基于RS - 485总线的土壤湿度监控系统设计与实现

周金芝， 杨　明

（亳州学院电子与信息工程系，安徽亳州236800）



基于RS - 485总线的土壤湿度监控系统设计与实现

周金芝， 杨明

（亳州学院电子与信息工程系，安徽亳州236800）

摘要：以单片机STC89C52作为控制核心，采用RS-485主从式多机通讯协议，设计土壤湿度监控系统.系统主要由土壤湿度测量模块、RS-485通信模块、信息处理模块、液晶显示模块、超限报警模块和灌溉控制模块组成，其中土壤湿度测量采用SHT10温湿度传感器，信息显示采用LCD1602液晶显示器.测试结果表明：系统稳定、可靠，符合温室大棚、园林苗圃、农田等的土壤湿度监控应用要求.

关键词：土壤湿度监控系统；RS-485总线；温湿度传感器SHT10；STC89C52

土壤湿度对作物的正常生长和品质产量有着直接和间接的影响.传统土壤湿度监测是采用现场采集数据，实验室分析处理，这种做法耗资耗时［1］，并且传统灌溉方式也造成水资源的严重浪费.如何准确快速地测定土壤湿度，对土壤水分进行科学调控是实现科学灌溉、节水节能和灌溉自动化的前提［2］.采用无线网络通信的土壤湿度监控系统虽然灵活性、可移动性较强，但其通信信号易受周围环境影响而导致系统不稳定.鉴于以上情况，本文设计了一款基于单片机和RS-485通信的智能土壤湿度监控系统，实现土壤湿度监控的自动化.

1　系统总体设计

基于RS-485总线的土壤湿度监控系统是由主机系统和从机系统组成，如图1所示.主、从机系统之间通过RS-485总线协议进行通信.其中主机系统由单片机最小系统、串口通信模块、RS-485通信模块、液晶显示模块及超限报警模块组成；从机系统由单片机最小系统、串口通信模块、RS-485通信模块、土壤湿度测量模块、控制驱动模块组成.从机系统的主要功能是采集土壤湿度数据并通过RS-485总线发送给主机系统；当土壤湿度低于设定的阈值驱动灌溉系统进行灌溉；当土壤湿度高于设定的阈值时，停止灌溉.主机系统的功能是通过RS-485总线接收从机系统发来的数据，将数据实时显示在液晶显示器上，并对数据进行分析处理，当接收到的数据超过设定阈值时驱动指示灯进行指示，驱动蜂鸣器模块进行报警，然后发送数据给从机系统.

图1土壤湿度监控系统

2　系统硬件设计

2.1单片机选择

单片机为整个系统的核心，在系统中所起的作用为信息处理和控制［3］.出于对系统性能和产品成本等的考虑，系统选用台湾宏晶科技推出的STC89C52单片机.该单片机为40引脚双排直插式的8位微处理器，工作电压为3.3～5.5V（5V单片机），工作频率范围为0～40MHZ；拥有8K应用程序空间，片上集成512字节RAM；拥有4个8位并行I/O端口，具有看门狗功能，共3个16位定时器/计数器、4路外部中断和全双工通用异步串行口.

2.2电源模块电路设计

图2电源模块电路

电源模块用于为整个系统供电.系统的电源类型有+5V和+12V两种.单片机最小系统、串行通信模块、液晶显示模块、RS-485通讯模块、超限报警模块、土壤湿度测量模块采用+5V电源，而驱动控制模块则同时需要+5V和+12V两种电源.根据系统需求，设计电源模块电路如图2.其中，LM7805是被广泛使用的三端稳压集成电路，作用是输出DC 5V的正电压，一般使用TO-220的封装，电路内部包含过流及过载保护电路［4］.

