基于GPRS遠(yuǎn)程土壤PH值監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

周正貴 王松林

（安徽商貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子信息工程系 安徽蕪湖 241002）

基于GPRS遠(yuǎn)程土壤PH值監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

周正貴 王松林

（安徽商貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子信息工程系 安徽蕪湖 241002）

為科學(xué)合理的種植農(nóng)作物，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)土壤PH值，論文設(shè)計(jì)了一種基于GPRS遠(yuǎn)程土壤PH值監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集層、傳輸層、應(yīng)用層組成。采集層使用PH值傳感器獲取土壤酸堿度數(shù)值，經(jīng)STC89C52單片機(jī)處理后送至華為GTM900無線模塊發(fā)送至遠(yuǎn)程服務(wù)器，監(jiān)測(cè)人員利用上位機(jī)軟件實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)PH值，實(shí)現(xiàn)科學(xué)種植。設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟硬件結(jié)構(gòu)清晰、簡單，具有較好的推廣價(jià)值。

GPRS；TLC549；PH 值；監(jiān)測(cè)

土壤酸堿度對(duì)土壤肥力及植物生長影響很大，不同區(qū)域土壤的PH值不同，在種植農(nóng)作物期間應(yīng)通過外部因素改變土壤PH值。傳統(tǒng)的土壤PH值檢測(cè)儀器基本上都是采用現(xiàn)場(chǎng)采集，具有實(shí)時(shí)性差、誤差大、采集不便等缺點(diǎn)。本文通過遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)土壤酸堿度值，并根據(jù)農(nóng)作物種類科學(xué)調(diào)整土壤PH值，讓農(nóng)作物有更適宜的生長環(huán)境，提高農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量。

土壤PH值，是指土壤溶液酸堿反應(yīng)，大小由土壤溶液中氫離子的濃度決定，一般利用PH值傳感器獲取土壤氫離子濃度，轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的數(shù)字量進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)測(cè)量數(shù)值大小土壤酸堿度分為極強(qiáng)酸性、強(qiáng)酸性、酸性、中性、堿性、強(qiáng)堿性、極強(qiáng)堿性。目前廣泛使用PH值傳感器進(jìn)行土壤酸堿度檢測(cè)，PH值傳感器檢查原理是：玻璃膜與被測(cè)土壤或水分中氫離子進(jìn)行離子交換中，采用測(cè)量電極間的電位差計(jì)算出檢測(cè)溶液中的氫離子含量大小，從而測(cè)得被測(cè)對(duì)象的PH值。

二、系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

圖1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)框圖

系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示，由數(shù)據(jù)采集層、傳輸層、應(yīng)用層組成。數(shù)據(jù)采集層采用STC89C52處理器采集PH值數(shù)據(jù)，PH值不同會(huì)輸出不同的電壓值，經(jīng)單片機(jī)處理后傳輸至GPRS模塊，單片機(jī)根據(jù)PH值的大小可執(zhí)行遠(yuǎn)程命令來控制灌溉電機(jī)工作；傳輸層采用華為GTM900無線模塊,設(shè)置為GPRS通信方式；應(yīng)用層使用網(wǎng)頁或手機(jī)實(shí)時(shí)查看終端PH值，并可發(fā)送指令控制灌溉電機(jī)工作。系統(tǒng)中可放置多個(gè)PH值檢測(cè)節(jié)點(diǎn)，用于監(jiān)測(cè)多處土壤酸堿度值，減小檢測(cè)誤差，為管理人員提供科學(xué)數(shù)據(jù)。

三、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

（一）采集端硬件設(shè)計(jì)。采集端硬件電路如圖2所示。采集端使用PH傳感器獲取PH值，土壤PH值不同會(huì)輸出不同的電壓值，電壓值送至模數(shù)轉(zhuǎn)換器IN端口，經(jīng)TLC549處理后，把電壓值轉(zhuǎn)換成數(shù)字量輸出給單片機(jī)。TLC549是美國德州儀器公司生產(chǎn)的8位AD轉(zhuǎn)換器，可與通用微處理器、控制器進(jìn)行串口通信，其內(nèi)部采用差分參考電壓高阻輸入，抗干擾可調(diào)，內(nèi)部具有時(shí)鐘電路，其控制線CLK、OUT、/CS分別連接單片機(jī)P13、P15、P16端口，轉(zhuǎn)換過程為：/CS位置低電平，轉(zhuǎn)換D7位；前四個(gè)CLK轉(zhuǎn)換D6-D3位；接著3個(gè)CLK轉(zhuǎn)換D2-D0。

圖2 采集端硬件電路

（二）傳輸端硬件設(shè)計(jì)。微處理器和GTM900硬件電路如圖3所示。通信采用GPRS通信，系統(tǒng)使用華為公司推出的GPRS模塊 GTM900，工作頻段是 EGSM900/GSM1800。GTM900內(nèi)部可使用AT命令或增強(qiáng)AT命令，提供較為全面的通信業(yè)務(wù)等功能。GTM900串口發(fā)送端連接單片機(jī)接收端、接收端連接單片機(jī)發(fā)送端，即可實(shí)現(xiàn)通信，經(jīng)單片機(jī)處理的PH值發(fā)送至GTM900串口，然后通過GPRS通信方式發(fā)送至遠(yuǎn)程服務(wù)器端。

