河北農業(yè)大學姜新宇唐娟

土壤墑情智能監(jiān)測控制系統(tǒng)設計

河北農業(yè)大學姜新宇唐娟

設計一種土壤墑情智能監(jiān)測控制系統(tǒng)來實現(xiàn)對土壤墑情的實時監(jiān)測，并通過灌溉等方式智能改變土壤墑情。通過在多點放置土壤濕度傳感器與ZIGBEE無線通信設備組成自組網絡，ZIGBEE協(xié)調器與所有子節(jié)點通信將所有點的土壤濕度信息匯總并且傳送給單片機分析處理。單片機控制液晶顯示器將土壤濕度平均值顯示出來，并根據(jù)設置的土壤濕度上下限值進行調控，當土壤濕度平均值低于下限值時，控制水泵澆水，高于上限值時，控制水泵停止?jié)菜?。通過實驗測試證明，本土壤墑情智能監(jiān)測控制系統(tǒng)能夠實現(xiàn)土壤濕度的監(jiān)測和控制。

土壤墑情；智能；監(jiān)測；控制

1 引言

我國是農業(yè)大國，農業(yè)一直是我國國民經濟的命脈。農業(yè)生產離不開水，而我國又是13個貧水國家之一，因此，土壤墑情的研究對農業(yè)發(fā)展十分重要。

在國外，早在20世紀60年代初期就有一些發(fā)達國家開始著手研究土壤墑情的監(jiān)測。80年代后，少數(shù)西方發(fā)達國家已經成功地研發(fā)出了一種分布式控制系統(tǒng)的遠程數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)。最近幾年，美國和日本建立了可以為廣大用戶提供各種農業(yè)信息需求預測預警網絡服務平臺。無線通信技術正被用于農業(yè)中農田參數(shù)的采集系統(tǒng)，使管理人員第一時間得到采集信息，減少采集信息傳輸?shù)臅r間，并且預測土壤中各成分參數(shù)[1]。

在國內，土壤墑情的監(jiān)測預測系統(tǒng)已經有了一定的發(fā)展。隋東等利用VFP610數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)對沈陽地區(qū)土壤墑情監(jiān)測與預測系統(tǒng)進行了開發(fā)研制。楊紹輝等以組件式GIS軟件為開發(fā)平臺，建立了北京地區(qū)土壤墑情監(jiān)測與預測預報系統(tǒng)。梁鳳國等開發(fā)和建設了遼寧省土壤墑情測報與抗旱決策支持系統(tǒng)。鄒春輝等將遙感與GIS集成土壤墑情監(jiān)測服務系統(tǒng)運行于Windows平臺，基于遙感與GIS集成技術，建立土壤墑情監(jiān)測服務系統(tǒng)[2]。

為了推進我國農業(yè)的現(xiàn)代化發(fā)展，我們設計了一種土壤墑情智能檢測控制系統(tǒng)，實現(xiàn)土壤種植作物生長的科學化管理，在保證作物正常生長的前提下合理控制用水量。

2 土壤墑情智能監(jiān)測控制系統(tǒng)設計

2.1 系統(tǒng)原理

本設計旨在實現(xiàn)土壤墑情的實時監(jiān)測，并且根據(jù)預先設置的要求通過灌溉等方式改變土壤墑情，實現(xiàn)農業(yè)用水的科學化，推進現(xiàn)代化農業(yè)發(fā)展的進程。該土壤墑情智能監(jiān)測控制系統(tǒng)使用STC89C52單片機作為系統(tǒng)的控制核心。控制過程如圖1所示，土壤濕度傳感器模塊采集土壤濕度信息，與ZIGBEE設備組成終端節(jié)點，ZIGBEE協(xié)調器接收信號后將信號發(fā)送給單片機進行數(shù)據(jù)分析處理，再將土壤濕度平均值信息傳入液晶顯示模塊進行顯示，根據(jù)設置的土壤濕度上下限值，控制水泵對土壤進行灌溉。當土壤濕度低于下限值時，單片機輸出一個信號控制水泵澆水，高于上限值時再由單片機輸出一個信號控制水泵停止?jié)菜?/p>

圖1 系統(tǒng)原理圖

2.2 系統(tǒng)硬件設計

本土壤墑情智能監(jiān)測控制系統(tǒng)結構如圖2所示，土壤濕度傳感器和ZIGBEE設備構成的ZIGBEE終端節(jié)點、ZIGBEE路由節(jié)點、ZIGBEE協(xié)調器、單片機、水泵等共同組成本智能監(jiān)測控制系統(tǒng)。土壤濕度傳感器采集信息，由ZIGBEE模塊傳送給單片機處理，再由單片機驅動液晶顯示和水泵運行。

圖2 土壤墑情智能監(jiān)測控制系統(tǒng)結構圖

單片機作為控制核心，有著體積小、耗能低、集成性高、可靠性強、便于實現(xiàn)嵌入式應用等優(yōu)點[3]。本系統(tǒng)所使用的單片機選用STC89C52單片機，圖3為STC89C52單片機最小系統(tǒng)。該單片機是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K可編程Flash存儲器，能夠迅速處理土壤濕度傳感器的信號，控制液晶顯示和水泵運行，是整個系統(tǒng)的核心控制部分。

