基于傳感檢測技術(shù)的智能農(nóng)田監(jiān)控系統(tǒng)

黃海霞

(桂林信息科技學(xué)院，廣西桂林，541004）

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

隨著科學(xué)技術(shù)和經(jīng)濟(jì)在二十一世紀(jì)的快速發(fā)展,許多計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)被應(yīng)用于農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中,智能稻田自動(dòng)化控制技術(shù)在農(nóng)業(yè)種植中起著至關(guān)重要的作用。荷蘭早在1974 年就研發(fā)并生產(chǎn)出了以計(jì)算機(jī)為核心的溫室環(huán)境控制系統(tǒng)，并踐行新型部件的商業(yè)化生產(chǎn)[2]。在歐美國家，隨著溫室建設(shè)對(duì)環(huán)境要求的提高，以微型計(jì)算機(jī)為核心的溫室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)得到了快速的發(fā)展[2]。我國從70 年代末就已經(jīng)開始打造智能化農(nóng)業(yè)基地，科學(xué)研究人員對(duì)國外的儀器進(jìn)行了研究，吸收發(fā)達(dá)國家在農(nóng)田管理中的先進(jìn)管理技術(shù)，目前國內(nèi)的智能農(nóng)業(yè)的發(fā)展已經(jīng)取得很好的發(fā)展。

2 系統(tǒng)硬件構(gòu)建

本課題設(shè)計(jì)的水稻監(jiān)控系統(tǒng)能對(duì)農(nóng)田的光照強(qiáng)度、空氣的溫度、土壤的濕度以及光照強(qiáng)度等參數(shù)進(jìn)行檢測，STC12C 主控制單元通過相應(yīng)的傳感器將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理后,通過wifi 通訊模塊將所需要監(jiān)測的數(shù)據(jù)上傳到IoT 物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)進(jìn)而做到對(duì)農(nóng)田的智能遠(yuǎn)程監(jiān)測，IoT 物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)通過模擬控制器可以根據(jù)實(shí)際情況對(duì)閾值進(jìn)行調(diào)整。用戶可通過手機(jī)APP 端觀察到稻田的溫濕度和光照的具體信息，當(dāng)農(nóng)田環(huán)境變化超出閾值時(shí)手機(jī)APP 端會(huì)收到報(bào)警信號(hào)，發(fā)出響聲，達(dá)到提醒用戶的目的。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

■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(jìn)行數(shù)據(jù)采集，由單片機(jī)通過ATK-ESP8266 WiFi 模塊將數(shù)據(jù)上傳云平臺(tái)。

(1)STC12C5A60S2 單片機(jī)

STC12C 這一系列的單片機(jī)特點(diǎn)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(fù)位，還可對(duì)外輸出時(shí)鐘和低電平復(fù)位信號(hào)。作為核心的中央處理器,用戶可以快速擦除和逐個(gè)字節(jié)寫入Flash、不需要刷新數(shù)據(jù)就可以保存數(shù)據(jù)，內(nèi)部集成計(jì)數(shù)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(dú)特的網(wǎng)絡(luò)處理方案，可以從外接的閃存接入系統(tǒng)，通過模塊與云平臺(tái)數(shù)據(jù)傳輸。此方案的設(shè)計(jì)抗干擾，工作穩(wěn)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(tǒng)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(shù)據(jù)準(zhǔn)確，安全，量程寬等優(yōu)點(diǎn)。此傳感器在土壤濕度達(dá)不到設(shè)定閾值時(shí)，DO 口輸出高電平，當(dāng)土壤濕度超過設(shè)定閾值時(shí)，模塊D0 輸出低電平，模擬量輸出口為P17，通過AD 轉(zhuǎn)換，可以獲得土壤濕度精確的數(shù)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(qiáng)度，將光信號(hào)變換成為電信號(hào)輸出。此類傳感器隨著外界光照度的增強(qiáng)，電阻值變小，根據(jù)電阻值的變化可以檢測到光照的強(qiáng)度變化。此類傳感器價(jià)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(xué)習(xí)。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(shù)字溫度計(jì)提供9 位(二進(jìn)制)溫度讀數(shù)指示器件的溫度信息，此傳感器性能優(yōu)，價(jià)格便宜，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確。既可以測量水中溫度，也可以實(shí)時(shí)測量空氣中的溫度，觸頭防水的作用體現(xiàn)的淋漓盡致，測量結(jié)果是用9-12 位的數(shù)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(shí)間顯示32 個(gè)字符。其優(yōu)點(diǎn)為畫質(zhì)高且不容易頻閃，與51 單片機(jī)連線方便，可靠穩(wěn)定。1602 液晶顯示屏主要消耗集中在驅(qū)動(dòng)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(tǒng)軟件編程

