基于GPS的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)信息計算機(jī)采集系統(tǒng)設(shè)計

章玉清

（荊楚理工學(xué)院 湖北荊門 448000）

地理信息是信息采集的關(guān)鍵，借助于GPS技術(shù)可有效豐富農(nóng)業(yè)信息采集的精準(zhǔn)性和內(nèi)容，有助于提高地址信息的精度，滿足農(nóng)民使用需要。因此通過設(shè)計結(jié)合GPS技術(shù)的農(nóng)業(yè)信息采集系統(tǒng)，提供給農(nóng)民精準(zhǔn)高效的信息服務(wù)。

1 我國農(nóng)業(yè)信息采集特征

目前我國農(nóng)業(yè)機(jī)械的使用相對滯后，使用的設(shè)備多比較陳舊。且農(nóng)業(yè)管理理念落后，我國農(nóng)業(yè)資源豐富，對于信息采集的要求較為多樣，采集農(nóng)業(yè)信息十分困難。農(nóng)田信息種類多樣，涉及的范圍相對廣泛，如土壤信息、GPS定位、環(huán)境信息等，需要采集的農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)多種多樣，變化速度快，為進(jìn)一步提高農(nóng)業(yè)效率，還需要研發(fā)更加先進(jìn)的農(nóng)業(yè)信息采集系統(tǒng)。

農(nóng)業(yè)信息數(shù)據(jù)的采集工作難度高，一方面由于使用GPS接受設(shè)備成本高昂，采集儀價格多處于幾萬至幾十萬之間，用戶經(jīng)濟(jì)水平很難滿足。同時由于農(nóng)業(yè)信息種類較多，采集信息較為模糊，進(jìn)一步提高了采集信息的難度。另一方面，為實現(xiàn)對信息的綜合采集，要注意對信息的分散，推動信息之間相互關(guān)聯(lián)，為分析數(shù)據(jù)價值和關(guān)聯(lián)提供良好的基礎(chǔ)[1]。針對農(nóng)業(yè)信息采集特征，面對采集農(nóng)業(yè)信息的難度，為研發(fā)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)信息采集系統(tǒng)提供了指導(dǎo)方向。需要明確農(nóng)業(yè)信息采集的需求，由于農(nóng)業(yè)空間分布相對規(guī)律，大多數(shù)呈現(xiàn)出矩形。很多農(nóng)業(yè)區(qū)域采用人工建構(gòu)方法建設(shè)大棚和溫室。為了給林業(yè)、種植業(yè)以及養(yǎng)殖業(yè)創(chuàng)造良好的環(huán)境，主要圍繞土壤pH值、溫度、濕度、土壤水分等展開調(diào)查收集信息。

2 基于GPS的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)信息計算機(jī)采集系統(tǒng)設(shè)計

2.1 總體架構(gòu)設(shè)計

采集系統(tǒng)主要包含上位機(jī)和田間采集設(shè)備，采集設(shè)備可采取便攜式小型設(shè)備和固定設(shè)備結(jié)合，在無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋條件下，利用采集設(shè)備的傳感器收集環(huán)境信息，并提供數(shù)據(jù)儲存管理功能。安裝GPS定位模塊，能夠自動定位地理信息，根據(jù)測量信息，能夠通過無線和有線形式構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)通訊，構(gòu)成采集網(wǎng)絡(luò)。環(huán)境信息采集設(shè)備使用單片機(jī)作為核心設(shè)備，系統(tǒng)使用了單片機(jī)作為核心的職能系統(tǒng)，包含傳感器、調(diào)理吊爐以及核心處理模塊等。

2.2 硬件設(shè)計

2.2.1 傳感器設(shè)備

本文使用了溫度、濕度、pH值、壓力、風(fēng)速、光照、土壤水分等傳感器設(shè)備，如測量溫濕度要精準(zhǔn)把握農(nóng)業(yè)耕作，本文選擇電阻式溫度傳感器。濕度測量較為困難，濕氣信息的傳達(dá)相對復(fù)雜，本文選擇薄膜電容，電容量可以根據(jù)環(huán)境變化而變化，對濕度數(shù)據(jù)進(jìn)行反饋，同時模塊可以提供良好的穩(wěn)定性。

2.2.2 土壤水分測量

對于土壤水分測量使用駐波率間接測量，對土壤中水分容積含水率進(jìn)行測量，雖然結(jié)果不如烘干測量準(zhǔn)確，但是測量速度快，也具有良好的精準(zhǔn)度，不易腐蝕，價格低廉。

2.2.3 土壤pH測量

測量土壤pH值代表著溶液酸堿度，測量pH值主要在化工、環(huán)保、電力等領(lǐng)域中應(yīng)用。傳感器具有良好的穩(wěn)定性、重復(fù)性和測量范圍。測量pH值主要利用電極，處理溫度帶來的影響，本文選擇性能更高的復(fù)合電極，并利用玻璃電極以及溫度電極等輔助，進(jìn)行應(yīng)用能夠測量0～14 的pH值，響應(yīng)速度迅速，具有較高的穩(wěn)定性。

