基于太陽能供電的寒地水稻育秧棚環境參數采集終端設計

張斌+田芳明+徐驍翔+高揚+孫磊+馮廣學

摘 要：水稻育秧環節是寒地水稻種植的必要步驟，只有培育壯秧才能確保水稻高產，育秧過程中，不同育秧時期秧苗對所需的棚內空氣溫濕度、土壤水分、土壤溫度等要求不同，只有搭建適合的生長環境，才能達到培育壯秧的目的。本設計根據寒地水稻育秧所需的特有生長環境及黑龍江墾區育秧期的實際環境狀況，研制了基于太陽能供電的棚內參數采集終端系統，該系統可以實現棚內多種環境參數的實時采集，并能通過無線或短信等方式將環境信息上傳到監控中心的PC機或用戶手機中，使技術人員實時掌握棚內的環境狀態，具有低功耗、可靠性高、通用性強等特點。

關鍵詞：寒地；育秧；太陽能；GSM

1 引言

眾所周知，黑龍江省廣袤并且肥沃的平原土地資源，從之前的北大荒逐漸成為了全國數一數二的糧倉“北大倉”。隨著現代化的飛速發展，農業自動控制也正在為越來越多的人所關注，它能夠在很大程度上提升耕作勞動的效率和質量，為廣大農民的生產生活做出貢獻。然而，我省一年之中1/3的時間在冰霜籠蓋之下，冬季氣溫低，凍土層最深達2.5米，全年無霜期平均在130天左右，針對寒地特點進行自動控制系統的特殊設計與分析顯得非常重要。水稻育秧是水稻安全生產的重要環節，提供適合的生長環境對培育壯秧具有重要意義，在寒地水稻育秧過程中，不僅需要高度自動化的設備，還需要盡可能的低功耗，適應性強的設備，經研究設計了一套基于太陽能供電的寒地水稻育秧棚環境參數采集終端。系統采用低功耗MSP430單片機作為主控芯片，高效節能太陽能模塊提供能量，無線數傳及短信模塊實現對實地情況的實時監控與操作。系統具有能耗低，運算速度快，精度高，運行可靠，適應性強，方便好用等特點，對于寒地水稻的種植及養護具有現實意義[1]。

2 系統硬件設計

根據育秧現場的實際需求及環境特點，設計了系統硬件框圖（如圖1所示），其中包括MSP430微處理器模塊、液晶顯示模塊、串口無線通信模塊，短信收發模塊、電源模塊、按鍵控制模塊等。

當采集系統工作時，MSP430微處理器模塊經電源模塊供電上電復位后進入低功耗中斷等待狀態，根據傳感器通用接口模塊連接的傳感器類型，通過按鍵控制模塊啟動系統進入環境參數采集過程，采集的數據經MSP430微處理器模塊處理后存儲到存儲模塊中并分屏實時顯示在液晶顯示模塊上，MSP430微處理器模塊通過遠程無線模塊將采集的數據發送到監控中心，供給農場技術人員進行歷史數據查詢等，同時，可利用GSM短信方式向用戶發送信息，用戶亦可通過手機向指定號碼發送“查詢”指令獲取棚內環境參數信息。系統中采用的元器件皆為低功耗原件，太陽能供電模塊可以完全滿足農場農忙期經常停電的實際需求。

2.1 微控制器

系統采用了MSP430F149單片機作為主控芯片[2]，這款TI公司研制的單片機具有可靠性高，耗電量低，內嵌A/D接口等眾多優點。其工作電壓為3.3V，很好的適應了太陽能供電這一低功耗的特點。由于系統內有著各種各樣的模擬量信號處理要求，所以內置A/D接口避免了進行外擴A/D，使系統得到了合理的利用。

2.2 供電模塊

農場地區農忙期供電需求大，經常會遇到停電情況，所以供電系統的穩定是決定這個系統好壞的重要組成部分。并且考慮到北方白天光強高，光線直射時間長的特點，選擇了太陽能供電的方式。利用電源管理芯片實現有電時利用市電進行供電，太陽能電池板僅對蓄電池進行充電，若停電，則轉換為太陽能充電電池供電方式供電，保障系統可靠運行。其供電結構圖如圖2所示。

2.3 復位保護模塊

采用MAX809S 復位芯片。它采用了SOT-23表面貼片3腳封裝。工作電壓為-0.3V-+6V。復位閥值為2.93V。具有高適應性，可在-40°-+105°間正常工作，此時電壓幅度為1.2V-5.5V。其電路圖如圖3。

