植物生長環(huán)境信息采集模塊設(shè)計(jì)

南京林業(yè)大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院 陳佳鈞 胡 凱 王皖君

植物生長環(huán)境信息采集模塊設(shè)計(jì)

南京林業(yè)大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院 陳佳鈞 胡 凱 王皖君

植物生長環(huán)境信息采集是精細(xì)農(nóng)業(yè)的基本環(huán)節(jié)，針對采集信息的需求和應(yīng)用環(huán)境，設(shè)計(jì)了以微控制器為核心的采集模塊，實(shí)現(xiàn)了光照度、溫濕度和土壤含水率的采集，模塊采用太陽能電池和蓄電池聯(lián)合供電，該模塊可以以較低的成本實(shí)現(xiàn)植物生長環(huán)境信息的高效采集并通過無線方式進(jìn)行傳輸。

光照度；溫濕度；土壤含水率

1 引言

植物生長環(huán)境信息采集是精細(xì)農(nóng)業(yè)、高效園藝的基本環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)植物生長環(huán)境數(shù)據(jù)的采集，對生長環(huán)境中出現(xiàn)的異常情況進(jìn)行自動(dòng)監(jiān)測，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理具有重要保障作用[1]。植物生長環(huán)境信息的光照度、空氣溫濕度和土壤含水率是影響植物的生長過程的關(guān)鍵因素。傳統(tǒng)植物生長環(huán)境信息采集通常由生產(chǎn)者攜帶各種儀表進(jìn)行現(xiàn)場測量和記錄，存在效率低、數(shù)據(jù)量少等缺點(diǎn)，不能適應(yīng)現(xiàn)代大規(guī)模種植的場合。本文采用微控制器、多種傳感器和無線傳輸技術(shù)設(shè)計(jì)植物生長環(huán)境信息采集模塊，該模塊可以布置在生產(chǎn)環(huán)境中的不同地點(diǎn)，進(jìn)行多地點(diǎn)長時(shí)間采集，在需要獲取數(shù)據(jù)信息時(shí)，可借助無人機(jī)飛行到采集模塊附近接收數(shù)據(jù)，為后續(xù)精細(xì)農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)分析提供支持。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

光照度、環(huán)境溫濕度和土壤含水率對植物生長具有重要作用，是植物生產(chǎn)環(huán)境必須采集的信息，綜合采集需求、成本和功耗等因素，本文選擇相應(yīng)的傳感器并設(shè)計(jì)的植物生長環(huán)境信息采集模塊總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中微控制器選用宏晶科技公司的STC12C5A60S2單片機(jī)，配合復(fù)位電路和時(shí)鐘電路即可以工作。

圖1 植物生長環(huán)境信息采集模塊總體結(jié)構(gòu)

2.1 光照度采集

光照強(qiáng)度檢測采用光敏電阻、光電池等器件需要設(shè)計(jì)輸入電路、放大電路和模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，此外，這些器件具有非線性的光電特性，因此本系統(tǒng)采用數(shù)字型環(huán)境光強(qiáng)度傳感器集成電路BH1750實(shí)現(xiàn)光照強(qiáng)度的采集。BH1750的分辨率為1~65535lx，采用I2C總線和微控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，接口電路如圖2所示。由于BH1750光強(qiáng)度傳感器的ADR端口接地，另需使用兩個(gè)IO接口，時(shí)鐘引腳SCL、數(shù)據(jù)引腳SDA分別和微控制器的P0.5和P0.6相連。

圖2 光照度采集接口電路

2.2 溫濕度采集

環(huán)境溫濕度檢測傳感器主要有DHT、HTU、SHT系列產(chǎn)品[2]。本設(shè)計(jì)從功耗、測量范圍、測試精度等方向綜合選用DHT21數(shù)字溫濕度傳感器，傳感器由電容式感濕元件和NTC測溫元件組成，濕度分辨率為0.1%RH、溫度分辨率為0.1℃，該產(chǎn)品具有響應(yīng)快、抗干擾能力強(qiáng)、成本低等優(yōu)點(diǎn)。采用單總線和微控制器之間的通訊和同步，接口電路如圖3所示。數(shù)據(jù)線引腳DATA通過電阻上拉后和微控制器的IO端口P0.7相連，一次傳送40 位數(shù)據(jù)，高位在前，通信協(xié)議如圖4 所示。微控制器發(fā)起一次開始信號（即將數(shù)據(jù)總線DATA拉低至少800us），DHT12從待機(jī)模式轉(zhuǎn)換到高速模式，當(dāng)微控制器開始信號結(jié)束后，DHT12產(chǎn)生應(yīng)答信號，40位的數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)總線DATA串行輸出，字節(jié)的高位在前，數(shù)據(jù)幀依次為濕度高字節(jié)、濕度低字節(jié)、溫度高字節(jié)、溫度低字節(jié)、校驗(yàn)字節(jié)，數(shù)據(jù)發(fā)送完成后啟動(dòng)一次新的數(shù)據(jù)采集，采集結(jié)束后，DHT12自動(dòng)進(jìn)入待機(jī)模式，等待下一次通信。需要注意的是，串行輸出的濕度數(shù)據(jù)和溫度值是實(shí)際值的10倍，其中溫度字的最高位為溫度的符號位，為1時(shí)表示負(fù)溫度，為0時(shí)表示正溫度，其余位為溫度數(shù)值，校驗(yàn)位由濕度、溫度字節(jié)或運(yùn)算得到。

