0、 引言
目前,国内外针对农作物生长参数的监测技术和方法主要有地面观测、遥感监测和动态监测。
地面观测只能获取单点或局地的结果,不能代表本地区作物的综合情况,同时人为主观因素对生长环境的评定影响较大,缺乏宏观的比较判别,难以实现区域或大范围监测;遥感监测多以 1km 分辨率的极轨气象卫星资料为主,精细化程度不高;动态的监测方法虽多,但监测效果的连续性和动态性不好,对正确评估作物长势及年景展望贡献有限。为此,通过多种智能传感器,结合低功耗嵌入式系统 Cortex - M3和具有TCP / IP 协议的无线通信模块 MC323,组成多点监测网络,实现了对农作物生长环境参数的实时采集、存储、处理和无线发送,并可通过浏览器实时查看设备状态和访问历史数据,弥补了传统农作物生长环境监测的不足。
1、 系统总体设计
农作物生长参数监测系统由雨量监测、土壤墒情监测及地下水资源监测组成。雨量监测主要完成雨量、水位、流量数据的采集、存贮、显示和传输功能;土壤墒情监测主要完成雨量、墒情(土壤含水率)、蒸发量、地下水位数据的采集、存贮、显示和传输功能;地下水资源监测主要完成水位、流速、流量、水量的采集、存贮、显示和传输功能。
通过 RS -485 总线将智能水位计、智能流量计、墒情传感器与信息采集板相连,构成信息采集单元。它采用低功耗 Cortex - M3 为控制核心,实现数据的采集与存储。本地通过 USB 接口或 RS - 232 接口与上位机通信;远程通过 GPRS 网络或短信方式实时发送数据到数据库服务器,并将数据存储到数据库中。监测系统网络结构图如图 1 所示。
2、 系统硬件设计
农作物生长参数监测系统硬件设计由信息采集单元、供电单元、无线传输单元组成。信息采集单元主要完成雨量数据、土壤墒情数据和地下水位数据的采集、处理与存储,同时控制无线传输单元完成数据的发送与信息指令的接收;供电单元为整个系统提供工作电压;无线传输单元完成数据包的发送与控制指令的接收。
2. 1 信息采集单元硬件设计
信息采集单元主要由智能传感器、STM32F103、FLASH 芯片 S29AL032D 、SRAM 芯片 IS62WV25616、LCD、触发器 HEF4521BT、总线驱动器 74HC245PW、232 转 换 芯 片 MAX3222、带 隔 离 的 485 收 发 器ADM2483、供电单元接口电路和 MC323 接口电路等组成。信息采集单元结构图如图 2 所示。
2. 2 供电单元硬件设计
供电单元由单晶太阳能电池板、可编程控制的 2A充电电路、12V65AH 免维护铅酸蓄电池及 LDO 压控转换电路等组成。太阳能电池板为铅酸蓄电池充电,同时为系统提供12V 的输入电源。当太阳能电池板不工作时,铅酸蓄电池为系统提供 12V 的外部输入电源,12V 的输入电压通过 LDO 转换电路,实现系统工作需要的 +3、+4、+ 2. 5、+ 5V。其中,+ 3V 为全局电压,保证电路板大部分电路正常工作,包括监测系统上电后的工作电压、系统睡眠状态下的工作电压、时钟工作电压等; + 4V 是MC323 无线通信模块的工作电压; + 2. 5V 是 AD 转换电路的基准源; +5V 是模拟参考电压,为运算放大器和 AD电路提供工作电压;同时,输入的12V 电压通过稳压电路为智能传感器提供工作电压。供电单元硬件设计结构图如图3 所示。
2. 3 无线传输单元
选用 MC323 模块作为无线传输单元。该模块集成了基带处理器、射频处理器、MCP 存储器和电源管理芯片等功能,同时内嵌 TCP/IP 协议和支持 800MHz的工作频段,能够提供语音传输和短消息发送。将stm32f103 的 UART3 与该模块的串口相连,同时外接SIM 卡电路,实现雨量数据、墒情数据、地下水位数据和控制指令的无线发送。无线传输单元结构图如图 4所示。
3、 系统软件设计
3. 1 采集单元软件设计
采集单元软件设计包括传感器事件、定时事件和命令事件。传感器事件即通过土壤墒情传感器、智能水位计、智能水质传感器和翻斗式雨量计等采集农作物生长环境参数;定时事件指系统将采集到的数据、系统状态、蓄电池电压和设备工作温度等参数定时自记和发送;命令事件指通过上位机软件或 LCD 液晶屏配置系统工作状态、传感器类型等。当 3 个事件中的某一事件处理完毕后,判断有无其他事件发生;若有,则进入相应事件处理程序;若没有,则进行现场保护,系统进入待机状态。采集单元软件设计流程图如图 5所示。
3. 2 监测单元软件设计
监测单元通过电话呼叫或短信方式对信息采集单元进行远程唤醒,触发其上电。采集单元上电工作后,响应监测单元命令或按彼此协商好的时间定时上电,定时等待监测单元的命令。当采集的水位、雨量等参数超过设定的阈值时,向数据库服务器发送实时水位等数据或按设定的周期定时发送最新的水位数据、设备状态数据等。系统正常工作时,监测单元各状态之间的转换流程图如图 6 所示。
4、系统测试
采集后的数据经过解析、整编和入库后,通过浏览器可以实时访问数据,而且还能进行历史数据和设备状态的查询。通过该系统,即使在远离观测现场的异地,也能实现对雨量、土壤墒情和地下水位数据的实时采集、存储与发送,真正实现对农作物生长环境参数的远程实时监测。系统测试效果图如图 7 所示。
5、 结语
采用无线通信技术 MC323 作为农作物生长参数检测中的数据传输载体,设计并开发了基于 Cortex -M3 的农作物生长参数监测系统,实现了雨量、土壤墒情和地下水位数据的实时监测,并能够实时查看历史数据和设备状态。系统设计具有较高的稳定性、灵活性和实效性,提高了对农作物生长参数的监测能力,为有效评估和预测农作物的生长态势提供了一定的基础。
参考文献:
[1] 张红卫,陈怀亮,周官辉,等. 农作物生长动态监测技术综述[C]/ /第 27 届中国气象学会年会现代农业气象防灾减灾与粮食安全分会场论文集. 北京:中国气象学会,2010.
[2] 刘彦,关欣,罗珊,等. 遥感技术在农作物生长监测与估产中的应用综述[J]. 湖南农业科学学报,2010,7(11):136- 139.
