河北農(nóng)業(yè)大學(xué)姜新宇唐娟

土壤墑情智能監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

河北農(nóng)業(yè)大學(xué)姜新宇唐娟

設(shè)計(jì)一種土壤墑情智能監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)對(duì)土壤墑情的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并通過灌溉等方式智能改變土壤墑情。通過在多點(diǎn)放置土壤濕度傳感器與ZIGBEE無線通信設(shè)備組成自組網(wǎng)絡(luò)，ZIGBEE協(xié)調(diào)器與所有子節(jié)點(diǎn)通信將所有點(diǎn)的土壤濕度信息匯總并且傳送給單片機(jī)分析處理。單片機(jī)控制液晶顯示器將土壤濕度平均值顯示出來，并根據(jù)設(shè)置的土壤濕度上下限值進(jìn)行調(diào)控，當(dāng)土壤濕度平均值低于下限值時(shí)，控制水泵澆水，高于上限值時(shí)，控制水泵停止?jié)菜Ｍㄟ^實(shí)驗(yàn)測(cè)試證明，本土壤墑情智能監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)土壤濕度的監(jiān)測(cè)和控制。

土壤墑情；智能；監(jiān)測(cè)；控制

1 引言

我國(guó)是農(nóng)業(yè)大國(guó)，農(nóng)業(yè)一直是我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的命脈。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)離不開水，而我國(guó)又是13個(gè)貧水國(guó)家之一，因此，土壤墑情的研究對(duì)農(nóng)業(yè)發(fā)展十分重要。

在國(guó)外，早在20世紀(jì)60年代初期就有一些發(fā)達(dá)國(guó)家開始著手研究土壤墑情的監(jiān)測(cè)。80年代后，少數(shù)西方發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)成功地研發(fā)出了一種分布式控制系統(tǒng)的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)。最近幾年，美國(guó)和日本建立了可以為廣大用戶提供各種農(nóng)業(yè)信息需求預(yù)測(cè)預(yù)警網(wǎng)絡(luò)服務(wù)平臺(tái)。無線通信技術(shù)正被用于農(nóng)業(yè)中農(nóng)田參數(shù)的采集系統(tǒng)，使管理人員第一時(shí)間得到采集信息，減少采集信息傳輸?shù)臅r(shí)間，并且預(yù)測(cè)土壤中各成分參數(shù)[1]。

在國(guó)內(nèi)，土壤墑情的監(jiān)測(cè)預(yù)測(cè)系統(tǒng)已經(jīng)有了一定的發(fā)展。隋東等利用VFP610數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)對(duì)沈陽地區(qū)土壤墑情監(jiān)測(cè)與預(yù)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了開發(fā)研制。楊紹輝等以組件式GIS軟件為開發(fā)平臺(tái)，建立了北京地區(qū)土壤墑情監(jiān)測(cè)與預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)系統(tǒng)。梁鳳國(guó)等開發(fā)和建設(shè)了遼寧省土壤墑情測(cè)報(bào)與抗旱決策支持系統(tǒng)。鄒春輝等將遙感與GIS集成土壤墑情監(jiān)測(cè)服務(wù)系統(tǒng)運(yùn)行于Windows平臺(tái)，基于遙感與GIS集成技術(shù)，建立土壤墑情監(jiān)測(cè)服務(wù)系統(tǒng)[2]。

為了推進(jìn)我國(guó)農(nóng)業(yè)的現(xiàn)代化發(fā)展，我們?cè)O(shè)計(jì)了一種土壤墑情智能檢測(cè)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)土壤種植作物生長(zhǎng)的科學(xué)化管理，在保證作物正常生長(zhǎng)的前提下合理控制用水量。

