基于Arduino和LabVIEW的水稻種植環(huán)境數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的應(yīng)用

李巖 張永鋒 吳長昊 汪建飛

摘要為了實現(xiàn)水稻種植環(huán)境的自動監(jiān)測，給水稻種植和管理帶來便利，設(shè)計了一種基于Arduino和LabVIEW的水稻種植環(huán)境參數(shù)的監(jiān)測系統(tǒng)。首先介紹了監(jiān)測系統(tǒng)的功能和結(jié)構(gòu)框圖，隨后闡述了其硬件和軟件的設(shè)計與實現(xiàn)。由傳感器前端觸桿與大氣和土壤接觸，采集大氣的溫濕度、土壤的溫濕度和pH，數(shù)據(jù)采集模塊將獲得的信號通過串口上傳至上位機(jī)。上位機(jī)LabVIEW對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲、圖形實時顯示及處理、分析，實現(xiàn)實時、便捷地檢測水稻環(huán)境的溫度、濕度、pH變化情況。實踐表明，該設(shè)計能夠經(jīng)濟(jì)、高效地實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，可用于實時環(huán)境狀況的快速監(jiān)測，具有一定的參考價值和實用性。

關(guān)鍵詞Arduino；LabVIEW；水稻；種植環(huán)境

中圖分類號S126文獻(xiàn)標(biāo)識碼A文章編號0517-6611（2017）12-0187-03

AbstractIn order to realize the automatic detection of rice cultivation environment， a kind of rice planting environment parameters monitoring system based on the Arduino and LabVIEW was designed， which can bring convenience for rice cultivation and management. This paper first introduces the function and structure diagram of the monitoring system， then expounds the design and implementation of its hardware and software. By the sensor touch front bar contact with atmosphere and soil， collect the temperature and humidity of the air， soil temperature and humidity and pH value， the data acquisition module will receive signals via a serial port to upload first place machine. PC LabVIEW data for storage， graphics display and realtime processing and analysis， realtime， convenient to detect rice environment temperature， humidity， pH changes. The practice shows that the design can achieve economic and efficient data collection， can be used for rapid monitoring of realtime environment， has a certain reference value and practicability.

Key wordsArduino；LabVIEW；Rice；Planting environment

近年來隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，我國農(nóng)業(yè)技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入了智能化、機(jī)械化階段。現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中，需要對農(nóng)作物的各種生長環(huán)境信息進(jìn)行采集，以便為農(nóng)業(yè)決策服務(wù)[1-2]。傳統(tǒng)的依靠人工、效率低下的信息采集已不能滿足現(xiàn)代高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、高效、安全、生態(tài)的要求，現(xiàn)代水稻種植正伴隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)向信息化的方向發(fā)展[3-5]。如何在第一時間內(nèi)獲取更多種植所需的環(huán)境參數(shù)以實現(xiàn)最佳狀態(tài)下的種植是現(xiàn)代水稻種植成功的關(guān)鍵[5-8]。

該研究主要介紹了基于Arduino和LabVIEW的水稻種植環(huán)境采集系統(tǒng)在水稻種植中的應(yīng)用，它以Arduino為核心，利用其他檢測元件和執(zhí)行機(jī)構(gòu)及時、自動地對水稻種植環(huán)境進(jìn)行大氣溫濕度、土壤溫濕度、pH監(jiān)測，從而減少了人工，且操作簡單，可帶來更大的經(jīng)濟(jì)效益。該系統(tǒng)可實現(xiàn)以下功能：大氣溫濕度監(jiān)測，土壤溫濕度監(jiān)測，土壤pH監(jiān)測等。由于該系統(tǒng)是面向普通水稻種植戶，考慮農(nóng)民的實際可投資額，盡量在不降低系統(tǒng)性能的前提下采用價格低廉的元器件，降低整個系統(tǒng)的造價，節(jié)省資金。

1水稻種植中環(huán)境數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的組成

該系統(tǒng)由 Arduino、粉塵傳感器、氣壓傳感器、火焰?zhèn)鞲衅?、土壤濕度傳感器、pH傳感器、大氣溫濕度傳感器、高感度聲音傳感器、有害氣體傳感器、紅外通訊、藍(lán)牙通訊、光照度轉(zhuǎn)換模塊和無線串口發(fā)送模塊組成。其中，Arduino 單片機(jī)是系統(tǒng)的控制中心，負(fù)責(zé)將采集上來的數(shù)據(jù)按照自定義的通信格式變成相應(yīng)的幀格式發(fā)送給上位機(jī)。數(shù)據(jù)主要包括環(huán)境中的粉塵和有害氣體、大氣的溫濕度、土壤環(huán)境的溫濕度等。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