圖3 STC89C52單片機最小系統(tǒng)

無線通信模塊核心采用TI公司片上系統(tǒng)CC2530，其結構如圖4，該芯片是專門針對IEEE802.15.4和ZIGBEE應用的單芯片解決方案，經濟且低功耗。它整合了全集成的高效射頻收發(fā)機及業(yè)界標準的增強型8051微控制器，8KB的RAM和其他強大的支持功能和外設，可確保短距離通信信道的減小和可靠性。傳感器節(jié)點搭載土壤濕度傳感器，能夠穩(wěn)定、迅速地傳送土壤濕度信息。

圖4 CC2530芯片結構圖

土壤濕度傳感器選用豐川電子公司的土壤濕度模塊，可以通過電位器在較寬的范圍內調節(jié)土壤濕度控制閾值，可選數(shù)字量或者模擬量輸出，精度高，工作穩(wěn)定。液晶顯示選用LCD1602，這是一種專門用來顯示字母、數(shù)字、符號等的點陣型液晶模塊，其顯示控制簡單、功耗低、顯示質量高，符合本系統(tǒng)要求。

2.3 系統(tǒng)軟件設計

本土壤墑情智能監(jiān)測控制系統(tǒng)如圖5所示。系統(tǒng)上電后進行初始化，設置相關傳感器和外圍設備的參數(shù)。初始化結束后，土壤濕度傳感器與ZIGBEE無線通信設備組成的終端節(jié)點將土壤濕度信息發(fā)送給ZIGBEE協(xié)調器，再由單片機分析處理，并驅動液晶顯示器將土壤濕度平均值顯示出來。然后判斷土壤濕度平均值低于下限值時，單片機輸出一個信號控制水泵澆水，高于上限值時再由單片機輸出一個信號控制水泵停止?jié)菜?/p>

圖5 系統(tǒng)軟件流程圖

2.4 實驗測試

測試時，選擇一塊200m×200m的開闊的平原地形試驗田，均勻放置4個由土壤濕度傳感器和ZIGBEE設備組成的終端節(jié)點，設置每一個土壤濕度傳感器的土壤濕度上下限為相同值。調試好無線通信模塊和程序后，進行試驗測試。測試開始，液晶顯示4個點的土壤濕度平均值明顯低于下限值，水泵開始運行對試驗田進行灌溉，灌溉過程中可以看見液晶顯示土壤濕度平均值有明顯上升，但還未到達上限值；當土壤濕度平均值到達上限值時，水泵停止運行。經過多次調節(jié)，設置合理的土壤濕度上下限值，可以高效地控制土壤濕度在一個合適的范圍內。通過試驗證明，本土壤墑情智能監(jiān)測控制系統(tǒng)能夠實現(xiàn)土壤濕度的監(jiān)測和控制，適用于實際的廣域農田環(huán)境并且性能穩(wěn)定。

3 總結

本設計結合國內外土壤墑情監(jiān)測系統(tǒng)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢，能夠實現(xiàn)土壤墑情的智能監(jiān)測和控制，適應于多種場景，能夠對土壤種植作物的生長進行科學的規(guī)劃管理，符合我國現(xiàn)代化的農業(yè)發(fā)展要求。主要工作和結論如下：

（1）根據(jù)國內外土壤墑情監(jiān)測系統(tǒng)的發(fā)展趨勢，確定了本設計的整體控制方案。

（2）確定整個系統(tǒng)軟硬件的結構及各器件的型號。由ZIGBEE無線通信模塊將土壤濕度信息發(fā)送給單片機，再由單片機控制液晶顯示和水泵。

（3）制訂了該土壤墑情智能監(jiān)測控制系統(tǒng)的控制方案。

（4）進行了土壤墑情監(jiān)測和控制試驗。在試驗田中布置好ZIGBEE終端節(jié)點并連接好電路，對系統(tǒng)控制方案進行試驗。

（5）分析本設計的監(jiān)測和控制性能。通過對實驗結果的分析總結，確定本設計能夠實現(xiàn)對土壤墑情的智能監(jiān)測和控制。

[1]李占成.基于GPRS的土壤墑情遠程監(jiān)測系統(tǒng)研究[D].東北農業(yè)大學,2015.

[2]周海峰.土壤墑情監(jiān)測系統(tǒng)開發(fā)與預報模型研究[D].內蒙古農業(yè)大學,2009.

[3]金孝飛,蔡郭棟.單片機在電子技術中的應用和技術開發(fā)研究[J].中國新通信,2017(07)：121.

姜新宇，男，1994年出生，河北承德人，本科，研究方向：測控技術與儀器專業(yè)。

唐娟，女，1979年出生，河北保定人，中共黨員，碩士，講師，研究方向：智能檢測控制。

保定市科學技術研究與發(fā)展指導計劃項目（15ZN006），河北農業(yè)大學理工基金（LG20140104）。