梁　英　王　怡　孫歆鈺

基于單片機(jī)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

梁英王怡孫歆鈺

（荊楚理工工學(xué)院湖北荊門448000）

傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)普遍科技水平不高，無法實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，導(dǎo)致無法及時(shí)發(fā)現(xiàn)并有效控制危害農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的因素，也無法準(zhǔn)確把握農(nóng)產(chǎn)品最優(yōu)生產(chǎn)環(huán)境。為了提高農(nóng)作物生產(chǎn)線的效率，運(yùn)用無線傳感技術(shù)監(jiān)測(cè)和傳輸農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境的各種數(shù)據(jù)，再由單片機(jī)核心板傳送到顯示器。同時(shí)WIFI系統(tǒng)連接手持端設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)作物生產(chǎn)環(huán)境數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)。

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)；無線傳感；單片機(jī)

傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)過程中，農(nóng)作物的生長(zhǎng)往往會(huì)受到溫度、濕度、日照等環(huán)境因素的制約，導(dǎo)致生產(chǎn)周期較長(zhǎng)。為了使農(nóng)業(yè)生產(chǎn)更加有效率、有質(zhì)量的進(jìn)行。伴隨著控制技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)日益的成熟，將現(xiàn)代的智能科學(xué)運(yùn)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的過程中可以很好地把控農(nóng)作物的生產(chǎn)過程中的各種因素，并進(jìn)行人工干預(yù)和調(diào)整。有效地提高了農(nóng)作物的產(chǎn)量，減少生產(chǎn)過程中成本投入，以達(dá)到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)效益最大化。

1 在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中監(jiān)測(cè)環(huán)境參數(shù)的意義

我國是農(nóng)業(yè)大國，也是人口數(shù)量眾多的國家，地廣物博但是人均資源卻沒有那么豐富。所以如何提高每畝均產(chǎn)的質(zhì)量就成了亟待解決的問題。想要產(chǎn)量高，質(zhì)量好，就必須在種子的基因和生產(chǎn)過程中找到優(yōu)化產(chǎn)能的方法，而對(duì)于環(huán)境參數(shù)的監(jiān)測(cè)以及監(jiān)測(cè)后的人工干預(yù)與調(diào)控，就是在農(nóng)作物的生產(chǎn)過程中實(shí)現(xiàn)產(chǎn)能的優(yōu)化。什么樣的農(nóng)作物最適宜在怎樣的自然條件下生長(zhǎng)都在監(jiān)測(cè)下通過實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)展示得清清楚楚。再通過人工干預(yù)，為農(nóng)作物創(chuàng)造良好的生存環(huán)境，就能有效地提高農(nóng)作物的產(chǎn)率。提高了農(nóng)作物的產(chǎn)率之后就是提高了下一代種子的質(zhì)量，所以農(nóng)業(yè)環(huán)境參數(shù)的監(jiān)測(cè)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中具有重要意義。

2 關(guān)于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)思路

對(duì)于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程的監(jiān)測(cè)主要針對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中涉及的因素，如空間、土壤、水分、光照等的計(jì)算與探測(cè)。在獲取相關(guān)數(shù)據(jù)之后根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行統(tǒng)籌分析，確定要栽種的農(nóng)作物的種類和數(shù)量。播種下去之后，繼續(xù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，一般來說不是大棚種植的情況下，各種因素?zé)o法做到很好的把控，比如光照條件在自然情況下是無法進(jìn)行調(diào)節(jié)的，所以把控的重心主要體現(xiàn)在水分和土壤肥力這些可以人工干預(yù)并且不會(huì)大量耗費(fèi)人力物力的因素上。通過對(duì)數(shù)據(jù)信息的分析，改變可以改變的因素，使農(nóng)作物的生長(zhǎng)環(huán)境向最理想的生長(zhǎng)環(huán)境靠近，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)量升級(jí)以及對(duì)資源的最大化利用。

2.1 農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的主體框架

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的主體框架是由數(shù)據(jù)的采集、傳輸、處理3個(gè)方面組成。