2水稻種植中數(shù)據(jù)采集電路硬件部分選擇及實現(xiàn)

2.1Arduino 控制板

Arduino 是一種開源硬件控制平臺，具有自己的集成開發(fā)環(huán)境（IDE）。該IDE界面基于開放源代碼，可以免費下載使用，且具有簡單高效的特點，很容易操作使用[9-10]。Arduino硬件包括原理圖和印制電路板（PCB），都是公開免費的，官方僅僅保留其商標(biāo)所有權(quán)。很多廠商也基于官方的文件開發(fā)了多種多樣的 Arduino 外圍功能電路可供選擇，包括電機(jī)驅(qū)動、無線通信、音樂播放及各種傳感器（濕度、溫度、速度、傾角等）。

該系統(tǒng)使用的 Arduino 單元為 Arduino UNO R3，是 Arduino USB 接口系列的最新版本，核心處理器是ATmega328，具有 14 路數(shù)字輸入/輸出口（6路可作為PWM 輸出）、6 路模擬輸入，支持 I2C 和 SPI 通信協(xié)議。

2.2傳感器

傳感器是一種檢測裝置，能夠感受被測的信息并能將感受的信息按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成電信號或者其他形式輸出，傳感器是實現(xiàn)自動檢測盒自動控制的首要環(huán)節(jié)。對于水稻種植環(huán)境的一些環(huán)境數(shù)據(jù)可以采用傳感器獲取，以下是部分采集水稻種植環(huán)境實時數(shù)據(jù)的傳感器（表1）。

3水稻種植中數(shù)據(jù)采集硬件電路設(shè)計

3.1土壤溫濕度檢測電路圖

土壤濕度數(shù)據(jù)采集模塊采用 FC-28 模塊。該模塊的比較器使用工作穩(wěn)定的 LM393 芯片，適用于對土壤的濕度檢測；通過電位器來調(diào)節(jié)土壤濕度控制的閾值，可以大范圍地控制土壤濕度。當(dāng)濕度高于設(shè)定值時，輸出低電平；低于設(shè)定值時，輸出高電平。該電路把濕度傳感器隨環(huán)境濕度不同體現(xiàn)的電容值變化量轉(zhuǎn)換為輸出脈沖的頻率變化量，電路輸出的脈沖信號的振蕩頻率中包含了環(huán)境濕度信息。濕度檢測電路（電容/頻率轉(zhuǎn)換電路）如圖2所示。

溫度檢測電路采用集成溫度傳感器DS18B20，采用熱敏電阻測量方法，在與微處理器連接時僅需要一條口線即可實現(xiàn)微處理器與DS18B20的雙向通訊。不需要外圍器件，全部傳感元件及轉(zhuǎn)換電路集成在形如一只三極管的集成電路內(nèi)，外加電源范圍是3.0～5.5 V，測溫范圍-55～125 ℃，足夠用來對土壤的溫度進(jìn)行采集，測量結(jié)果以9～12位數(shù)字量形式直接輸出數(shù)字溫度信號。溫度檢測電路如圖3所示。

3.2大氣溫濕度檢測電路圖

大氣溫濕度數(shù)據(jù)采集模塊采用 DHT11傳感器，輸出的溫濕度包含已校準(zhǔn)的數(shù)字信號，應(yīng)用專用數(shù)字模塊采集技術(shù)，內(nèi)部有電容式感濕元件及NTC測溫元件，有很高的可靠性和穩(wěn)定性；具有體積小、低功耗、傳輸距離遠(yuǎn)、性價比高及抗干擾能力強等特點，使用非常方便。其和控制板的連接如圖4所示。

