基于C8051F023便攜式水稻生長(zhǎng)環(huán)境參數(shù)記錄儀的設(shè)計(jì)

摘 要：針對(duì)如何實(shí)現(xiàn)水稻生長(zhǎng)環(huán)境參數(shù)采集的問題，設(shè)計(jì)了以單片機(jī)C8051F023和無線收發(fā)模塊nRF24L01為核心的便攜式收發(fā)系統(tǒng)。系統(tǒng)開機(jī)由液晶顯示器HTG240160C顯示待機(jī)畫面、當(dāng)前時(shí)間，鍵盤選擇“設(shè)置”、“選項(xiàng)”、“檢測(cè)”、“通訊”功能菜單，完成相應(yīng)的菜單功能。實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明：利用該系統(tǒng)完成的水稻生長(zhǎng)環(huán)境參數(shù)采集，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠，操作方便，易于掌握。

關(guān)鍵詞：水稻生長(zhǎng) 無線收發(fā) 參數(shù)采集 設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TP368.1文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1674-098X（2013）05（a）-0138-02

我國(guó)是水稻生產(chǎn)大國(guó)，隨著我國(guó)近幾年水稻種植面積逐年擴(kuò)大，優(yōu)質(zhì)但抗病性差的水稻品種面積增加，使水稻生產(chǎn)中的重要病害之一稻瘟病在水稻種植區(qū)中大面積流行。影響稻瘟病流行的氣象因素，最主要的是溫度和濕度，其次是光和風(fēng)。目前的水稻生長(zhǎng)環(huán)境參數(shù)采集形式單一，其中最常用的方法是水稻田間管理人員手工記錄溫度、濕度等傳感器的數(shù)據(jù)，錄入計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)，通過軟件系統(tǒng)的運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)水稻生長(zhǎng)環(huán)境數(shù)據(jù)的模擬和方針[1]。這種方式實(shí)時(shí)性差，誤差率高，很難做到監(jiān)控系統(tǒng)與現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的“無縫”連接?；趥鹘y(tǒng)參數(shù)采集方式的弊端，在水稻生長(zhǎng)田間架設(shè)工作站，集合各種參數(shù)采集傳感器，利用無線通訊裝置，實(shí)時(shí)發(fā)送各種參數(shù)數(shù)據(jù)，由監(jiān)控室的上位機(jī)軟件接收。上位機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)各種數(shù)據(jù)的分析和計(jì)算，預(yù)警水稻稻瘟病的發(fā)生幾率，保證水稻的穩(wěn)產(chǎn)增收[2]。此外，系統(tǒng)設(shè)置了便攜式的參數(shù)采集記錄儀，田間管理人員可以手持記錄儀在田間工作站，現(xiàn)場(chǎng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行無線采集、存儲(chǔ)、形成曲線，也可利用USB接口上傳至上位機(jī)。

1 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案

如圖1所示為水稻生長(zhǎng)環(huán)境參數(shù)采集系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案框圖，系統(tǒng)包括三大部分，水稻田間工作站的參數(shù)采集系統(tǒng)、手持便攜式記錄儀接收系統(tǒng)和上位機(jī)軟件管理系統(tǒng)。

工作站參數(shù)采集分為兩部分，溫、濕度采集系統(tǒng)和風(fēng)速、風(fēng)向、光照參數(shù)采集系統(tǒng)，這些參數(shù)的采集都是通過各自的數(shù)字式傳感器完成的，這里溫、濕度采集系統(tǒng)為主系統(tǒng)，其他參數(shù)均集中到主系統(tǒng)，完成數(shù)據(jù)包的打包，發(fā)送。手持便攜式記錄儀能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)工作站集中的參數(shù)進(jìn)行無線接收，并顯示、存儲(chǔ)。上位機(jī)軟件管理系統(tǒng)通過GPRS網(wǎng)絡(luò)和USB接口兩種方式進(jìn)行數(shù)據(jù)的接收，由相應(yīng)的軟件實(shí)現(xiàn)各種參數(shù)的實(shí)時(shí)顯示、計(jì)算、模擬仿真和與internet進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸[3]。

