基于GPRS的土壤氮磷鉀檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王正浪，王越男，葛欣奇，甘志聰，王禹彤，鄧定艷

(佳木斯大學(xué)信息電子技術(shù)學(xué)院 黑龍江 佳木斯 154007)

0 引言

我國(guó)是人口大國(guó)，一直以來(lái)面臨著人口基數(shù)大，人均耕地面積少的問(wèn)題，正所謂“民以食為天”，耕地的產(chǎn)量直接影響著民生問(wèn)題。進(jìn)入信息化時(shí)代后，隨著工業(yè)的迅速發(fā)展，耕地面積的逐年減少，如何在有限的耕地資源上實(shí)現(xiàn)農(nóng)作物的高產(chǎn)，以滿(mǎn)足人們的日常生活所需是一個(gè)值得關(guān)注的問(wèn)題。土壤的肥力直接影響著農(nóng)作物的產(chǎn)量，怎樣準(zhǔn)確的了解土壤養(yǎng)分參數(shù)情況，是推進(jìn)測(cè)土配方施肥的關(guān)鍵要點(diǎn)，土壤中氮、磷、鉀的含量是作物生長(zhǎng)的最基本的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，這使得我們對(duì)土壤氮、磷、鉀的含量測(cè)量有著重要意義。傳統(tǒng)的土壤養(yǎng)分的檢測(cè)需要相應(yīng)的工作人員到現(xiàn)場(chǎng)采樣，再把土壤帶回實(shí)驗(yàn)室做分析得出土壤參數(shù)，這個(gè)過(guò)程比較繁瑣，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，極不方便。隨后在市場(chǎng)上也相繼出現(xiàn)了土壤養(yǎng)分速測(cè)儀，在保證一定的精度下能夠迅速測(cè)出土壤的肥力參數(shù)，但其昂貴的價(jià)格也讓人們望而止步?；诖爽F(xiàn)狀，本文主要研究一種新型的土壤養(yǎng)分檢測(cè)方案，我們利用現(xiàn)有的物聯(lián)網(wǎng)，無(wú)線傳輸以及傳感器檢測(cè)等技術(shù)對(duì)土壤的氮、磷、鉀的參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)，推進(jìn)測(cè)土配方施肥技術(shù)的發(fā)展。

1 整體概括

本系統(tǒng)以單片機(jī)為主要的控制器，以GPRS無(wú)線通信為傳輸手段，通過(guò)在農(nóng)田土壤合理的安裝土壤氮、磷、鉀傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集，傳感器采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換后，由GPRS無(wú)線通信將單片機(jī)處理后的數(shù)據(jù)上傳到智能終端(上位機(jī)、手機(jī)端)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)。底層的數(shù)據(jù)采集：由于市場(chǎng)上所賣(mài)的土壤氮、磷、鉀傳感器的價(jià)格比較昂貴，農(nóng)田的土壤范圍較廣，為降低制造成本，本方案將采用自主設(shè)計(jì)的土壤氮、磷、鉀的檢測(cè)裝置，確保在一定的精度下快速的檢測(cè)出土壤的肥力狀況，及時(shí)了解土壤中氮、磷、鉀的含量。本方案主要對(duì)農(nóng)田土壤的氮、磷、鉀含量進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換后由單片機(jī)將處理好的數(shù)據(jù)通過(guò)GPRS傳輸?shù)皆贫?，用?hù)在電腦終端可以進(jìn)行數(shù)據(jù)查看、分析等操作，工作人員可以根據(jù)數(shù)據(jù)的分析報(bào)表，再結(jié)合實(shí)際的環(huán)境情況和需求為農(nóng)作物進(jìn)行合理的配方施肥，達(dá)到作物高產(chǎn)的需求。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 數(shù)據(jù)采集方式

完成單片機(jī)與GPRS模塊的硬件設(shè)計(jì)后，我們將編寫(xiě)單片機(jī)與服務(wù)器之間的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，利用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，搭建云平臺(tái)。確保單片機(jī)將采集的數(shù)據(jù)作相應(yīng)的處理后，能夠?qū)⒂行У臄?shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳送到遠(yuǎn)程服務(wù)器的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)中心，保障數(shù)據(jù)的有效傳輸，以供用戶(hù)能夠在線瀏覽農(nóng)田的土壤肥力情況。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)圖

