基于C8051F單片機的便攜式農田基礎信息采集終端的設計

王尚宏，張 倩，楊 軍

（新疆電子研究所有限公司 新疆 烏魯木齊 830049）

目前農田綜合數據采集主要靠固定式站點采集，設備采購、安裝成本較高，維護困難，無法流動作業。而便攜式的儀器設備一般都是針對某種單一功能而設計開發，專業技術要求較高，沒有專業針對農田信息便攜式集成采集的功能，對農業及棉花生產管理人員的實際應用帶來了諸多不便，迫切需要一種簡單易用的儀器設備隨時隨地監測和記錄棉花生長的基本數據，提供給專家進行咨詢以指導棉花生產。

1 便攜式農田基礎信息采集終端簡介

農田基礎信息研究的對象大致可以分為土壤信息、位置信息、農田周圍環境、空氣溫度與濕度、病蟲害情況等[1]。

便攜式農田基礎信息采集終端具有微功耗、便攜式、操作簡單、及網絡化等特點，農業生產管理人員可以在作物生長的不同階段和不同作業的要求，隨意攜帶到田間地頭進行使用，與各類儀器及傳感器相連，也可以與農機具配套使用，采集定位信息、土壤平整度、土壤面積、土壤墑情、田間氣象數據、作物各生長期的長勢、病蟲害等作物生產過程的環境與生物信息，然后通過嵌入式系統的采集和分析軟件進行數據的分析和處理，在田間現場即可實現灌溉、施肥等決策的及時執行。通過無線網絡系統，可與上層管理系統實現無縫連接，實現農業生產的全程跟蹤和管理，并及時發布信息。每個單位集體可根據實際情況建立相應的服務端作業管理軟件平臺，從而，更加科學地、合理地指導農業生產。主要針對農業生產過程中所需的各種數據進行采集和綜合分析，包括土壤信息、氣象數據、作物長勢、病蟲害狀況等，從而得出農田灌溉決策方案、平衡施肥方案、作物長勢分析及病蟲害預防方案等，為農業生產及管理提供信息化服務。

2 C8051F單片機簡介

C8051Fxxx系列單片機是完全集成的混合信號系統級芯片，具有與8051兼容的微控制器內核，與MCS-51指令集完全兼容[2]。除了具有標準8052的數字外設部件之外，片內還集成了數據采集和控制系統中常用的模擬部件和其他數字外設及功能部件，具有上手快、研發快（開發工具易用，可縮短研發周期）和見效快（調試手段靈活）的特點[3]。

文中設計單片機選擇美國Silabs公司的C8051F020。

3 采集終端工作原理簡介

農田信息采集技術指計算機通過傳感器和A／D轉換部件采集外部環境的數據，經計算后，按照控制規則發出控制信號操縱被控制部件，進而控制外部環境[4]。采集終端自身未集成任何傳感器，依據信息采集技術利用I/O數據采集接口連接各類便攜式傳感器（農田用）、固定站點傳感器，并采集相應數據。這樣大大提高了產品使用的靈活性和適用性。采集終端工作如圖1所示。

圖1 采集終端工作原理Fig.1 Gather terminal working principle

3.1 采集終端實現的功能

便攜式農田基礎信息采集終端可連接下列設備并采集數據。

1）土壤墑情數據，可連接FDR、TDR、電子負壓計等土壤水分傳感器。

2）土壤養分數據，可連接國產TFC-203PC型土壤養分測試儀、國外Rqflex便攜式反射光度計等土壤養分測試儀。

3）土壤鹽分數據，可連接相關土壤鹽分監測儀器，如EM38大地電導儀等。

4）氣象數據，可連接相關氣象傳感器或下載現有農田氣象站數據的功能。

5）作物生長圖像，可連接數碼照相機、數碼攝像機，用于采集作物生長的形態結構信息，以便對病蟲草害、栽培措施等進行模式識別，也可以獲得作物生長發育的狀態信息。

6）光譜傳感器，反射光譜包含了豐富的礦物結構及其組成信息。通過測定作物的反射光譜可以獲得作物生育階段信息和葉綠素等各種物質含量的信息；同時也可以測定作物的生物產量與經濟產量。作物病蟲害的發生規律也可以通過其冠叢表面的反射光譜進行觀察監測。

