基于傳感檢測技術的智能農田監控系統

黃海霞

(桂林信息科技學院，廣西桂林，541004）

1 國內外研究現狀

隨著科學技術和經濟在二十一世紀的快速發展,許多計算機科學技術被應用于農業領域中,智能稻田自動化控制技術在農業種植中起著至關重要的作用。荷蘭早在1974 年就研發并生產出了以計算機為核心的溫室環境控制系統，并踐行新型部件的商業化生產[2]。在歐美國家，隨著溫室建設對環境要求的提高，以微型計算機為核心的溫室環境監控系統得到了快速的發展[2]。我國從70 年代末就已經開始打造智能化農業基地，科學研究人員對國外的儀器進行了研究，吸收發達國家在農田管理中的先進管理技術，目前國內的智能農業的發展已經取得很好的發展。

2 系統硬件構建

本課題設計的水稻監控系統能對農田的光照強度、空氣的溫度、土壤的濕度以及光照強度等參數進行檢測，STC12C 主控制單元通過相應的傳感器將采集的數據進行分析和處理后,通過wifi 通訊模塊將所需要監測的數據上傳到IoT 物聯網平臺進而做到對農田的智能遠程監測，IoT 物聯網平臺通過模擬控制器可以根據實際情況對閾值進行調整。用戶可通過手機APP 端觀察到稻田的溫濕度和光照的具體信息，當農田環境變化超出閾值時手機APP 端會收到報警信號，發出響聲，達到提醒用戶的目的。系統總體結構如圖1 所示。

圖1 系統總體結構

■2.1 主要芯片和模塊

硬件由傳感器作為采集端，主控芯片和WIFI 模塊組成，各類傳感器進行數據采集，由單片機通過ATK-ESP8266 WiFi 模塊將數據上傳云平臺。

(1)STC12C5A60S2 單片機

STC12C 這一系列的單片機特點是體積小、功能全、易于攜帶、功耗寬工作電壓等，多通道高速AD，不需外部晶振和外部復位，還可對外輸出時鐘和低電平復位信號。作為核心的中央處理器,用戶可以快速擦除和逐個字節寫入Flash、不需要刷新數據就可以保存數據，內部集成計數功能的電路。主控芯片引腳如圖2 所示。

圖2 STC12C5A60S2 引腳圖

(2)TK-ESP8266 WiFi 模塊

ATK-ESP8266 WiFi 模塊是擁有獨特的網絡處理方案，可以從外接的閃存接入系統，通過模塊與云平臺數據傳輸。此方案的設計抗干擾，工作穩定。ATK-ESP8266 WiFi 原理圖如圖3 所示。

圖3 ATK-ESP8266 WiFi 模塊原理圖

(3)土壤濕度傳感器

系統所使用的是電容式濕度傳感器，此芯片采用FDR射頻反射的原理測量出土壤中所含的水量。此傳感器數據準確，安全，量程寬等優點。此傳感器在土壤濕度達不到設定閾值時，DO 口輸出高電平，當土壤濕度超過設定閾值時，模塊D0 輸出低電平，模擬量輸出口為P17，通過AD 轉換，可以獲得土壤濕度精確的數值，原理圖如圖4 所示。

圖4 土壤濕度傳感器原理圖

(4)光照傳感器

光照傳感器選的是靈敏型光敏電阻傳感器，可以測量出外界的光照強度，將光信號變換成為電信號輸出。此類傳感器隨著外界光照度的增強，電阻值變小，根據電阻值的變化可以檢測到光照的強度變化。此類傳感器價格低廉、體積小巧，耐用性高，不容易損壞，接口簡單，易于使用與學習。光照傳感器如圖5 所示。

圖5 光照傳感器原理圖

(5)溫度傳感器

DS18B20 數字溫度計提供9 位(二進制)溫度讀數指示器件的溫度信息，此傳感器性能優，價格便宜，數據準確。既可以測量水中溫度，也可以實時測量空氣中的溫度，觸頭防水的作用體現的淋漓盡致，測量結果是用9-12 位的數字量形式串行傳送的。電路原理圖如圖6 所示。

圖6 DS18B20 原理圖

(6)LCD1602 液晶顯示屏

LCD1602 液晶顯示屏可以同一時間顯示32 個字符。其優點為畫質高且不容易頻閃，與51 單片機連線方便，可靠穩定。1602 液晶顯示屏主要消耗集中在驅動IC 與電極上，功耗少。LCD1602 液晶屏電路圖如圖7 所示。

圖7 LCD1602 液晶屏電路圖

■2.2 系統軟件編程

底層硬件的電路設計完成之后進行主程序的設計，所設計的程序運用C 語言編程，在Keil uVision4 編譯器運行，生成HEX 文件后通過stc-isp 下載器將機器語言下載到51單片機。驅動程序后，各類傳感器獲取農田內的相關環境信息，通過MCU 將采集到的數據進行處理，并通過LCD1602液晶屏顯示其檢測到的信息，最后通過WiFi 模塊將所采集收取到的信息數據發送至手機APP 端。系統ATK-ESP8266 WiFi 模塊是設定有賬號的，路由器與該賬號信息匹配，系統就能在通電后自動連接WiFi 模塊，進行實時數據的檢測與量的轉化，通過傳感器傳送至云平臺。系統流程圖如圖8所示。

圖8 系統流程圖

■2.3 上位機端顯示數據

通過手機APP，可以讓我們更方便的隨時掌握數據的變化，手機APP 中的界面主要顯示了當前溫度值、光照強度值、土壤濕度、和報警，如圖9 所示。在主界面之外還有一個數據界面，該界面能夠查找單項數據近期的數據變動及其數值，能夠更好的得到此時環境變化所導致的數值變化，可以進行更合情合理的數據解析，掌握對農田水稻的實時變化值。通過手機APP 端，解放人的勞動力，節約大量的時間和人力，用戶不需要長期留在農業生產基地里。從手機APP 的界面上可以實時觀察農產品當前生長狀況。簡潔方便的布局讓使用者直觀實時地看到目前農業大棚內的信息，在APP 界面上還可以根據不同的情況調節閾值以適應不同的季節或農作物。

圖9 手機APP 界面

3 系統調試

用C 語言編程的系統，代碼編譯不通過，先檢查語句語法結構。代碼調試完成后則要將其燒入單片機，燒錄成功后，進行各個模塊的功能調試，檢查每個模塊的代碼所要實現的功能是否能夠完全成功實現。在進行測試過程中，時常發出報警聲，經查看是因為溫度超過設定的閾值，由于本人所住的室內環境溫度較高，設置的閾值過低會導致報警聲不斷。其他傳感器運行工作良好，WiFi 模塊運行良好。調試好的系統實物如圖10 所示，LCD 液晶顯示屏顯示的數據中，T 代表當前環境溫度，H 代表土壤濕度值，Light 是光照值。

圖10 系統實物圖

4 總結

通過本系統所使用的智能控制技術與WiFi 模塊結合，實現手機APP 智能監控農田水稻的生長過程，從而深刻了解無線通信技術在物聯網中的作用。通過WiFi 模塊，硬件底板上的溫度傳感器、光照傳感器、土壤傳感器等關于水稻生長過程所需的環境條件參數將被實時傳送到手機APP 上實時顯示。再在手機APP 上設置的溫度，土壤濕度和光照的閾值，一旦超過閾值手機APP 就會發出報警提示使用者。本系統可以有效地對農田內的情況進行實時監測，有效的降低在無人情況下的農田安全隱患,達到了快速高效的控制目的。