章玉清

（荊楚理工學(xué)院 湖北荊門(mén) 448000）

地理信息是信息采集的關(guān)鍵，借助于GPS技術(shù)可有效豐富農(nóng)業(yè)信息采集的精準(zhǔn)性和內(nèi)容，有助于提高地址信息的精度，滿(mǎn)足農(nóng)民使用需要。因此通過(guò)設(shè)計(jì)結(jié)合GPS技術(shù)的農(nóng)業(yè)信息采集系統(tǒng)，提供給農(nóng)民精準(zhǔn)高效的信息服務(wù)。

1 我國(guó)農(nóng)業(yè)信息采集特征

目前我國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械的使用相對(duì)滯后，使用的設(shè)備多比較陳舊。且農(nóng)業(yè)管理理念落后，我國(guó)農(nóng)業(yè)資源豐富，對(duì)于信息采集的要求較為多樣，采集農(nóng)業(yè)信息十分困難。農(nóng)田信息種類(lèi)多樣，涉及的范圍相對(duì)廣泛，如土壤信息、GPS定位、環(huán)境信息等，需要采集的農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)多種多樣，變化速度快，為進(jìn)一步提高農(nóng)業(yè)效率，還需要研發(fā)更加先進(jìn)的農(nóng)業(yè)信息采集系統(tǒng)。

農(nóng)業(yè)信息數(shù)據(jù)的采集工作難度高，一方面由于使用GPS接受設(shè)備成本高昂，采集儀價(jià)格多處于幾萬(wàn)至幾十萬(wàn)之間，用戶(hù)經(jīng)濟(jì)水平很難滿(mǎn)足。同時(shí)由于農(nóng)業(yè)信息種類(lèi)較多，采集信息較為模糊，進(jìn)一步提高了采集信息的難度。另一方面，為實(shí)現(xiàn)對(duì)信息的綜合采集，要注意對(duì)信息的分散，推動(dòng)信息之間相互關(guān)聯(lián)，為分析數(shù)據(jù)價(jià)值和關(guān)聯(lián)提供良好的基礎(chǔ)[1]。針對(duì)農(nóng)業(yè)信息采集特征，面對(duì)采集農(nóng)業(yè)信息的難度，為研發(fā)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)信息采集系統(tǒng)提供了指導(dǎo)方向。需要明確農(nóng)業(yè)信息采集的需求，由于農(nóng)業(yè)空間分布相對(duì)規(guī)律，大多數(shù)呈現(xiàn)出矩形。很多農(nóng)業(yè)區(qū)域采用人工建構(gòu)方法建設(shè)大棚和溫室。為了給林業(yè)、種植業(yè)以及養(yǎng)殖業(yè)創(chuàng)造良好的環(huán)境，主要圍繞土壤pH值、溫度、濕度、土壤水分等展開(kāi)調(diào)查收集信息。

2 基于GPS的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)信息計(jì)算機(jī)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

采集系統(tǒng)主要包含上位機(jī)和田間采集設(shè)備，采集設(shè)備可采取便攜式小型設(shè)備和固定設(shè)備結(jié)合，在無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)覆蓋條件下，利用采集設(shè)備的傳感器收集環(huán)境信息，并提供數(shù)據(jù)儲(chǔ)存管理功能。安裝GPS定位模塊，能夠自動(dòng)定位地理信息，根據(jù)測(cè)量信息，能夠通過(guò)無(wú)線(xiàn)和有線(xiàn)形式構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)通訊，構(gòu)成采集網(wǎng)絡(luò)。環(huán)境信息采集設(shè)備使用單片機(jī)作為核心設(shè)備，系統(tǒng)使用了單片機(jī)作為核心的職能系統(tǒng)，包含傳感器、調(diào)理吊爐以及核心處理模塊等。

2.2 硬件設(shè)計(jì)

2.2.1 傳感器設(shè)備

本文使用了溫度、濕度、pH值、壓力、風(fēng)速、光照、土壤水分等傳感器設(shè)備，如測(cè)量溫濕度要精準(zhǔn)把握農(nóng)業(yè)耕作，本文選擇電阻式溫度傳感器。濕度測(cè)量較為困難，濕氣信息的傳達(dá)相對(duì)復(fù)雜，本文選擇薄膜電容，電容量可以根據(jù)環(huán)境變化而變化，對(duì)濕度數(shù)據(jù)進(jìn)行反饋，同時(shí)模塊可以提供良好的穩(wěn)定性。