圖2 軟件程序設(shè)計(jì)圖

圖3 單片機(jī)與GPRS模塊的電路連接圖

2.2 土壤氮、磷、鉀采集部分

土壤氮、磷、鉀傳感器將采集的數(shù)據(jù)通過(guò)RS485傳送給單片機(jī)，單片機(jī)把傳感器采集過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)做相應(yīng)處理后經(jīng)GPRS模塊傳輸?shù)皆贫?，電腦在云端對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行在線顯示、存儲(chǔ)以及生成相應(yīng)的數(shù)據(jù)報(bào)表。為工作人員提供完整的土壤參數(shù)信息。

圖4 數(shù)據(jù)采集控制器硬件電路結(jié)構(gòu)

2.3 TTL轉(zhuǎn)RS485電路設(shè)計(jì)

RS485 bus作為典型的串口通訊，具有抑制共模信號(hào)的能力，其工作方式為半雙工通信?？梢詫?shí)現(xiàn)多機(jī)通信，具有抗干擾能力強(qiáng)，通信速率快的特點(diǎn)。

圖5 RS485 bus 的總線拓?fù)溥B接圖

3 通訊方式

3.1 ZigBee數(shù)據(jù)傳輸

ZigBee作為一種功率消耗低，傳輸距離短，能夠自組網(wǎng)的無(wú)線局域通信技術(shù)。廣泛被用于短距離的數(shù)據(jù)傳輸。

優(yōu)點(diǎn)：工作頻率靈活，功耗較低。

缺點(diǎn)：速度慢，抗干擾能力差，使用比較復(fù)雜。該方案不被采用。

3.2 WiFi網(wǎng)絡(luò)傳輸

WiFi是一種無(wú)線局域網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，具有無(wú)線數(shù)據(jù)保真的特點(diǎn)，其使用以太網(wǎng)通信協(xié)議，可實(shí)現(xiàn)數(shù)十米以?xún)?nèi)的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸。

優(yōu)點(diǎn)：無(wú)線傳輸，無(wú)線保真。

缺點(diǎn)：接收范圍有限，穩(wěn)定性不夠好。該方案不被采用。

3.3 GPRS數(shù)據(jù)傳輸

GPRS可以實(shí)現(xiàn)無(wú)線的IP連接，采用分組交換技術(shù)。完美的與移動(dòng)技術(shù)相結(jié)合，由于移動(dòng)通信終端的普及，其成本已經(jīng)大大降低，因此在物聯(lián)網(wǎng)中采用的GPRS通信技術(shù)，其硬件成本相比WiFi或者ZigBee都有較大的優(yōu)勢(shì)。

圖6 GPRS與Internet連接原理圖

本設(shè)計(jì)方案中，我們結(jié)合農(nóng)田分布的特點(diǎn)，將采用工業(yè)級(jí)的GPRS無(wú)線通信模塊。本設(shè)計(jì)中基于單片機(jī)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸方案可以滿(mǎn)足接入網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的要求，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和發(fā)送。

4 供電方式

本系統(tǒng)采用太陽(yáng)能供電方案。農(nóng)田范圍寬廣，使用太陽(yáng)能板可以有效的吸收太陽(yáng)光并轉(zhuǎn)換為電能，從而保證設(shè)備的正常用電。因?yàn)閿?shù)據(jù)采集電路及通信模塊使用的功率較小，選擇太陽(yáng)能供電解決了控制器電源的問(wèn)題。

5 結(jié)語(yǔ)

本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集以單片機(jī)為主要控制器，將采集到的數(shù)據(jù)給單片機(jī)，經(jīng)過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換后，GPRS模塊通過(guò)TCP/IP協(xié)議將數(shù)據(jù)上傳到網(wǎng)絡(luò)終端，最終實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程在線監(jiān)測(cè)。本系統(tǒng)面向各農(nóng)田土壤氮、磷、鉀含量進(jìn)行數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)檢測(cè)，在線顯示。為農(nóng)戶(hù)提供準(zhǔn)確的土壤養(yǎng)分參數(shù)分布情況，做到農(nóng)田農(nóng)作物的精準(zhǔn)化施肥，以提高農(nóng)作物的產(chǎn)量。