（1）采集的工作主要是通過各類傳感器共同完成。例如有光照傳感器、土壤濕度傳感器、風(fēng)向傳感器等一系列的傳感器共同組成一個(gè)系統(tǒng)。然后通過這些傳感器自身的識(shí)別能力對(duì)農(nóng)作物生長(zhǎng)環(huán)境的各類信息進(jìn)行識(shí)別和收集，為后續(xù)的分析與研究提供原始數(shù)據(jù)，在接收到控制中心發(fā)送的反饋信息后通過自帶的微處理器調(diào)度所連接的設(shè)備完成控制中心的指令。

（2）傳輸工作主要是通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、互聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算以及移動(dòng)通信網(wǎng)的共同合作來進(jìn)行信息的處理和傳遞。傳輸環(huán)節(jié)連接了數(shù)據(jù)與運(yùn)算，是整個(gè)無線傳感網(wǎng)絡(luò)的核心部分。在農(nóng)業(yè)監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)根據(jù)隨機(jī)分布的多種類的微型傳感器組成的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，在對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行全覆蓋的同時(shí)，采集、計(jì)算和處理區(qū)域中監(jiān)測(cè)對(duì)象的動(dòng)態(tài)信息。一般情況下，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中需要監(jiān)控的面積都十分巨大，所需要的傳感器的數(shù)量也十分巨大，如果使用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的連接方式無疑是不太合理的，而采用無線傳感網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的全面覆蓋，使數(shù)據(jù)收集更加全面，傳輸也更加高效。

（3）前兩個(gè)階段的工作完成后，收集好的有關(guān)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)相關(guān)因素的數(shù)據(jù)會(huì)被傳輸端傳輸?shù)较到y(tǒng)的內(nèi)部進(jìn)行數(shù)據(jù)進(jìn)一步的加工和處理。這是整個(gè)系統(tǒng)中的最后一個(gè)環(huán)節(jié)。也是整個(gè)系統(tǒng)最核心的部分，基于單片機(jī)構(gòu)成的控制系統(tǒng)，通過將傳感器的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，然后由單片機(jī)接受數(shù)字信號(hào)并進(jìn)行一系列的判斷，將判斷結(jié)果輸出在顯示屏上，通過判斷結(jié)果下達(dá)指令給傳感器節(jié)點(diǎn)完成對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境因素的調(diào)控。

2.2 農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的細(xì)化

2.2.1 無線傳感其的節(jié)點(diǎn)的構(gòu)成

構(gòu)成無線傳感器的3大要素是：被測(cè)對(duì)象、傳感器和觀測(cè)者。這就說明無線傳感器的節(jié)點(diǎn)不僅只有監(jiān)測(cè)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境因素這一個(gè)作用構(gòu)成，同時(shí)也具有處理數(shù)據(jù)和無線通信的功能。不同的節(jié)點(diǎn)在整個(gè)系統(tǒng)中扮演著不同的角色，發(fā)揮著不同的作用。數(shù)據(jù)處理模塊、無線通信模塊和傳感器之間集成了這些節(jié)點(diǎn)，也正是這些節(jié)點(diǎn)串起了整個(gè)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

2.2.2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)

在整個(gè)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中信息的傳遞過程主要有兩條線路，一條是從傳感器傳到通用控制系統(tǒng)，另一條是控制系統(tǒng)給予傳感器對(duì)應(yīng)的反饋信息。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，存在一個(gè)匯聚點(diǎn)，這個(gè)匯聚點(diǎn)是信息交流的地方。它可以接收來自傳感器的信息并將它傳向控制系統(tǒng)，同時(shí)也接受來自控制系統(tǒng)的反饋信息，并把它傳輸?shù)礁鱾€(gè)節(jié)點(diǎn)。各個(gè)節(jié)點(diǎn)在接收到信號(hào)后，節(jié)點(diǎn)自身的微處理器根據(jù)所接受到的命令來調(diào)控所連接的設(shè)備，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境因素的調(diào)節(jié)。

