基于C8051F單片機(jī)的便攜式農(nóng)田基礎(chǔ)信息采集終端的設(shè)計(jì)

摘要：本文是基于C8051F單片機(jī)的便攜式農(nóng)田基礎(chǔ)信息采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，為了克服現(xiàn)有農(nóng)田綜合數(shù)據(jù)采集設(shè)備的移動(dòng)性差，高成本，使用復(fù)雜的不足，本文提供一種便攜嵌入式農(nóng)田基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集終端，該終端具有體積小、功耗低、攜帶性好、操作簡(jiǎn)單、安裝方便、模塊化和可擴(kuò)張性及網(wǎng)絡(luò)化功能，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理人員可以隨意攜帶到田聞地頭進(jìn)行使用。
關(guān)鍵詞：采集終端；便攜式；農(nóng)田基礎(chǔ)信息；C8051F單片機(jī)

    目前農(nóng)田綜合數(shù)據(jù)采集主要靠固定式站點(diǎn)采集，設(shè)備采購(gòu)、安裝成本較高，維護(hù)困難，無法流動(dòng)作業(yè)。而便攜式的儀器設(shè)備一般都是針對(duì)某種單一功能而設(shè)計(jì)開發(fā)，專業(yè)技術(shù)要求較高，沒有專業(yè)針對(duì)農(nóng)田信息便攜式集成采集的功能，對(duì)農(nóng)業(yè)及棉花生產(chǎn)管理人員的實(shí)際應(yīng)用帶來了諸多不便，迫切需要一種簡(jiǎn)單易用的儀器設(shè)備隨時(shí)隨地監(jiān)測(cè)和記錄棉花生長(zhǎng)的基本數(shù)據(jù)，提供給專家進(jìn)行咨詢以指導(dǎo)棉花生產(chǎn)。

1 便攜式農(nóng)田基礎(chǔ)信息采集終端簡(jiǎn)介
    農(nóng)田基礎(chǔ)信息研究的對(duì)象大致可以分為土壤信息、位置信息、農(nóng)田周圍環(huán)境、空氣溫度與濕度、病蟲害情況等。
    便攜式農(nóng)田基礎(chǔ)信息采集終端具有微功耗、便攜式、操作簡(jiǎn)單、及網(wǎng)絡(luò)化等特點(diǎn)，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理人員可以在作物生長(zhǎng)的不同階段和不同作業(yè)的要求，隨意攜帶到田間地頭進(jìn)行使用，與各類儀器及傳感器相連，也可以與農(nóng)機(jī)具配套使用，采集定位信息、土壤平整度、土壤面積、土壤墑情、田間氣象數(shù)據(jù)、作物各生長(zhǎng)期的長(zhǎng)勢(shì)、病蟲害等作物生產(chǎn)過程的環(huán)境與生物信息，然后通過嵌入式系統(tǒng)的采集和分析軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析和處理，在田間現(xiàn)場(chǎng)即可實(shí)現(xiàn)灌溉、施肥等決策的及時(shí)執(zhí)行。通過無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，可與上層管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)無縫連接，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的全程跟蹤和管理，并及時(shí)發(fā)布信息。每個(gè)單位集體可根據(jù)實(shí)際情況建立相應(yīng)的服務(wù)端作業(yè)管理軟件平臺(tái)，從而，更加科學(xué)地、合理地指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。主要針對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中所需的各種數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和綜合分析，包括土壤信息、氣象數(shù)據(jù)、作物長(zhǎng)勢(shì)、病蟲害狀況等，從而得出農(nóng)田灌溉決策方案、平衡施肥方案、作物長(zhǎng)勢(shì)分析及病蟲害預(yù)防方案等，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及管理提供信息化服務(wù)。

2 C8051F單片機(jī)簡(jiǎn)介
    C8051Fxxx系列單片機(jī)是完全集成的混合信號(hào)系統(tǒng)級(jí)芯片，具有與8051兼容的微控制器內(nèi)核，與MCS-51指令集完全兼容。除了具有標(biāo)準(zhǔn)8052的數(shù)字外設(shè)部件之外，片內(nèi)還集成了數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)中常用的模擬部件和其他數(shù)字外設(shè)及功能部件，具有上手快、研發(fā)快(開發(fā)工具易用，可縮短研發(fā)周期)和見效快(調(diào)試手段靈活)的特點(diǎn)。
    文中設(shè)計(jì)單片機(jī)選擇美國(guó)Silabs公司的C8051F020。

3 采集終端工作原理簡(jiǎn)介
    農(nóng)田信息采集技術(shù)指計(jì)算機(jī)通過傳感器和A／D轉(zhuǎn)換部件采集外部環(huán)境的數(shù)據(jù)，經(jīng)計(jì)算后，按照控制規(guī)則發(fā)出控制信號(hào)操縱被控制部件，進(jìn)而控制外部環(huán)境。采集終端自身未集成任何傳感器，依據(jù)信息采集技術(shù)利用I／O數(shù)據(jù)采集接口連接各類便攜式傳感器(農(nóng)田用)、固定站點(diǎn)傳感器，并采集相應(yīng)數(shù)據(jù)。這樣大大提高了產(chǎn)品使用的靈活性和適用性。采集終端工作如圖1所示。

