基于Arduino和LabVIEW的水稻種植環境數據采集系統的應用

李巖 張永鋒 吳長昊 汪建飛

摘要為了實現水稻種植環境的自動監測，給水稻種植和管理帶來便利，設計了一種基于Arduino和LabVIEW的水稻種植環境參數的監測系統。首先介紹了監測系統的功能和結構框圖，隨后闡述了其硬件和軟件的設計與實現。由傳感器前端觸桿與大氣和土壤接觸，采集大氣的溫濕度、土壤的溫濕度和pH，數據采集模塊將獲得的信號通過串口上傳至上位機。上位機LabVIEW對采集的數據進行存儲、圖形實時顯示及處理、分析，實現實時、便捷地檢測水稻環境的溫度、濕度、pH變化情況。實踐表明，該設計能夠經濟、高效地實現數據采集，可用于實時環境狀況的快速監測，具有一定的參考價值和實用性。

關鍵詞Arduino；LabVIEW；水稻；種植環境

中圖分類號S126文獻標識碼A文章編號0517-6611（2017）12-0187-03

AbstractIn order to realize the automatic detection of rice cultivation environment， a kind of rice planting environment parameters monitoring system based on the Arduino and LabVIEW was designed， which can bring convenience for rice cultivation and management. This paper first introduces the function and structure diagram of the monitoring system， then expounds the design and implementation of its hardware and software. By the sensor touch front bar contact with atmosphere and soil， collect the temperature and humidity of the air， soil temperature and humidity and pH value， the data acquisition module will receive signals via a serial port to upload first place machine. PC LabVIEW data for storage， graphics display and realtime processing and analysis， realtime， convenient to detect rice environment temperature， humidity， pH changes. The practice shows that the design can achieve economic and efficient data collection， can be used for rapid monitoring of realtime environment， has a certain reference value and practicability.

Key wordsArduino；LabVIEW；Rice；Planting environment

近年來隨著物聯網技術的快速發展，我國農業技術已經進入了智能化、機械化階段?，F代化農業生產過程中，需要對農作物的各種生長環境信息進行采集，以便為農業決策服務[1-2]。傳統的依靠人工、效率低下的信息采集已不能滿足現代高產、優質、高效、安全、生態的要求，現代水稻種植正伴隨著互聯網技術向信息化的方向發展[3-5]。如何在第一時間內獲取更多種植所需的環境參數以實現最佳狀態下的種植是現代水稻種植成功的關鍵[5-8]。

該研究主要介紹了基于Arduino和LabVIEW的水稻種植環境采集系統在水稻種植中的應用，它以Arduino為核心，利用其他檢測元件和執行機構及時、自動地對水稻種植環境進行大氣溫濕度、土壤溫濕度、pH監測，從而減少了人工，且操作簡單，可帶來更大的經濟效益。該系統可實現以下功能：大氣溫濕度監測，土壤溫濕度監測，土壤pH監測等。由于該系統是面向普通水稻種植戶，考慮農民的實際可投資額，盡量在不降低系統性能的前提下采用價格低廉的元器件，降低整個系統的造價，節省資金。

1水稻種植中環境數據采集系統的組成

該系統由 Arduino、粉塵傳感器、氣壓傳感器、火焰傳感器、土壤濕度傳感器、pH傳感器、大氣溫濕度傳感器、高感度聲音傳感器、有害氣體傳感器、紅外通訊、藍牙通訊、光照度轉換模塊和無線串口發送模塊組成。其中，Arduino 單片機是系統的控制中心，負責將采集上來的數據按照自定義的通信格式變成相應的幀格式發送給上位機。數據主要包括環境中的粉塵和有害氣體、大氣的溫濕度、土壤環境的溫濕度等。系統框圖如圖1所示。

2水稻種植中數據采集電路硬件部分選擇及實現

2.1Arduino 控制板

Arduino 是一種開源硬件控制平臺，具有自己的集成開發環境（IDE）。該IDE界面基于開放源代碼，可以免費下載使用，且具有簡單高效的特點，很容易操作使用[9-10]。Arduino硬件包括原理圖和印制電路板（PCB），都是公開免費的，官方僅僅保留其商標所有權。很多廠商也基于官方的文件開發了多種多樣的 Arduino 外圍功能電路可供選擇，包括電機驅動、無線通信、音樂播放及各種傳感器（濕度、溫度、速度、傾角等）。

該系統使用的 Arduino 單元為 Arduino UNO R3，是 Arduino USB 接口系列的最新版本，核心處理器是ATmega328，具有 14 路數字輸入/輸出口（6路可作為PWM 輸出）、6 路模擬輸入，支持 I2C 和 SPI 通信協議。

2.2傳感器

傳感器是一種檢測裝置，能夠感受被測的信息并能將感受的信息按照一定的規律轉換成電信號或者其他形式輸出，傳感器是實現自動檢測盒自動控制的首要環節。對于水稻種植環境的一些環境數據可以采用傳感器獲取，以下是部分采集水稻種植環境實時數據的傳感器（表1）。