2.2.3 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)是由傳感器作為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)，由無線網(wǎng)絡(luò)作為連接節(jié)點(diǎn)的線，將信息匯總到一個(gè)匯聚點(diǎn)，由匯聚點(diǎn)將信息傳遞給單片機(jī)，單片機(jī)自主判斷后下達(dá)命令，或者輔以管理者手動(dòng)下達(dá)命令，再由無線網(wǎng)絡(luò)傳輸給匯聚點(diǎn)，匯聚點(diǎn)再向各個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息，各個(gè)節(jié)點(diǎn)通過微處理器識(shí)別信息，并執(zhí)行命令調(diào)度所連接的設(shè)備實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境因素的監(jiān)測(cè)和干預(yù)。

3 農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)控制系統(tǒng)單片機(jī)設(shè)計(jì)思路

基于單片機(jī)的控制系統(tǒng)的工作流程是：首先將采集到的模擬信號(hào)通過A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)然后傳送給單片機(jī)，單片機(jī)對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析，然后在顯示屏上顯示出各類的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，比如當(dāng)前溫度、土壤濕潤(rùn)度以及光照強(qiáng)度等。管理者可以手動(dòng)設(shè)置各個(gè)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中涉及的環(huán)境因素的閾值。單片機(jī)通過將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與閾值作比較判斷當(dāng)前條件是否處于閾值之內(nèi)，如果超出閾值范圍，單片機(jī)就會(huì)執(zhí)行設(shè)定好的程序，來控制繼電器進(jìn)行驅(qū)動(dòng)水泵實(shí)施灌溉操作?；蛘咴陲@示屏上顯現(xiàn)出提示信息，提醒管理者做出相應(yīng)的對(duì)策。然后將信息傳達(dá)給匯聚點(diǎn)，再由匯聚點(diǎn)將指令傳達(dá)給各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)，由傳感器節(jié)點(diǎn)完成指令，以此達(dá)到提高智能化來控制農(nóng)業(yè)環(huán)境參數(shù)的目的。

在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的過程中溫度、濕度、光照需要保持在一個(gè)恒定的數(shù)值上?；趩纹瑱C(jī)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)所搭載各種類型的傳感器以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)農(nóng)業(yè)環(huán)境參數(shù)的監(jiān)測(cè)及時(shí)調(diào)控目的。此系統(tǒng)的軟件主程序設(shè)計(jì)主要由初始化程序，讀取所接收到的數(shù)據(jù)程序，設(shè)定各種環(huán)境因素的閾值的程序，輸出指令的程序。

4 小結(jié)

民以食為天，糧食的產(chǎn)量一直是民生所關(guān)注的最基礎(chǔ)的問題，如何用最少的土地種出最多的糧食是相關(guān)專家一直努力研究的方向。運(yùn)用先進(jìn)的技術(shù)，對(duì)農(nóng)作物生產(chǎn)進(jìn)行數(shù)字化的監(jiān)測(cè)，將農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的不可控因素變?yōu)榭煽?，農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)優(yōu)化的完善指日可待。這也是現(xiàn)代科學(xué)的進(jìn)步推動(dòng)著各個(gè)行業(yè)的進(jìn)步與發(fā)展的重要表現(xiàn)，科技的進(jìn)步本意就是為民生謀福利，將科技與生產(chǎn)相結(jié)合，才是時(shí)代的主旋律。

[1]張恩光,張志偉,常靜.基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的智慧農(nóng)業(yè)農(nóng)作物環(huán)境多參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研制[J].黃河科技學(xué)院學(xué)報(bào),2020,22(2):84-88.

[2]呂慶軍,鐘聞?dòng)?由浩良.基于單片機(jī)構(gòu)建智慧農(nóng)業(yè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)[J].時(shí)代農(nóng)機(jī),2019,46(10):96-97+99.

[3]曲鳴飛,趙丹.基于控制器的單片機(jī)農(nóng)業(yè)大棚溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].新農(nóng)業(yè),2019(14):27.

[4]朱高中.基于單片機(jī)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新,2018(25):155-156.

梁英(1997- )，男，漢族，河北張家口人，本科在讀，研究方向：計(jì)算機(jī)信息技術(shù)；王怡(1998- )，男，漢族，四川德陽人，本科在讀，研究方向：物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。

S126

A

2095-1205(2020)01-31-02

10.3969/j.issn.2095-1205.2020.01.19