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

2.1 記錄儀鍵盤功能介紹

鍵盤是儀器儀表非常重要的組成部分，通過對(duì)鍵盤的操作，完成一些特定的功能。手持便攜式記錄儀開機(jī)待機(jī)狀態(tài)顯示一幅圖形界面，顯示當(dāng)前的時(shí)間，此外還顯示當(dāng)前電池的容量。記錄儀鍵盤包括⑴方向鍵：完成顯示器顯示條款上、下、左、右的選擇和調(diào)整；⑵功能鍵：實(shí)現(xiàn)記錄儀的測(cè)試、存儲(chǔ)、查詢等各種功能的選擇；⑶設(shè)置鍵：完成時(shí)間、水稻格田序號(hào)、水稻種類、采集參數(shù)類別等設(shè)置；⑷通訊鍵：完成記錄儀與上位機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸，通過無線通訊模塊或USB口把數(shù)據(jù)傳到上位機(jī)軟件系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、分析和打印的功能；⑸幫助鍵：通過該鍵盤顯示聯(lián)系方式，以便有問題與開發(fā)者及時(shí)溝通；⑹開關(guān)鍵：完成儀表的開機(jī)、關(guān)機(jī)功能，并有指示燈的亮、滅，表示電源開關(guān)鍵的狀態(tài)[4]。

2.2 系統(tǒng)部分硬件電路原理圖

記錄儀系統(tǒng)的硬件電路主要包括C8051F023單片機(jī)、HTG240160C液晶顯示器、nRF24L01無線收發(fā)模塊、PCF8563日歷時(shí)鐘芯片、AT24C512數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、CH341AUSB轉(zhuǎn)接芯片、鍵盤電路、JTAG接口等。因?yàn)橄到y(tǒng)電路圖很復(fù)雜，這里僅給出部分主要電路的原理圖。

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

3.1 主程序流程圖

主程序模塊主要完成系統(tǒng)各部分初始化和實(shí)現(xiàn)各功能子程序的調(diào)用，以及實(shí)際檢測(cè)中各功能模塊的協(xié)調(diào)在無鍵盤中斷申請(qǐng)時(shí)，單片機(jī)通過循環(huán)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示和發(fā)送。

現(xiàn)場(chǎng)工作站與手持式記錄儀均是以單片機(jī)為核心的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，手持式記錄儀軟件主程序流程圖如圖2所示。

系統(tǒng)開機(jī)首先清除內(nèi)存，顯示待機(jī)畫面，包括歡迎界面、當(dāng)前時(shí)間、“選項(xiàng)”和“檢測(cè)”提示行、電池容量；然后程序一直等待按鍵，當(dāng)有按鍵被觸發(fā)時(shí)，程序調(diào)用對(duì)應(yīng)的按鍵子程序，完成水稻生長(zhǎng)環(huán)境各種參數(shù)的采集、系統(tǒng)時(shí)間設(shè)定、環(huán)境參數(shù)上傳、參數(shù)查詢等特定的功能，當(dāng)進(jìn)入相應(yīng)的按鍵功能后，若用戶還對(duì)鍵盤操作，則還可實(shí)現(xiàn)深層次的功能[5]。

3.2 無線收發(fā)芯片nRF24L01的軟件設(shè)計(jì)

手持便攜式接收記錄儀通過無線收發(fā)芯片nRF24L01實(shí)現(xiàn)近距離的數(shù)據(jù)傳輸，nRF24L01是真正的GFSK單收發(fā)芯片、內(nèi)置鏈路層，具有自動(dòng)應(yīng)答及自動(dòng)重發(fā)功能，數(shù)據(jù)傳輸率為1或2 Mbps，125個(gè)可選工作頻道，很短的頻道切換時(shí)間可用于跳頻，可接受5V電平的輸入。水稻田間管理人員通過無線模塊進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)各種數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、分析、發(fā)送、接收等功能。通過單片機(jī)C8051F023對(duì)芯片nRF24L01的通道個(gè)數(shù)、工作模式、發(fā)送和接收數(shù)據(jù)包的格式等進(jìn)行設(shè)置，程序設(shè)計(jì)中采用模塊化的程序設(shè)計(jì)思路，主要包括初始化程序、接收數(shù)據(jù)程序和發(fā)送數(shù)據(jù)程序等[6]。

單片機(jī)C8051F023通過SPI接口對(duì)nRF24L01進(jìn)行讀、寫操作，SPI接口是在CPU和外圍低速器件之間進(jìn)行同步串行數(shù)據(jù)傳輸，在主器件的移位脈沖下，數(shù)據(jù)按位傳輸，高位在前，低位在后，為全雙工通信，數(shù)據(jù)傳輸速度總體來說比I2C總線要快，速度可達(dá)到幾Mbps。C8051F023通過SPI接口完成指令和寄存器的配置，水稻生長(zhǎng)環(huán)境的各種參數(shù)也是由SPI接口完成的無線收發(fā)，在程序設(shè)計(jì)中光照、溫濕度、酸堿度等都被單片機(jī)轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制的數(shù)值進(jìn)行運(yùn)算和傳送。

