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項目概述

智能農(nóng)業(yè)是目前農(nóng)業(yè)發(fā)展的新方向，它根據(jù)農(nóng)作物的生長習(xí)性及時調(diào)整土壤狀況和環(huán)境參數(shù)，以最少的投入獲得最高的收益，改變了傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)中必須依靠環(huán)境種植的弊端及粗放的生產(chǎn)經(jīng)營管理模式，改善了農(nóng)產(chǎn)品的質(zhì)量與品質(zhì)，調(diào)整了農(nóng)業(yè)的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，確保了農(nóng)產(chǎn)品的總產(chǎn)量，高效地利用了各種各樣的農(nóng)業(yè)資源，可取得可觀的經(jīng)濟效益和社會效益。

在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中，溫度、濕度、光照強度、CO2濃度、水分，以及其他養(yǎng)分等多種自然因素共同影響農(nóng)作物生長。傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的管理方式遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有達(dá)到精細(xì)化管理的標(biāo)準(zhǔn)，只能算是粗放式管理，在這種管理方式下，通過人的感知能力來管理上述環(huán)境參數(shù)，無法達(dá)到準(zhǔn)確性要求。而智能農(nóng)業(yè)，是通信、計算機和農(nóng)學(xué)等若干學(xué)科和領(lǐng)域共同發(fā)展并相互結(jié)合所形成的產(chǎn)物，它將信息采集、傳輸、處理和控制集成在一起，使人們更容易獲得農(nóng)作物生長各個階段的各類信息，也讓人們更容易掌控這些信息，通過人工智能與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的結(jié)合真正實現(xiàn)人與自然的交互。

智能農(nóng)業(yè)的核心問題可以概括為以下四部分，即農(nóng)業(yè)信息的獲取、對所獲取信息的管理、經(jīng)信息分析做出的決策、由決策而決定的具體實施方針。在這四部分中，對農(nóng)業(yè)信息的獲取是智能農(nóng)業(yè)的起點，也是非常關(guān)鍵的一點，做不到準(zhǔn)確實時地獲取農(nóng)業(yè)信息，就無法建造真正的智能農(nóng)業(yè)。而實現(xiàn)智能農(nóng)業(yè)，建立一個實用、可靠、可長期監(jiān)測的農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)是非常必要的。

隨著通信、計算機、傳感網(wǎng)等技術(shù)的迅猛發(fā)展，將物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用到農(nóng)業(yè)監(jiān)測系統(tǒng)中已經(jīng)是目前的發(fā)展趨勢，它將采集到的溫度、濕度、光照強度、土壤水分、土壤溫度、植物生長狀況等農(nóng)業(yè)信息進(jìn)行加工、傳輸和利用，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)在各個時期的精準(zhǔn)管理和預(yù)警提供信息支持，追求以最少的資源消耗獲得最大的優(yōu)質(zhì)產(chǎn)出，使農(nóng)業(yè)增長由主要依賴自然條件和自然資源向主要依賴信息資源轉(zhuǎn)變，使不可控的產(chǎn)業(yè)得以有效控制。

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項目架構(gòu)

本篇博文將要介紹一種基于Arduino與LabVIEW的智能農(nóng)業(yè)監(jiān)測系統(tǒng)，可以實現(xiàn)農(nóng)作物生長環(huán)境參數(shù)的實時采集以及上位機監(jiān)測軟件的數(shù)據(jù)分析和遠(yuǎn)程監(jiān)測。數(shù)據(jù)采集終端設(shè)備采用Arduino作為控制核心，上位機軟件采用LabVIEW，兩者通過RS-485總線實現(xiàn)通信，只需要在田壟之間進(jìn)行RS-485布線，即可實現(xiàn)組網(wǎng)通信。

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傳感器選型

3.1、溫濕度傳感器

SHT11是瑞士Sensirion公司推出的一款數(shù)字溫濕度傳感器芯片，將傳感元件和信號處理電路集成在一塊微型電路板上，輸出完全標(biāo)定的數(shù)字信號，采用CMOSens專利技術(shù)，確保產(chǎn)品具有極高的可靠性與卓越的長期穩(wěn)定性。傳感器芯片內(nèi)部包括一個電容性聚合體測濕敏感元件、一個用能隙材料制成的測溫元件，并在同一芯片上與14位的A/D轉(zhuǎn)換器以及串行接口電路實現(xiàn)無縫連接。因此，具有品質(zhì)卓越、響應(yīng)迅速、抗干擾能力強、性價比高等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于暖通空調(diào)、汽車、消費電子、自動控制等領(lǐng)域。