3.3大氣pH檢測電路圖

pH測量采用連線簡單、方便實用、專為Arduino設(shè)計的模擬pH測量計。使用時，只需將pH傳感器與板載BNC相連，板載pH 1.0連接到Arduino控制器的模擬采集口，結(jié)合Arduino開源測試代碼，稍作修改便可測定溶液的pH。軟件設(shè)計包括以戶Arduino為核心的信號處理模塊和PC數(shù)據(jù)處理模塊，Arduino模塊主要實現(xiàn)對傳感器采集信號的接收、轉(zhuǎn)換、讀取，使用自帶的建立在C語言基礎(chǔ)上的Arduino語言進(jìn)行編程，擁有龐大的函數(shù)資源庫，此模塊編寫簡單程序先進(jìn)行相關(guān)的初始化，然后讀取計算標(biāo)準(zhǔn)電壓，再通過Aiduino進(jìn)行信號數(shù)據(jù)采集，上位機(jī)USB串口電壓采集，再進(jìn)行相關(guān)的數(shù)據(jù)計算處理，通過USB將數(shù)據(jù)傳送給上位機(jī)，顯示測量的數(shù)據(jù)。當(dāng)檢測的pH超過設(shè)定的上、下限時則報警，具體的電路圖如圖5所示。

4實驗測試與結(jié)果

為測試監(jiān)控平臺的實時性，配置好系統(tǒng)參數(shù)后，在綏化市不同水稻種植環(huán)境進(jìn)行測試，針對田間5 個不同水稻環(huán)境，選定 20 個測量區(qū)域，劃定每個區(qū)域面積為 80 cm × 300 cm，按區(qū)域遠(yuǎn)近依次對這20 個區(qū)域進(jìn)行標(biāo)定，便于后續(xù)數(shù)據(jù)分析。經(jīng)過多次測試，該系統(tǒng)均能表現(xiàn)出較好的實時性。上位機(jī)軟件主界面如圖6所示。

5結(jié)論

該研究設(shè)計了基于Arduino和LabVIEW 的水稻種植環(huán)境采集系統(tǒng)，包括傳感器模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、PDA顯示模塊以及數(shù)據(jù)存儲等部分。由傳感器前端觸桿與土壤和大氣接觸，可采集土壤的溫濕度、大氣的溫濕度和土壤pH，由數(shù)據(jù)

采集模塊將獲得的信號通過串口上傳至PDA，通過 LabVIEW 測量系統(tǒng)對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行圖形實時顯示、數(shù)據(jù)的保存，后期對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，結(jié)果顯示，水稻種植環(huán)境整個系統(tǒng)具有采集數(shù)據(jù)精度高、操作簡單及抗干擾性能強等特點，具有較高的推廣使用價值。

參考文獻(xiàn)

[1] 左現(xiàn)剛，劉艷昌，王建平.基于Arduino和VI的農(nóng)田信息無線采集系統(tǒng)設(shè)計[J].農(nóng)機(jī)化研究，2016（2）：213-215.

[2] 姚世鳳，馮春貴，賀園園，等.物聯(lián)網(wǎng)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用[J].農(nóng)機(jī)化研究，2011，33（7）：190-193.

[3] 樂英高，任小洪，徐衛(wèi)東，等.基于ZigBee技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)平臺構(gòu)建[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2011（2）：22-23，38.

[4] 周茂雷.基于ARM微處理器的溫室溫濕度控制系統(tǒng)設(shè)計[D].楊凌：西北農(nóng)林科技大學(xué)，2008.

[5] 劉振全，王朝玉.基于單片機(jī)的冬棗保鮮庫溫、濕度監(jiān)控系統(tǒng)[J].天津輕工業(yè)學(xué)院學(xué)報，2003，18（3）：39-42.

[6] 王梅紅.基于單片機(jī)的溫度控制系統(tǒng)設(shè)計與仿真[J].四川兵工學(xué)報，2012，33（2）：101-103.

[7] 聶茹，嚴(yán)明.基于Arduino開發(fā)板的智能小車設(shè)計[J].微處理機(jī)，2015，36（4）：89-91.

[8] 郭榮艷，胡翔.基于單片機(jī)的大棚溫濕度控制系統(tǒng)設(shè)計[J].周口師范學(xué)院學(xué)報，2012，29（5）：44-48.

[9] LI Q Q，WU T.Research and design of small humanoid robot based on the Arduino[J].Applied mechanics and materials，2013，431：258-261.

[10] 邢方方，程延海，張世舉，等.基于AT89S51單片機(jī)車間溫濕度控制系統(tǒng)設(shè)計[J].煤礦機(jī)械，2011，32（9）：225-227.