2.4 電源轉換模塊

在電源轉換方面采用了N7805非隔離降壓電源轉換模塊。轉換效率高達96%，可在-40°-+85°下能保證正常的工作電壓，適應絕大部分地區的需要，具有很好的適應性和可移植性。內部還設有短路保護和過熱保護措施，能夠在出現錯誤的時候及時對元器件進行保護。由它將電壓穩定地轉換到5V，再用TPS76033穩壓器將其轉換為3.3V的單片機可用供電電壓，其電路連接如圖4所示。

3 對外數據交換系統

為了適應各種不同的外界環境，模塊中采用了工業級的串口通信電平轉換芯片MAX3232ESE進行電平轉換，它采用SOIC 封裝方式，電源電壓為3V-5.5V。電源電流為3mA，工作溫度范圍為-40°～+85°，它為單片機和外界提供了一個可靠的串口通信協議，是必不可少的組成部件。

3.1 無線通信接口設計

系統設計了無線數傳接口電路，采用小功率無線模塊JZ877進行可靠信息數傳[3]。JZ877是高集成度的小功率半雙工的無線數傳模塊，采用TI高性能射頻芯片及高速單片機，提供16個頻道，并配備有專業的設置軟件，以便用戶進行參數更改，模塊采用透明傳輸的方式，無須用戶編寫設置與傳輸程序，即可進行傳輸任何大小的數據。有效傳輸距離為3000米（1200bps）。內置看門狗，可以保證長期可靠運行。適用于UART/TTL、RS232、RS485接口。

3.2 短信通信接口設計

系統設計了端口擴展進行CDMA通信，支持JTAG調試，多樣化的程序檢測路徑很好地保證了系統的穩定運行[4]。CDMA短信接收電路如圖5所示。

4 結束語

本文根據北方寒地水稻育秧特點，設計了智能育秧棚室環境參數采集終端系統，該系統采用太陽能供電方式，有效解決了農場農忙期經常停電帶來的實際問題，系統可進行數據采集數目與種類擴展，能夠實現無線、短信等多種通信方式，具有實用性強，可靠性高等優點。

參考文獻

[1]田芳明，衣淑娟，譚峰，等.智能育秧群棚監控系統的設計與應用[J].廣東農業科學，2011（2）：126-129.

[2]秦龍.MSP430單片機應用系統開發典型實例[M].北京：中國電力出版社，2005.

[3]鄭淑慧.太陽能供電錄井數據采集與無線傳輸系統的研究[D].東營：中國石油大學，2008.

[4]孟現平.帶有CDMA短信模塊的多功能電力監測儀[J].自動化與儀表，2012（4）：22-26.

作者簡介：張斌（1992-），男，黑龍江八一農墾大學2011級電子信息工程專業本科生。

通訊作者：田芳明，女，講師，現主要從事農業信息化、設施農業方面研究。endprint

摘 要：水稻育秧環節是寒地水稻種植的必要步驟，只有培育壯秧才能確保水稻高產，育秧過程中，不同育秧時期秧苗對所需的棚內空氣溫濕度、土壤水分、土壤溫度等要求不同，只有搭建適合的生長環境，才能達到培育壯秧的目的。本設計根據寒地水稻育秧所需的特有生長環境及黑龍江墾區育秧期的實際環境狀況，研制了基于太陽能供電的棚內參數采集終端系統，該系統可以實現棚內多種環境參數的實時采集，并能通過無線或短信等方式將環境信息上傳到監控中心的PC機或用戶手機中，使技術人員實時掌握棚內的環境狀態，具有低功耗、可靠性高、通用性強等特點。

