植物生長環境信息采集模塊設計

南京林業大學機械電子工程學院 陳佳鈞 胡 凱 王皖君

植物生長環境信息采集模塊設計

南京林業大學機械電子工程學院 陳佳鈞 胡 凱 王皖君

植物生長環境信息采集是精細農業的基本環節，針對采集信息的需求和應用環境，設計了以微控制器為核心的采集模塊，實現了光照度、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合供電，該模塊可以以較低的成本實現植物生長環境信息的高效采集并通過無線方式進行傳輸。

光照度；溫濕度；土壤含水率

1 引言

植物生長環境信息采集是精細農業、高效園藝的基本環節，實現植物生長環境數據的采集，對生長環境中出現的異常情況進行自動監測，對農業生產管理具有重要保障作用[1]。植物生長環境信息的光照度、空氣溫濕度和土壤含水率是影響植物的生長過程的關鍵因素。傳統植物生長環境信息采集通常由生產者攜帶各種儀表進行現場測量和記錄，存在效率低、數據量少等缺點，不能適應現代大規模種植的場合。本文采用微控制器、多種傳感器和無線傳輸技術設計植物生長環境信息采集模塊，該模塊可以布置在生產環境中的不同地點，進行多地點長時間采集，在需要獲取數據信息時，可借助無人機飛行到采集模塊附近接收數據，為后續精細農業數據分析提供支持。

2 系統結構

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

圖1 植物生長環境信息采集模塊總體結構

2.1 光照度采集

光照強度檢測采用光敏電阻、光電池等器件需要設計輸入電路、放大電路和模數轉換電路，此外，這些器件具有非線性的光電特性，因此本系統采用數字型環境光強度傳感器集成電路BH1750實現光照強度的采集。BH1750的分辨率為1~65535lx，采用I2C總線和微控制器進行數據傳輸，接口電路如圖2所示。由于BH1750光強度傳感器的ADR端口接地，另需使用兩個IO接口，時鐘引腳SCL、數據引腳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

環境溫濕度檢測傳感器主要有DHT、HTU、SHT系列產品[2]。本設計從功耗、測量范圍、測試精度等方向綜合選用DHT21數字溫濕度傳感器，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℃，該產品具有響應快、抗干擾能力強、成本低等優點。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。數據線引腳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 位數據，高位在前，通信協議如圖4 所示。微控制器發起一次開始信號（即將數據總線DATA拉低至少800us），DHT12從待機模式轉換到高速模式，當微控制器開始信號結束后，DHT12產生應答信號，40位的數據由數據總線DATA串行輸出，字節的高位在前，數據幀依次為濕度高字節、濕度低字節、溫度高字節、溫度低字節、校驗字節，數據發送完成后啟動一次新的數據采集，采集結束后，DHT12自動進入待機模式，等待下一次通信。需要注意的是，串行輸出的濕度數據和溫度值是實際值的10倍，其中溫度字的最高位為溫度的符號位，為1時表示負溫度，為0時表示正溫度，其余位為溫度數值，校驗位由濕度、溫度字節或運算得到。

圖3 溫濕度采集接口電路

圖4 DHT21單總線通信協議

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，從而得到土壤中真實水分含量，具有快速準確、穩定可靠、不受土壤中化肥和金屬離子的影響等特點，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，微控制器通過MODBUS-RTU通訊協議讀取實時數據。

2.4 無線傳輸

目前主流的無線網絡標準有ZigBee、藍牙（Bluetooth）和WiFi[3]。從傳輸距離、傳輸速率、功耗方面和可擴展性等方面綜合考慮，本系統中無線數據傳輸模塊選擇高度集成Wifi芯片ESP8266實現，其具有功耗低、成本低、體積小的優勢。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的形式將獲取的數據轉發出去。

2.5 電源設計

植物生長環境信息采集模塊應用場合通常具有范圍廣闊的特點，采用有線供電或蓄電池供電存在投資大、可靠性低和維護困難等缺點[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電路為整個模塊供電，當微控制器檢測到電源電壓長時間低于一定值時，系統通過WIFI模塊向管理系統發出報警信息。

3 結束語

植物生長環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據的獲取，采用太陽能電池和蓄電池供電、無線傳輸技術，可以克服采用有限供電、傳輸數據的缺點，提高了可靠性，遠程多地點布置時能顯著降低成本，為進一步實現精細農業所需的遠程監控系統奠定基礎。

[1]趙斌,趙雪,衣淑娟,等．低成本水稻群體育秧棚環境遠程監控系統的研究[J]．農機化研究,2017,2,200-203．

[2]化騰飛．基于MSP430F149單片機與AM2301傳感器的溫濕度計設計[J]．山東農業大學學報(自然科學版),2015,46(1)：143-147．

[3]馬一棉．基于STM32的嵌入式農田信息采集系統設計與實現[D]．西北農林科技大學,2016．

[4]張新榮,常波,徐保國．無線傳感器網絡在植物生長環境信息監測中的應用[J]．農機化研究,2014(5)：208-211．

[5]鄧小蕾．果園信息獲取現代傳感方法及裝置研究[D]．中國農業大學,2014．

陳佳鈞（1997—），男，大學本科，現就讀于南京林業大學機械電子工程學院，主要研究方向：測控技術與儀器。

胡凱（1996—），男，大學本科，現就讀于南京林業大學機械電子工程學院，主要研究方向：測控技術與儀器。

王皖君（1984—），男，博士，南京林業大學機械電子工程學院講師，主要研究方向：檢測技術與自動化裝置。

江蘇高校品牌專業建設工程項目（項目號：PPZY2015A062）、南京林業大學2017年度大學生實踐創新訓練計劃項目（201710298092X）。