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。