彭 炫

（新疆大學(xué) 工程訓(xùn)練中心，新疆 烏魯木齊 830047）

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，許多先進(jìn)的技術(shù)開始引入農(nóng)業(yè)生產(chǎn)[1]。土壤溫濕度值是農(nóng)作物生長十分重要的墑情數(shù)據(jù)。根據(jù)土壤溫濕度數(shù)據(jù)，農(nóng)戶可以精準(zhǔn)地對(duì)農(nóng)作物進(jìn)行灌溉，節(jié)約水資源的同時(shí)，提高農(nóng)業(yè)產(chǎn)量[2]。因此，設(shè)計(jì)一款農(nóng)田墑情監(jiān)測系統(tǒng)，輔助農(nóng)戶對(duì)農(nóng)田進(jìn)行管理是十分必要的[3]。本文以AT89C52單片機(jī)為控制核心，設(shè)計(jì)、開發(fā)了一種農(nóng)田墑情監(jiān)測系統(tǒng)，通過單片機(jī)讀取土壤溫濕度傳感器數(shù)據(jù)，并將檢測到的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示在液晶屏上。系統(tǒng)具有GPRS無線通信模塊，能與云服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。農(nóng)戶能隨時(shí)使用手機(jī)APP登錄云服務(wù)器獲取土壤溫濕度數(shù)據(jù)，極大地方便了農(nóng)民對(duì)進(jìn)行農(nóng)業(yè)灌溉。

1 農(nóng)田墑情監(jiān)測系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

農(nóng)田墑情監(jiān)測系統(tǒng)主要由單片機(jī)最小系統(tǒng)、土壤溫濕度傳感器、GPRS無線模塊、液晶顯示屏、穩(wěn)壓電路、云服務(wù)器、手機(jī)APP等部分組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)通過AT89C52單片機(jī)采集土壤溫濕度數(shù)據(jù)，并上傳至云服務(wù)器，供農(nóng)戶在液晶屏和手機(jī)APP上查看。

（1）單片機(jī)最小系統(tǒng)，包括AT89C52單片機(jī)、復(fù)位電路、時(shí)鐘電路和程序下載電路，是主控制核心正常運(yùn)行的基本電路[4]。

（2）土壤溫濕度傳感器，采用模擬量輸出型傳感器，傳感器濕度測量范圍為0%～100%，誤差為±3%；溫度測量范圍為-40～80 ℃，誤差為±0.5 ℃；輸出信號(hào)為0～5 V電壓信號(hào)。傳感器通過AD轉(zhuǎn)換芯片與單片機(jī)相連，將模擬量信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)值信號(hào)。為消除環(huán)境因素對(duì)傳感器的干擾，保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，在單片機(jī)一個(gè)循環(huán)周器內(nèi)執(zhí)行n次數(shù)據(jù)采集，根據(jù)n次數(shù)據(jù)采集計(jì)算平均值。

圖1 農(nóng)田墑情監(jiān)測系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

（3）穩(wěn)壓電路，使用LM2596-5.0芯片，將DC 24 V輸入轉(zhuǎn)化為DC 5 V電壓，經(jīng)電容整流濾波后，為單片機(jī)和其他模塊供電。

（4）液晶顯示屏，采用LCD12864液晶屏，包含中文字庫，可以顯示中文、英文和圖片。通過并型數(shù)據(jù)接口與單片機(jī)連接，液晶屏可以將土壤溫濕度信息顯示在屏幕上。

（5）GPRS無線通信模塊，采用USR-GM3型4G模塊，具有工作穩(wěn)定、功耗低、接口豐富等優(yōu)點(diǎn)[5]。串口與單片機(jī)連接，數(shù)據(jù)通過透傳模式發(fā)送至云服務(wù)器。采用國際上通用的Modbus-Rtu通信協(xié)議，格式如表1所示。

表1 土壤墑情監(jiān)測系統(tǒng)通信指令格式

由服務(wù)器作為主機(jī)向系統(tǒng)發(fā)起查詢命令，讀取寄存器中溫濕度數(shù)據(jù)。系統(tǒng)作為從機(jī)響應(yīng)主機(jī)。從機(jī)應(yīng)答指令中第4字節(jié)和第5字節(jié)為濕度數(shù)據(jù)，第6字節(jié)和第7字節(jié)為溫度數(shù)據(jù)。將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為十進(jìn)制后，再除以10即可得到實(shí)際的數(shù)據(jù)值，當(dāng)溫度低于0 ℃時(shí)以補(bǔ)碼形式發(fā)送。

2 手機(jī)APP設(shè)計(jì)

手機(jī)端APP使用TeslaMultiSCADA設(shè)計(jì)，在使用前，需要先配置服務(wù)器IP地址和端口號(hào)與云服務(wù)器連接。APP能從云服務(wù)器獲取土壤溫濕度數(shù)據(jù)且直觀地顯示在屏幕上，農(nóng)戶能隨時(shí)查看土壤溫濕度變化趨勢曲線和歷史數(shù)據(jù)，及時(shí)了解土壤墑情信息，并根據(jù)墑情數(shù)據(jù)對(duì)農(nóng)田進(jìn)行精準(zhǔn)灌溉。系統(tǒng)APP界面如圖2所示。

圖2 農(nóng)田墑情監(jiān)測系統(tǒng)APP

3 系統(tǒng)仿真與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 基于Proteus的系統(tǒng)仿真

通過Proteus仿真工具和Keil uVision2編程軟件對(duì)農(nóng)田墑情監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)合仿真。首先，使用Proteus軟件繪制出仿真電路，如圖3所示。其次，使用Keil uVision2軟件編寫好農(nóng)田墑情監(jiān)測系統(tǒng)的仿真程序。最后，將仿真程序下載到虛擬單片機(jī)中。通過鼠標(biāo)上下拖動(dòng)電位器箭頭改變輸入電壓信號(hào)。12864液晶屏上的土壤溫濕度數(shù)據(jù)會(huì)隨之改變，該仿真結(jié)果能夠驗(yàn)證農(nóng)田墑情監(jiān)測系統(tǒng)理論的正確性。

3.2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

將該系統(tǒng)安裝在烏魯木齊西山實(shí)驗(yàn)田中，對(duì)土壤溫濕度進(jìn)行采集。傳感器安裝在深度40 mm左右的農(nóng)作物根系附近，每隔15 min通過遠(yuǎn)程控制端采集一次土壤溫濕度值。通過手機(jī)APP獲取其中一天的土壤溫濕度變化數(shù)據(jù)，采集到的數(shù)據(jù)如圖4所示。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、對(duì)土壤的溫濕度數(shù)據(jù)采集準(zhǔn)確。

圖3 基于Proteus的農(nóng)田墑情監(jiān)測系統(tǒng)仿真

圖4 土壤溫濕度變化曲線

4 結(jié)語

本文為方便農(nóng)民對(duì)農(nóng)田進(jìn)行監(jiān)控和管理，設(shè)計(jì)、開發(fā)了一套能實(shí)時(shí)獲取土壤墑情的監(jiān)控系統(tǒng)，農(nóng)民使用手機(jī)APP就能獲取農(nóng)田土壤溫濕度數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、價(jià)格低廉、使用簡單，兼容性強(qiáng)，具有一定的市場推廣價(jià)值。