姚竟發(fā)，劉 靜

（1.河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，河北 保定 071000；2.河北軟件職業(yè)技術(shù)學(xué)院 軟件工程系，河北 保定 071000；3.保定理工學(xué)院 馬克思主義學(xué)院，河北 保定 071000）

精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)概念的提出對(duì)于計(jì)算機(jī)技術(shù)有了更高的要求，利用計(jì)算機(jī)技術(shù)推廣農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，讓農(nóng)業(yè)走向現(xiàn)代化新型農(nóng)業(yè)的道路，是當(dāng)前農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要路徑。近年來(lái)，計(jì)算機(jī)的快速發(fā)展讓農(nóng)業(yè)也走向了智能化生產(chǎn)，農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)效益有了大大改善，對(duì)于農(nóng)作物的生產(chǎn)環(huán)境也有了更高的需求。簡(jiǎn)單快捷是當(dāng)前系統(tǒng)的主要發(fā)展方向，系統(tǒng)可以多平臺(tái)運(yùn)行已經(jīng)成為現(xiàn)實(shí)。國(guó)內(nèi)對(duì)于農(nóng)作物的生產(chǎn)環(huán)境采集系統(tǒng)的研究較少，缺少完整的運(yùn)行體系。當(dāng)前的農(nóng)田信息檢測(cè)系統(tǒng)中，加入了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、云計(jì)算技術(shù)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷更新與發(fā)展，越來(lái)越多的新型技術(shù)不斷出現(xiàn)，尤其以無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用最為廣泛。DTU（Data Transfer Unit）數(shù)據(jù)傳輸單元，利用無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，可以有效解決在惡劣環(huán)境下無(wú)法采集和收集信息的現(xiàn)狀。

1 系統(tǒng)組成

基于DTU的農(nóng)作物生長(zhǎng)環(huán)境信息檢測(cè)系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。該系統(tǒng)引入了Datalogger數(shù)據(jù)采集器，該數(shù)據(jù)采集器自帶4 M內(nèi)存，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)信息并進(jìn)行處理[1]。

圖1 基于DTU的農(nóng)作物生長(zhǎng)環(huán)境信息檢測(cè)系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)

空氣和土壤需要使用專用的溫濕度檢測(cè)設(shè)備進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)傳感器具有信號(hào)轉(zhuǎn)換功能，將自身的溫濕度參數(shù)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，并通過(guò)Datalogger數(shù)據(jù)采集器進(jìn)行信號(hào)存儲(chǔ)。DTU無(wú)線數(shù)據(jù)傳感器將存儲(chǔ)的信息通過(guò)自身的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)功能上傳至終端，利用軟件系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)參數(shù)進(jìn)行存儲(chǔ)和判斷，完成對(duì)農(nóng)作物生長(zhǎng)環(huán)境的監(jiān)控。Datalogger數(shù)據(jù)采集器利用繼電器模塊對(duì)電磁閥進(jìn)行開(kāi)關(guān)控制，通過(guò)DTU無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸器進(jìn)行數(shù)據(jù)上傳，電腦端進(jìn)行數(shù)據(jù)接收。Datalogger數(shù)據(jù)采集器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理后，利用程序?qū)﹄姶砰y進(jìn)行關(guān)停操作，從而自如控制農(nóng)作物的環(huán)境參數(shù)，以促進(jìn)農(nóng)作物的健康生長(zhǎng)。

2 硬件分析

Datalogger數(shù)據(jù)采集器自身具備的電流是直流電，通過(guò)RS232串口通信完成內(nèi)部溫度補(bǔ)償與校準(zhǔn)，可以在惡劣環(huán)境下進(jìn)行在線檢測(cè)。RS232具有16個(gè)單端口、8個(gè)差分口及8個(gè)I/O口。在線檢測(cè)系統(tǒng)需要單端口2個(gè)，主要進(jìn)行空氣與土壤的溫濕度測(cè)量，I/O口2個(gè)，利用繼電器控制空氣和土壤的電磁閥[2]。

DTU提供的RS232接口，與Datalogger數(shù)據(jù)采集器進(jìn)行連接，通過(guò)在線檢測(cè)系統(tǒng)讓DTU可以一直保持在線工作狀態(tài)，斷線后可以自動(dòng)連接或者自動(dòng)重啟，還可以遠(yuǎn)程查詢、配置參數(shù)。采用Wi-Fi無(wú)線通信方式作為主要方式進(jìn)行設(shè)計(jì)。

土壤溫濕度傳感器與空氣溫濕度傳感器的功能見(jiàn)表1[3]。

表1 土壤與空氣溫濕度傳感器功能

通過(guò)電磁閥功能控制溫濕度的參數(shù)，同時(shí)將土壤澆灌設(shè)備放置在土壤表面，幫助改善農(nóng)作物的生長(zhǎng)環(huán)境和參數(shù)，不易將空氣噴灑裝置放置內(nèi)部，應(yīng)放置在植物的上方，用于改善空氣的溫濕度參數(shù)。

3 軟件分析

采用LoggerNet軟件進(jìn)行編寫(xiě)與編譯，通過(guò)文本文檔編譯器進(jìn)行編輯。具體流程如圖2所示。

圖2 設(shè)計(jì)流程

LoggerNet軟件具有采集功能，將采集到的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行整合，幫助系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)通信功能。

