钟 源， 王天勇， 袁仕波，杨 靖

(贵州大学电气工程学院，贵州贵阳 550025)

一种便携式农田小气候信息采集装置的设计

钟 源， 王天勇， 袁仕波，杨 靖*

(贵州大学电气工程学院，贵州贵阳 550025)

摘要针对农田小气候监测的需要设计了一种便携式农田小气候信息采集装置，并对该装置系统结构、硬件结构及系统软件设计进行了详细介绍。实地调试结果证明，该装置具有较好的灵活性，便于携带，采集信息范围较广，完全能满足当前农业生产的需求，适用于农田、果园、草原等多种农业环境。

关键词GPRS；MSP430；nRF905；传感器；农田小气候

农田小气候是指农田中作物层里形成的特殊气候[1]，是由农田贴地气层、土层与作物群体之间的物理过程和生物过程相互作用所形成的小范围气候环境，常以农田贴地气层中的空气温度与湿度、风速与风向、降雨量以及土壤温度与湿度、光照强度等农业气象要素的量值表示，是影响农作物生长发育和产量形成的重要环境条件。采集并研究农田小气候，对作物生长的环境进行监测，有助于农业气候资源的调查、分析和开发，农田技术措施效应的评定及病虫害发生滋长的预测等[2-3]。基于农田小气候信息采集的重要性以及实用性，笔者设计了一种便携式农田小气候信息采集装置，以期为农业生产提供帮助。

1系统组成

该套装置旨在采集农田小气候信息，如空气温度与湿度、土壤温度与湿度、风速与风向、降雨量、光照强度等。借助于物联网技术，基于嵌入式技术、无线通信技术、微机电系统、传感器技术等，整套装置的信息来源于底层传感器采集的数据。主控制器MSP430是该系统的核心部分， MSP430自带有A/D转换模块，所以该系统不再需要外接A/D转换模块。监控中心即上位机系统起着存储数据、实时监控农田小气候的作用，该系统位于整套系统最顶层。而电源模块为整套装置提供工作电源，串口显示模块实时显示采集的农田小气候信息。该套装置系统结构如图1所示。

图1　便携式农田小气候信息采集装置系统结构示意Fig. 1　System structure diagram of a portable sampling device for the collection of field microclimate information

2装置硬件组成

如图2所示，该装置硬件组成主要由主控制器MSP430、电源模块、传感器模块、显示模块、通信模块组成。传感器将采集到的农田小气候信息传送至主控制器MSP430，显示屏将实时采集到的数据显示出来，再通过远程通信模块将数据传送到上位机，以达到对农田小气候的实时监测。

图2　便携式农田小气候信息采集装置硬件结构示意Fig. 2　Hardware structure diagram of a portable sampling device for the collection of field microclimate information

2.1主控制器模块该装置采用MSP430微处理器作为主控制器(图3)，MSP430系列单片机是美国德州仪器(TI)1996年开始推向市场的一种16位超低功耗、具有精简指令集(RISC)的混合信号处理(Mixed signal processor)。它可将多个不同功能的模拟电路、数字电路模块和微处理器集成在一个芯片上，以提供“SOC”解决方案。该系列单片机多应用于需要电池供电的便携式仪器仪表中。

图3　系统主控制器Fig. 3　 The main controller of the system

2.2电源模块采用太阳能板和锂蓄电池为该系统昼夜交替供电，这样不仅能提供更稳定的工作电源，而且还能达到新能源的合理利用，既环保又实用。锂蓄电池比传统铅蓄电池更环保、节能，由于这套装置各传感器工作电压多为3.3～5.0 V，所以拟采用12 V锂蓄电池，额定电压：12.0 V，充电电压：14.6 V，额定容量：20 Ah，持续放电电流：55 A。考虑到太阳能电池板要为锂蓄电池充电以便于在没有太阳能的天气继续为该套装置供电，太阳能电池板拟采用18 V多晶10 W太阳能光伏发电板，该电池板可为12 V蓄电池直接充电，其组件尺寸为255 mm×345 mm×17 mm，最大工作电压为17.6 V，最大工作电流为0.57 A。

2.3传感器模块系统中空气温度传感器选用型号为DS18B20，其供电电压为3.0～5.5 V，测量范围为-55～125 ℃；空气湿度传感器选用型号为AM2306，供电电压为2.4～5.5 V，该传感器测量湿度范围为0～100%(RH)；土壤温度传感器选用型号为DS18B20，工作电压为3.0～5.5 V，测量范围为-55～125 ℃；土壤含水量传感器选用型号为GZUSH1000，供电电压为5～12 V，测量范围为0～100%(RH)；风向传感器选用型号为GZUWD1000，在5～12 V均可正常工作，其测量范围可达16个方位；风速传感器选用型号为GZUWS1000，供电电压为5～12 V，测量范围为0～30 m/s；光照强度传感器选用型号为GZUL1000，供电电压为5～12 V，测量范围为0～100 klx；降雨量传感器选用型号为GZUR1000，供电电压为5～12 V，测量范围为0～3.0 mm/min。2.4显示模块显示模块拟采用的是液晶(LCD)显示屏，LCD模块分为屏和背光灯组件。所选型号为广州大彩公司生产的ET070，该显示屏尺寸为7寸,工作电压范围为12～28 V。

