基于C8051F单片机的便携式农田基础信息采集终端的设计

摘要：本文是基于C8051F单片机的便携式农田基础信息采集系统的设计方案，为了克服现有农田综合数据采集设备的移动性差，高成本，使用复杂的不足，本文提供一种便携嵌入式农田基础数据采集终端，该终端具有体积小、功耗低、携带性好、操作简单、安装方便、模块化和可扩张性及网络化功能，农业生产管理人员可以随意携带到田闻地头进行使用。
关键词：采集终端；便携式；农田基础信息；C8051F单片机

    目前农田综合数据采集主要靠固定式站点采集，设备采购、安装成本较高，维护困难，无法流动作业。而便携式的仪器设备一般都是针对某种单一功能而设计开发，专业技术要求较高，没有专业针对农田信息便携式集成采集的功能，对农业及棉花生产管理人员的实际应用带来了诸多不便，迫切需要一种简单易用的仪器设备随时随地监测和记录棉花生长的基本数据，提供给专家进行咨询以指导棉花生产。

1 便携式农田基础信息采集终端简介
    农田基础信息研究的对象大致可以分为土壤信息、位置信息、农田周围环境、空气温度与湿度、病虫害情况等。
    便携式农田基础信息采集终端具有微功耗、便携式、操作简单、及网络化等特点，农业生产管理人员可以在作物生长的不同阶段和不同作业的要求，随意携带到田间地头进行使用，与各类仪器及传感器相连，也可以与农机具配套使用，采集定位信息、土壤平整度、土壤面积、土壤墒情、田间气象数据、作物各生长期的长势、病虫害等作物生产过程的环境与生物信息，然后通过嵌入式系统的采集和分析软件进行数据的分析和处理，在田间现场即可实现灌溉、施肥等决策的及时执行。通过无线网络系统，可与上层管理系统实现无缝连接，实现农业生产的全程跟踪和管理，并及时发布信息。每个单位集体可根据实际情况建立相应的服务端作业管理软件平台，从而，更加科学地、合理地指导农业生产。主要针对农业生产过程中所需的各种数据进行采集和综合分析，包括土壤信息、气象数据、作物长势、病虫害状况等，从而得出农田灌溉决策方案、平衡施肥方案、作物长势分析及病虫害预防方案等，为农业生产及管理提供信息化服务。

2 C8051F单片机简介
    C8051Fxxx系列单片机是完全集成的混合信号系统级芯片，具有与8051兼容的微控制器内核，与MCS-51指令集完全兼容。除了具有标准8052的数字外设部件之外，片内还集成了数据采集和控制系统中常用的模拟部件和其他数字外设及功能部件，具有上手快、研发快(开发工具易用，可缩短研发周期)和见效快(调试手段灵活)的特点。
    文中设计单片机选择美国Silabs公司的C8051F020。

3 采集终端工作原理简介
    农田信息采集技术指计算机通过传感器和A／D转换部件采集外部环境的数据，经计算后，按照控制规则发出控制信号操纵被控制部件，进而控制外部环境。采集终端自身未集成任何传感器，依据信息采集技术利用I／O数据采集接口连接各类便携式传感器(农田用)、固定站点传感器，并采集相应数据。这样大大提高了产品使用的灵活性和适用性。采集终端工作如图1所示。

3．1 采集终端实现的功能
    便携式农田基础信息采集终端可连接下列设备并采集数据。
    1)土壤墒情数据，可连接FDR、TDR、电子负压计等土壤水分传感器。
    2)土壤养分数据，可连接国产TFC-203PC型土壤养分测试仪、国外Rqflex便携式反射光度计等土壤养分测试仪。
    3)土壤盐分数据，可连接相关土壤盐分监测仪器，如EM38大地电导仪等。
    4)气象数据，可连接相关气象传感器或下载现有农田气象站数据的功能。
    5)作物生长图像，可连接数码照相机、数码摄像机，用于采集作物生长的形态结构信息，以便对病虫草害、栽培措施等进行模式识别，也可以获得作物生长发育的状态信息。
    6)光谱传感器，反射光谱包含了丰富的矿物结构及其组成信息。通过测定作物的反射光谱可以获得作物生育阶段信息和叶绿素等各种物质含量的信息；同时也可以测定作物的生物产量与经济产量。作物病虫害的发生规律也可以通过其冠丛表面的反射光谱进行观察监测。
    7)作物生理信息传感器。作物的产量与生理活动，如光合速率与呼吸速率、田间温度、光照强度等的变化关系密切，实现随时观测田间作物的生理信息的变化。
    8)实验室分析仪器。
    其他功能还有：1)无线网络功能。通过无线网络可与相关农业数据库、管理计算机、专家系统、GIS系统进行数据、信息、分析结果的查询、发布；2)支持GPS设备接口。通过GPS设备，可随时监测种植面积，状态定位等相关信息。
3．2 主要组成部分
    1)各类测试仪器和传感器，如田间气象数据采集单元、土壤水分测量等。
    2)采集终端设备。
    3)电源。

4 采集终端设备设计
    系统由CPU板和接口电路、存储单元及电源组成。其采集终端系统框图如图2所示。

    1)MCU为美国Silabs公司C8051F020，64 kB程序FLASH、(4096+256)B RAM、最高25MIPS执行速度；
    2)存储单元为32KBSRAM(选用IS61LV256，速度12ns)；
    3)LCD接口，支持各种尺寸LCD，最高支持320x240；
    4)8路光耦隔离输出，8路光耦隔离输入；24路12位单端AD输入，输入信号量程0～+5 V／0～+10 V／-5～+5 V／-10～+10 V／0～+20 mA或-20～+20 mA电流信号可选；每一路输入信号都可实现1～100倍的信号放大。
    5)2路12位DA输出，输出信号范围0～+5 V／0～+10 V／-5～+5 V／-10～+10 V可选；
    6)2路标准RS232和1路RS485／422(半双工)通讯接口；
    7)键盘及LED显示接口；
    8)+5 V，±12 V供电。

5 采集终端嵌入式系统功能简介
    信息采集终端软件系统具备以下功能。
    1)时间设定：可设定及修改采集终端的记录时间。
    2)通道设定：可对各个通道进行传感器类别的定义，并能对传感器上下限设定，因为各厂家同类型传感器的上下限并不完全统一，因此终端连接传感器后，软件可根据传感器的要求进行上下限设定，保证测量数据的准确性。
    3)采集设定：具备人工／自动，采样时间，采样延迟等设定功能。
    4)数据存储、传送功能设定。
    5)历史数据查询：可查询各个时间段的各传感器的历史数据。

6 结束语
    便携农田基础信息采集终端，由CPU单元、存储单元、数据通讯单元、数据采集单元、显示单元、专用键盘及电源控制单元等组成，采用模块化设计理念，设备自身未集成任何传感器，却可利用丰富的接口装置连接各类便携式传感器，主要实现空气温度、空气湿度、降雨量、风速、辐射强度、土壤温度、土壤墒情、土壤养分及盐碱含量的数据采集、存储、查询及数据通讯。具有体积小、功耗低、携带性好、操作简单、安装方便、模块化和可扩张性及网络化功能，农业及棉花生产管理人员可以随意携带到田间地头进行使用。