3水稻種植中數據采集硬件電路設計

3.1土壤溫濕度檢測電路圖

土壤濕度數據采集模塊采用 FC-28 模塊。該模塊的比較器使用工作穩定的 LM393 芯片，適用于對土壤的濕度檢測；通過電位器來調節土壤濕度控制的閾值，可以大范圍地控制土壤濕度。當濕度高于設定值時，輸出低電平；低于設定值時，輸出高電平。該電路把濕度傳感器隨環境濕度不同體現的電容值變化量轉換為輸出脈沖的頻率變化量，電路輸出的脈沖信號的振蕩頻率中包含了環境濕度信息。濕度檢測電路（電容/頻率轉換電路）如圖2所示。

溫度檢測電路采用集成溫度傳感器DS18B20，采用熱敏電阻測量方法，在與微處理器連接時僅需要一條口線即可實現微處理器與DS18B20的雙向通訊。不需要外圍器件，全部傳感元件及轉換電路集成在形如一只三極管的集成電路內，外加電源范圍是3.0～5.5 V，測溫范圍-55～125 ℃，足夠用來對土壤的溫度進行采集，測量結果以9～12位數字量形式直接輸出數字溫度信號。溫度檢測電路如圖3所示。

3.2大氣溫濕度檢測電路圖

大氣溫濕度數據采集模塊采用 DHT11傳感器，輸出的溫濕度包含已校準的數字信號，應用專用數字模塊采集技術，內部有電容式感濕元件及NTC測溫元件，有很高的可靠性和穩定性；具有體積小、低功耗、傳輸距離遠、性價比高及抗干擾能力強等特點，使用非常方便。其和控制板的連接如圖4所示。

3.3大氣pH檢測電路圖

pH測量采用連線簡單、方便實用、專為Arduino設計的模擬pH測量計。使用時，只需將pH傳感器與板載BNC相連，板載pH 1.0連接到Arduino控制器的模擬采集口，結合Arduino開源測試代碼，稍作修改便可測定溶液的pH。軟件設計包括以戶Arduino為核心的信號處理模塊和PC數據處理模塊，Arduino模塊主要實現對傳感器采集信號的接收、轉換、讀取，使用自帶的建立在C語言基礎上的Arduino語言進行編程，擁有龐大的函數資源庫，此模塊編寫簡單程序先進行相關的初始化，然后讀取計算標準電壓，再通過Aiduino進行信號數據采集，上位機USB串口電壓采集，再進行相關的數據計算處理，通過USB將數據傳送給上位機，顯示測量的數據。當檢測的pH超過設定的上、下限時則報警，具體的電路圖如圖5所示。

4實驗測試與結果

為測試監控平臺的實時性，配置好系統參數后，在綏化市不同水稻種植環境進行測試，針對田間5 個不同水稻環境，選定 20 個測量區域，劃定每個區域面積為 80 cm × 300 cm，按區域遠近依次對這20 個區域進行標定，便于后續數據分析。經過多次測試，該系統均能表現出較好的實時性。上位機軟件主界面如圖6所示。

5結論

該研究設計了基于Arduino和LabVIEW 的水稻種植環境采集系統，包括傳感器模塊、數據采集模塊、PDA顯示模塊以及數據存儲等部分。由傳感器前端觸桿與土壤和大氣接觸，可采集土壤的溫濕度、大氣的溫濕度和土壤pH，由數據

采集模塊將獲得的信號通過串口上傳至PDA，通過 LabVIEW 測量系統對采集到的數據進行圖形實時顯示、數據的保存，后期對采集到的數據進行分析，結果顯示，水稻種植環境整個系統具有采集數據精度高、操作簡單及抗干擾性能強等特點，具有較高的推廣使用價值。

參考文獻

[1] 左現剛，劉艷昌，王建平.基于Arduino和VI的農田信息無線采集系統設計[J].農機化研究，2016（2）：213-215.

[2] 姚世鳳，馮春貴，賀園園，等.物聯網在農業領域的應用[J].農機化研究，2011，33（7）：190-193.

[3] 樂英高，任小洪，徐衛東，等.基于ZigBee技術的物聯網開發平臺構建[J].單片機與嵌入式系統應用，2011（2）：22-23，38.

[4] 周茂雷.基于ARM微處理器的溫室溫濕度控制系統設計[D].楊凌：西北農林科技大學，2008.

[5] 劉振全，王朝玉.基于單片機的冬棗保鮮庫溫、濕度監控系統[J].天津輕工業學院學報，2003，18（3）：39-42.

[6] 王梅紅.基于單片機的溫度控制系統設計與仿真[J].四川兵工學報，2012，33（2）：101-103.

[7] 聶茹，嚴明.基于Arduino開發板的智能小車設計[J].微處理機，2015，36（4）：89-91.

[8] 郭榮艷，胡翔.基于單片機的大棚溫濕度控制系統設計[J].周口師范學院學報，2012，29（5）：44-48.

[9] LI Q Q，WU T.Research and design of small humanoid robot based on the Arduino[J].Applied mechanics and materials，2013，431：258-261.

[10] 邢方方，程延海，張世舉，等.基于AT89S51單片機車間溫濕度控制系統設計[J].煤礦機械，2011，32（9）：225-227.