2 土壤墑情智能監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)原理

本設(shè)計(jì)旨在實(shí)現(xiàn)土壤墑情的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并且根據(jù)預(yù)先設(shè)置的要求通過灌溉等方式改變土壤墑情，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)用水的科學(xué)化，推進(jìn)現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)發(fā)展的進(jìn)程。該土壤墑情智能監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)使用STC89C52單片機(jī)作為系統(tǒng)的控制核心?？刂七^程如圖1所示，土壤濕度傳感器模塊采集土壤濕度信息，與ZIGBEE設(shè)備組成終端節(jié)點(diǎn)，ZIGBEE協(xié)調(diào)器接收信號(hào)后將信號(hào)發(fā)送給單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理，再將土壤濕度平均值信息傳入液晶顯示模塊進(jìn)行顯示，根據(jù)設(shè)置的土壤濕度上下限值，控制水泵對(duì)土壤進(jìn)行灌溉。當(dāng)土壤濕度低于下限值時(shí)，單片機(jī)輸出一個(gè)信號(hào)控制水泵澆水，高于上限值時(shí)再由單片機(jī)輸出一個(gè)信號(hào)控制水泵停止?jié)菜?/p>

圖1 系統(tǒng)原理圖

2.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本土壤墑情智能監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，土壤濕度傳感器和ZIGBEE設(shè)備構(gòu)成的ZIGBEE終端節(jié)點(diǎn)、ZIGBEE路由節(jié)點(diǎn)、ZIGBEE協(xié)調(diào)器、單片機(jī)、水泵等共同組成本智能監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)。土壤濕度傳感器采集信息，由ZIGBEE模塊傳送給單片機(jī)處理，再由單片機(jī)驅(qū)動(dòng)液晶顯示和水泵運(yùn)行。

圖2 土壤墑情智能監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

單片機(jī)作為控制核心，有著體積小、耗能低、集成性高、可靠性強(qiáng)、便于實(shí)現(xiàn)嵌入式應(yīng)用等優(yōu)點(diǎn)[3]。本系統(tǒng)所使用的單片機(jī)選用STC89C52單片機(jī)，圖3為STC89C52單片機(jī)最小系統(tǒng)。該單片機(jī)是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K可編程Flash存儲(chǔ)器，能夠迅速處理土壤濕度傳感器的信號(hào)，控制液晶顯示和水泵運(yùn)行，是整個(gè)系統(tǒng)的核心控制部分。

圖3 STC89C52單片機(jī)最小系統(tǒng)

無線通信模塊核心采用TI公司片上系統(tǒng)CC2530，其結(jié)構(gòu)如圖4，該芯片是專門針對(duì)IEEE802.15.4和ZIGBEE應(yīng)用的單芯片解決方案，經(jīng)濟(jì)且低功耗。它整合了全集成的高效射頻收發(fā)機(jī)及業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的增強(qiáng)型8051微控制器，8KB的RAM和其他強(qiáng)大的支持功能和外設(shè)，可確保短距離通信信道的減小和可靠性。傳感器節(jié)點(diǎn)搭載土壤濕度傳感器，能夠穩(wěn)定、迅速地傳送土壤濕度信息。

圖4 CC2530芯片結(jié)構(gòu)圖

土壤濕度傳感器選用豐川電子公司的土壤濕度模塊，可以通過電位器在較寬的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)土壤濕度控制閾值，可選數(shù)字量或者模擬量輸出，精度高，工作穩(wěn)定。液晶顯示選用LCD1602，這是一種專門用來顯示字母、數(shù)字、符號(hào)等的點(diǎn)陣型液晶模塊，其顯示控制簡(jiǎn)單、功耗低、顯示質(zhì)量高，符合本系統(tǒng)要求。

2.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本土壤墑情智能監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)如圖5所示。系統(tǒng)上電后進(jìn)行初始化，設(shè)置相關(guān)傳感器和外圍設(shè)備的參數(shù)。初始化結(jié)束后，土壤濕度傳感器與ZIGBEE無線通信設(shè)備組成的終端節(jié)點(diǎn)將土壤濕度信息發(fā)送給ZIGBEE協(xié)調(diào)器，再由單片機(jī)分析處理，并驅(qū)動(dòng)液晶顯示器將土壤濕度平均值顯示出來。然后判斷土壤濕度平均值低于下限值時(shí)，單片機(jī)輸出一個(gè)信號(hào)控制水泵澆水，高于上限值時(shí)再由單片機(jī)輸出一個(gè)信號(hào)控制水泵停止?jié)菜?/p>

