

Arduino是一款包含硬件和軟件的開源電子原型平臺，有使用類似Java、C語言的Processing/Wiring開發(fā)環(huán)境，有大量的經(jīng)過封裝的函數(shù)和大量的傳感器函數(shù)庫，非常方便和各類傳感器（溫度、壓力、速度、傾角等）進(jìn)行對接。通過傳感器來感知環(huán)境進(jìn)而控制燈光、馬達(dá)和其他裝置來反饋、影響環(huán)境。

本系統(tǒng)使用的Arduino Mega 2560為控制核心，是Arduino USB接口系列的最新版本，核心處理器是ATmega2560，具有54路數(shù)字輸入/輸出口（16路可作為PWM輸出），6路模擬輸入，4路UART接口，1個16 MHz晶體振蕩器，1個USB口，支持I2C和SPI通信協(xié)議。

2.2 土壤溫濕度數(shù)據(jù)采集

土壤溫度數(shù)據(jù)采集模塊采用TC77，該溫度傳感器特別適用于低成本和小尺寸應(yīng)用場合，并具有串行通信數(shù)字接口。工作時TC77僅消耗250 μA（典型值）的電流，因此成為在不同系統(tǒng)中實現(xiàn)溫度管理的理想選擇（圖2）。溫度對照表如表1所示。

土壤水分采集部分采用FC-28模塊，使用工作穩(wěn)定的LM393芯片，非常適用于對土壤的水分檢測。通過滑動電阻的調(diào)節(jié)可以控制土壤水分的閥值，對土壤水分的控制范圍很大，當(dāng)土壤水分高于設(shè)定值時，輸出LOW；低于設(shè)定值時，輸出HIGH（1）。其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

2.3 光照度模塊單元

光照度用單位垂直面積所接受的光通量表示。光敏二極管把可見光強度大小轉(zhuǎn)換為電信號進(jìn)入單片機(jī)系統(tǒng)，然后根據(jù)溫度感應(yīng)對光信號進(jìn)行溫度補償后輸出精確的線性電信號。

本單元采用GY-30模塊作為光照度監(jiān)測。該模塊內(nèi)置16B AD轉(zhuǎn)換器，光照度范圍的0～216-1 lx，并帶有I2C總線硬件接口，方便和控制器進(jìn)行連接（圖4）。模塊引腳表示如表2所示。

2.4 空氣溫濕度傳感器模塊

空氣溫濕度傳感器模塊采用RHT03-A，該模塊是一款單接口芯片的溫濕度模塊。其內(nèi)部自帶有上拉電阻，一般不需要接外部上拉電阻，具有傳輸速度快、測量準(zhǔn)確及連接方便等優(yōu)點。適合于對溫濕度的精度要求較高的場合，如環(huán)境測量等，其和控制板的連接圖如圖5所示。

RHT03溫濕度傳感器采集的數(shù)據(jù)組成見表3。

校驗和為前面4 b的數(shù)據(jù)和的低8位數(shù)據(jù)。例如讀到的數(shù)據(jù)為Hex：01B8：02A5：60，則

濕度=44.0%。溫度=（677-400）/10=27.7。溫度的單位為℃，此數(shù)據(jù)有40 ℃的正偏移，需要在數(shù)據(jù)中減去偏移量40.0 ℃，本溫度數(shù)據(jù)沒有符號，如果讀到的數(shù)據(jù)為400以下則為負(fù)溫度，為0表示-40.0 ℃，校驗和為01 h+B8 h+02 h+A5 h=160 h，取低8位數(shù)據(jù)即為60 h。

2.5 無線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊

APC220模塊是高度集成半雙工微功率無線數(shù)據(jù)傳輸模塊，內(nèi)部嵌入了高速單片機(jī)和高性能射頻芯片。采用高效的循環(huán)交織糾檢錯編碼，抗干擾和靈敏度都大大提高，最大可以糾24 b連續(xù)突發(fā)錯誤。提供多頻道的選擇，可在線修改串口速率、發(fā)射功率、射頻速率等各種參數(shù)。能夠透明傳輸任何大小的數(shù)據(jù)，而用戶無須編寫復(fù)雜的設(shè)置與傳輸程序，同時具有體積小、寬電壓運行，能夠傳輸較遠(yuǎn)的距離，空曠地帶可達(dá) 1 000 m 的優(yōu)點，另外還具有豐富便捷的軟件編程設(shè)置功能，應(yīng)用的領(lǐng)域非常廣泛，設(shè)置界面如圖6所示，和系統(tǒng)連接示意圖如圖7所示，系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖如圖8所示，環(huán)境信息采集終端實物圖如圖9所示，串口調(diào)試界面如圖10所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 底層軟件設(shè)計

