基于传感检测技术的智能农田监控系统

黄海霞

(桂林信息科技学院，广西桂林，541004）

1 国内外研究现状

随着科学技术和经济在二十一世纪的快速发展,许多计算机科学技术被应用于农业领域中,智能稻田自动化控制技术在农业种植中起着至关重要的作用。荷兰早在1974 年就研发并生产出了以计算机为核心的温室环境控制系统，并践行新型部件的商业化生产[2]。在欧美国家，随着温室建设对环境要求的提高，以微型计算机为核心的温室环境监控系统得到了快速的发展[2]。我国从70 年代末就已经开始打造智能化农业基地，科学研究人员对国外的仪器进行了研究，吸收发达国家在农田管理中的先进管理技术，目前国内的智能农业的发展已经取得很好的发展。

2 系统硬件构建

本课题设计的水稻监控系统能对农田的光照强度、空气的温度、土壤的湿度以及光照强度等参数进行检测，STC12C 主控制单元通过相应的传感器将采集的数据进行分析和处理后,通过wifi 通讯模块将所需要监测的数据上传到IoT 物联网平台进而做到对农田的智能远程监测，IoT 物联网平台通过模拟控制器可以根据实际情况对阈值进行调整。用户可通过手机APP 端观察到稻田的温湿度和光照的具体信息，当农田环境变化超出阈值时手机APP 端会收到报警信号，发出响声，达到提醒用户的目的。系统总体结构如图1 所示。

图1 系统总体结构

■2.1 主要芯片和模块

硬件由传感器作为采集端，主控芯片和WIFI 模块组成，各类传感器进行数据采集，由单片机通过ATK-ESP8266 WiFi 模块将数据上传云平台。

(1)STC12C5A60S2 单片机

STC12C 这一系列的单片机特点是体积小、功能全、易于携带、功耗宽工作电压等，多通道高速AD，不需外部晶振和外部复位，还可对外输出时钟和低电平复位信号。作为核心的中央处理器,用户可以快速擦除和逐个字节写入Flash、不需要刷新数据就可以保存数据，内部集成计数功能的电路。主控芯片引脚如图2 所示。

图2 STC12C5A60S2 引脚图

(2)TK-ESP8266 WiFi 模块

ATK-ESP8266 WiFi 模块是拥有独特的网络处理方案，可以从外接的闪存接入系统，通过模块与云平台数据传输。此方案的设计抗干扰，工作稳定。ATK-ESP8266 WiFi 原理图如图3 所示。

图3 ATK-ESP8266 WiFi 模块原理图

(3)土壤湿度传感器

系统所使用的是电容式湿度传感器，此芯片采用FDR射频反射的原理测量出土壤中所含的水量。此传感器数据准确，安全，量程宽等优点。此传感器在土壤湿度达不到设定阈值时，DO 口输出高电平，当土壤湿度超过设定阈值时，模块D0 输出低电平，模拟量输出口为P17，通过AD 转换，可以获得土壤湿度精确的数值，原理图如图4 所示。

图4 土壤湿度传感器原理图

(4)光照传感器

光照传感器选的是灵敏型光敏电阻传感器，可以测量出外界的光照强度，将光信号变换成为电信号输出。此类传感器随着外界光照度的增强，电阻值变小，根据电阻值的变化可以检测到光照的强度变化。此类传感器价格低廉、体积小巧，耐用性高，不容易损坏，接口简单，易于使用与学习。光照传感器如图5 所示。

图5 光照传感器原理图

(5)温度传感器

DS18B20 数字温度计提供9 位(二进制)温度读数指示器件的温度信息，此传感器性能优，价格便宜，数据准确。既可以测量水中温度，也可以实时测量空气中的温度，触头防水的作用体现的淋漓尽致，测量结果是用9-12 位的数字量形式串行传送的。电路原理图如图6 所示。

图6 DS18B20 原理图

(6)LCD1602 液晶显示屏

LCD1602 液晶显示屏可以同一时间显示32 个字符。其优点为画质高且不容易频闪，与51 单片机连线方便，可靠稳定。1602 液晶显示屏主要消耗集中在驱动IC 与电极上，功耗少。LCD1602 液晶屏电路图如图7 所示。

图7 LCD1602 液晶屏电路图

■2.2 系统软件编程

底层硬件的电路设计完成之后进行主程序的设计，所设计的程序运用C 语言编程，在Keil uVision4 编译器运行，生成HEX 文件后通过stc-isp 下载器将机器语言下载到51单片机。驱动程序后，各类传感器获取农田内的相关环境信息，通过MCU 将采集到的数据进行处理，并通过LCD1602液晶屏显示其检测到的信息，最后通过WiFi 模块将所采集收取到的信息数据发送至手机APP 端。系统ATK-ESP8266 WiFi 模块是设定有账号的，路由器与该账号信息匹配，系统就能在通电后自动连接WiFi 模块，进行实时数据的检测与量的转化，通过传感器传送至云平台。系统流程图如图8所示。

图8 系统流程图

■2.3 上位机端显示数据

通过手机APP，可以让我们更方便的随时掌握数据的变化，手机APP 中的界面主要显示了当前温度值、光照强度值、土壤湿度、和报警，如图9 所示。在主界面之外还有一个数据界面，该界面能够查找单项数据近期的数据变动及其数值，能够更好的得到此时环境变化所导致的数值变化，可以进行更合情合理的数据解析，掌握对农田水稻的实时变化值。通过手机APP 端，解放人的劳动力，节约大量的时间和人力，用户不需要长期留在农业生产基地里。从手机APP 的界面上可以实时观察农产品当前生长状况。简洁方便的布局让使用者直观实时地看到目前农业大棚内的信息，在APP 界面上还可以根据不同的情况调节阈值以适应不同的季节或农作物。

图9 手机APP 界面

3 系统调试

用C 语言编程的系统，代码编译不通过，先检查语句语法结构。代码调试完成后则要将其烧入单片机，烧录成功后，进行各个模块的功能调试，检查每个模块的代码所要实现的功能是否能够完全成功实现。在进行测试过程中，时常发出报警声，经查看是因为温度超过设定的阈值，由于本人所住的室内环境温度较高，设置的阈值过低会导致报警声不断。其他传感器运行工作良好，WiFi 模块运行良好。调试好的系统实物如图10 所示，LCD 液晶显示屏显示的数据中，T 代表当前环境温度，H 代表土壤湿度值，Light 是光照值。

图10 系统实物图

4 总结

通过本系统所使用的智能控制技术与WiFi 模块结合，实现手机APP 智能监控农田水稻的生长过程，从而深刻了解无线通信技术在物联网中的作用。通过WiFi 模块，硬件底板上的温度传感器、光照传感器、土壤传感器等关于水稻生长过程所需的环境条件参数将被实时传送到手机APP 上实时显示。再在手机APP 上设置的温度，土壤湿度和光照的阈值，一旦超过阈值手机APP 就会发出报警提示使用者。本系统可以有效地对农田内的情况进行实时监测，有效的降低在无人情况下的农田安全隐患,达到了快速高效的控制目的。