土壤墒情智能监测控制系统设计

河北农业大学姜新宇唐娟

土壤墒情智能监测控制系统设计

河北农业大学姜新宇唐娟

设计一种土壤墒情智能监测控制系统来实现对土壤墒情的实时监测，并通过灌溉等方式智能改变土壤墒情。通过在多点放置土壤湿度传感器与ZIGBEE无线通信设备组成自组网络，ZIGBEE协调器与所有子节点通信将所有点的土壤湿度信息汇总并且传送给单片机分析处理。单片机控制液晶显示器将土壤湿度平均值显示出来，并根据设置的土壤湿度上下限值进行调控，当土壤湿度平均值低于下限值时，控制水泵浇水，高于上限值时，控制水泵停止浇水。通过实验测试证明，本土壤墒情智能监测控制系统能够实现土壤湿度的监测和控制。

土壤墒情；智能；监测；控制

1 引言

我国是农业大国，农业一直是我国国民经济的命脉。农业生产离不开水，而我国又是13个贫水国家之一，因此，土壤墒情的研究对农业发展十分重要。

在国外，早在20世纪60年代初期就有一些发达国家开始着手研究土壤墒情的监测。80年代后，少数西方发达国家已经成功地研发出了一种分布式控制系统的远程数据采集控制系统。最近几年，美国和日本建立了可以为广大用户提供各种农业信息需求预测预警网络服务平台。无线通信技术正被用于农业中农田参数的采集系统，使管理人员第一时间得到采集信息，减少采集信息传输的时间，并且预测土壤中各成分参数[1]。

在国内，土壤墒情的监测预测系统已经有了一定的发展。隋东等利用VFP610数据库管理系统对沈阳地区土壤墒情监测与预测系统进行了开发研制。杨绍辉等以组件式GIS软件为开发平台，建立了北京地区土壤墒情监测与预测预报系统。梁凤国等开发和建设了辽宁省土壤墒情测报与抗旱决策支持系统。邹春辉等将遥感与GIS集成土壤墒情监测服务系统运行于Windows平台，基于遥感与GIS集成技术，建立土壤墒情监测服务系统[2]。

为了推进我国农业的现代化发展，我们设计了一种土壤墒情智能检测控制系统，实现土壤种植作物生长的科学化管理，在保证作物正常生长的前提下合理控制用水量。

2 土壤墒情智能监测控制系统设计

2.1 系统原理

本设计旨在实现土壤墒情的实时监测，并且根据预先设置的要求通过灌溉等方式改变土壤墒情，实现农业用水的科学化，推进现代化农业发展的进程。该土壤墒情智能监测控制系统使用STC89C52单片机作为系统的控制核心。控制过程如图1所示，土壤湿度传感器模块采集土壤湿度信息，与ZIGBEE设备组成终端节点，ZIGBEE协调器接收信号后将信号发送给单片机进行数据分析处理，再将土壤湿度平均值信息传入液晶显示模块进行显示，根据设置的土壤湿度上下限值，控制水泵对土壤进行灌溉。当土壤湿度低于下限值时，单片机输出一个信号控制水泵浇水，高于上限值时再由单片机输出一个信号控制水泵停止浇水。

图1 系统原理图

2.2 系统硬件设计

本土壤墒情智能监测控制系统结构如图2所示，土壤湿度传感器和ZIGBEE设备构成的ZIGBEE终端节点、ZIGBEE路由节点、ZIGBEE协调器、单片机、水泵等共同组成本智能监测控制系统。土壤湿度传感器采集信息，由ZIGBEE模块传送给单片机处理，再由单片机驱动液晶显示和水泵运行。

图2 土壤墒情智能监测控制系统结构图

单片机作为控制核心，有着体积小、耗能低、集成性高、可靠性强、便于实现嵌入式应用等优点[3]。本系统所使用的单片机选用STC89C52单片机，图3为STC89C52单片机最小系统。该单片机是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K可编程Flash存储器，能够迅速处理土壤湿度传感器的信号，控制液晶显示和水泵运行，是整个系统的核心控制部分。