2.2.2 土壤水分測(cè)量

對(duì)于土壤水分測(cè)量使用駐波率間接測(cè)量，對(duì)土壤中水分容積含水率進(jìn)行測(cè)量，雖然結(jié)果不如烘干測(cè)量準(zhǔn)確，但是測(cè)量速度快，也具有良好的精準(zhǔn)度，不易腐蝕，價(jià)格低廉。

2.2.3 土壤pH測(cè)量

測(cè)量土壤pH值代表著溶液酸堿度，測(cè)量pH值主要在化工、環(huán)保、電力等領(lǐng)域中應(yīng)用。傳感器具有良好的穩(wěn)定性、重復(fù)性和測(cè)量范圍。測(cè)量pH值主要利用電極，處理溫度帶來(lái)的影響，本文選擇性能更高的復(fù)合電極，并利用玻璃電極以及溫度電極等輔助，進(jìn)行應(yīng)用能夠測(cè)量0～14 的pH值，響應(yīng)速度迅速，具有較高的穩(wěn)定性。

2.2.4 電導(dǎo)率測(cè)量

測(cè)量電導(dǎo)率有配比溶液和四電極原位測(cè)定兩種方法，能夠?qū)ν寥肋M(jìn)行直接測(cè)量。測(cè)量結(jié)果受到多種因素影響，不容易受到控制，四電極法得到的測(cè)量結(jié)果更加準(zhǔn)確。本文使用了電導(dǎo)電極，可對(duì)溶液電導(dǎo)率準(zhǔn)確測(cè)量，進(jìn)而通過(guò)電阻計(jì)算，得到電導(dǎo)率的數(shù)據(jù)。電導(dǎo)率測(cè)量可采取直流電，由于直流分壓方式測(cè)量容易發(fā)生兩極分化現(xiàn)象，嚴(yán)重影響測(cè)量精度[2]。

2.2.5 土壤壓實(shí)度測(cè)量

土壤顆粒之間的縫隙大小代表壓實(shí)度，縫隙丟失意味著空氣和水分在土壤中無(wú)法流通，土壤壓實(shí)度嚴(yán)重會(huì)造成農(nóng)作物生長(zhǎng)速度緩慢，對(duì)農(nóng)作物的生長(zhǎng)發(fā)育產(chǎn)生直接影響，出現(xiàn)機(jī)械耕作困難。本系統(tǒng)使用電阻應(yīng)變拉壓力傳感器，該設(shè)備作用穩(wěn)定，有著良好的抗沖擊能力，能夠遠(yuǎn)距離動(dòng)態(tài)測(cè)量。

2.2.6 鍵盤(pán)、顯示及存儲(chǔ)系統(tǒng)

鍵盤(pán)系統(tǒng)使用橫列式按鍵，每個(gè)按鍵占用一個(gè)I/O線(xiàn)，造成I/O口浪費(fèi)。本文選擇行列式按鈕，按照I/O線(xiàn)可得到行結(jié)構(gòu)以及列結(jié)構(gòu)，兩者交叉位置上設(shè)計(jì)按鍵，按鍵數(shù)量增加可節(jié)約大量口線(xiàn)。使用LCD模塊，作為點(diǎn)陣式液晶顯示屏，可以由控制驅(qū)動(dòng)芯片添加輔助電路構(gòu)成，使用SIP封裝取代實(shí)際封裝。存儲(chǔ)系統(tǒng)使用可編程制度存儲(chǔ)器，具有良好的儲(chǔ)存容量，結(jié)構(gòu)緊湊，價(jià)格低廉。