關鍵詞：寒地；育秧；太陽能；GSM

1 引言

眾所周知，黑龍江省廣袤并且肥沃的平原土地資源，從之前的北大荒逐漸成為了全國數一數二的糧倉“北大倉”。隨著現代化的飛速發展，農業自動控制也正在為越來越多的人所關注，它能夠在很大程度上提升耕作勞動的效率和質量，為廣大農民的生產生活做出貢獻。然而，我省一年之中1/3的時間在冰霜籠蓋之下，冬季氣溫低，凍土層最深達2.5米，全年無霜期平均在130天左右，針對寒地特點進行自動控制系統的特殊設計與分析顯得非常重要。水稻育秧是水稻安全生產的重要環節，提供適合的生長環境對培育壯秧具有重要意義，在寒地水稻育秧過程中，不僅需要高度自動化的設備，還需要盡可能的低功耗，適應性強的設備，經研究設計了一套基于太陽能供電的寒地水稻育秧棚環境參數采集終端。系統采用低功耗MSP430單片機作為主控芯片，高效節能太陽能模塊提供能量，無線數傳及短信模塊實現對實地情況的實時監控與操作。系統具有能耗低，運算速度快，精度高，運行可靠，適應性強，方便好用等特點，對于寒地水稻的種植及養護具有現實意義[1]。

2 系統硬件設計

根據育秧現場的實際需求及環境特點，設計了系統硬件框圖（如圖1所示），其中包括MSP430微處理器模塊、液晶顯示模塊、串口無線通信模塊，短信收發模塊、電源模塊、按鍵控制模塊等。

當采集系統工作時，MSP430微處理器模塊經電源模塊供電上電復位后進入低功耗中斷等待狀態，根據傳感器通用接口模塊連接的傳感器類型，通過按鍵控制模塊啟動系統進入環境參數采集過程，采集的數據經MSP430微處理器模塊處理后存儲到存儲模塊中并分屏實時顯示在液晶顯示模塊上，MSP430微處理器模塊通過遠程無線模塊將采集的數據發送到監控中心，供給農場技術人員進行歷史數據查詢等，同時，可利用GSM短信方式向用戶發送信息，用戶亦可通過手機向指定號碼發送“查詢”指令獲取棚內環境參數信息。系統中采用的元器件皆為低功耗原件，太陽能供電模塊可以完全滿足農場農忙期經常停電的實際需求。

2.1 微控制器

系統采用了MSP430F149單片機作為主控芯片[2]，這款TI公司研制的單片機具有可靠性高，耗電量低，內嵌A/D接口等眾多優點。其工作電壓為3.3V，很好的適應了太陽能供電這一低功耗的特點。由于系統內有著各種各樣的模擬量信號處理要求，所以內置A/D接口避免了進行外擴A/D，使系統得到了合理的利用。

2.2 供電模塊

農場地區農忙期供電需求大，經常會遇到停電情況，所以供電系統的穩定是決定這個系統好壞的重要組成部分。并且考慮到北方白天光強高，光線直射時間長的特點，選擇了太陽能供電的方式。利用電源管理芯片實現有電時利用市電進行供電，太陽能電池板僅對蓄電池進行充電，若停電，則轉換為太陽能充電電池供電方式供電，保障系統可靠運行。其供電結構圖如圖2所示。

2.3 復位保護模塊

采用MAX809S 復位芯片。它采用了SOT-23表面貼片3腳封裝。工作電壓為-0.3V-+6V。復位閥值為2.93V。具有高適應性，可在-40°-+105°間正常工作，此時電壓幅度為1.2V-5.5V。其電路圖如圖3。

2.4 電源轉換模塊

在電源轉換方面采用了N7805非隔離降壓電源轉換模塊。轉換效率高達96%，可在-40°-+85°下能保證正常的工作電壓，適應絕大部分地區的需要，具有很好的適應性和可移植性。內部還設有短路保護和過熱保護措施，能夠在出現錯誤的時候及時對元器件進行保護。由它將電壓穩定地轉換到5V，再用TPS76033穩壓器將其轉換為3.3V的單片機可用供電電壓，其電路連接如圖4所示。

3 對外數據交換系統

為了適應各種不同的外界環境，模塊中采用了工業級的串口通信電平轉換芯片MAX3232ESE進行電平轉換，它采用SOIC 封裝方式，電源電壓為3V-5.5V。電源電流為3mA，工作溫度范圍為-40°～+85°，它為單片機和外界提供了一個可靠的串口通信協議，是必不可少的組成部件。

3.1 無線通信接口設計

系統設計了無線數傳接口電路，采用小功率無線模塊JZ877進行可靠信息數傳[3]。JZ877是高集成度的小功率半雙工的無線數傳模塊，采用TI高性能射頻芯片及高速單片機，提供16個頻道，并配備有專業的設置軟件，以便用戶進行參數更改，模塊采用透明傳輸的方式，無須用戶編寫設置與傳輸程序，即可進行傳輸任何大小的數據。有效傳輸距離為3000米（1200bps）。內置看門狗，可以保證長期可靠運行。適用于UART/TTL、RS232、RS485接口。

