基于DTU的農(nóng)作物生長環(huán)境信息檢測系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

姚竟發(fā)，劉 靜

（1.河北農(nóng)業(yè)大學 信息科學與技術學院，河北 保定 071000；2.河北軟件職業(yè)技術學院 軟件工程系，河北 保定 071000；3.保定理工學院 馬克思主義學院，河北 保定 071000）

精準農(nóng)業(yè)概念的提出對于計算機技術有了更高的要求，利用計算機技術推廣農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，讓農(nóng)業(yè)走向現(xiàn)代化新型農(nóng)業(yè)的道路，是當前農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要路徑。近年來，計算機的快速發(fā)展讓農(nóng)業(yè)也走向了智能化生產(chǎn)，農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)效益有了大大改善，對于農(nóng)作物的生產(chǎn)環(huán)境也有了更高的需求。簡單快捷是當前系統(tǒng)的主要發(fā)展方向，系統(tǒng)可以多平臺運行已經(jīng)成為現(xiàn)實。國內(nèi)對于農(nóng)作物的生產(chǎn)環(huán)境采集系統(tǒng)的研究較少，缺少完整的運行體系。當前的農(nóng)田信息檢測系統(tǒng)中，加入了物聯(lián)網(wǎng)技術、云計算技術，隨著計算機技術的不斷更新與發(fā)展，越來越多的新型技術不斷出現(xiàn)，尤其以無線傳感網(wǎng)絡應用最為廣泛。DTU（Data Transfer Unit）數(shù)據(jù)傳輸單元，利用無線通信網(wǎng)絡技術進行數(shù)據(jù)傳輸，可以有效解決在惡劣環(huán)境下無法采集和收集信息的現(xiàn)狀。

1 系統(tǒng)組成

基于DTU的農(nóng)作物生長環(huán)境信息檢測系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。該系統(tǒng)引入了Datalogger數(shù)據(jù)采集器，該數(shù)據(jù)采集器自帶4 M內(nèi)存，可以實時監(jiān)測信息并進行處理[1]。

圖1 基于DTU的農(nóng)作物生長環(huán)境信息檢測系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)

空氣和土壤需要使用專用的溫濕度檢測設備進行檢測，檢測傳感器具有信號轉(zhuǎn)換功能，將自身的溫濕度參數(shù)轉(zhuǎn)換為電壓信號，并通過Datalogger數(shù)據(jù)采集器進行信號存儲。DTU無線數(shù)據(jù)傳感器將存儲的信息通過自身的無線網(wǎng)絡功能上傳至終端，利用軟件系統(tǒng)對目標參數(shù)進行存儲和判斷，完成對農(nóng)作物生長環(huán)境的監(jiān)控。Datalogger數(shù)據(jù)采集器利用繼電器模塊對電磁閥進行開關控制，通過DTU無線數(shù)據(jù)傳輸器進行數(shù)據(jù)上傳，電腦端進行數(shù)據(jù)接收。Datalogger數(shù)據(jù)采集器對數(shù)據(jù)進行分析處理后，利用程序?qū)﹄姶砰y進行關停操作，從而自如控制農(nóng)作物的環(huán)境參數(shù)，以促進農(nóng)作物的健康生長。

2 硬件分析

Datalogger數(shù)據(jù)采集器自身具備的電流是直流電，通過RS232串口通信完成內(nèi)部溫度補償與校準，可以在惡劣環(huán)境下進行在線檢測。RS232具有16個單端口、8個差分口及8個I/O口。在線檢測系統(tǒng)需要單端口2個，主要進行空氣與土壤的溫濕度測量，I/O口2個，利用繼電器控制空氣和土壤的電磁閥[2]。

DTU提供的RS232接口，與Datalogger數(shù)據(jù)采集器進行連接，通過在線檢測系統(tǒng)讓DTU可以一直保持在線工作狀態(tài)，斷線后可以自動連接或者自動重啟，還可以遠程查詢、配置參數(shù)。采用Wi-Fi無線通信方式作為主要方式進行設計。

土壤溫濕度傳感器與空氣溫濕度傳感器的功能見表1[3]。

表1 土壤與空氣溫濕度傳感器功能

通過電磁閥功能控制溫濕度的參數(shù)，同時將土壤澆灌設備放置在土壤表面，幫助改善農(nóng)作物的生長環(huán)境和參數(shù)，不易將空氣噴灑裝置放置內(nèi)部，應放置在植物的上方，用于改善空氣的溫濕度參數(shù)。

