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土壤通过软件仿真和实验验证

文章基于单片机设计了一种农田墒情监测系统，基于机的监测用于实时采集农田土壤温湿度数据，单片主要由单片机最小系统、土壤土壤温湿度传感器、墒情设计GPRS无线模块、系统液晶显示屏4个部分组成。应用该系统将土壤温湿度传感器采集到的基于机的监测数据显示在液晶屏上，并通过GPRS无线模块发送到服务器，单片农户可通过手机APP实时查看土壤墒情信息。土壤通过软件仿真和实验验证，墒情设计该系统使用方便、系统运行稳定，应用能辅助农户对农田进行管理。基于机的监测

随着物联网技术的单片发展，许多先进的土壤技术开始引入农业生产。土壤温湿度值是农作物生长十分重要的墒情数据。根据土壤温湿度数据，农户可以精准地对农作物进行灌溉，节约水资源的同时，提高农业产量。因此，设计一款农田墒情监测系统，辅助农户对农田进行管理是十分必要的。本文以AT89C52单片机为控制核心，设计、开发了一种农田墒情监测系统，通过单片机读取土壤温湿度传感器数据，并将检测到的数据实时显示在液晶屏上。系统具有GPRS无线通信模块，能与云服务器进行数据交换。农户能随时使用手机APP登录云服务器获取土壤温湿度数据，极大地方便了农民对进行农业灌溉。

1 农田墒情监测系统整体结构

农田墒情监测系统主要由单片机最小系统、土壤温湿度传感器、GPRS无线模块、液晶显示屏、稳压电路、云服务器、手机APP等部分组成，系统结构如图1所示。系统通过AT89C52单片机采集土壤温湿度数据，并上传至云服务器，供农户在液晶屏和手机APP上查看。

(1)单片机最小系统，包括AT89C52单片机、复位电路、时钟电路和程序下载电路，是主控制核心正常运行的基本电路。

(2)土壤温湿度传感器，采用模拟量输出型传感器，传感器湿度测量范围为0%～100%，误差为±3%；温度测量范围为﹣40～80℃，误差为±0.5℃；输出信号为0～5 V电压信号。传感器通过AD转换芯片与单片机相连，将模拟量信号转化为数值信号。为消除环境因素对传感器的干扰，保证数据的准确性，在单片机一个循环周器内执行n次数据采集，根据n次数据采集计算平均值。

(3)稳压电路，使用LM2596-5.0芯片，将DC24 V输入转化为DC 5 V电压，经电容整流滤波后，为单片机和其他模块供电。

(4)液晶显示屏，采用LCD12864液晶屏，包含中文字库，可以显示中文、英文和图片。通过并型数据接口与单片机连接，液晶屏可以将土壤温湿度信息显示在屏幕上。

(5)GPRS无线通信模块，采用USR-GM3型4G模块，具有工作稳定、功耗低、接口丰富等优点。串口与单片机连接，数据通过透传模式发送至云服务器。采用国际上通用的Modbus-Rtu通信协议，格式如表1所示。
由服务器作为主机向系统发起查询命令，读取寄存器中温湿度数据。系统作为从机响应主机。从机应答指令中第4字节和第5字节为湿度数据，第6字节和第7字节为温度数据。将数据转化为十进制后，再除以10即可得到实际的数据值，当温度低于0℃时以补码形式发送。

2 手机APP设计
手机端APP使用TeslaMultiSCADA设计，在使用前，需要先配置服务器IP地址和端口号与云服务器连接。APP能从云服务器获取土壤温湿度数据且直观地显示在屏幕上，农户能随时查看土壤温湿度变化趋势曲线和历史数据，及时了解土壤墒情信息，并根据墒情数据对农田进行精准灌溉。系统APP界面如图2所示。

3 系统仿真与实验验证

3.1基于Proteus的系统仿真

通过Proteus仿真工具和Keil uVision2编程软件对农田墒情监测系统进行联合仿真。首先，使用Proteus软件绘制出仿真电路，如图3所示。其次，使用Keil uVision2软件编写好农田墒情监测系统的仿真程序。最后，将仿真程序下载到虚拟单片机中。通过鼠标上下拖动电位器箭头改变输入电压信号。12864液晶屏上的土壤温湿度数据会随之改变，该仿真结果能够验证农田墒情监测系统理论的正确性。

3.2实验验证

将该系统安装在乌鲁木齐西山实验田中，对土壤温湿度进行采集。传感器安装在深度40 mm左右的农作物根系附近，每隔15 min通过远程控制端采集一次土壤温湿度值。通过手机APP获取其中一天的土壤温湿度变化数据，采集到的数据如图4所示。实验验证了该系统运行稳定、对土壤的温湿度数据采集准确。