文章基于單片機設計了一種農(nóng)田墑情監(jiān)測系統(tǒng)，用于實時采集農(nóng)田土壤溫濕度數(shù)據(jù)，主要由單片機最小系統(tǒng)、土壤溫濕度傳感器、GPRS無線模塊、液晶顯示屏4個部分組成。該系統(tǒng)將土壤溫濕度傳感器采集到的數(shù)據(jù)顯示在液晶屏上，并通過GPRS無線模塊發(fā)送到服務器，農(nóng)戶可通過手機APP實時查看土壤墑情信息。通過軟件仿真和實驗驗證，該系統(tǒng)使用方便、運行穩(wěn)定，能輔助農(nóng)戶對農(nóng)田進行管理。 

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術的發(fā)展，許多先進的技術開始引入農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。土壤溫濕度值是農(nóng)作物生長十分重要的墑情數(shù)據(jù)。根據(jù)土壤溫濕度數(shù)據(jù)，農(nóng)戶可以精準地對農(nóng)作物進行灌溉，節(jié)約水資源的同時，提高農(nóng)業(yè)產(chǎn)量。因此，設計一款農(nóng)田墑情監(jiān)測系統(tǒng)，輔助農(nóng)戶對農(nóng)田進行管理是十分必要的。本文以AT89C52單片機為控制核心，設計、開發(fā)了一種農(nóng)田墑情監(jiān)測系統(tǒng)，通過單片機讀取土壤溫濕度傳感器數(shù)據(jù)，并將檢測到的數(shù)據(jù)實時顯示在液晶屏上。系統(tǒng)具有GPRS無線通信模塊，能與云服務器進行數(shù)據(jù)交換。農(nóng)戶能隨時使用手機APP登錄云服務器獲取土壤溫濕度數(shù)據(jù)，極大地方便了農(nóng)民對進行農(nóng)業(yè)灌溉。

1 農(nóng)田墑情監(jiān)測系統(tǒng)整體結構

農(nóng)田墑情監(jiān)測系統(tǒng)主要由單片機最小系統(tǒng)、土壤溫濕度傳感器、GPRS無線模塊、液晶顯示屏、穩(wěn)壓電路、云服務器、手機APP等部分組成，系統(tǒng)結構如圖1所示。系統(tǒng)通過AT89C52單片機采集土壤溫濕度數(shù)據(jù)，并上傳至云服務器，供農(nóng)戶在液晶屏和手機APP上查看。

(1)單片機最小系統(tǒng)，包括AT89C52單片機、復位電路、時鐘電路和程序下載電路，是主控制核心正常運行的基本電路。

(2)土壤溫濕度傳感器，采用模擬量輸出型傳感器，傳感器濕度測量范圍為0%～100%，誤差為±3%；溫度測量范圍為﹣40～80℃，誤差為±0.5℃；輸出信號為0～5 V電壓信號。傳感器通過AD轉(zhuǎn)換芯片與單片機相連，將模擬量信號轉(zhuǎn)化為數(shù)值信號。為消除環(huán)境因素對傳感器的干擾，保證數(shù)據(jù)的準確性，在單片機一個循環(huán)周器內(nèi)執(zhí)行n次數(shù)據(jù)采集，根據(jù)n次數(shù)據(jù)采集計算平均值。

(3)穩(wěn)壓電路，使用LM2596-5.0芯片，將DC24 V輸入轉(zhuǎn)化為DC 5 V電壓，經(jīng)電容整流濾波后，為單片機和其他模塊供電。

(4)液晶顯示屏，采用LCD12864液晶屏，包含中文字庫，可以顯示中文、英文和圖片。通過并型數(shù)據(jù)接口與單片機連接，液晶屏可以將土壤溫濕度信息顯示在屏幕上。

(5)GPRS無線通信模塊，采用USR-GM3型4G模塊，具有工作穩(wěn)定、功耗低、接口豐富等優(yōu)點。串口與單片機連接，數(shù)據(jù)通過透傳模式發(fā)送至云服務器。采用國際上通用的Modbus-Rtu通信協(xié)議，格式如表1所示。
由服務器作為主機向系統(tǒng)發(fā)起查詢命令，讀取寄存器中溫濕度數(shù)據(jù)。系統(tǒng)作為從機響應主機。從機應答指令中第4字節(jié)和第5字節(jié)為濕度數(shù)據(jù)，第6字節(jié)和第7字節(jié)為溫度數(shù)據(jù)。將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為十進制后，再除以10即可得到實際的數(shù)據(jù)值，當溫度低于0℃時以補碼形式發(fā)送。

2 手機APP設計
手機端APP使用TeslaMultiSCADA設計，在使用前，需要先配置服務器IP地址和端口號與云服務器連接。APP能從云服務器獲取土壤溫濕度數(shù)據(jù)且直觀地顯示在屏幕上，農(nóng)戶能隨時查看土壤溫濕度變化趨勢曲線和歷史數(shù)據(jù)，及時了解土壤墑情信息，并根據(jù)墑情數(shù)據(jù)對農(nóng)田進行精準灌溉。系統(tǒng)APP界面如圖2所示。

3 系統(tǒng)仿真與實驗驗證

3.1基于Proteus的系統(tǒng)仿真

通過Proteus仿真工具和Keil uVision2編程軟件對農(nóng)田墑情監(jiān)測系統(tǒng)進行聯(lián)合仿真。首先，使用Proteus軟件繪制出仿真電路，如圖3所示。其次，使用Keil uVision2軟件編寫好農(nóng)田墑情監(jiān)測系統(tǒng)的仿真程序。最后，將仿真程序下載到虛擬單片機中。通過鼠標上下拖動電位器箭頭改變輸入電壓信號。12864液晶屏上的土壤溫濕度數(shù)據(jù)會隨之改變，該仿真結果能夠驗證農(nóng)田墑情監(jiān)測系統(tǒng)理論的正確性。

3.2實驗驗證

將該系統(tǒng)安裝在烏魯木齊西山實驗田中，對土壤溫濕度進行采集。傳感器安裝在深度40 mm左右的農(nóng)作物根系附近，每隔15 min通過遠程控制端采集一次土壤溫濕度值。通過手機APP獲取其中一天的土壤溫濕度變化數(shù)據(jù)，采集到的數(shù)據(jù)如圖4所示。實驗驗證了該系統(tǒng)運行穩(wěn)定、對土壤的溫濕度數(shù)據(jù)采集準確。

4 結語

本文為方便農(nóng)民對農(nóng)田進行監(jiān)控和管理，設計、開發(fā)了一套能實時獲取土壤墑情的監(jiān)控系統(tǒng)，農(nóng)民使用手機APP就能獲取農(nóng)田土壤溫濕度數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)運行穩(wěn)定、價格低廉、使用簡單，兼容性強，具有一定的市場推廣價值。

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