2.2.4 電導(dǎo)率測量

測量電導(dǎo)率有配比溶液和四電極原位測定兩種方法，能夠?qū)ν寥肋M(jìn)行直接測量。測量結(jié)果受到多種因素影響，不容易受到控制，四電極法得到的測量結(jié)果更加準(zhǔn)確。本文使用了電導(dǎo)電極，可對溶液電導(dǎo)率準(zhǔn)確測量，進(jìn)而通過電阻計算，得到電導(dǎo)率的數(shù)據(jù)。電導(dǎo)率測量可采取直流電，由于直流分壓方式測量容易發(fā)生兩極分化現(xiàn)象，嚴(yán)重影響測量精度[2]。

2.2.5 土壤壓實度測量

土壤顆粒之間的縫隙大小代表壓實度，縫隙丟失意味著空氣和水分在土壤中無法流通，土壤壓實度嚴(yán)重會造成農(nóng)作物生長速度緩慢，對農(nóng)作物的生長發(fā)育產(chǎn)生直接影響，出現(xiàn)機(jī)械耕作困難。本系統(tǒng)使用電阻應(yīng)變拉壓力傳感器，該設(shè)備作用穩(wěn)定，有著良好的抗沖擊能力，能夠遠(yuǎn)距離動態(tài)測量。

2.2.6 鍵盤、顯示及存儲系統(tǒng)

鍵盤系統(tǒng)使用橫列式按鍵，每個按鍵占用一個I/O線，造成I/O口浪費。本文選擇行列式按鈕，按照I/O線可得到行結(jié)構(gòu)以及列結(jié)構(gòu)，兩者交叉位置上設(shè)計按鍵，按鍵數(shù)量增加可節(jié)約大量口線。使用LCD模塊，作為點陣式液晶顯示屏，可以由控制驅(qū)動芯片添加輔助電路構(gòu)成，使用SIP封裝取代實際封裝。存儲系統(tǒng)使用可編程制度存儲器，具有良好的儲存容量，結(jié)構(gòu)緊湊，價格低廉。

2.2.7 GPS系統(tǒng)

精確的農(nóng)業(yè)信息是實現(xiàn)精細(xì)農(nóng)業(yè)的基礎(chǔ)，采集農(nóng)業(yè)信息時，要獲取采樣點位置信息。使用GPS技術(shù)可滿足地理信息精準(zhǔn)度的要求。GPS定位具有實時、全天候和快速的優(yōu)勢，也能提供導(dǎo)航功能。GPS接收機(jī)輸出定位數(shù)據(jù)，接受機(jī)可以由用戶選擇語句輸出，包含GPS信息。數(shù)據(jù)項之間使用逗號分隔。GPS接收機(jī)能夠輸出地心大地坐標(biāo)系的高度、緯度和經(jīng)度數(shù)據(jù)，要想統(tǒng)一測量數(shù)據(jù)和當(dāng)前結(jié)構(gòu)，要轉(zhuǎn)換測量數(shù)據(jù)的坐標(biāo)。

2.2.8 打印機(jī)系統(tǒng)

在現(xiàn)場測量中，可能需要打印歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行研究。本系統(tǒng)配置打印機(jī)系統(tǒng)，能夠隨時在現(xiàn)場打印數(shù)據(jù)。

2.3 軟件設(shè)計

2.3.1 功能設(shè)計

軟件設(shè)計是系統(tǒng)的核心，功能完善的軟件能夠保障系統(tǒng)的正常使用。軟件功能設(shè)計主要包括瀏覽數(shù)據(jù)、通信功能、數(shù)據(jù)采集以及系統(tǒng)初始化等。采集程序整合傳感器傳導(dǎo)的數(shù)據(jù)，系統(tǒng)進(jìn)一步處理數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)化為可以識別的信號和數(shù)據(jù)，實現(xiàn)人工交互。

2.3.2 主程序設(shè)計

主程序負(fù)責(zé)調(diào)度各個程序，和外部設(shè)備交換數(shù)據(jù)，對硬件設(shè)備和軟件程序進(jìn)行統(tǒng)一管理，為了讓系統(tǒng)正常運(yùn)行，主程序需要具有初始化和自檢功能，包括診斷RAM、CPU、ROM等。

（1）數(shù)據(jù)采集程序

系統(tǒng)使用人機(jī)交互界面和鍵盤控制完成采集工作，采集程序?qū)?yīng)著采集按鈕。按鈕被按下，系統(tǒng)在內(nèi)存內(nèi)開啟暫存數(shù)組，用于保存測量數(shù)據(jù)。系統(tǒng)顯示的是對舊數(shù)據(jù)的補(bǔ)充測量，讀取存儲器對應(yīng)的數(shù)據(jù)。按下按鍵后，程序要點亮LED指示燈，打開A/D轉(zhuǎn)換通道，進(jìn)入數(shù)據(jù)處理程序。