3.2 短信通信接口設計

系統設計了端口擴展進行CDMA通信，支持JTAG調試，多樣化的程序檢測路徑很好地保證了系統的穩定運行[4]。CDMA短信接收電路如圖5所示。

4 結束語

本文根據北方寒地水稻育秧特點，設計了智能育秧棚室環境參數采集終端系統，該系統采用太陽能供電方式，有效解決了農場農忙期經常停電帶來的實際問題，系統可進行數據采集數目與種類擴展，能夠實現無線、短信等多種通信方式，具有實用性強，可靠性高等優點。

參考文獻

[1]田芳明，衣淑娟，譚峰，等.智能育秧群棚監控系統的設計與應用[J].廣東農業科學，2011（2）：126-129.

[2]秦龍.MSP430單片機應用系統開發典型實例[M].北京：中國電力出版社，2005.

[3]鄭淑慧.太陽能供電錄井數據采集與無線傳輸系統的研究[D].東營：中國石油大學，2008.

[4]孟現平.帶有CDMA短信模塊的多功能電力監測儀[J].自動化與儀表，2012（4）：22-26.

作者簡介：張斌（1992-），男，黑龍江八一農墾大學2011級電子信息工程專業本科生。

通訊作者：田芳明，女，講師，現主要從事農業信息化、設施農業方面研究。endprint

摘 要：水稻育秧環節是寒地水稻種植的必要步驟，只有培育壯秧才能確保水稻高產，育秧過程中，不同育秧時期秧苗對所需的棚內空氣溫濕度、土壤水分、土壤溫度等要求不同，只有搭建適合的生長環境，才能達到培育壯秧的目的。本設計根據寒地水稻育秧所需的特有生長環境及黑龍江墾區育秧期的實際環境狀況，研制了基于太陽能供電的棚內參數采集終端系統，該系統可以實現棚內多種環境參數的實時采集，并能通過無線或短信等方式將環境信息上傳到監控中心的PC機或用戶手機中，使技術人員實時掌握棚內的環境狀態，具有低功耗、可靠性高、通用性強等特點。

關鍵詞：寒地；育秧；太陽能；GSM

1 引言

眾所周知，黑龍江省廣袤并且肥沃的平原土地資源，從之前的北大荒逐漸成為了全國數一數二的糧倉“北大倉”。隨著現代化的飛速發展，農業自動控制也正在為越來越多的人所關注，它能夠在很大程度上提升耕作勞動的效率和質量，為廣大農民的生產生活做出貢獻。然而，我省一年之中1/3的時間在冰霜籠蓋之下，冬季氣溫低，凍土層最深達2.5米，全年無霜期平均在130天左右，針對寒地特點進行自動控制系統的特殊設計與分析顯得非常重要。水稻育秧是水稻安全生產的重要環節，提供適合的生長環境對培育壯秧具有重要意義，在寒地水稻育秧過程中，不僅需要高度自動化的設備，還需要盡可能的低功耗，適應性強的設備，經研究設計了一套基于太陽能供電的寒地水稻育秧棚環境參數采集終端。系統采用低功耗MSP430單片機作為主控芯片，高效節能太陽能模塊提供能量，無線數傳及短信模塊實現對實地情況的實時監控與操作。系統具有能耗低，運算速度快，精度高，運行可靠，適應性強，方便好用等特點，對于寒地水稻的種植及養護具有現實意義[1]。

2 系統硬件設計

根據育秧現場的實際需求及環境特點，設計了系統硬件框圖（如圖1所示），其中包括MSP430微處理器模塊、液晶顯示模塊、串口無線通信模塊，短信收發模塊、電源模塊、按鍵控制模塊等。

當采集系統工作時，MSP430微處理器模塊經電源模塊供電上電復位后進入低功耗中斷等待狀態，根據傳感器通用接口模塊連接的傳感器類型，通過按鍵控制模塊啟動系統進入環境參數采集過程，采集的數據經MSP430微處理器模塊處理后存儲到存儲模塊中并分屏實時顯示在液晶顯示模塊上，MSP430微處理器模塊通過遠程無線模塊將采集的數據發送到監控中心，供給農場技術人員進行歷史數據查詢等，同時，可利用GSM短信方式向用戶發送信息，用戶亦可通過手機向指定號碼發送“查詢”指令獲取棚內環境參數信息。系統中采用的元器件皆為低功耗原件，太陽能供電模塊可以完全滿足農場農忙期經常停電的實際需求。