每個傳感器芯片都在極為精確的濕度腔室中進(jìn)行標(biāo)定，校準(zhǔn)系數(shù)以程序形式儲存在OTP內(nèi)存中，用于內(nèi)部的信號校準(zhǔn)。兩線制的串行接口與內(nèi)部的電壓調(diào)整，使外圍系統(tǒng)集成變得快速而簡單。微小的體積、極低的功耗，使SHT11成為各類應(yīng)用的首選。

3.2、光強度傳感器

BH1750FVI是一種兩線式串行總線接口的數(shù)字型光強度傳感器，可以根據(jù)收集的光線強度數(shù)據(jù)來調(diào)整液晶或者鍵盤背景燈的亮度，利用它的高分辨率可以探測較大范圍的光強度變化。BH1750FVI光照傳感器模塊如下圖所示：

3.3、水分傳感器

專業(yè)的農(nóng)用水分傳感器價格較貴，此處選擇價格較為低廉的電阻式水分傳感器，如下圖所示：

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硬件環(huán)境

將SHT11溫濕度傳感器的VCC、GND、SCK、DATA分別接至Arduino Uno控制板上的+5V、GND、模擬端口A2和A3。

將BH1750FVI光照傳感器的VCC、GND、SCL、SDA和ADD分別接至Arduino Uno控制板上的+5V、GND、SCL、SDA和GND，此處在硬件連接圖上沒有表示出來。

將水分傳感器的VCC、GND、Vout分別接至Arduino Uno控制板上的+5V、GND和模擬端口A0，此處在硬件連接圖上表示出來。

將MAX485模塊的VCC、GND、RO、DI分別接至Arduino Uno控制板上的+5V、GND、RX和TX，將RE和DE端接至數(shù)字端口D2，用于控制收發(fā)信號。

Arduino Uno與MAX485和SHT11的硬件連接，如下圖所示：

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Arduino功能設(shè)計

在基于RS-485總線的智能農(nóng)業(yè)監(jiān)測系統(tǒng)中，每個節(jié)點配置一個Arduino Uno控制器通過MAX485模塊掛在RS-485總線上。Arduino Uno控制器需要完成以下功能：接收和判斷命令、采集和傳輸溫濕度、光照和水分?jǐn)?shù)據(jù)。Arduino Uno控制器利用MAX485模塊通過串口從RS-485總線上接收上位機發(fā)來的命令，分析得到有效命令，再根據(jù)命令碼實現(xiàn)溫濕度、光照和水分?jǐn)?shù)據(jù)的采集，并上傳給LabVIEW軟件。

