基于DTU的農作物生長環境信息檢測系統設計與實現

姚竟發，劉 靜

（1.河北農業大學 信息科學與技術學院，河北 保定 071000；2.河北軟件職業技術學院 軟件工程系，河北 保定 071000；3.保定理工學院 馬克思主義學院，河北 保定 071000）

精準農業概念的提出對于計算機技術有了更高的要求，利用計算機技術推廣農業生產，讓農業走向現代化新型農業的道路，是當前農業發展的重要路徑。近年來，計算機的快速發展讓農業也走向了智能化生產，農業的生產效益有了大大改善，對于農作物的生產環境也有了更高的需求。簡單快捷是當前系統的主要發展方向，系統可以多平臺運行已經成為現實。國內對于農作物的生產環境采集系統的研究較少，缺少完整的運行體系。當前的農田信息檢測系統中，加入了物聯網技術、云計算技術，隨著計算機技術的不斷更新與發展，越來越多的新型技術不斷出現，尤其以無線傳感網絡應用最為廣泛。DTU（Data Transfer Unit）數據傳輸單元，利用無線通信網絡技術進行數據傳輸，可以有效解決在惡劣環境下無法采集和收集信息的現狀。

1 系統組成

基于DTU的農作物生長環境信息檢測系統組成結構如圖1所示。該系統引入了Datalogger數據采集器，該數據采集器自帶4 M內存，可以實時監測信息并進行處理[1]。

圖1 基于DTU的農作物生長環境信息檢測系統組成結構

空氣和土壤需要使用專用的溫濕度檢測設備進行檢測，檢測傳感器具有信號轉換功能，將自身的溫濕度參數轉換為電壓信號，并通過Datalogger數據采集器進行信號存儲。DTU無線數據傳感器將存儲的信息通過自身的無線網絡功能上傳至終端，利用軟件系統對目標參數進行存儲和判斷，完成對農作物生長環境的監控。Datalogger數據采集器利用繼電器模塊對電磁閥進行開關控制，通過DTU無線數據傳輸器進行數據上傳，電腦端進行數據接收。Datalogger數據采集器對數據進行分析處理后，利用程序對電磁閥進行關停操作，從而自如控制農作物的環境參數，以促進農作物的健康生長。

2 硬件分析

Datalogger數據采集器自身具備的電流是直流電，通過RS232串口通信完成內部溫度補償與校準，可以在惡劣環境下進行在線檢測。RS232具有16個單端口、8個差分口及8個I/O口。在線檢測系統需要單端口2個，主要進行空氣與土壤的溫濕度測量，I/O口2個，利用繼電器控制空氣和土壤的電磁閥[2]。

DTU提供的RS232接口，與Datalogger數據采集器進行連接，通過在線檢測系統讓DTU可以一直保持在線工作狀態，斷線后可以自動連接或者自動重啟，還可以遠程查詢、配置參數。采用Wi-Fi無線通信方式作為主要方式進行設計。

土壤溫濕度傳感器與空氣溫濕度傳感器的功能見表1[3]。

表1 土壤與空氣溫濕度傳感器功能

通過電磁閥功能控制溫濕度的參數，同時將土壤澆灌設備放置在土壤表面，幫助改善農作物的生長環境和參數，不易將空氣噴灑裝置放置內部，應放置在植物的上方，用于改善空氣的溫濕度參數。

3 軟件分析

采用LoggerNet軟件進行編寫與編譯，通過文本文檔編譯器進行編輯。具體流程如圖2所示。

圖2 設計流程

LoggerNet軟件具有采集功能，將采集到的數據信息進行整合，幫助系統實現通信功能。

Datalogger數據采集器屬于LoggerNet軟件的合作軟件，用于處理各類數據，并完成數據共享。LoggerNet軟件具有編寫程序、數據采集和數據監控的功能，當用戶使用LoggerNet軟件進行參數配置時，需要使用Datalogger數據采集器進行合作配置，快速實現數據的獲取和處理。同時需要注意，虛擬串口軟件并不是存在的端口，而是通過虛擬手段模擬出的串口，省去了數據電纜的布線，沒有物理距離上的限制，也可以很好地實現網絡的數據通信功能[4]。

4 系統實現

為了驗證該系統的各項功能是否可以更好地幫助改善農作物的生長環境，利用LoggerNet軟件，對農作物的生長情況進行模擬，測試空氣和土壤的溫濕度數據，不可將空氣溫濕度傳感器置于外部，需要將其埋入土內，檢測各自的溫濕度數據。將電壓信號傳輸到Datalogger數據傳感器中，利用該數據采集器對信號進行轉換，利用DTU無線數據傳感器將得到的環境參數上傳到終端，并利用LoggerNet軟件進行處理。比較實時數據與預設數據，并進行結果的比較。將結果上傳到Datalogger數據采集器的I/O端口中，并對數據信息進行保存，通過控制繼電器模塊控制電磁閥。將土壤參數的溫度設置為28℃，濕度設置為40%以下，當滿足設置條件時，通過Datalogger數據采集器分析控制信號，并將獲取的數據上傳到終端，將土壤澆灌開關設置為10 s，執行澆灌動作對土壤進行溫濕度檢測操作。土壤在獲取足夠的水分后，在半個小時之內不再進行二次澆灌，超過半個小時之后觀察數據，如溫濕度滿足設置條件重復澆灌動作，直到數據發生變化為止[5]。

將農作物放置在太陽下，在充分暴露在外的情況下，溫度與濕度值會發生改變。空氣溫度不超過30℃，濕度不易超過60%，同時滿足溫濕度條件才可進行數據處理。控制端口的輸出信號，將獲得的數據信息進行存儲并上傳到終端設備。通過電磁閥可以對空氣進行增濕降溫操作，時間間隔為半小時，到時間之后繼續判斷，直到數據發生變化為止。特別注意的是，土壤與空氣的溫濕度檢測要單獨進行。

整個試驗過程中，利用LoggerNet軟件測試土壤和空氣的溫濕度數據，可以得到，數據曲線隨著時間軸的變化而不斷發生變化。Datalogger數據采集器將數據信息按照用戶的要求進行存儲，并記錄每一個數據的時間點，方便用戶日后的查看與處理[6]。

當土壤和空氣的溫濕度參數沒有在合理的控制范圍內時，需要利用Datalogger數據采集器的I/O口進行溫濕度參數的重新設定，通過電磁閥進行設定，以達到目標要求。通過網絡技術模擬農作物的生長情況，保證生長環境可以達到預期目標，可以更好地實現系統最初的設計初衷。通過DTU設計的農作物生長環境在線檢測系統，可以實現實時監控農作物的生長環境，對土壤和空氣的溫濕度進行實時監控，讓土壤和空氣的溫濕度可以擁有更好的生長環境，根據農作物的生長條件，在LoggerNet軟件進行溫濕度參數設定，利用控制機構，完成農作物的生長環境參數設定，保證在合適的范圍之內，農作物可以獲取最優質的生長環境。

5 結束語

基于DTU設計的農作物生長環境信息在線檢測系統可以進行空氣和土壤的溫濕度測試，通過對土壤和空氣溫濕度的在線監控，進一步完善自動控制系統的功能，實現對各個環境參數的遠程控制。