基于GPRS的土壤氮磷钾检测系统设计

王正浪，王越男，葛欣奇，甘志聪，王禹彤，邓定艳

(佳木斯大学信息电子技术学院 黑龙江 佳木斯 154007)

0 引言

我国是人口大国，一直以来面临着人口基数大，人均耕地面积少的问题，正所谓“民以食为天”，耕地的产量直接影响着民生问题。进入信息化时代后，随着工业的迅速发展，耕地面积的逐年减少，如何在有限的耕地资源上实现农作物的高产，以满足人们的日常生活所需是一个值得关注的问题。土壤的肥力直接影响着农作物的产量，怎样准确的了解土壤养分参数情况，是推进测土配方施肥的关键要点，土壤中氮、磷、钾的含量是作物生长的最基本的营养物质，这使得我们对土壤氮、磷、钾的含量测量有着重要意义。传统的土壤养分的检测需要相应的工作人员到现场采样，再把土壤带回实验室做分析得出土壤参数，这个过程比较繁琐，费时费力，极不方便。随后在市场上也相继出现了土壤养分速测仪，在保证一定的精度下能够迅速测出土壤的肥力参数，但其昂贵的价格也让人们望而止步。基于此现状，本文主要研究一种新型的土壤养分检测方案，我们利用现有的物联网，无线传输以及传感器检测等技术对土壤的氮、磷、钾的参数进行检测，推进测土配方施肥技术的发展。

1 整体概括

本系统以单片机为主要的控制器，以GPRS无线通信为传输手段，通过在农田土壤合理的安装土壤氮、磷、钾传感器进行数据的采集，传感器采集到的数据经过模数转换后，由GPRS无线通信将单片机处理后的数据上传到智能终端(上位机、手机端)，实现数据的远程监测。底层的数据采集：由于市场上所卖的土壤氮、磷、钾传感器的价格比较昂贵，农田的土壤范围较广，为降低制造成本，本方案将采用自主设计的土壤氮、磷、钾的检测装置，确保在一定的精度下快速的检测出土壤的肥力状况，及时了解土壤中氮、磷、钾的含量。本方案主要对农田土壤的氮、磷、钾含量进行数据采集，采集到的数据经过A/D转换后由单片机将处理好的数据通过GPRS传输到云端，用户在电脑终端可以进行数据查看、分析等操作，工作人员可以根据数据的分析报表，再结合实际的环境情况和需求为农作物进行合理的配方施肥，达到作物高产的需求。

2 系统设计

2.1 数据采集方式

完成单片机与GPRS模块的硬件设计后，我们将编写单片机与服务器之间的网络通信协议，利用互联网技术，搭建云平台。确保单片机将采集的数据作相应的处理后，能够将有效的数据实时传送到远程服务器的数据存储中心，保障数据的有效传输，以供用户能够在线浏览农田的土壤肥力情况。

图1 系统架构图

图2 软件程序设计图

图3 单片机与GPRS模块的电路连接图

2.2 土壤氮、磷、钾采集部分

土壤氮、磷、钾传感器将采集的数据通过RS485传送给单片机，单片机把传感器采集过来的数据做相应处理后经GPRS模块传输到云端，电脑在云端对采集到的数据进行在线显示、存储以及生成相应的数据报表。为工作人员提供完整的土壤参数信息。

图4 数据采集控制器硬件电路结构

2.3 TTL转RS485电路设计

RS485 bus作为典型的串口通讯，具有抑制共模信号的能力，其工作方式为半双工通信。可以实现多机通信，具有抗干扰能力强，通信速率快的特点。

图5 RS485 bus 的总线拓扑连接图

3 通讯方式

3.1 ZigBee数据传输

ZigBee作为一种功率消耗低，传输距离短，能够自组网的无线局域通信技术。广泛被用于短距离的数据传输。

优点：工作频率灵活，功耗较低。

缺点：速度慢，抗干扰能力差，使用比较复杂。该方案不被采用。

3.2 WiFi网络传输

WiFi是一种无线局域网络通信技术，具有无线数据保真的特点，其使用以太网通信协议，可实现数十米以内的无线数据传输。

优点：无线传输，无线保真。

缺点：接收范围有限，稳定性不够好。该方案不被采用。

3.3 GPRS数据传输

GPRS可以实现无线的IP连接，采用分组交换技术。完美的与移动技术相结合，由于移动通信终端的普及，其成本已经大大降低，因此在物联网中采用的GPRS通信技术，其硬件成本相比WiFi或者ZigBee都有较大的优势。

图6 GPRS与Internet连接原理图

本设计方案中，我们结合农田分布的特点，将采用工业级的GPRS无线通信模块。本设计中基于单片机的无线网络数据传输方案可以满足接入网络设备的要求，可以实现数据的采集和发送。

4 供电方式

本系统采用太阳能供电方案。农田范围宽广，使用太阳能板可以有效的吸收太阳光并转换为电能，从而保证设备的正常用电。因为数据采集电路及通信模块使用的功率较小，选择太阳能供电解决了控制器电源的问题。

5 结语

本系统的数据采集以单片机为主要控制器，将采集到的数据给单片机，经过模数转换后，GPRS模块通过TCP/IP协议将数据上传到网络终端，最终实现数据的远程在线监测。本系统面向各农田土壤氮、磷、钾含量进行数据的实时检测，在线显示。为农户提供准确的土壤养分参数分布情况，做到农田农作物的精准化施肥，以提高农作物的产量。