圖5 系統(tǒng)軟件流程圖

2.4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

測(cè)試時(shí)，選擇一塊200m×200m的開闊的平原地形試驗(yàn)田，均勻放置4個(gè)由土壤濕度傳感器和ZIGBEE設(shè)備組成的終端節(jié)點(diǎn)，設(shè)置每一個(gè)土壤濕度傳感器的土壤濕度上下限為相同值。調(diào)試好無線通信模塊和程序后，進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試。測(cè)試開始，液晶顯示4個(gè)點(diǎn)的土壤濕度平均值明顯低于下限值，水泵開始運(yùn)行對(duì)試驗(yàn)田進(jìn)行灌溉，灌溉過程中可以看見液晶顯示土壤濕度平均值有明顯上升，但還未到達(dá)上限值；當(dāng)土壤濕度平均值到達(dá)上限值時(shí)，水泵停止運(yùn)行。經(jīng)過多次調(diào)節(jié)，設(shè)置合理的土壤濕度上下限值，可以高效地控制土壤濕度在一個(gè)合適的范圍內(nèi)。通過試驗(yàn)證明，本土壤墑情智能監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)土壤濕度的監(jiān)測(cè)和控制，適用于實(shí)際的廣域農(nóng)田環(huán)境并且性能穩(wěn)定。

3 總結(jié)

本設(shè)計(jì)結(jié)合國(guó)內(nèi)外土壤墑情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)，能夠?qū)崿F(xiàn)土壤墑情的智能監(jiān)測(cè)和控制，適應(yīng)于多種場(chǎng)景，能夠?qū)ν寥婪N植作物的生長(zhǎng)進(jìn)行科學(xué)的規(guī)劃管理，符合我國(guó)現(xiàn)代化的農(nóng)業(yè)發(fā)展要求。主要工作和結(jié)論如下：

（1）根據(jù)國(guó)內(nèi)外土壤墑情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)，確定了本設(shè)計(jì)的整體控制方案。

（2）確定整個(gè)系統(tǒng)軟硬件的結(jié)構(gòu)及各器件的型號(hào)。由ZIGBEE無線通信模塊將土壤濕度信息發(fā)送給單片機(jī)，再由單片機(jī)控制液晶顯示和水泵。

（3）制訂了該土壤墑情智能監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)的控制方案。

（4）進(jìn)行了土壤墑情監(jiān)測(cè)和控制試驗(yàn)。在試驗(yàn)田中布置好ZIGBEE終端節(jié)點(diǎn)并連接好電路，對(duì)系統(tǒng)控制方案進(jìn)行試驗(yàn)。

（5）分析本設(shè)計(jì)的監(jiān)測(cè)和控制性能。通過對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析總結(jié)，確定本設(shè)計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)土壤墑情的智能監(jiān)測(cè)和控制。

[1]李占成.基于GPRS的土壤墑情遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究[D].東北農(nóng)業(yè)大學(xué),2015.

[2]周海峰.土壤墑情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)開發(fā)與預(yù)報(bào)模型研究[D].內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué),2009.

[3]金孝飛,蔡郭棟.單片機(jī)在電子技術(shù)中的應(yīng)用和技術(shù)開發(fā)研究[J].中國(guó)新通信,2017(07)：121.

姜新宇，男，1994年出生，河北承德人，本科，研究方向：測(cè)控技術(shù)與儀器專業(yè)。

唐娟，女，1979年出生，河北保定人，中共黨員，碩士，講師，研究方向：智能檢測(cè)控制。

保定市科學(xué)技術(shù)研究與發(fā)展指導(dǎo)計(jì)劃項(xiàng)目（15ZN006），河北農(nóng)業(yè)大學(xué)理工基金（LG20140104）。