Datalogger數(shù)據(jù)采集器屬于LoggerNet軟件的合作軟件，用于處理各類數(shù)據(jù)，并完成數(shù)據(jù)共享。LoggerNet軟件具有編寫(xiě)程序、數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)監(jiān)控的功能，當(dāng)用戶使用LoggerNet軟件進(jìn)行參數(shù)配置時(shí)，需要使用Datalogger數(shù)據(jù)采集器進(jìn)行合作配置，快速實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的獲取和處理。同時(shí)需要注意，虛擬串口軟件并不是存在的端口，而是通過(guò)虛擬手段模擬出的串口，省去了數(shù)據(jù)電纜的布線，沒(méi)有物理距離上的限制，也可以很好地實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)通信功能[4]。

4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

為了驗(yàn)證該系統(tǒng)的各項(xiàng)功能是否可以更好地幫助改善農(nóng)作物的生長(zhǎng)環(huán)境，利用LoggerNet軟件，對(duì)農(nóng)作物的生長(zhǎng)情況進(jìn)行模擬，測(cè)試空氣和土壤的溫濕度數(shù)據(jù)，不可將空氣溫濕度傳感器置于外部，需要將其埋入土內(nèi)，檢測(cè)各自的溫濕度數(shù)據(jù)。將電壓信號(hào)傳輸?shù)紻atalogger數(shù)據(jù)傳感器中，利用該數(shù)據(jù)采集器對(duì)信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，利用DTU無(wú)線數(shù)據(jù)傳感器將得到的環(huán)境參數(shù)上傳到終端，并利用LoggerNet軟件進(jìn)行處理。比較實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與預(yù)設(shè)數(shù)據(jù)，并進(jìn)行結(jié)果的比較。將結(jié)果上傳到Datalogger數(shù)據(jù)采集器的I/O端口中，并對(duì)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行保存，通過(guò)控制繼電器模塊控制電磁閥。將土壤參數(shù)的溫度設(shè)置為28℃，濕度設(shè)置為40%以下，當(dāng)滿足設(shè)置條件時(shí)，通過(guò)Datalogger數(shù)據(jù)采集器分析控制信號(hào)，并將獲取的數(shù)據(jù)上傳到終端，將土壤澆灌開(kāi)關(guān)設(shè)置為10 s，執(zhí)行澆灌動(dòng)作對(duì)土壤進(jìn)行溫濕度檢測(cè)操作。土壤在獲取足夠的水分后，在半個(gè)小時(shí)之內(nèi)不再進(jìn)行二次澆灌，超過(guò)半個(gè)小時(shí)之后觀察數(shù)據(jù)，如溫濕度滿足設(shè)置條件重復(fù)澆灌動(dòng)作，直到數(shù)據(jù)發(fā)生變化為止[5]。

將農(nóng)作物放置在太陽(yáng)下，在充分暴露在外的情況下，溫度與濕度值會(huì)發(fā)生改變?？諝鉁囟炔怀^(guò)30℃，濕度不易超過(guò)60%，同時(shí)滿足溫濕度條件才可進(jìn)行數(shù)據(jù)處理?？刂贫丝诘妮敵鲂盘?hào)，將獲得的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行存儲(chǔ)并上傳到終端設(shè)備。通過(guò)電磁閥可以對(duì)空氣進(jìn)行增濕降溫操作，時(shí)間間隔為半小時(shí)，到時(shí)間之后繼續(xù)判斷，直到數(shù)據(jù)發(fā)生變化為止。特別注意的是，土壤與空氣的溫濕度檢測(cè)要單獨(dú)進(jìn)行。

整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中，利用LoggerNet軟件測(cè)試土壤和空氣的溫濕度數(shù)據(jù)，可以得到，數(shù)據(jù)曲線隨著時(shí)間軸的變化而不斷發(fā)生變化。Datalogger數(shù)據(jù)采集器將數(shù)據(jù)信息按照用戶的要求進(jìn)行存儲(chǔ)，并記錄每一個(gè)數(shù)據(jù)的時(shí)間點(diǎn)，方便用戶日后的查看與處理[6]。

當(dāng)土壤和空氣的溫濕度參數(shù)沒(méi)有在合理的控制范圍內(nèi)時(shí)，需要利用Datalogger數(shù)據(jù)采集器的I/O口進(jìn)行溫濕度參數(shù)的重新設(shè)定，通過(guò)電磁閥進(jìn)行設(shè)定，以達(dá)到目標(biāo)要求。通過(guò)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)模擬農(nóng)作物的生長(zhǎng)情況，保證生長(zhǎng)環(huán)境可以達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，可以更好地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)最初的設(shè)計(jì)初衷。通過(guò)DTU設(shè)計(jì)的農(nóng)作物生長(zhǎng)環(huán)境在線檢測(cè)系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控農(nóng)作物的生長(zhǎng)環(huán)境，對(duì)土壤和空氣的溫濕度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，讓土壤和空氣的溫濕度可以擁有更好的生長(zhǎng)環(huán)境，根據(jù)農(nóng)作物的生長(zhǎng)條件，在LoggerNet軟件進(jìn)行溫濕度參數(shù)設(shè)定，利用控制機(jī)構(gòu)，完成農(nóng)作物的生長(zhǎng)環(huán)境參數(shù)設(shè)定，保證在合適的范圍之內(nèi)，農(nóng)作物可以獲取最優(yōu)質(zhì)的生長(zhǎng)環(huán)境。

5 結(jié)束語(yǔ)

基于DTU設(shè)計(jì)的農(nóng)作物生長(zhǎng)環(huán)境信息在線檢測(cè)系統(tǒng)可以進(jìn)行空氣和土壤的溫濕度測(cè)試，通過(guò)對(duì)土壤和空氣溫濕度的在線監(jiān)控，進(jìn)一步完善自動(dòng)控制系統(tǒng)的功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)環(huán)境參數(shù)的遠(yuǎn)程控制。