0、 引言
目前,國內外針對農作物生長參數的監測技術和方法主要有地面觀測、遙感監測和動態監測。
地面觀測只能獲取單點或局地的結果,不能代表本地區作物的綜合情況,同時人為主觀因素對生長環境的評定影響較大,缺乏宏觀的比較判別,難以實現區域或大范圍監測;遙感監測多以 1km 分辨率的極軌氣象衛星資料為主,精細化程度不高;動態的監測方法雖多,但監測效果的連續性和動態性不好,對正確評估作物長勢及年景展望貢獻有限。為此,通過多種智能傳感器,結合低功耗嵌入式系統 Cortex - M3和具有TCP / IP 協議的無線通信模塊 MC323,組成多點監測網絡,實現了對農作物生長環境參數的實時采集、存儲、處理和無線發送,并可通過瀏覽器實時查看設備狀態和訪問歷史數據,彌補了傳統農作物生長環境監測的不足。
1、 系統總體設計
農作物生長參數監測系統由雨量監測、土壤墑情監測及地下水資源監測組成。雨量監測主要完成雨量、水位、流量數據的采集、存貯、顯示和傳輸功能;土壤墑情監測主要完成雨量、墑情\\(土壤含水率\\)、蒸發量、地下水位數據的采集、存貯、顯示和傳輸功能;地下水資源監測主要完成水位、流速、流量、水量的采集、存貯、顯示和傳輸功能。
通過 RS -485 總線將智能水位計、智能流量計、墑情傳感器與信息采集板相連,構成信息采集單元。它采用低功耗 Cortex - M3 為控制核心,實現數據的采集與存儲。本地通過 USB 接口或 RS - 232 接口與上位機通信;遠程通過 GPRS 網絡或短信方式實時發送數據到數據庫服務器,并將數據存儲到數據庫中。監測系統網絡結構圖如圖 1 所示。
2、 系統硬件設計
農作物生長參數監測系統硬件設計由信息采集單元、供電單元、無線傳輸單元組成。信息采集單元主要完成雨量數據、土壤墑情數據和地下水位數據的采集、處理與存儲,同時控制無線傳輸單元完成數據的發送與信息指令的接收;供電單元為整個系統提供工作電壓;無線傳輸單元完成數據包的發送與控制指令的接收。
2. 1 信息采集單元硬件設計
信息采集單元主要由智能傳感器、STM32F103、FLASH 芯片 S29AL032D 、SRAM 芯片 IS62WV25616、LCD、觸發器 HEF4521BT、總線驅動器 74HC245PW、232 轉 換 芯 片 MAX3222、帶 隔 離 的 485 收 發 器ADM2483、供電單元接口電路和 MC323 接口電路等組成。信息采集單元結構圖如圖 2 所示。
2. 2 供電單元硬件設計
供電單元由單晶太陽能電池板、可編程控制的 2A充電電路、12V65AH 免維護鉛酸蓄電池及 LDO 壓控轉換電路等組成。太陽能電池板為鉛酸蓄電池充電,同時為系統提供12V 的輸入電源。當太陽能電池板不工作時,鉛酸蓄電池為系統提供 12V 的外部輸入電源,12V 的輸入電壓通過 LDO 轉換電路,實現系統工作需要的 +3、+4、+ 2. 5、+ 5V。其中,+ 3V 為全局電壓,保證電路板大部分電路正常工作,包括監測系統上電后的工作電壓、系統睡眠狀態下的工作電壓、時鐘工作電壓等; + 4V 是MC323 無線通信模塊的工作電壓; + 2. 5V 是 AD 轉換電路的基準源; +5V 是模擬參考電壓,為運算放大器和 AD電路提供工作電壓;同時,輸入的12V 電壓通過穩壓電路為智能傳感器提供工作電壓。供電單元硬件設計結構圖如圖3 所示。
2. 3 無線傳輸單元
選用 MC323 模塊作為無線傳輸單元。該模塊集成了基帶處理器、射頻處理器、MCP 存儲器和電源管理芯片等功能,同時內嵌 TCP/IP 協議和支持 800MHz的工作頻段,能夠提供語音傳輸和短消息發送。將stm32f103 的 UART3 與該模塊的串口相連,同時外接SIM 卡電路,實現雨量數據、墑情數據、地下水位數據和控制指令的無線發送。無線傳輸單元結構圖如圖 4所示。
3、 系統軟件設計
3. 1 采集單元軟件設計
采集單元軟件設計包括傳感器事件、定時事件和命令事件。傳感器事件即通過土壤墑情傳感器、智能水位計、智能水質傳感器和翻斗式雨量計等采集農作物生長環境參數;定時事件指系統將采集到的數據、系統狀態、蓄電池電壓和設備工作溫度等參數定時自記和發送;命令事件指通過上位機軟件或 LCD 液晶屏配置系統工作狀態、傳感器類型等。當 3 個事件中的某一事件處理完畢后,判斷有無其他事件發生;若有,則進入相應事件處理程序;若沒有,則進行現場保護,系統進入待機狀態。采集單元軟件設計流程圖如圖 5所示。
3. 2 監測單元軟件設計
監測單元通過電話呼叫或短信方式對信息采集單元進行遠程喚醒,觸發其上電。采集單元上電工作后,響應監測單元命令或按彼此協商好的時間定時上電,定時等待監測單元的命令。當采集的水位、雨量等參數超過設定的閾值時,向數據庫服務器發送實時水位等數據或按設定的周期定時發送最新的水位數據、設備狀態數據等。系統正常工作時,監測單元各狀態之間的轉換流程圖如圖 6 所示。
4、系統測試
采集后的數據經過解析、整編和入庫后,通過瀏覽器可以實時訪問數據,而且還能進行歷史數據和設備狀態的查詢。通過該系統,即使在遠離觀測現場的異地,也能實現對雨量、土壤墑情和地下水位數據的實時采集、存儲與發送,真正實現對農作物生長環境參數的遠程實時監測。系統測試效果圖如圖 7 所示。
5、 結語
采用無線通信技術 MC323 作為農作物生長參數檢測中的數據傳輸載體,設計并開發了基于 Cortex -M3 的農作物生長參數監測系統,實現了雨量、土壤墑情和地下水位數據的實時監測,并能夠實時查看歷史數據和設備狀態。系統設計具有較高的穩定性、靈活性和實效性,提高了對農作物生長參數的監測能力,為有效評估和預測農作物的生長態勢提供了一定的基礎。
參考文獻:
[1] 張紅衛,陳懷亮,周官輝,等. 農作物生長動態監測技術綜述[C]/ /第 27 屆中國氣象學會年會現代農業氣象防災減災與糧食安全分會場論文集. 北京:中國氣象學會,2010.
[2] 劉彥,關欣,羅珊,等. 遙感技術在農作物生長監測與估產中的應用綜述[J]. 湖南農業科學學報,2010,7\\(11\\):136- 139.
