植物生长环境信息采集模块设计

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1、植物生长环境信息采集模块设计陈佳钧胡凯王皖君南京林业大学机械电子工程学院摘要：植物生长环境信息釆集是精细农业的基木环节，针对釆集信息的需求和应用环境，设计了以微控制器为核心的采集模块，实现了光照度、温湿度和土壤含水率的采集，模块采用太阳能电池和蓄电池联合供电，该模块可以以较低的成本实现植物生长环境信息的高效采集并通过无线方式进行传输。关键词：光照度;温湿度;上壤含水率;作者简介：陈佳钧（1997一），男，大学本科，现就读于南京林业大学机械电子工程学院，主要研宄方向:测控技术与仪器。作者简介：胡凯（1996

2、—），男，大学本科，现就读于南京林业大学机械电子工程学院，主要研究方向:测控技术与仪器。作者简介：王皖君（1984—），男，博士，南京林业大学机械电子工程学院讲师，主要研宄方向:检测技术与自动化装置。基金：江苏高校品牌专业建设工程项FI（项FI号:PPZY2015A062）1引言植物生长环境信息釆集是精细农业、高效园艺的基木环节，实现植物生长环境数据的采集，对生长环境中出现的异常情况进行自动监测，对农业生产管理具有重要保障作用m。植物生长环境信息的光照度、空气温湿度和土壤含水率是影响植物的生长过程的关键因

3、素。传统植物生长环境信息采集通常由生产者携带各种仪表进行现场测量和记录，存在效率低、数据量少等缺点，不能适应现代大规模种植的场合。木文采用微控制器、多种传感器和无线传输技术设计植物生长环境信息采集模块，该模块可以布置在生产环境中的不同地点，进行多地点长时间采集，在需要获取数据信息时，可借助无人机飞行到采集模块附近接收数据，为后续精细农业数据分析提供支持。2系统结构光照度、环境温湿度和土壤含水率对植物生长具有重要作用，是植物生产环境必须采集的信息，综合采集需求、成本和功耗等因素，本文选择和应的传感器并设计的

4、植物生长环境信息釆集模块总体结构如图1所示，其中微控制器选用宏晶科技公司的STC12C5A60S2单片机，配合复位电路和时钟电路即可以工作。图1植物生长环境信息采集模块总体结构下载原图2.1光照度采集光照强度检测采用光敏电阻、光电池等器件需要设计输入电路、放大电路和模数转换电路，此外，这些器件具有非线性的光电特性，因此本系统采用数字型环境光强度传感器集成电路BH1750实现光照强度的采集。BH1750的分辨率为广655351X，采用12C总线和微控制器进行数据传输，接口电路如图2所示。由于BH1750光强

5、度传感器的ADR端口接地，另需使用两个10接口，时钟引脚SCL、数据引脚SDA分别和微控制器的P0.5和P0.6相连。图2光照度采集接口电路下载原图2.2温湿度采集环境温湿度检测传感器主要有DHT、HTU、SHT系列产品1虹。本设计从功耗、测量范围、测试精度等方向综合选用DIIT21数字温湿度传感器，传感器由电容式感湿元件和NTC测温元件组成，湿度分辨率为0.1%KH、温度分辨率为0.PC,该产品具有响应快、抗干扰能力强、成本低等优点。采用单总线和微控制器之间的通讯和同步，接U电路如图3所示。数据线引脚D

6、ATA通过电阻上拉后和微控制器的T0端口P0.7相连，一次传送40位数据，高位在前，通信协议如图4所示。微控制器发起一次开始信号（即将数据总线DATA拉低至少800us）,D1IT12从待机模式转换到高速模式，当微控制器开始信号结束后，DHT12产生应答信号，40位的数据由数据总线DATA串行输出，字节的高位在前，数据帧依次为湿度高字节、湿度低字节、温度高字节、温度低字节、校验字节，数据发送完成后启动一次新的数据采集，采集结束后，DHT12自动进入待机模式，等待下一次通信。需要注意的是，串行输出的湿度数据

7、和温度值是实际值的10倍，其屮温度字的最高位为温度的符号位，为1时表示负温度，为0吋表示正温度，其余位为温度数值，校验位由湿度、温度字节或运算得到。图4DHT21单总线通信协议2.3土壤含水率采集土壤含水率检测选用武汉汉秦信通科技有限公司的IIQTS土壤湿度传感器，采用电磁脉冲原理测量土壤的表观介电常数，从而得到土壤中真实水分含量，具有快速准确、稳定可靠、不受土壤中化肥和金属离子的影响等特点，测量范围为(T100%，分辨率为0.1%,选择RS485通讯型输出信号，从而高效、可靠的接入本系统，微控制器通过M

8、ODBUS-RTU通讯协议读取实时数据。2.4无线传输目前主流的无线网络标准有ZigBee、蓝牙(Bluetooth)和WiFi£^。从传输距离、传输速率、功耗方面和可扩展性等方面综合考虑，本系统中无线数据传输模块选择高度集成WiFi芯片ESP8266实现，其具有功耗低、成木低、体积小的优势。ESP8266支持三种模式,分别是SoftAP模式，Station模式,SoftAP+Station模式。ESP8266Station模