2.2.7 GPS系統(tǒng)

精確的農(nóng)業(yè)信息是實(shí)現(xiàn)精細(xì)農(nóng)業(yè)的基礎(chǔ)，采集農(nóng)業(yè)信息時(shí)，要獲取采樣點(diǎn)位置信息。使用GPS技術(shù)可滿(mǎn)足地理信息精準(zhǔn)度的要求。GPS定位具有實(shí)時(shí)、全天候和快速的優(yōu)勢(shì)，也能提供導(dǎo)航功能。GPS接收機(jī)輸出定位數(shù)據(jù)，接受機(jī)可以由用戶(hù)選擇語(yǔ)句輸出，包含GPS信息。數(shù)據(jù)項(xiàng)之間使用逗號(hào)分隔。GPS接收機(jī)能夠輸出地心大地坐標(biāo)系的高度、緯度和經(jīng)度數(shù)據(jù)，要想統(tǒng)一測(cè)量數(shù)據(jù)和當(dāng)前結(jié)構(gòu)，要轉(zhuǎn)換測(cè)量數(shù)據(jù)的坐標(biāo)。

2.2.8 打印機(jī)系統(tǒng)

在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量中，可能需要打印歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行研究。本系統(tǒng)配置打印機(jī)系統(tǒng)，能夠隨時(shí)在現(xiàn)場(chǎng)打印數(shù)據(jù)。

2.3 軟件設(shè)計(jì)

2.3.1 功能設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)是系統(tǒng)的核心，功能完善的軟件能夠保障系統(tǒng)的正常使用。軟件功能設(shè)計(jì)主要包括瀏覽數(shù)據(jù)、通信功能、數(shù)據(jù)采集以及系統(tǒng)初始化等。采集程序整合傳感器傳導(dǎo)的數(shù)據(jù)，系統(tǒng)進(jìn)一步處理數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)化為可以識(shí)別的信號(hào)和數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)人工交互。

2.3.2 主程序設(shè)計(jì)

主程序負(fù)責(zé)調(diào)度各個(gè)程序，和外部設(shè)備交換數(shù)據(jù)，對(duì)硬件設(shè)備和軟件程序進(jìn)行統(tǒng)一管理，為了讓系統(tǒng)正常運(yùn)行，主程序需要具有初始化和自檢功能，包括診斷RAM、CPU、ROM等。

（1）數(shù)據(jù)采集程序

系統(tǒng)使用人機(jī)交互界面和鍵盤(pán)控制完成采集工作，采集程序?qū)?yīng)著采集按鈕。按鈕被按下，系統(tǒng)在內(nèi)存內(nèi)開(kāi)啟暫存數(shù)組，用于保存測(cè)量數(shù)據(jù)。系統(tǒng)顯示的是對(duì)舊數(shù)據(jù)的補(bǔ)充測(cè)量，讀取存儲(chǔ)器對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)。按下按鍵后，程序要點(diǎn)亮LED指示燈，打開(kāi)A/D轉(zhuǎn)換通道，進(jìn)入數(shù)據(jù)處理程序。

（2）測(cè)量模擬量

通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換測(cè)量模擬量，將定時(shí)器0打開(kāi)，用于讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果。轉(zhuǎn)換程序，完成測(cè)量后發(fā)出外部中斷信號(hào)，使用A/D轉(zhuǎn)換，每間隔一段時(shí)間讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果。使用定時(shí)器0定時(shí)，每間隔200 ms讀取結(jié)果。先要選擇高位地址，將RD信號(hào)送入CE端，讀入高位數(shù)據(jù)。選擇RD信號(hào)送入CE端，讀取低位數(shù)據(jù)，分成兩次讀取低位數(shù)據(jù)和高位數(shù)據(jù)，保存全局變量。數(shù)據(jù)測(cè)量程序，將A/S轉(zhuǎn)換結(jié)果帶入程序，篩選A/D值并計(jì)算，得到測(cè)量結(jié)果。

（3）測(cè)量頻率量

接收到風(fēng)速傳感器的風(fēng)速頻率，使用定時(shí)器定時(shí)，產(chǎn)生0.5s間隔，使用定時(shí)器0計(jì)數(shù)。對(duì)外部頻率緩沖個(gè)數(shù)測(cè)量，每間隔0.5s，讀取計(jì)數(shù)值，傳輸給計(jì)算子程序，將數(shù)值轉(zhuǎn)化為風(fēng)速數(shù)據(jù)，在顯示畫(huà)面中呈現(xiàn)給人員。