圖3 溫濕度采集接口電路

圖4 DHT21單總線通信協(xié)議

2.3 土壤含水率采集

土壤含水率檢測選用武漢漢秦信通科技有限公司的HQTS 土壤濕度傳感器，采用電磁脈沖原理測量土壤的表觀介電常數(shù)，從而得到土壤中真實(shí)水分含量，具有快速準(zhǔn)確、穩(wěn)定可靠、不受土壤中化肥和金屬離子的影響等特點(diǎn)，測量范圍為0～100%，分辨率為0.1%，選擇RS485通訊型輸出信號，從而高效、可靠的接入本系統(tǒng)，微控制器通過MODBUS-RTU通訊協(xié)議讀取實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。

2.4 無線傳輸

目前主流的無線網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)有ZigBee、藍(lán)牙（Bluetooth）和WiFi[3]。從傳輸距離、傳輸速率、功耗方面和可擴(kuò)展性等方面綜合考慮，本系統(tǒng)中無線數(shù)據(jù)傳輸模塊選擇高度集成Wifi芯片ESP8266實(shí)現(xiàn)，其具有功耗低、成本低、體積小的優(yōu)勢。ESP8266支持三種模式，分別是SoftAP模式，Station模式，SoftAP+Station模式。ESP8266 Station模式即無線終端，通過串行通信，使用WiFi的形式將獲取的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)出去。

2.5 電源設(shè)計(jì)

植物生長環(huán)境信息采集模塊應(yīng)用場合通常具有范圍廣闊的特點(diǎn)，采用有線供電或蓄電池供電存在投資大、可靠性低和維護(hù)困難等缺點(diǎn)[4-5]。本模塊的電源采用太陽能電池和蓄電池混合供電的方案，太陽能電池板通過充電控制電路給蓄電池充電，蓄電池通過放電保護(hù)電路為整個(gè)模塊供電，當(dāng)微控制器檢測到電源電壓長時(shí)間低于一定值時(shí)，系統(tǒng)通過WIFI模塊向管理系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警信息。

3 結(jié)束語

植物生長環(huán)境信息采集模塊可用于大面積作物種植場合光照度、溫濕度和土壤含水率數(shù)據(jù)的獲取，采用太陽能電池和蓄電池供電、無線傳輸技術(shù)，可以克服采用有限供電、傳輸數(shù)據(jù)的缺點(diǎn)，提高了可靠性，遠(yuǎn)程多地點(diǎn)布置時(shí)能顯著降低成本，為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)精細(xì)農(nóng)業(yè)所需的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)奠定基礎(chǔ)。

[1]趙斌,趙雪,衣淑娟,等．低成本水稻群體育秧棚環(huán)境遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的研究[J]．農(nóng)機(jī)化研究,2017,2,200-203．

[2]化騰飛．基于MSP430F149單片機(jī)與AM2301傳感器的溫濕度計(jì)設(shè)計(jì)[J]．山東農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2015,46(1)：143-147．

[3]馬一棉．基于STM32的嵌入式農(nóng)田信息采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D]．西北農(nóng)林科技大學(xué),2016．

[4]張新榮,常波,徐保國．無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在植物生長環(huán)境信息監(jiān)測中的應(yīng)用[J]．農(nóng)機(jī)化研究,2014(5)：208-211．

[5]鄧小蕾．果園信息獲取現(xiàn)代傳感方法及裝置研究[D]．中國農(nóng)業(yè)大學(xué),2014．

陳佳鈞（1997—），男，大學(xué)本科，現(xiàn)就讀于南京林業(yè)大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院，主要研究方向：測控技術(shù)與儀器。

胡凱（1996—），男，大學(xué)本科，現(xiàn)就讀于南京林業(yè)大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院，主要研究方向：測控技術(shù)與儀器。

王皖君（1984—），男，博士，南京林業(yè)大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院講師，主要研究方向：檢測技術(shù)與自動(dòng)化裝置。

江蘇高校品牌專業(yè)建設(shè)工程項(xiàng)目（項(xiàng)目號：PPZY2015A062）、南京林業(yè)大學(xué)2017年度大學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（201710298092X）。