2.3RS-485通信接口电路设计

图3 RS-485通信接口电路

RS-485总线因其接口简单、组网方便、传输距离远、灵敏度高等特点而得到广泛应用.作为目前最常用的串行通讯协议，RS-485最远通信距离可达1 219.2m，最大数据传输速率为10Mb/S［5］.平衡发送和差分接收使RS-485总线具有抑制共模干扰能力；再加上总线收发器能检测低至200mV电压的高灵敏度，故传输信号能在千米以外得到恢复.实际上，RS-485在通信过程中可以通过增加最多8个中继的方法来放大信号；理论上，其最大传输距离可达9.6km.该总线采用半双工方式进行通信，发送的同时不能接收，任何时刻只能有一点在发送数据，故发送电路须加使能信号进行控制.这种通讯一般采用的是一个主机带多个从机的主从通信方式.大多数情况下，RS-485的通信链路只是简单地将各个接口的“A”、“B”端用一对双绞线连接起来. RS-485总线接口电路如图3.该电路采用MAX485作为发送器、接收器芯片，发送器和接收器的A、B引脚是对应相连的. MAX485芯片为RS-485通信的特制芯片，可以有效扩展通信网络的结点数.

2.4土壤湿度采集模块设计

系统选用了SHT10作为土壤湿度传感器.土壤型温湿度探头采用原装进口温湿度传感器为核心部件，铜烧结网的防护增探头的耐温、耐压、耐损能力.传感器内部包含一个电容性聚合体测湿敏感元件和一个用能隙材料制成的测温元件，这2个元件与一个14位的A/D转换器和一个串行接口电路无缝连接在同一块芯片上［6］.把传感元件和信号处理集成起来，输出全标定的数字信号，可直接连接单片机使用.其湿度测量范围为0～100%RH；湿度测量精度为±4.5%RH；响应时间为8s（tau63%）；低功耗80μW（12位测量，1 次/s）.因此，该模块具有响应速度快、抗干扰能力强，适合农业温室大棚、花卉、苗圃、草坪等需要检测土壤温湿度环境的场合（该模块电路设计如图4）.

2.5超限报警模块电路设计

图4土壤湿度采集模块电路

图5超限报警模块电路

超限报警模块电路如图5，其作用是当接收到的数据信息高于或低于设定的阈值时，蜂鸣器发出蜂鸣声进行报警提示.该模块电路中用到了PNP型三极管，起开关作用，当收到的数据低于设定的阈值1或高于阈值2时，程序设定与该模块电路相连的单片机的引脚P07为低电平，从而使PNP三极管导通，该模块电路导通，蜂鸣器发出声音进行报警.

图6驱动控制模块电路

2.6驱动控制模块电路设计驱动控制模块电路如图6.当测量的土壤湿度值低于设定的阈值1时，软件设定与该模块相连的单片机的P25引脚为低电平，从而三极管PNP导通，继电器动触点与常开触点吸合，灌溉系统电路导通，开始对土壤进行灌溉；当测得土壤湿度超过设定的阈值2时，软件设定与该模块相连的单片机的P25引脚为高电平，三极管PNP截止，灌溉系统电路断开，停止灌溉.

3　系统软件设计

系统采用Keil uVision4作为软件开发工具，以C语言为开发语言.系统软件由RS-485通信模块、土壤湿度采集模块、液晶显示模块、超限报警模块和驱动控制模块组成.主机系统和从机系统之间通过RS-485总线通信协议进行通信，采用单片机串口中断来接收数据. RS-485通信流程是先由主机系统发送包含从机地址编号的控制命令给从机系统，从机系统在收到命令后将其中的地址编号与自己的地址进行比较，如果相符，则将自己采集到的土壤湿度数据传送给主机系统［7］.主机系统对收到的湿度数据进行分析处理，通过液晶显示器LCD1602进行显示.如果湿度数据低于系统设定的阀值1，则超限报警模块进行报警，同时驱动控制模块电路导通，开始对土壤进行灌溉；若检测到的湿度数据高于设定的阈值2，则驱动控制模块电路断开，停止灌溉.如图7和8分别为主机系统和从机系统流程图.

图7主机系统流程

图8从机系统流程

4　实例

本文对亳州地区5月初农田土壤随机采样，得到10份采样并进行检测以验证该系统的稳定性与准确性.检测所使用的传感器为SHT10土壤型温湿度传感器，系统依据小麦灌浆期最适宜生长的土壤相对含水量设定的最低阈值1、最高阈值2分别为70%和80%，土壤的监测数据和系统测定数据见表1.