3．1 采集終端實(shí)現(xiàn)的功能
    便攜式農(nóng)田基礎(chǔ)信息采集終端可連接下列設(shè)備并采集數(shù)據(jù)。
    1)土壤墑情數(shù)據(jù)，可連接FDR、TDR、電子負(fù)壓計(jì)等土壤水分傳感器。
    2)土壤養(yǎng)分?jǐn)?shù)據(jù)，可連接國(guó)產(chǎn)TFC-203PC型土壤養(yǎng)分測(cè)試儀、國(guó)外Rqflex便攜式反射光度計(jì)等土壤養(yǎng)分測(cè)試儀。
    3)土壤鹽分?jǐn)?shù)據(jù)，可連接相關(guān)土壤鹽分監(jiān)測(cè)儀器，如EM38大地電導(dǎo)儀等。
    4)氣象數(shù)據(jù)，可連接相關(guān)氣象傳感器或下載現(xiàn)有農(nóng)田氣象站數(shù)據(jù)的功能。
    5)作物生長(zhǎng)圖像，可連接數(shù)碼照相機(jī)、數(shù)碼攝像機(jī)，用于采集作物生長(zhǎng)的形態(tài)結(jié)構(gòu)信息，以便對(duì)病蟲草害、栽培措施等進(jìn)行模式識(shí)別，也可以獲得作物生長(zhǎng)發(fā)育的狀態(tài)信息。
    6)光譜傳感器，反射光譜包含了豐富的礦物結(jié)構(gòu)及其組成信息。通過測(cè)定作物的反射光譜可以獲得作物生育階段信息和葉綠素等各種物質(zhì)含量的信息；同時(shí)也可以測(cè)定作物的生物產(chǎn)量與經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量。作物病蟲害的發(fā)生規(guī)律也可以通過其冠叢表面的反射光譜進(jìn)行觀察監(jiān)測(cè)。
    7)作物生理信息傳感器。作物的產(chǎn)量與生理活動(dòng)，如光合速率與呼吸速率、田間溫度、光照強(qiáng)度等的變化關(guān)系密切，實(shí)現(xiàn)隨時(shí)觀測(cè)田間作物的生理信息的變化。
    8)實(shí)驗(yàn)室分析儀器。
    其他功能還有：1)無線網(wǎng)絡(luò)功能。通過無線網(wǎng)絡(luò)可與相關(guān)農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)庫、管理計(jì)算機(jī)、專家系統(tǒng)、GIS系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)、信息、分析結(jié)果的查詢、發(fā)布；2)支持GPS設(shè)備接口。通過GPS設(shè)備，可隨時(shí)監(jiān)測(cè)種植面積，狀態(tài)定位等相關(guān)信息。
3．2 主要組成部分
    1)各類測(cè)試儀器和傳感器，如田間氣象數(shù)據(jù)采集單元、土壤水分測(cè)量等。
    2)采集終端設(shè)備。
    3)電源。

4 采集終端設(shè)備設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)由CPU板和接口電路、存儲(chǔ)單元及電源組成。其采集終端系統(tǒng)框圖如圖2所示。

    1)MCU為美國(guó)Silabs公司C8051F020，64 kB程序FLASH、(4096+256)B RAM、最高25MIPS執(zhí)行速度；
    2)存儲(chǔ)單元為32KBSRAM(選用IS61LV256，速度12ns)；
    3)LCD接口，支持各種尺寸LCD，最高支持320x240；
    4)8路光耦隔離輸出，8路光耦隔離輸入；24路12位單端AD輸入，輸入信號(hào)量程0～+5 V／0～+10 V／-5～+5 V／-10～+10 V／0～+20 mA或-20～+20 mA電流信號(hào)可選；每一路輸入信號(hào)都可實(shí)現(xiàn)1～100倍的信號(hào)放大。
    5)2路12位DA輸出，輸出信號(hào)范圍0～+5 V／0～+10 V／-5～+5 V／-10～+10 V可選；
    6)2路標(biāo)準(zhǔn)RS232和1路RS485／422(半雙工)通訊接口；
    7)鍵盤及LED顯示接口；
    8)+5 V，±12 V供電。

5 采集終端嵌入式系統(tǒng)功能簡(jiǎn)介
    信息采集終端軟件系統(tǒng)具備以下功能。
    1)時(shí)間設(shè)定：可設(shè)定及修改采集終端的記錄時(shí)間。
    2)通道設(shè)定：可對(duì)各個(gè)通道進(jìn)行傳感器類別的定義，并能對(duì)傳感器上下限設(shè)定，因?yàn)楦鲝S家同類型傳感器的上下限并不完全統(tǒng)一，因此終端連接傳感器后，軟件可根據(jù)傳感器的要求進(jìn)行上下限設(shè)定，保證測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。
    3)采集設(shè)定：具備人工／自動(dòng)，采樣時(shí)間，采樣延遲等設(shè)定功能。
    4)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、傳送功能設(shè)定。
    5)歷史數(shù)據(jù)查詢：可查詢各個(gè)時(shí)間段的各傳感器的歷史數(shù)據(jù)。

6 結(jié)束語
    便攜農(nóng)田基礎(chǔ)信息采集終端，由CPU單元、存儲(chǔ)單元、數(shù)據(jù)通訊單元、數(shù)據(jù)采集單元、顯示單元、專用鍵盤及電源控制單元等組成，采用模塊化設(shè)計(jì)理念，設(shè)備自身未集成任何傳感器，卻可利用豐富的接口裝置連接各類便攜式傳感器，主要實(shí)現(xiàn)空氣溫度、空氣濕度、降雨量、風(fēng)速、輻射強(qiáng)度、土壤溫度、土壤墑情、土壤養(yǎng)分及鹽堿含量的數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、查詢及數(shù)據(jù)通訊。具有體積小、功耗低、攜帶性好、操作簡(jiǎn)單、安裝方便、模塊化和可擴(kuò)張性及網(wǎng)絡(luò)化功能，農(nóng)業(yè)及棉花生產(chǎn)管理人員可以隨意攜帶到田間地頭進(jìn)行使用。