圖3 微處理器和GTM900電路

四、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

（一）采集端軟件設(shè)計(jì)。PH值傳感器把所測(cè)土壤溶液酸堿度對(duì)應(yīng)的電壓值發(fā)送至TLC549模數(shù)轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信息送至單片機(jī)處理。TLC549轉(zhuǎn)換程序流程如圖4所示，/CS為片選信號(hào)、CLK作為脈沖時(shí)鐘端口，轉(zhuǎn)換后數(shù)字信號(hào)送STC單片機(jī)進(jìn)行處理。

圖4 TLC549轉(zhuǎn)換程序流程圖

（二）傳輸端軟件設(shè)計(jì)。單片機(jī)STC89C52與華為GTM900模塊之間通過串口通信傳輸數(shù)據(jù)，GTM900接收來自單片機(jī)串口發(fā)送端PH值數(shù)據(jù)。系統(tǒng)使用GTM900的GPRS模式，通過AT指令來配置GTM900，部分使用指令如表1所示,按照參數(shù)要求完成配置。

表1 系統(tǒng)涉及GTM900模塊的部分指令

單片機(jī)控制GTM900模塊的關(guān)鍵在于指令的發(fā)送和接收。在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，可發(fā)送字符串、十進(jìn)制數(shù)等。因此，在串口的驅(qū)動(dòng)里添加了仿制C語言中的打印函數(shù)printf?？梢栽谙虼诎l(fā)送帶可改變數(shù)字的字符串或者可改變字符串的字符串。在接收數(shù)據(jù)時(shí),定義了一個(gè)緩沖區(qū)，用來保存串口接收到的字符，需創(chuàng)建超時(shí)機(jī)制。當(dāng)通過串口向GTM900發(fā)送指令時(shí)，會(huì)有一個(gè)超時(shí)判斷。如果過一段時(shí)間沒有接收到返回的結(jié)果，會(huì)告訴發(fā)送指令的函數(shù)沒有接收。如果接收到字符后，同樣是過一段時(shí)間會(huì)告訴發(fā)送指令的函數(shù)接收完成。這樣，發(fā)送指令函數(shù)就可以根據(jù)超時(shí)機(jī)制進(jìn)行相應(yīng)的處理。超時(shí)可以規(guī)定重復(fù)次數(shù)，避免數(shù)據(jù)丟失。接收完成使用strstr搜索接收緩沖區(qū)里是否有指令想要的結(jié)果。同樣也是使用該函數(shù)定位讀取出返回結(jié)果里的數(shù)據(jù)。PH值傳輸時(shí)，程序處理流程:首先，初始化串口，然后通過相關(guān)指令配置GTM900的GPRS模式。其次，如果GTM900初始化成功鏈接上服務(wù)器，便按一定頻率讀取PH值，然后把讀取的PH值按一定的格式上傳到服務(wù)器。最后，如果上傳失敗則查詢鏈接是否斷開，若斷開則重新鏈接服務(wù)器。

上位機(jī)顯示界面如圖5所示。采用Android程序編寫界面，通過串口實(shí)時(shí)讀取服務(wù)器中存儲(chǔ)的土壤PH值并顯示。管理人員可根據(jù)PH值的大小，發(fā)布指令控制灌溉電機(jī)的運(yùn)行與停止，科學(xué)進(jìn)行灌溉處理。

圖5 上位機(jī)顯示界面

本系統(tǒng)采用STC89C52單片機(jī)采集并處理土壤PH值，通過GPRS遠(yuǎn)程通信完成數(shù)據(jù)收發(fā)。經(jīng)測(cè)試，系統(tǒng)具有運(yùn)行穩(wěn)定、通信便捷、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性高、數(shù)據(jù)查看方便等優(yōu)點(diǎn)，系統(tǒng)切實(shí)提高了農(nóng)業(yè)種植信息化水平，具有一定的推廣使用價(jià)值。

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[責(zé)任編輯 鄭麗娟]

Design of the Remote Soil pH Value Monitoring System Based on GPRS

Zhou Zhenggui Wang Songlin
(Anhui Business College of Vocational Technology,Wuhu,Anhui 241002)

In order to scientificly and rationally plant crops and realize the real-time monitoring of soil pH value,a remote soil pH value monitoring system based on GPRS is designed in this paper.This system consists of data acquisition layer,transmission layer and application layer.The acquisition layer obtains the soil pH value with PH value sensor,and after being processed by STC89C52 single chip microcomputer,the data is sent to the Huawei GTM900 wireless module and then sent to the remote server.The monitoring personnel employ the host computer software to have real-time monitoring on the PH value,so as to realize scientific planting.The design system owns hardware and software with clear and concise structure,which has good promotion value.

GPRS;TLC549;PH value;monitoring

TN99

A

2095-0438（2017）08-0158-03

2017-02-02

周正貴（1984-），男，安徽淮南人，安徽商貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子信息工程系講師，碩士，研究方向：物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)、電子信息技術(shù)。

安徽省教育廳自然科學(xué)研究重點(diǎn)項(xiàng)目（KJ2016A254）；安徽省教育廳質(zhì)量工程項(xiàng)目（2015zy118）；安徽商貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院自然科學(xué)研究項(xiàng)目（2014KYZ04）。