植物生长环境信息采集模块设计

南京林业大学机械电子工程学院 陈佳钧 胡 凯 王皖君

植物生长环境信息采集模块设计

南京林业大学机械电子工程学院 陈佳钧 胡 凯 王皖君

植物生长环境信息采集是精细农业的基本环节，针对采集信息的需求和应用环境，设计了以微控制器为核心的采集模块，实现了光照度、温湿度和土壤含水率的采集，模块采用太阳能电池和蓄电池联合供电，该模块可以以较低的成本实现植物生长环境信息的高效采集并通过无线方式进行传输。

光照度；温湿度；土壤含水率

1 引言

植物生长环境信息采集是精细农业、高效园艺的基本环节，实现植物生长环境数据的采集，对生长环境中出现的异常情况进行自动监测，对农业生产管理具有重要保障作用[1]。植物生长环境信息的光照度、空气温湿度和土壤含水率是影响植物的生长过程的关键因素。传统植物生长环境信息采集通常由生产者携带各种仪表进行现场测量和记录，存在效率低、数据量少等缺点，不能适应现代大规模种植的场合。本文采用微控制器、多种传感器和无线传输技术设计植物生长环境信息采集模块，该模块可以布置在生产环境中的不同地点，进行多地点长时间采集，在需要获取数据信息时，可借助无人机飞行到采集模块附近接收数据，为后续精细农业数据分析提供支持。

2 系统结构

光照度、环境温湿度和土壤含水率对植物生长具有重要作用，是植物生产环境必须采集的信息，综合采集需求、成本和功耗等因素，本文选择相应的传感器并设计的植物生长环境信息采集模块总体结构如图1所示，其中微控制器选用宏晶科技公司的STC12C5A60S2单片机，配合复位电路和时钟电路即可以工作。

图1 植物生长环境信息采集模块总体结构

2.1 光照度采集

光照强度检测采用光敏电阻、光电池等器件需要设计输入电路、放大电路和模数转换电路，此外，这些器件具有非线性的光电特性，因此本系统采用数字型环境光强度传感器集成电路BH1750实现光照强度的采集。BH1750的分辨率为1~65535lx，采用I2C总线和微控制器进行数据传输，接口电路如图2所示。由于BH1750光强度传感器的ADR端口接地，另需使用两个IO接口，时钟引脚SCL、数据引脚SDA分别和微控制器的P0.5和P0.6相连。

图2 光照度采集接口电路

2.2 温湿度采集

环境温湿度检测传感器主要有DHT、HTU、SHT系列产品[2]。本设计从功耗、测量范围、测试精度等方向综合选用DHT21数字温湿度传感器，传感器由电容式感湿元件和NTC测温元件组成，湿度分辨率为0.1%RH、温度分辨率为0.1℃，该产品具有响应快、抗干扰能力强、成本低等优点。采用单总线和微控制器之间的通讯和同步，接口电路如图3所示。数据线引脚DATA通过电阻上拉后和微控制器的IO端口P0.7相连，一次传送40 位数据，高位在前，通信协议如图4 所示。微控制器发起一次开始信号（即将数据总线DATA拉低至少800us），DHT12从待机模式转换到高速模式，当微控制器开始信号结束后，DHT12产生应答信号，40位的数据由数据总线DATA串行输出，字节的高位在前，数据帧依次为湿度高字节、湿度低字节、温度高字节、温度低字节、校验字节，数据发送完成后启动一次新的数据采集，采集结束后，DHT12自动进入待机模式，等待下一次通信。需要注意的是，串行输出的湿度数据和温度值是实际值的10倍，其中温度字的最高位为温度的符号位，为1时表示负温度，为0时表示正温度，其余位为温度数值，校验位由湿度、温度字节或运算得到。

图3 温湿度采集接口电路

图4 DHT21单总线通信协议

2.3 土壤含水率采集

土壤含水率检测选用武汉汉秦信通科技有限公司的HQTS 土壤湿度传感器，采用电磁脉冲原理测量土壤的表观介电常数，从而得到土壤中真实水分含量，具有快速准确、稳定可靠、不受土壤中化肥和金属离子的影响等特点，测量范围为0～100%，分辨率为0.1%，选择RS485通讯型输出信号，从而高效、可靠的接入本系统，微控制器通过MODBUS-RTU通讯协议读取实时数据。

2.4 无线传输

目前主流的无线网络标准有ZigBee、蓝牙（Bluetooth）和WiFi[3]。从传输距离、传输速率、功耗方面和可扩展性等方面综合考虑，本系统中无线数据传输模块选择高度集成Wifi芯片ESP8266实现，其具有功耗低、成本低、体积小的优势。ESP8266支持三种模式，分别是SoftAP模式，Station模式，SoftAP+Station模式。ESP8266 Station模式即无线终端，通过串行通信，使用WiFi的形式将获取的数据转发出去。

2.5 电源设计

植物生长环境信息采集模块应用场合通常具有范围广阔的特点，采用有线供电或蓄电池供电存在投资大、可靠性低和维护困难等缺点[4-5]。本模块的电源采用太阳能电池和蓄电池混合供电的方案，太阳能电池板通过充电控制电路给蓄电池充电，蓄电池通过放电保护电路为整个模块供电，当微控制器检测到电源电压长时间低于一定值时，系统通过WIFI模块向管理系统发出报警信息。

3 结束语

植物生长环境信息采集模块可用于大面积作物种植场合光照度、温湿度和土壤含水率数据的获取，采用太阳能电池和蓄电池供电、无线传输技术，可以克服采用有限供电、传输数据的缺点，提高了可靠性，远程多地点布置时能显著降低成本，为进一步实现精细农业所需的远程监控系统奠定基础。

[1]赵斌,赵雪,衣淑娟,等．低成本水稻群体育秧棚环境远程监控系统的研究[J]．农机化研究,2017,2,200-203．

[2]化腾飞．基于MSP430F149单片机与AM2301传感器的温湿度计设计[J]．山东农业大学学报(自然科学版),2015,46(1)：143-147．

[3]马一棉．基于STM32的嵌入式农田信息采集系统设计与实现[D]．西北农林科技大学,2016．

[4]张新荣,常波,徐保国．无线传感器网络在植物生长环境信息监测中的应用[J]．农机化研究,2014(5)：208-211．

[5]邓小蕾．果园信息获取现代传感方法及装置研究[D]．中国农业大学,2014．

陈佳钧（1997—），男，大学本科，现就读于南京林业大学机械电子工程学院，主要研究方向：测控技术与仪器。

胡凯（1996—），男，大学本科，现就读于南京林业大学机械电子工程学院，主要研究方向：测控技术与仪器。

王皖君（1984—），男，博士，南京林业大学机械电子工程学院讲师，主要研究方向：检测技术与自动化装置。

江苏高校品牌专业建设工程项目（项目号：PPZY2015A062）、南京林业大学2017年度大学生实践创新训练计划项目（201710298092X）。