2.5通信模块通信模块分为远程通信和短距离通信。

2.5.1远程通信。远程通信是将主控制器MSP430采集到的数据信息发送到监控中心即上位机。远程通信拟采用SIM900A,SIM900A是一个2频的GSM/GPRS模块，工作的频段为ESGM 900 MHz和DCS 1 800 MHz,SIM900A支持GPRS multi-slot chass 10/class8(可选)和GPRS编码格式CS-1、CS-2、CS-3、CS-4。

2.5.2短距离通信。 短距离通信即底层传感器和主控制器间的数据传递，短距离通信拟采用nRF905，nRF905芯片是由挪威NORDIC公司出品的低于1 GHz无线数传芯片，主要工作于433、868和915 MHz的ISM频段。芯片内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器和调制器等功能模块，输出功率和通信频道可通过程序进行配置。非常适用于低功耗、低成本的系统设计。nRF905有2种活动模式：典型ShockBurst TX模式和典型ShockBurst RX模式，2种节电模式：掉电和SPI编程以及STANDBY和SPI编程[4]。

3系统软件设计

3.1系统主程序设计系统主程序流程如图4所示。主控制器作为整个系统的核心控制部分，主要是采集来自传感器的数据，再将数据传输到数据中心。MSP430通过自带的A/D通道进行数据采集，MSP430与SIM900A模块之间的通信采用单片机的串口0(UART0)来实现。此外，单片机还与串行存储器接口以记录某些关键数据。由于主控制器单片机要同时接受多个传感器的数据信息，所以在主程序中有必要设置多个断点以便于传感器出现问题时进行检查。

3.2传感器采集控制程序设计传感器采集得到的都是模拟量，模拟量可通过单片机的A/D转换通道将信号进行处理，得到单片机能识别的数字信号。MSP430的A/D转换有

图4　系统主程序流程Fig. 4　 Main program flowchart of the system

2种模式：序列通道单次转换、系列通道多次转换[5]。关于转换模式的选择主要通过设置相应的A/D转换的寄存器来实现。 数据采集的时间间隔通过定时器A来完成，即在每次定时器A中断到来时转换，当读取数据完毕后启动A/D转换，如果得到数据，则设置一个标志位通知主程序，告诉主程序以及得到新的数据，主程序进入中断服务程序。

4结语

该装置具有较好的灵活性，便于携带。实地调试结果证明，该装置能较好地采集农田小气候的基本信息，采集信息的范围较广，完全能满足当前农业生产的需求，适用于农田、果园、草原等多种农业环境，能让生产者实时掌握农田小气候的信息，对农业生产有较大的帮助。

参考文献

[1] 李明桃.农田小气候理论探索[J].园艺与种苗，2014，42(12)：5-7.

[2]诸葛天秋,罗跃新,张飙,等.广西山区茶园无线网络监测系统设计[J].安徽农业科学,2014，42(32):11588-11592.

[3]朱黎,苏鹏.一种马铃薯晚疫病小型监测预警系统的研究[J].湖北民族学院学报(自然科学版),2014(1):115-117.

[4] 王钟，张盛龙，房安康，等.基于无线传感器网络的温室控制系统的设计[J].安徽农业科学，2015,43(9)：374-376.

[5] 秦龙.MSP430单片机常用模块与综合系统实例精讲[M].北京：电子工业出版社，2006：444-445.

Design of a Portable Sampling Device for the Collection of Field Microclimate Information

ZHONG Yuan, WANG Tian-yong, YUAN Shi-bo, YANG Jing*

(College of Electrical Engineering, Guizhou University, Guiyang, Guizhou 550025)

AbstractA portable sampling device for the collection of field microclimate information was designed to meet the needs of field microclimate monitoring. Detailed introduction was carried out on the system structure, hardware structure, and system software design of this device. Results of field investigation showed that this system had relatively good flexibility, easy to carry, and a wide range of gathering information. It could meet the requirements of current agricultural production, which was suitable for various agricultural environments of farmland, orchard and grassland.

Key wordsGPRS; MSP430; nRF905; Sensor; Field microclimate

基金项目贵州省工业攻关项目(黔科合 GY字[2013]3061)；贵州省人才培养项目[黔科合 人字(2013)11号]；贵州省科技基金项目(黔科合J字[2013]2117号)；贵州省农业攻关项目(黔科合 NY字[2011]3108)；大学生创新项目[贵大(国)创字2014(011)]；贵州省人才团队项目[黔科合人才团队(2015)4014]；贵州省科技厅合作项目(2015)。

作者简介钟源(1993- )，男，贵州遵义人，本科生，专业：自动化。*通讯作者，教授，博士，从事自动化技术研究。

收稿日期2016-03-07

中图分类号S 220.2

文献标识码A

文章编号0517-6611(2016)11-258-02