（2）測量模擬量

通過A/D轉(zhuǎn)換測量模擬量，將定時器0打開，用于讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果。轉(zhuǎn)換程序，完成測量后發(fā)出外部中斷信號，使用A/D轉(zhuǎn)換，每間隔一段時間讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果。使用定時器0定時，每間隔200 ms讀取結(jié)果。先要選擇高位地址，將RD信號送入CE端，讀入高位數(shù)據(jù)。選擇RD信號送入CE端，讀取低位數(shù)據(jù)，分成兩次讀取低位數(shù)據(jù)和高位數(shù)據(jù)，保存全局變量。數(shù)據(jù)測量程序，將A/S轉(zhuǎn)換結(jié)果帶入程序，篩選A/D值并計算，得到測量結(jié)果。

（3）測量頻率量

接收到風(fēng)速傳感器的風(fēng)速頻率，使用定時器定時，產(chǎn)生0.5s間隔，使用定時器0計數(shù)。對外部頻率緩沖個數(shù)測量，每間隔0.5s，讀取計數(shù)值，傳輸給計算子程序，將數(shù)值轉(zhuǎn)化為風(fēng)速數(shù)據(jù)，在顯示畫面中呈現(xiàn)給人員。

（4）測量數(shù)字量

對于數(shù)字量的測量，和讀取GPS信號互相對應(yīng)，本系統(tǒng)使用外接GPS接收器獲取信號，選擇單向通訊。只能被動接收信號。按下測量鍵，用戶讀取信號后，在頁面中輸入GPS信號，并操作接收機(jī)，系統(tǒng)將信號傳遞給單片機(jī)的串口，一旦串口中斷，程序可以對中斷信號申請[3]。GPS信號可被自動存入總線，等待單片機(jī)讀取信號，單片機(jī)讀取后數(shù)據(jù)被保存在緩存數(shù)組中，對信號完整性進(jìn)一步驗證，若驗證未發(fā)現(xiàn)錯誤信號，可變換GPS信號。

（5）儲存功能

系統(tǒng)在田間作業(yè)，要具有強(qiáng)大的儲存功能，保存實時數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)使用可編程存儲器，可以支持2M存儲容量。用戶完成測量后，按下SAVE按鈕，數(shù)據(jù)可以自動進(jìn)入存儲程序。

（6）查詢功能

按下功能鍵后，選擇Dis功能，修通可以從0地址取出存儲數(shù)據(jù)地址，根據(jù)地址查詢，系統(tǒng)提供翻頁鍵，用戶可以按順序查找數(shù)據(jù)。如果查詢地址不在存儲范圍內(nèi)，會提示無數(shù)據(jù)。

（7）刪除功能

系統(tǒng)保存大量數(shù)據(jù)時，部分?jǐn)?shù)據(jù)可以被直接刪除，刪除數(shù)據(jù)將0地址賦10，作為首字節(jié)，可以從10地址進(jìn)行讀取。

（8）傳輸功能

第一，串行口傳輸，借助于串行口的傳輸功能，讓系統(tǒng)具備了實時傳輸和短消息傳輸。串行口傳輸需要單片機(jī)將采集數(shù)據(jù)上傳至上位機(jī)加以處理。第二，系統(tǒng)初始化時，對寄存器賦值，單片機(jī)可從總線取出數(shù)據(jù)，作為單片機(jī)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。從保存數(shù)據(jù)的初始地址起，逐一進(jìn)行查詢。第三，用戶查詢測量對象的實時數(shù)據(jù)可以得到實時傳輸，實時數(shù)據(jù)直接被上傳至上位機(jī)得到分析，測量結(jié)果被傳遞至串行口，不是保存在存儲器中。第四，遠(yuǎn)距離傳輸短消息，要借助于AT命令，可直接操作短消息模塊。

（9）數(shù)據(jù)打印

串口和打印機(jī)相互連接，打印機(jī)執(zhí)行內(nèi)部命令，控制碼為一字節(jié)序列，執(zhí)行打印命令。串口波特率和默認(rèn)波特率一致。單片機(jī)通過串口給打印機(jī)發(fā)送字符命令，受到命令后自檢。單片機(jī)在讀取數(shù)據(jù)信號之后，將數(shù)據(jù)傳遞給串口，數(shù)據(jù)被保存在打印機(jī)設(shè)備的緩沖空間中，串口可對打印機(jī)發(fā)送指令，打印機(jī)按照命令打印全部字符。

3 小結(jié)

通過利用GPS系統(tǒng)設(shè)計農(nóng)業(yè)信息采集系統(tǒng)，可利用先進(jìn)系統(tǒng)設(shè)備采集農(nóng)業(yè)信息輔助農(nóng)業(yè)重視，GPS技術(shù)可支持信息地址采集，提高信息采集速度，減少采集信息錯誤，有助于提高信息采集的準(zhǔn)確性。計算機(jī)采集信息系統(tǒng)的應(yīng)用，有助于推動農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展。