底層硬件的電路設(shè)計(jì)完成之后進(jìn)行主程序的設(shè)計(jì)，所設(shè)計(jì)的程序運(yùn)用C 語言編程，在Keil uVision4 編譯器運(yùn)行，生成HEX 文件后通過stc-isp 下載器將機(jī)器語言下載到51單片機(jī)。驅(qū)動(dòng)程序后，各類傳感器獲取農(nóng)田內(nèi)的相關(guān)環(huán)境信息，通過MCU 將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)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(shù)據(jù)發(fā)送至手機(jī)APP 端。系統(tǒng)ATK-ESP8266 WiFi 模塊是設(shè)定有賬號(hào)的，路由器與該賬號(hào)信息匹配，系統(tǒng)就能在通電后自動(dòng)連接WiFi 模塊，進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的檢測與量的轉(zhuǎn)化，通過傳感器傳送至云平臺(tái)。系統(tǒng)流程圖如圖8所示。

圖8 系統(tǒng)流程圖

■2.3 上位機(jī)端顯示數(shù)據(jù)

通過手機(jī)APP，可以讓我們更方便的隨時(shí)掌握數(shù)據(jù)的變化，手機(jī)APP 中的界面主要顯示了當(dāng)前溫度值、光照強(qiáng)度值、土壤濕度、和報(bào)警，如圖9 所示。在主界面之外還有一個(gè)數(shù)據(jù)界面，該界面能夠查找單項(xiàng)數(shù)據(jù)近期的數(shù)據(jù)變動(dòng)及其數(shù)值，能夠更好的得到此時(shí)環(huán)境變化所導(dǎo)致的數(shù)值變化，可以進(jìn)行更合情合理的數(shù)據(jù)解析，掌握對(duì)農(nóng)田水稻的實(shí)時(shí)變化值。通過手機(jī)APP 端，解放人的勞動(dòng)力，節(jié)約大量的時(shí)間和人力，用戶不需要長期留在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)基地里。從手機(jī)APP 的界面上可以實(shí)時(shí)觀察農(nóng)產(chǎn)品當(dāng)前生長狀況。簡潔方便的布局讓使用者直觀實(shí)時(shí)地看到目前農(nóng)業(yè)大棚內(nèi)的信息，在APP 界面上還可以根據(jù)不同的情況調(diào)節(jié)閾值以適應(yīng)不同的季節(jié)或農(nóng)作物。

圖9 手機(jī)APP 界面

3 系統(tǒng)調(diào)試

用C 語言編程的系統(tǒng)，代碼編譯不通過，先檢查語句語法結(jié)構(gòu)。代碼調(diào)試完成后則要將其燒入單片機(jī)，燒錄成功后，進(jìn)行各個(gè)模塊的功能調(diào)試，檢查每個(gè)模塊的代碼所要實(shí)現(xiàn)的功能是否能夠完全成功實(shí)現(xiàn)。在進(jìn)行測試過程中，時(shí)常發(fā)出報(bào)警聲，經(jīng)查看是因?yàn)闇囟瘸^設(shè)定的閾值，由于本人所住的室內(nèi)環(huán)境溫度較高，設(shè)置的閾值過低會(huì)導(dǎo)致報(bào)警聲不斷。其他傳感器運(yùn)行工作良好，WiFi 模塊運(yùn)行良好。調(diào)試好的系統(tǒng)實(shí)物如圖10 所示，LCD 液晶顯示屏顯示的數(shù)據(jù)中，T 代表當(dāng)前環(huán)境溫度，H 代表土壤濕度值，Light 是光照值。

圖10 系統(tǒng)實(shí)物圖

4 總結(jié)

通過本系統(tǒng)所使用的智能控制技術(shù)與WiFi 模塊結(jié)合，實(shí)現(xiàn)手機(jī)APP 智能監(jiān)控農(nóng)田水稻的生長過程，從而深刻了解無線通信技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)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(guān)于水稻生長過程所需的環(huán)境條件參數(shù)將被實(shí)時(shí)傳送到手機(jī)APP 上實(shí)時(shí)顯示。再在手機(jī)APP 上設(shè)置的溫度，土壤濕度和光照的閾值，一旦超過閾值手機(jī)APP 就會(huì)發(fā)出報(bào)警提示使用者。本系統(tǒng)可以有效地對(duì)農(nóng)田內(nèi)的情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，有效的降低在無人情況下的農(nóng)田安全隱患,達(dá)到了快速高效的控制目的。