基于C8051F單片機的便攜式農(nóng)田基礎(chǔ)信息采集終端的設(shè)計

王尚宏，張 倩，楊 軍

（新疆電子研究所有限公司 新疆 烏魯木齊 830049）

目前農(nóng)田綜合數(shù)據(jù)采集主要靠固定式站點采集，設(shè)備采購、安裝成本較高，維護困難，無法流動作業(yè)。而便攜式的儀器設(shè)備一般都是針對某種單一功能而設(shè)計開發(fā)，專業(yè)技術(shù)要求較高，沒有專業(yè)針對農(nóng)田信息便攜式集成采集的功能，對農(nóng)業(yè)及棉花生產(chǎn)管理人員的實際應(yīng)用帶來了諸多不便，迫切需要一種簡單易用的儀器設(shè)備隨時隨地監(jiān)測和記錄棉花生長的基本數(shù)據(jù)，提供給專家進行咨詢以指導(dǎo)棉花生產(chǎn)。

1 便攜式農(nóng)田基礎(chǔ)信息采集終端簡介

農(nóng)田基礎(chǔ)信息研究的對象大致可以分為土壤信息、位置信息、農(nóng)田周圍環(huán)境、空氣溫度與濕度、病蟲害情況等[1]。

便攜式農(nóng)田基礎(chǔ)信息采集終端具有微功耗、便攜式、操作簡單、及網(wǎng)絡(luò)化等特點，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理人員可以在作物生長的不同階段和不同作業(yè)的要求，隨意攜帶到田間地頭進行使用，與各類儀器及傳感器相連，也可以與農(nóng)機具配套使用，采集定位信息、土壤平整度、土壤面積、土壤墑情、田間氣象數(shù)據(jù)、作物各生長期的長勢、病蟲害等作物生產(chǎn)過程的環(huán)境與生物信息，然后通過嵌入式系統(tǒng)的采集和分析軟件進行數(shù)據(jù)的分析和處理，在田間現(xiàn)場即可實現(xiàn)灌溉、施肥等決策的及時執(zhí)行。通過無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，可與上層管理系統(tǒng)實現(xiàn)無縫連接，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的全程跟蹤和管理，并及時發(fā)布信息。每個單位集體可根據(jù)實際情況建立相應(yīng)的服務(wù)端作業(yè)管理軟件平臺，從而，更加科學(xué)地、合理地指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。主要針對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中所需的各種數(shù)據(jù)進行采集和綜合分析，包括土壤信息、氣象數(shù)據(jù)、作物長勢、病蟲害狀況等，從而得出農(nóng)田灌溉決策方案、平衡施肥方案、作物長勢分析及病蟲害預(yù)防方案等，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及管理提供信息化服務(wù)。

2 C8051F單片機簡介

C8051Fxxx系列單片機是完全集成的混合信號系統(tǒng)級芯片，具有與8051兼容的微控制器內(nèi)核，與MCS-51指令集完全兼容[2]。除了具有標準8052的數(shù)字外設(shè)部件之外，片內(nèi)還集成了數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)中常用的模擬部件和其他數(shù)字外設(shè)及功能部件，具有上手快、研發(fā)快（開發(fā)工具易用，可縮短研發(fā)周期）和見效快（調(diào)試手段靈活）的特點[3]。

文中設(shè)計單片機選擇美國Silabs公司的C8051F020。

3 采集終端工作原理簡介

農(nóng)田信息采集技術(shù)指計算機通過傳感器和A／D轉(zhuǎn)換部件采集外部環(huán)境的數(shù)據(jù)，經(jīng)計算后，按照控制規(guī)則發(fā)出控制信號操縱被控制部件，進而控制外部環(huán)境[4]。采集終端自身未集成任何傳感器，依據(jù)信息采集技術(shù)利用I/O數(shù)據(jù)采集接口連接各類便攜式傳感器（農(nóng)田用）、固定站點傳感器，并采集相應(yīng)數(shù)據(jù)。這樣大大提高了產(chǎn)品使用的靈活性和適用性。采集終端工作如圖1所示。

圖1 采集終端工作原理Fig.1 Gather terminal working principle

3.1 采集終端實現(xiàn)的功能

便攜式農(nóng)田基礎(chǔ)信息采集終端可連接下列設(shè)備并采集數(shù)據(jù)。

1）土壤墑情數(shù)據(jù)，可連接FDR、TDR、電子負壓計等土壤水分傳感器。

2）土壤養(yǎng)分數(shù)據(jù)，可連接國產(chǎn)TFC-203PC型土壤養(yǎng)分測試儀、國外Rqflex便攜式反射光度計等土壤養(yǎng)分測試儀。