7）作物生理信息傳感器。作物的產量與生理活動，如光合速率與呼吸速率、田間溫度、光照強度等的變化關系密切[5]，實現隨時觀測田間作物的生理信息的變化。

8）實驗室分析儀器。

其他功能還有：1）無線網絡功能。通過無線網絡可與相關農業數據庫、管理計算機、專家系統、GIS系統進行數據、信息、分析結果的查詢、發布；2）支持GPS設備接口。通過GPS設備，可隨時監測種植面積，狀態定位等相關信息。

3.2 主要組成部分

1）各類測試儀器和傳感器，如田間氣象數據采集單元、土壤水分測量等。

2）采集終端設備。

3）電源。

4 采集終端設備設計

系統由CPU板和接口電路、存儲單元及電源組成。其采集終端系統框圖如圖2所示。

圖2 系統框圖Fig.2 Systematic block diagram

1）MCU為美國Silabs公司C8051F020，64kB程序FLASH、（4096+256）B RAM、最高 25MIPS 執行速度[6]；

2）存儲單元為 32KBSRAM（選用 IS61LV256，速度 12ns）；

3）LCD接口，支持各種尺寸LCD，最高支持320×240；

4）8路光耦隔離輸出，8路光耦隔離輸入；24路12位單端 AD 輸入， 輸入信號量程 0～+5 V/0～+10 V/-5～+5 V/-10～+10 V/0～+20 mA或-20～+20 mA電流信號可選；每一路輸入信號都可實現1～100倍的信號放大。

5）2路12位DA輸出，輸出信號范圍 0～+5 V/0～+10 V/-5～+5 V/-10～+10 V 可選；

6）2路標準RS232和1路RS485/422（半雙工）通訊接口；

7）鍵盤及LED顯示接口；

8） +5 V，±12 V 供電。

5 采集終端嵌入式系統功能簡介

信息采集終端軟件系統具備以下功能。

1）時間設定:可設定及修改采集終端的記錄時間。

2）通道設定：可對各個通道進行傳感器類別的定義，并能對傳感器上下限設定，因為各廠家同類型傳感器的上下限并不完全統一，因此終端連接傳感器后，軟件可根據傳感器的要求進行上下限設定，保證測量數據的準確性。

3）采集設定：具備人工/自動，采樣時間，采樣延遲等設定功能。

4）數據存儲、傳送功能設定。

5）歷史數據查詢：可查詢各個時間段的各傳感器的歷史數據。

6 結束語

便攜農田基礎信息采集終端，由CPU單元[7]、存儲單元、數據通訊單元、數據采集單元、顯示單元、專用鍵盤及電源控制單元等組成，采用模塊化設計理念，設備自身未集成任何傳感器，卻可利用豐富的接口裝置連接各類便攜式傳感器，主要實現空氣溫度、空氣濕度、降雨量、風速、輻射強度、土壤溫度、土壤墑情、土壤養分及鹽堿含量的數據采集、存儲、查詢及數據通訊。具有體積小、功耗低、攜帶性好、操作簡單、安裝方便、模塊化和可擴張性及網絡化功能，農業及棉花生產管理人員可以隨意攜帶到田間地頭進行使用。

[1]葛曉峰.基于GPS和GIS的農田信息快速采集與管理系統的研究[D].杭州：浙江大學，2003.

[2]潘琢金，施國君.C8051Fxxx高速SOC單片機原理及應用[M].北京：北京航空航天大學出版社，2002.

[3]潘琢金，孫德龍，夏秀峰譯.C8051F單片機應用解析[M].北京:北京航空航天大學出版社，2002.

[4]趙春江，薛緒掌，王秀，等.精準農業技術體系的研究進展與展望[J].農業工程學報，2003（4）：7-12.

ZHAO Chun-jiang，XUE Xu-zhang，WANG Xiu，et al.The research of the perfect agricultural technology system develops with the prospect[J].Transactions of the CSAE，2003（4）:7-12.

[5]奚廣生，姚運生.農業氣象[M].北京：高等教育出版社，2005.

[6]舒劍，曾桂英.基于C8051F020的USB多路數據采集器設計[J].吉林師范大學學報：自然科學版，2009（1）:75-77.

SHU Jian，ZENG Gui-ying.USB many way data collectors based on C8051F020 design[J].The Journal of Normal University of Jilin:Natural Science，2009（1）：75-77.

[7]王婕，王健.基于TOE技術的嵌入式以太網接口設計[J].工業儀表與自動化裝置，2011（6）：34-36，41.

WANG Jie，WANG Jian.The embedded Ethernet interface design based on TOE technology[J].Industrial Instrumentation&Automation，2011（6）：34-36，41.