3.3 記錄儀電池容量檢測(cè)程序設(shè)計(jì)

硬件系統(tǒng)供電電源采用可充電的鋰電池，鋰電池輸出電壓會(huì)隨著其能量的減少而下降，為避免電池能量過低而造成系統(tǒng)無法正常工作，系統(tǒng)設(shè)計(jì)能夠顯示自身的電池容量。由單片機(jī)C8051F023的AIN0.6引腳作為電源電壓采集輸入端，由于鋰電池的電壓要高于單片機(jī)所能承受的電壓范圍，所以硬件設(shè)計(jì)中采用電阻分壓來降低鋰電池的電壓，分壓后被單片機(jī)采集的電壓值與鋰電池電壓具有一定的比例關(guān)系，軟件設(shè)計(jì)時(shí)要將電壓值換算成電池容量數(shù)據(jù)，加以顯示[7]。

電源電壓容量的檢測(cè)程序如下[8]：

uchar ADC0_data（void）

{

uchar d；

uchar a，b；

ADC0CF = 0x28；//增益 = 1；轉(zhuǎn)換時(shí)鐘周期（11.0592/2）Mhz

REF0CN = 0x0b；//外部基準(zhǔn)電壓開啟

AMX0CF = 0x00；//為獨(dú)立的單端輸入

AMX0SL = 0x06；//通道選擇AIN0.6

AD0LJST = 0； //ADC0H：ADC0L 寄存器數(shù)據(jù)右對(duì)齊。

AD0EN = 1； //ADC0 使能

AD0INT = 0； //ADC0 轉(zhuǎn)換結(jié)束中斷標(biāo)志

AD0BUSY = 1；

while（！AD0INT）；

b=ADC0L；

a=ADC0H；

d=（a*255+b-821）/5；//將電池容量轉(zhuǎn)換成0-39之間的數(shù)

return d；

4 結(jié)語

介紹的便攜式水稻生長(zhǎng)環(huán)境參數(shù)采集系統(tǒng)，以單片機(jī)C8051F023和無線收發(fā)模塊nRF24L01核心，完成了水稻溫、濕度、風(fēng)速、光照等數(shù)據(jù)的無線收發(fā)。若對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行適當(dāng)擴(kuò)展，還可實(shí)現(xiàn)對(duì)水稻格田水位、水稻格田進(jìn)水流量、水稻格田出水流量、降雨量等數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸。若對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)，增加硬件成本和改進(jìn)軟件程序設(shè)計(jì)，還可實(shí)現(xiàn)圖像采集、視頻系統(tǒng)和入語音系統(tǒng)，監(jiān)控中心可以隨時(shí)觀察水稻格田周圍的情況，對(duì)經(jīng)過水稻格田的動(dòng)物和人給予提示、警告。

參考文獻(xiàn)

[1]王玉梅.北方寒地水稻病蟲害無公害綜合防治技術(shù)[J]，植物保護(hù)，2007（2）： 69-73.

[2]黃春艷，朱傳楹，張?jiān)雒?，?北方寒地稻區(qū)稻瘟病預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)研究[J].中國(guó)農(nóng)學(xué)報(bào)，1998，14（5）：27-29.

[3]趙自君.黑龍江省水稻主產(chǎn)區(qū)稻瘟病流行情況氣候區(qū)劃及預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)模型的研究[D].大慶：黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)，2008.

[4]崔秋麗.基于單片機(jī)的植物生長(zhǎng)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].內(nèi)江科技，2012，11： 157.

[5]張濤，王金崗.單片機(jī)原理與接口技術(shù)[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2007.

[6]吳葉蘭，黃偉平.一種基于USB總線的單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].中國(guó)現(xiàn)代教育設(shè)備，2009（13）：30-31.

[7]苗文山，李鐵鷹.基于GPRS技術(shù)的遠(yuǎn)程電能表抄表系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].機(jī)械工程與自動(dòng)化，2008（4）：206-210.

[8]童長(zhǎng)飛.C8051F系列單片機(jī)開發(fā)與C語言編程[M].北京：航空航天大學(xué)出版社，2005.