3）土壤鹽分數(shù)據(jù)，可連接相關(guān)土壤鹽分監(jiān)測儀器，如EM38大地電導(dǎo)儀等。

4）氣象數(shù)據(jù)，可連接相關(guān)氣象傳感器或下載現(xiàn)有農(nóng)田氣象站數(shù)據(jù)的功能。

5）作物生長圖像，可連接數(shù)碼照相機、數(shù)碼攝像機，用于采集作物生長的形態(tài)結(jié)構(gòu)信息，以便對病蟲草害、栽培措施等進行模式識別，也可以獲得作物生長發(fā)育的狀態(tài)信息。

6）光譜傳感器，反射光譜包含了豐富的礦物結(jié)構(gòu)及其組成信息。通過測定作物的反射光譜可以獲得作物生育階段信息和葉綠素等各種物質(zhì)含量的信息；同時也可以測定作物的生物產(chǎn)量與經(jīng)濟產(chǎn)量。作物病蟲害的發(fā)生規(guī)律也可以通過其冠叢表面的反射光譜進行觀察監(jiān)測。

7）作物生理信息傳感器。作物的產(chǎn)量與生理活動，如光合速率與呼吸速率、田間溫度、光照強度等的變化關(guān)系密切[5]，實現(xiàn)隨時觀測田間作物的生理信息的變化。

8）實驗室分析儀器。

其他功能還有：1）無線網(wǎng)絡(luò)功能。通過無線網(wǎng)絡(luò)可與相關(guān)農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)庫、管理計算機、專家系統(tǒng)、GIS系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)、信息、分析結(jié)果的查詢、發(fā)布；2）支持GPS設(shè)備接口。通過GPS設(shè)備，可隨時監(jiān)測種植面積，狀態(tài)定位等相關(guān)信息。

3.2 主要組成部分

1）各類測試儀器和傳感器，如田間氣象數(shù)據(jù)采集單元、土壤水分測量等。

2）采集終端設(shè)備。

3）電源。

4 采集終端設(shè)備設(shè)計

系統(tǒng)由CPU板和接口電路、存儲單元及電源組成。其采集終端系統(tǒng)框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)框圖Fig.2 Systematic block diagram

1）MCU為美國Silabs公司C8051F020，64kB程序FLASH、（4096+256）B RAM、最高 25MIPS 執(zhí)行速度[6]；

2）存儲單元為 32KBSRAM（選用 IS61LV256，速度 12ns）；

3）LCD接口，支持各種尺寸LCD，最高支持320×240；

4）8路光耦隔離輸出，8路光耦隔離輸入；24路12位單端 AD 輸入， 輸入信號量程 0～+5 V/0～+10 V/-5～+5 V/-10～+10 V/0～+20 mA或-20～+20 mA電流信號可選；每一路輸入信號都可實現(xiàn)1～100倍的信號放大。

5）2路12位DA輸出，輸出信號范圍 0～+5 V/0～+10 V/-5～+5 V/-10～+10 V 可選；

6）2路標準RS232和1路RS485/422（半雙工）通訊接口；

7）鍵盤及LED顯示接口；

8） +5 V，±12 V 供電。

5 采集終端嵌入式系統(tǒng)功能簡介

信息采集終端軟件系統(tǒng)具備以下功能。

1）時間設(shè)定:可設(shè)定及修改采集終端的記錄時間。

2）通道設(shè)定：可對各個通道進行傳感器類別的定義，并能對傳感器上下限設(shè)定，因為各廠家同類型傳感器的上下限并不完全統(tǒng)一，因此終端連接傳感器后，軟件可根據(jù)傳感器的要求進行上下限設(shè)定，保證測量數(shù)據(jù)的準確性。

3）采集設(shè)定：具備人工/自動，采樣時間，采樣延遲等設(shè)定功能。

4）數(shù)據(jù)存儲、傳送功能設(shè)定。

5）歷史數(shù)據(jù)查詢：可查詢各個時間段的各傳感器的歷史數(shù)據(jù)。

6 結(jié)束語

便攜農(nóng)田基礎(chǔ)信息采集終端，由CPU單元[7]、存儲單元、數(shù)據(jù)通訊單元、數(shù)據(jù)采集單元、顯示單元、專用鍵盤及電源控制單元等組成，采用模塊化設(shè)計理念，設(shè)備自身未集成任何傳感器，卻可利用豐富的接口裝置連接各類便攜式傳感器，主要實現(xiàn)空氣溫度、空氣濕度、降雨量、風(fēng)速、輻射強度、土壤溫度、土壤墑情、土壤養(yǎng)分及鹽堿含量的數(shù)據(jù)采集、存儲、查詢及數(shù)據(jù)通訊。具有體積小、功耗低、攜帶性好、操作簡單、安裝方便、模塊化和可擴張性及網(wǎng)絡(luò)化功能，農(nóng)業(yè)及棉花生產(chǎn)管理人員可以隨意攜帶到田間地頭進行使用。

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