3 軟件分析

采用LoggerNet軟件進行編寫與編譯，通過文本文檔編譯器進行編輯。具體流程如圖2所示。

圖2 設計流程

LoggerNet軟件具有采集功能，將采集到的數(shù)據(jù)信息進行整合，幫助系統(tǒng)實現(xiàn)通信功能。

Datalogger數(shù)據(jù)采集器屬于LoggerNet軟件的合作軟件，用于處理各類數(shù)據(jù)，并完成數(shù)據(jù)共享。LoggerNet軟件具有編寫程序、數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)監(jiān)控的功能，當用戶使用LoggerNet軟件進行參數(shù)配置時，需要使用Datalogger數(shù)據(jù)采集器進行合作配置，快速實現(xiàn)數(shù)據(jù)的獲取和處理。同時需要注意，虛擬串口軟件并不是存在的端口，而是通過虛擬手段模擬出的串口，省去了數(shù)據(jù)電纜的布線，沒有物理距離上的限制，也可以很好地實現(xiàn)網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)通信功能[4]。

4 系統(tǒng)實現(xiàn)

為了驗證該系統(tǒng)的各項功能是否可以更好地幫助改善農(nóng)作物的生長環(huán)境，利用LoggerNet軟件，對農(nóng)作物的生長情況進行模擬，測試空氣和土壤的溫濕度數(shù)據(jù)，不可將空氣溫濕度傳感器置于外部，需要將其埋入土內(nèi)，檢測各自的溫濕度數(shù)據(jù)。將電壓信號傳輸?shù)紻atalogger數(shù)據(jù)傳感器中，利用該數(shù)據(jù)采集器對信號進行轉(zhuǎn)換，利用DTU無線數(shù)據(jù)傳感器將得到的環(huán)境參數(shù)上傳到終端，并利用LoggerNet軟件進行處理。比較實時數(shù)據(jù)與預設數(shù)據(jù)，并進行結(jié)果的比較。將結(jié)果上傳到Datalogger數(shù)據(jù)采集器的I/O端口中，并對數(shù)據(jù)信息進行保存，通過控制繼電器模塊控制電磁閥。將土壤參數(shù)的溫度設置為28℃，濕度設置為40%以下，當滿足設置條件時，通過Datalogger數(shù)據(jù)采集器分析控制信號，并將獲取的數(shù)據(jù)上傳到終端，將土壤澆灌開關設置為10 s，執(zhí)行澆灌動作對土壤進行溫濕度檢測操作。土壤在獲取足夠的水分后，在半個小時之內(nèi)不再進行二次澆灌，超過半個小時之后觀察數(shù)據(jù)，如溫濕度滿足設置條件重復澆灌動作，直到數(shù)據(jù)發(fā)生變化為止[5]。

將農(nóng)作物放置在太陽下，在充分暴露在外的情況下，溫度與濕度值會發(fā)生改變?？諝鉁囟炔怀^30℃，濕度不易超過60%，同時滿足溫濕度條件才可進行數(shù)據(jù)處理?？刂贫丝诘妮敵鲂盘?，將獲得的數(shù)據(jù)信息進行存儲并上傳到終端設備。通過電磁閥可以對空氣進行增濕降溫操作，時間間隔為半小時，到時間之后繼續(xù)判斷，直到數(shù)據(jù)發(fā)生變化為止。特別注意的是，土壤與空氣的溫濕度檢測要單獨進行。

整個試驗過程中，利用LoggerNet軟件測試土壤和空氣的溫濕度數(shù)據(jù)，可以得到，數(shù)據(jù)曲線隨著時間軸的變化而不斷發(fā)生變化。Datalogger數(shù)據(jù)采集器將數(shù)據(jù)信息按照用戶的要求進行存儲，并記錄每一個數(shù)據(jù)的時間點，方便用戶日后的查看與處理[6]。

當土壤和空氣的溫濕度參數(shù)沒有在合理的控制范圍內(nèi)時，需要利用Datalogger數(shù)據(jù)采集器的I/O口進行溫濕度參數(shù)的重新設定，通過電磁閥進行設定，以達到目標要求。通過網(wǎng)絡技術模擬農(nóng)作物的生長情況，保證生長環(huán)境可以達到預期目標，可以更好地實現(xiàn)系統(tǒng)最初的設計初衷。通過DTU設計的農(nóng)作物生長環(huán)境在線檢測系統(tǒng)，可以實現(xiàn)實時監(jiān)控農(nóng)作物的生長環(huán)境，對土壤和空氣的溫濕度進行實時監(jiān)控，讓土壤和空氣的溫濕度可以擁有更好的生長環(huán)境，根據(jù)農(nóng)作物的生長條件，在LoggerNet軟件進行溫濕度參數(shù)設定，利用控制機構(gòu)，完成農(nóng)作物的生長環(huán)境參數(shù)設定，保證在合適的范圍之內(nèi)，農(nóng)作物可以獲取最優(yōu)質(zhì)的生長環(huán)境。

5 結(jié)束語

基于DTU設計的農(nóng)作物生長環(huán)境信息在線檢測系統(tǒng)可以進行空氣和土壤的溫濕度測試，通過對土壤和空氣溫濕度的在線監(jiān)控，進一步完善自動控制系統(tǒng)的功能，實現(xiàn)對各個環(huán)境參數(shù)的遠程控制。