基于單片機的土壤墑情監測系統設計與應用

彭 炫

（新疆大學 工程訓練中心，新疆 烏魯木齊 830047）

隨著物聯網技術的發展，許多先進的技術開始引入農業生產[1]。土壤溫濕度值是農作物生長十分重要的墑情數據。根據土壤溫濕度數據，農戶可以精準地對農作物進行灌溉，節約水資源的同時，提高農業產量[2]。因此，設計一款農田墑情監測系統，輔助農戶對農田進行管理是十分必要的[3]。本文以AT89C52單片機為控制核心，設計、開發了一種農田墑情監測系統，通過單片機讀取土壤溫濕度傳感器數據，并將檢測到的數據實時顯示在液晶屏上。系統具有GPRS無線通信模塊，能與云服務器進行數據交換。農戶能隨時使用手機APP登錄云服務器獲取土壤溫濕度數據，極大地方便了農民對進行農業灌溉。

1 農田墑情監測系統整體結構

農田墑情監測系統主要由單片機最小系統、土壤溫濕度傳感器、GPRS無線模塊、液晶顯示屏、穩壓電路、云服務器、手機APP等部分組成，系統結構如圖1所示。系統通過AT89C52單片機采集土壤溫濕度數據，并上傳至云服務器，供農戶在液晶屏和手機APP上查看。

（1）單片機最小系統，包括AT89C52單片機、復位電路、時鐘電路和程序下載電路，是主控制核心正常運行的基本電路[4]。

（2）土壤溫濕度傳感器，采用模擬量輸出型傳感器，傳感器濕度測量范圍為0%～100%，誤差為±3%；溫度測量范圍為-40～80 ℃，誤差為±0.5 ℃；輸出信號為0～5 V電壓信號。傳感器通過AD轉換芯片與單片機相連，將模擬量信號轉化為數值信號。為消除環境因素對傳感器的干擾，保證數據的準確性，在單片機一個循環周器內執行n次數據采集，根據n次數據采集計算平均值。

圖1 農田墑情監測系統整體結構

（3）穩壓電路，使用LM2596-5.0芯片，將DC 24 V輸入轉化為DC 5 V電壓，經電容整流濾波后，為單片機和其他模塊供電。

（4）液晶顯示屏，采用LCD12864液晶屏，包含中文字庫，可以顯示中文、英文和圖片。通過并型數據接口與單片機連接，液晶屏可以將土壤溫濕度信息顯示在屏幕上。

（5）GPRS無線通信模塊，采用USR-GM3型4G模塊，具有工作穩定、功耗低、接口豐富等優點[5]。串口與單片機連接，數據通過透傳模式發送至云服務器。采用國際上通用的Modbus-Rtu通信協議，格式如表1所示。

表1 土壤墑情監測系統通信指令格式

由服務器作為主機向系統發起查詢命令，讀取寄存器中溫濕度數據。系統作為從機響應主機。從機應答指令中第4字節和第5字節為濕度數據，第6字節和第7字節為溫度數據。將數據轉化為十進制后，再除以10即可得到實際的數據值，當溫度低于0 ℃時以補碼形式發送。

2 手機APP設計

手機端APP使用TeslaMultiSCADA設計，在使用前，需要先配置服務器IP地址和端口號與云服務器連接。APP能從云服務器獲取土壤溫濕度數據且直觀地顯示在屏幕上，農戶能隨時查看土壤溫濕度變化趨勢曲線和歷史數據，及時了解土壤墑情信息，并根據墑情數據對農田進行精準灌溉。系統APP界面如圖2所示。

圖2 農田墑情監測系統APP

3 系統仿真與實驗驗證

3.1 基于Proteus的系統仿真

通過Proteus仿真工具和Keil uVision2編程軟件對農田墑情監測系統進行聯合仿真。首先，使用Proteus軟件繪制出仿真電路，如圖3所示。其次，使用Keil uVision2軟件編寫好農田墑情監測系統的仿真程序。最后，將仿真程序下載到虛擬單片機中。通過鼠標上下拖動電位器箭頭改變輸入電壓信號。12864液晶屏上的土壤溫濕度數據會隨之改變，該仿真結果能夠驗證農田墑情監測系統理論的正確性。

3.2 實驗驗證

將該系統安裝在烏魯木齊西山實驗田中，對土壤溫濕度進行采集。傳感器安裝在深度40 mm左右的農作物根系附近，每隔15 min通過遠程控制端采集一次土壤溫濕度值。通過手機APP獲取其中一天的土壤溫濕度變化數據，采集到的數據如圖4所示。實驗驗證了該系統運行穩定、對土壤的溫濕度數據采集準確。

圖3 基于Proteus的農田墑情監測系統仿真

圖4 土壤溫濕度變化曲線

4 結語

本文為方便農民對農田進行監控和管理，設計、開發了一套能實時獲取土壤墑情的監控系統，農民使用手機APP就能獲取農田土壤溫濕度數據。該系統運行穩定、價格低廉、使用簡單，兼容性強，具有一定的市場推廣價值。