2.1 微控制器

系統采用了MSP430F149單片機作為主控芯片[2]，這款TI公司研制的單片機具有可靠性高，耗電量低，內嵌A/D接口等眾多優點。其工作電壓為3.3V，很好的適應了太陽能供電這一低功耗的特點。由于系統內有著各種各樣的模擬量信號處理要求，所以內置A/D接口避免了進行外擴A/D，使系統得到了合理的利用。

2.2 供電模塊

農場地區農忙期供電需求大，經常會遇到停電情況，所以供電系統的穩定是決定這個系統好壞的重要組成部分。并且考慮到北方白天光強高，光線直射時間長的特點，選擇了太陽能供電的方式。利用電源管理芯片實現有電時利用市電進行供電，太陽能電池板僅對蓄電池進行充電，若停電，則轉換為太陽能充電電池供電方式供電，保障系統可靠運行。其供電結構圖如圖2所示。

2.3 復位保護模塊

采用MAX809S 復位芯片。它采用了SOT-23表面貼片3腳封裝。工作電壓為-0.3V-+6V。復位閥值為2.93V。具有高適應性，可在-40°-+105°間正常工作，此時電壓幅度為1.2V-5.5V。其電路圖如圖3。

2.4 電源轉換模塊

在電源轉換方面采用了N7805非隔離降壓電源轉換模塊。轉換效率高達96%，可在-40°-+85°下能保證正常的工作電壓，適應絕大部分地區的需要，具有很好的適應性和可移植性。內部還設有短路保護和過熱保護措施，能夠在出現錯誤的時候及時對元器件進行保護。由它將電壓穩定地轉換到5V，再用TPS76033穩壓器將其轉換為3.3V的單片機可用供電電壓，其電路連接如圖4所示。

3 對外數據交換系統

為了適應各種不同的外界環境，模塊中采用了工業級的串口通信電平轉換芯片MAX3232ESE進行電平轉換，它采用SOIC 封裝方式，電源電壓為3V-5.5V。電源電流為3mA，工作溫度范圍為-40°～+85°，它為單片機和外界提供了一個可靠的串口通信協議，是必不可少的組成部件。

3.1 無線通信接口設計

系統設計了無線數傳接口電路，采用小功率無線模塊JZ877進行可靠信息數傳[3]。JZ877是高集成度的小功率半雙工的無線數傳模塊，采用TI高性能射頻芯片及高速單片機，提供16個頻道，并配備有專業的設置軟件，以便用戶進行參數更改，模塊采用透明傳輸的方式，無須用戶編寫設置與傳輸程序，即可進行傳輸任何大小的數據。有效傳輸距離為3000米（1200bps）。內置看門狗，可以保證長期可靠運行。適用于UART/TTL、RS232、RS485接口。

3.2 短信通信接口設計

系統設計了端口擴展進行CDMA通信，支持JTAG調試，多樣化的程序檢測路徑很好地保證了系統的穩定運行[4]。CDMA短信接收電路如圖5所示。

4 結束語

本文根據北方寒地水稻育秧特點，設計了智能育秧棚室環境參數采集終端系統，該系統采用太陽能供電方式，有效解決了農場農忙期經常停電帶來的實際問題，系統可進行數據采集數目與種類擴展，能夠實現無線、短信等多種通信方式，具有實用性強，可靠性高等優點。

參考文獻

[1]田芳明，衣淑娟，譚峰，等.智能育秧群棚監控系統的設計與應用[J].廣東農業科學，2011（2）：126-129.

[2]秦龍.MSP430單片機應用系統開發典型實例[M].北京：中國電力出版社，2005.

[3]鄭淑慧.太陽能供電錄井數據采集與無線傳輸系統的研究[D].東營：中國石油大學，2008.

[4]孟現平.帶有CDMA短信模塊的多功能電力監測儀[J].自動化與儀表，2012（4）：22-26.

作者簡介：張斌（1992-），男，黑龍江八一農墾大學2011級電子信息工程專業本科生。

通訊作者：田芳明，女，講師，現主要從事農業信息化、設施農業方面研究。endprint