（4）測(cè)量數(shù)字量

對(duì)于數(shù)字量的測(cè)量，和讀取GPS信號(hào)互相對(duì)應(yīng)，本系統(tǒng)使用外接GPS接收器獲取信號(hào)，選擇單向通訊。只能被動(dòng)接收信號(hào)。按下測(cè)量鍵，用戶(hù)讀取信號(hào)后，在頁(yè)面中輸入GPS信號(hào)，并操作接收機(jī)，系統(tǒng)將信號(hào)傳遞給單片機(jī)的串口，一旦串口中斷，程序可以對(duì)中斷信號(hào)申請(qǐng)[3]。GPS信號(hào)可被自動(dòng)存入總線(xiàn)，等待單片機(jī)讀取信號(hào)，單片機(jī)讀取后數(shù)據(jù)被保存在緩存數(shù)組中，對(duì)信號(hào)完整性進(jìn)一步驗(yàn)證，若驗(yàn)證未發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤信號(hào)，可變換GPS信號(hào)。

（5）儲(chǔ)存功能

系統(tǒng)在田間作業(yè)，要具有強(qiáng)大的儲(chǔ)存功能，保存實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)使用可編程存儲(chǔ)器，可以支持2M存儲(chǔ)容量。用戶(hù)完成測(cè)量后，按下SAVE按鈕，數(shù)據(jù)可以自動(dòng)進(jìn)入存儲(chǔ)程序。

（6）查詢(xún)功能

按下功能鍵后，選擇Dis功能，修通可以從0地址取出存儲(chǔ)數(shù)據(jù)地址，根據(jù)地址查詢(xún)，系統(tǒng)提供翻頁(yè)鍵，用戶(hù)可以按順序查找數(shù)據(jù)。如果查詢(xún)地址不在存儲(chǔ)范圍內(nèi)，會(huì)提示無(wú)數(shù)據(jù)。

（7）刪除功能

系統(tǒng)保存大量數(shù)據(jù)時(shí)，部分?jǐn)?shù)據(jù)可以被直接刪除，刪除數(shù)據(jù)將0地址賦10，作為首字節(jié)，可以從10地址進(jìn)行讀取。

（8）傳輸功能

第一，串行口傳輸，借助于串行口的傳輸功能，讓系統(tǒng)具備了實(shí)時(shí)傳輸和短消息傳輸。串行口傳輸需要單片機(jī)將采集數(shù)據(jù)上傳至上位機(jī)加以處理。第二，系統(tǒng)初始化時(shí)，對(duì)寄存器賦值，單片機(jī)可從總線(xiàn)取出數(shù)據(jù)，作為單片機(jī)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。從保存數(shù)據(jù)的初始地址起，逐一進(jìn)行查詢(xún)。第三，用戶(hù)查詢(xún)測(cè)量對(duì)象的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)可以得到實(shí)時(shí)傳輸，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)直接被上傳至上位機(jī)得到分析，測(cè)量結(jié)果被傳遞至串行口，不是保存在存儲(chǔ)器中。第四，遠(yuǎn)距離傳輸短消息，要借助于AT命令，可直接操作短消息模塊。

（9）數(shù)據(jù)打印

串口和打印機(jī)相互連接，打印機(jī)執(zhí)行內(nèi)部命令，控制碼為一字節(jié)序列，執(zhí)行打印命令。串口波特率和默認(rèn)波特率一致。單片機(jī)通過(guò)串口給打印機(jī)發(fā)送字符命令，受到命令后自檢。單片機(jī)在讀取數(shù)據(jù)信號(hào)之后，將數(shù)據(jù)傳遞給串口，數(shù)據(jù)被保存在打印機(jī)設(shè)備的緩沖空間中，串口可對(duì)打印機(jī)發(fā)送指令，打印機(jī)按照命令打印全部字符。

3 小結(jié)

通過(guò)利用GPS系統(tǒng)設(shè)計(jì)農(nóng)業(yè)信息采集系統(tǒng)，可利用先進(jìn)系統(tǒng)設(shè)備采集農(nóng)業(yè)信息輔助農(nóng)業(yè)重視，GPS技術(shù)可支持信息地址采集，提高信息采集速度，減少采集信息錯(cuò)誤，有助于提高信息采集的準(zhǔn)確性。計(jì)算機(jī)采集信息系統(tǒng)的應(yīng)用，有助于推動(dòng)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展。