基于单片机的土壤墒情监测系统设计与应用

2020-08-14彭炫

无线互联科技 2020年10期

彭炫

（新疆大学工程训练中心，新疆乌鲁木齐 830047）

随着物联网技术的发展，许多先进的技术开始引入农业生产[1]。土壤温湿度值是农作物生长十分重要的墒情数据。根据土壤温湿度数据，农户可以精准地对农作物进行灌溉，节约水资源的同时，提高农业产量[2]。因此，设计一款农田墒情监测系统，辅助农户对农田进行管理是十分必要的[3]。本文以AT89C52单片机为控制核心，设计、开发了一种农田墒情监测系统，通过单片机读取土壤温湿度传感器数据，并将检测到的数据实时显示在液晶屏上。系统具有GPRS无线通信模块，能与云服务器进行数据交换。农户能随时使用手机APP登录云服务器获取土壤温湿度数据，极大地方便了农民对进行农业灌溉。

1 农田墒情监测系统整体结构

农田墒情监测系统主要由单片机最小系统、土壤温湿度传感器、GPRS无线模块、液晶显示屏、稳压电路、云服务器、手机APP等部分组成，系统结构如图1所示。系统通过AT89C52单片机采集土壤温湿度数据，并上传至云服务器，供农户在液晶屏和手机APP上查看。

（1）单片机最小系统，包括AT89C52单片机、复位电路、时钟电路和程序下载电路，是主控制核心正常运行的基本电路[4]。

（2）土壤温湿度传感器，采用模拟量输出型传感器，传感器湿度测量范围为0%～100%，误差为±3%；温度测量范围为-40～80 ℃，误差为±0.5 ℃；输出信号为0～5 V电压信号。传感器通过AD转换芯片与单片机相连，将模拟量信号转化为数值信号。为消除环境因素对传感器的干扰，保证数据的准确性，在单片机一个循环周器内执行n次数据采集，根据n次数据采集计算平均值。

图1 农田墒情监测系统整体结构

（3）稳压电路，使用LM2596-5.0芯片，将DC 24 V输入转化为DC 5 V电压，经电容整流滤波后，为单片机和其他模块供电。

（4）液晶显示屏，采用LCD12864液晶屏，包含中文字库，可以显示中文、英文和图片。通过并型数据接口与单片机连接，液晶屏可以将土壤温湿度信息显示在屏幕上。

（5）GPRS无线通信模块，采用USR-GM3型4G模块，具有工作稳定、功耗低、接口丰富等优点[5]。串口与单片机连接，数据通过透传模式发送至云服务器。采用国际上通用的Modbus-Rtu通信协议，格式如表1所示。

表1 土壤墒情监测系统通信指令格式

由服务器作为主机向系统发起查询命令，读取寄存器中温湿度数据。系统作为从机响应主机。从机应答指令中第4字节和第5字节为湿度数据，第6字节和第7字节为温度数据。将数据转化为十进制后，再除以10即可得到实际的数据值，当温度低于0 ℃时以补码形式发送。

2 手机APP设计

手机端APP使用TeslaMultiSCADA设计，在使用前，需要先配置服务器IP地址和端口号与云服务器连接。APP能从云服务器获取土壤温湿度数据且直观地显示在屏幕上，农户能随时查看土壤温湿度变化趋势曲线和历史数据，及时了解土壤墒情信息，并根据墒情数据对农田进行精准灌溉。系统APP界面如图2所示。

图2 农田墒情监测系统APP

3 系统仿真与实验验证

3.1 基于Proteus的系统仿真

通过Proteus仿真工具和Keil uVision2编程软件对农田墒情监测系统进行联合仿真。首先，使用Proteus软件绘制出仿真电路，如图3所示。其次，使用Keil uVision2软件编写好农田墒情监测系统的仿真程序。最后，将仿真程序下载到虚拟单片机中。通过鼠标上下拖动电位器箭头改变输入电压信号。12864液晶屏上的土壤温湿度数据会随之改变，该仿真结果能够验证农田墒情监测系统理论的正确性。