底層軟件使用Keil c開發(fā)，該軟件是基于C語言的集成開發(fā)環(huán)境（IDE）。

程序主要包括大循環(huán)、各種傳感器數(shù)據(jù)的采集和轉(zhuǎn)換子程序，串口收發(fā)程序等。發(fā)送數(shù)據(jù)間隔5 s，采用自定義數(shù)據(jù)幀格式，每幀以0xFB開頭，0xFE結(jié)束，具體數(shù)據(jù)幀格式如表2所示，數(shù)據(jù)幀格式如表3所示，程序流程圖如圖11所示。

3.2 上位機(jī)軟件設(shè)計

上位機(jī)的控制軟件采用VB 6.0編寫，通過采集終端將采集來的環(huán)境信息數(shù)據(jù)按照通信協(xié)議經(jīng)由無線發(fā)送模塊發(fā)給上位機(jī)，經(jīng)過數(shù)據(jù)接收和處理由相應(yīng)的顯示控件進(jìn)行實時顯示，同時把數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫。主界面顯示如圖12所示，溫度曲線圖如圖13所示。

4 結(jié)束語

本研究基于Arduino控制板的溫室環(huán)境信息無線采集系統(tǒng)，能夠采集溫室大棚環(huán)境中的溫度、濕度、空氣的光照度等環(huán)境信息，應(yīng)用于對精細(xì)化農(nóng)業(yè)的種植。系統(tǒng)具有操作方便、簡單、抗干擾性強的特點，具有較高的推廣使用價值。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉桂禮，宮玉林，孔全存，等. 基于LabVIEW設(shè)計的蔬菜大棚種植監(jiān)控系統(tǒng)[J]. 農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化研究，2015（1）：154-159.

[2]孫玉文，沈明霞，張祥甫，等. 基于嵌入式ZigBee技術(shù)的農(nóng)田信息服務(wù)系統(tǒng)設(shè)計[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報，2010，41（5）：148-151.

[3]吳新生. 基于3G和ZigBee的蔬菜大棚遠(yuǎn)程無線監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計[J]. 計算機(jī)與現(xiàn)代化，2013（5）：124-126.

[4]李瑋瑤，王建璽，王 巍. 基于ZigBee的蔬菜大棚環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計[J]. 現(xiàn)代電子技術(shù)，2015（12）：51-54.

[5]宋慶恒. 基于多傳感器數(shù)據(jù)融合的蔬菜大棚控制系統(tǒng)設(shè)計[J]. 農(nóng)機(jī)化研究，2015（4）：211-214.

[6]黃 鶯. 基于Android系統(tǒng)的蔬菜大棚環(huán)境參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)[J]. 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2014，42（12）：423-425.

[7]馬 駿. 蔬菜大棚溫度電控系統(tǒng)的模糊控制研究[J]. 中國農(nóng)機(jī)化學(xué)報，2015（1）：128-131.

[8]劉 娟，周 超，曹 成，等. 蔬菜大棚小氣候變化特征及預(yù)警服務(wù)系統(tǒng)的應(yīng)用研究[J]. 上海農(nóng)業(yè)學(xué)報，2015（4）：69-74.

[9]付煥森，李元貴，張雪蓮，等. 智能專家系統(tǒng)在蔬菜溫室大棚種植中的應(yīng)用[J]. 中國農(nóng)機(jī)化學(xué)報，2014（1）：240-244.

[10]包 君. 農(nóng)業(yè)生產(chǎn)遠(yuǎn)程溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)的研究設(shè)計[J]. 農(nóng)機(jī)化研究，2016（2）：197-200.

[11]宋玉琴，姬引飛，朱紫娟. 基于CC2530和CC2592集群溫室環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計[J]. 現(xiàn)代電子技術(shù)，2015（22）：69-72.

[12]李瑋瑤，王建璽，王 巍. 基于ZigBee的蔬菜大棚環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計[J]. 現(xiàn)代電子技術(shù)，2015（12）：51-54.

[13]左現(xiàn)剛，劉艷昌，王建平. 基于Arduino和Ⅵ的農(nóng)田信息無線采集系統(tǒng)設(shè)計[J]. 農(nóng)機(jī)化研究，2016（2）：213-217.