表1　检测仪检测与系统检测土壤相对湿度数据

如表1所示，系统测量的土壤湿度数据与专用的土壤湿度检测仪测得的数据进行比对，得到系统的土壤相对湿度测量误差值在±4.5%RH.表明系统各模块功能正常，能够较准确地检测出样本土壤的相对湿度.在测量数据低于阈值1时红色的指示灯亮，蜂鸣器发出报警，同时驱动灌溉系统进行灌溉，直至湿度值高于阈值2黄色的指示灯亮，灌溉系统停止灌溉；当监测到相对湿度数据超过阈值2时，系统点亮黄色的指示灯进行相对湿度过高的提醒.系统能够实现预期的功能.

5　结语

本文以STC89C52单片机作为控制核心，以RS-485总线协议作为通信标准，通过温湿度传感器SHT10采集湿度数据，以液晶显示器LCD1602作为数据的显示工具，设计实现了一个土壤湿度监控系统.系统由湿度采集、液晶显示、报警提示、驱动控制、数据通信等模块组成.当传感器采集到的数据低于设定的阈值1或高于设定的阈值2时，主机板声光报警模块进行报警，同时从机板的驱动控制模块电路做出相应的通断反应.系统测量精确度相对较高，具有良好的灵敏度和稳定性，可以实现24小时不间断的监控，符合温室大棚、园林苗圃等的土壤湿度监控的应用要求.

不足之处在于只是在实验室内检测土壤样本湿度以验证系统的灵敏度、精确度和稳定性，对于实际应用时的系统供电问题没有进行考虑，后续工作是在系统中增设太阳能供电模块、对系统进行扩展并用于农田等土壤湿度监控中进行实测.

参考文献：

［1］杜英.基于GSM的土壤湿度监测系统的研究［J］.山西农业大学学报∶自然科学版，2014，34（1）∶81-83，92.

［2］姚蕾.分布式无线土壤湿度监测系统的设计［J］.农机化研究，2013（3）∶88-91.

［3］谢彤.基于单片机的温室智能灌溉系统设计与实现［J］.安徽农业科学，2013，41（18）∶8048-8049，8068.

［4］王泽师.基于单片机的大功率数码管倒计时系统［J］.科技信息，2011（11）∶108-109.

［5］张五一，罗冬冬，程宾.基于RS485多机通信的四轴步进电机同步控制系统［J］.中原工学院学报，2015，26（3）∶19-23.

［6］王丽芬，马明涛.基于ARM的农业环境因子监测系统的设计的探析［J］.中国农机化学报，2013，34（4）∶231-233，256.

［7］杨艺，李强，刘基宏.细纱断纱远程监控系统设计与应用［J］.自动化仪表，2016，37（2）∶45-48，53.

（责任编辑：饶超）

Design and Implementation of Soil Moisture Monitoring System Based on RS-485 Bus

ZHOU Jinzhi，YANG Ming
（Electronics and Information Engineering Department，Bozhou University，Bozhou 236800，China）

Abstract:A soil moisture monitoring system was designed and implemented，which takes STC89C52 MCU as control core，and adopts RS-485 master-slave type multicomputer communication protocol. System is mainly composed of soil moisture measurement module，RS-485 communication module，information processing module，liquid crystal display module，transfinite alarm module and irrigation control module，of which using SHT10 temperature and humidity sensor to measure soil moisture，and using LCD1602 liquid crystal display to display message. Testing results show that the system is stable and reliable，and can meet application requirements of soil moisture monitoring of greenhouses，garden nurseries，farmland etc.

Key words:Soil moisture monitoring system；RS-485 bus；Temperature and humidity sensor SHT10；STC89C52

中图分类号：TP23

文献标志码：A

文章编号：2095-4476（2016）05-0012-05

收稿日期：2016-04-18；

修订日期：2016-05-15

基金项目：亳州学院2015年度校级科研课题（BSKY201538）；亳州市2014年度科技攻关自筹经费项目；安徽省2016年高校优秀青年人才支持计划重点项目（gxyqZD2016521）.

作者简介：周金芝（1982—），女，安徽砀山人，亳州学院电子与信息工程系讲师.

通讯作者：杨明（1982—），男，安徽淮北人，亳州学院电子与信息工程系副教授，博士在读.