图3 STC89C52单片机最小系统

无线通信模块核心采用TI公司片上系统CC2530，其结构如图4，该芯片是专门针对IEEE802.15.4和ZIGBEE应用的单芯片解决方案，经济且低功耗。它整合了全集成的高效射频收发机及业界标准的增强型8051微控制器，8KB的RAM和其他强大的支持功能和外设，可确保短距离通信信道的减小和可靠性。传感器节点搭载土壤湿度传感器，能够稳定、迅速地传送土壤湿度信息。

图4 CC2530芯片结构图

土壤湿度传感器选用丰川电子公司的土壤湿度模块，可以通过电位器在较宽的范围内调节土壤湿度控制阈值，可选数字量或者模拟量输出，精度高，工作稳定。液晶显示选用LCD1602，这是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块，其显示控制简单、功耗低、显示质量高，符合本系统要求。

2.3 系统软件设计

本土壤墒情智能监测控制系统如图5所示。系统上电后进行初始化，设置相关传感器和外围设备的参数。初始化结束后，土壤湿度传感器与ZIGBEE无线通信设备组成的终端节点将土壤湿度信息发送给ZIGBEE协调器，再由单片机分析处理，并驱动液晶显示器将土壤湿度平均值显示出来。然后判断土壤湿度平均值低于下限值时，单片机输出一个信号控制水泵浇水，高于上限值时再由单片机输出一个信号控制水泵停止浇水。

图5 系统软件流程图

2.4 实验测试

测试时，选择一块200m×200m的开阔的平原地形试验田，均匀放置4个由土壤湿度传感器和ZIGBEE设备组成的终端节点，设置每一个土壤湿度传感器的土壤湿度上下限为相同值。调试好无线通信模块和程序后，进行试验测试。测试开始，液晶显示4个点的土壤湿度平均值明显低于下限值，水泵开始运行对试验田进行灌溉，灌溉过程中可以看见液晶显示土壤湿度平均值有明显上升，但还未到达上限值；当土壤湿度平均值到达上限值时，水泵停止运行。经过多次调节，设置合理的土壤湿度上下限值，可以高效地控制土壤湿度在一个合适的范围内。通过试验证明，本土壤墒情智能监测控制系统能够实现土壤湿度的监测和控制，适用于实际的广域农田环境并且性能稳定。

3 总结

本设计结合国内外土壤墒情监测系统研究现状及发展趋势，能够实现土壤墒情的智能监测和控制，适应于多种场景，能够对土壤种植作物的生长进行科学的规划管理，符合我国现代化的农业发展要求。主要工作和结论如下：

（1）根据国内外土壤墒情监测系统的发展趋势，确定了本设计的整体控制方案。

（2）确定整个系统软硬件的结构及各器件的型号。由ZIGBEE无线通信模块将土壤湿度信息发送给单片机，再由单片机控制液晶显示和水泵。

（3）制订了该土壤墒情智能监测控制系统的控制方案。

（4）进行了土壤墒情监测和控制试验。在试验田中布置好ZIGBEE终端节点并连接好电路，对系统控制方案进行试验。

（5）分析本设计的监测和控制性能。通过对实验结果的分析总结，确定本设计能够实现对土壤墒情的智能监测和控制。

[1]李占成.基于GPRS的土壤墒情远程监测系统研究[D].东北农业大学,2015.

[2]周海峰.土壤墒情监测系统开发与预报模型研究[D].内蒙古农业大学,2009.

[3]金孝飞,蔡郭栋.单片机在电子技术中的应用和技术开发研究[J].中国新通信,2017(07)：121.

姜新宇，男，1994年出生，河北承德人，本科，研究方向：测控技术与仪器专业。

唐娟，女，1979年出生，河北保定人，中共党员，硕士，讲师，研究方向：智能检测控制。

保定市科学技术研究与发展指导计划项目（15ZN006），河北农业大学理工基金（LG20140104）。