智能農(nóng)業(yè)監(jiān)測系統(tǒng)Arduino控制器程序代碼如下所示：

#include <Wire.h>#include <SHT1x.h> #define temp_Command          0x10   //采集命令字#define humidity_Command      0x20   //A1采集命令字#define water_Command         0x30   //D1采集命令字#define illumination_Command  0x40   //D0采集命令字// GY-30// BH1750FVI// in ADDR 'L' mode 7bit addr#define ADDR 0b0100011// addr 'H' mode// #define ADDR 0b1011100 // Specify data and clock connections and instantiate SHT1x object#define dataPin  A3#define clockPin A2SHT1x sht1x(dataPin, clockPin); byte comdata[3]={0};      //定義數(shù)組數(shù)據(jù)，存放串口接收數(shù)據(jù)float temp_c;float humidity;int dustPin=0;int dustVal=0;int Water_Val=0; int Illumination_Val = 0; void receive_data(void);      //接受串口數(shù)據(jù)void test_do_data(void);      //測試串口數(shù)據(jù)是否正確，并更新數(shù)據(jù) void setup(){  Serial.begin(9600);        Wire.begin();   Wire.beginTransmission(ADDR);  Wire.write(0b00000001);  Wire.endTransmission();}void loop(){  while (Serial.available() > 0)   //不斷檢測串口是否有數(shù)據(jù)   {        receive_data();            //接受串口數(shù)據(jù)        test_do_data();            //測試數(shù)據(jù)是否正確并更新標(biāo)志位   }}void receive_data(void)       {   int i ;   for(i=0;i<3;i++)   {      comdata[i] =Serial.read();      //延時一會，讓串口緩存準(zhǔn)備好下一個字節(jié)，不延時可能會導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失，       delay(2);   }} void test_do_data(void){  if(comdata[0] == 0x55)            //0x55和0xAA均為判斷是否為有效命令   {     if(comdata[1] == 0xFF)     {        switch(comdata[2])          {               case temp_Command:                   temp_c = sht1x.readTemperatureC();                Serial.print(temp_c, 2);                   break;            case humidity_Command:                    humidity = sht1x.readHumidity();                 Serial.print(humidity,2);                 break;            case water_Command:                    Water_Val=analogRead(A0);                 Serial.print(Water_Val);                                     break;            case illumination_Command:                                     // reset                  Wire.beginTransmission(ADDR);                  Wire.write(0b00000111);                  Wire.endTransmission();                   delay(100);                   Wire.beginTransmission(ADDR);                  Wire.write(0b00100000);                  Wire.endTransmission();               // typical read delay 120ms                  delay(120);                   Wire.requestFrom(ADDR, 2); // 2byte every time                   for (Illumination_Val=0; Wire.available()>=1; ) {                  char c = Wire.read();                  //Serial.println(c, HEX);                  Illumination_Val = (Illumination_Val << 8) + (c & 0xFF);                  }                   Illumination_Val = Illumination_Val / 1.2;                  Serial.println(Illumination_Val);                                           break;                         }       }   }}

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LabVIEW功能設(shè)計

LabVIEW上位機部分需要完成如下功能：根據(jù)所選擇的節(jié)點向RS-485總線上發(fā)送不同節(jié)點號的溫度、濕度、光照、水分的數(shù)據(jù)采集命令，Arduino控制器通過串口和MAX485模塊從RS-485總線上接收上位機命令，然后判斷接收的命令中的節(jié)點號是否與自己的節(jié)點號匹配，如果匹配則實現(xiàn)相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集之后并將采集的數(shù)據(jù)回傳，LabVIEW軟件將回傳的數(shù)據(jù)顯示在前面板上;如果不匹配則舍棄當(dāng)前接收的上位機命令，重新等待下次命令的到來。

6.1、前面板設(shè)計

LabVIEW前面板分為節(jié)點選擇、工作指示燈和數(shù)據(jù)顯示模塊，節(jié)點選擇用于選擇當(dāng)前監(jiān)測的節(jié)點，將其數(shù)據(jù)顯示在顯示模塊上；工作指示燈用于該節(jié)點是否正常工作；顯示模塊主要用于顯示當(dāng)前的數(shù)據(jù)，包括溫度、濕度、光照和水分情況。

基于Arduino與LabVIEW的智能農(nóng)業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)的LabVIEW上位機前面板，如下圖所示：

6.2、程序框圖設(shè)計

采用條件結(jié)構(gòu)+移位寄存器的狀態(tài)機來實現(xiàn)LabVIEW上位機主程序，將主程序劃分為5個狀態(tài)：0狀態(tài)為串口初始化，1狀態(tài)為溫度測量，2狀態(tài)為濕度測量，3狀態(tài)為光照測量，4狀態(tài)為水分測量，且初始狀態(tài)為0狀態(tài)（串口初始化）。

為了更好地實現(xiàn)通信，制定如下的通信協(xié)議:幀頭+節(jié)點代號+操作碼。0x55為幀頭，節(jié)點代號有0xA1為節(jié)點0的代號，0xA2為節(jié)點1的代號，0xA3為節(jié)點2的代號，0xA4為節(jié)點3的代號，0xA5為節(jié)點4的代號，操作碼有0x10為溫度采集，0x20為濕度采集，0x30為光照采集，0x40為水分采集。

在0狀態(tài)中，通過設(shè)置的串口號來初始化串口通信，如下圖所示：

在1狀態(tài)中，讀取溫度數(shù)據(jù)并顯示，如下圖所示：

在2狀態(tài)中，讀取濕度數(shù)據(jù)并顯示，如下圖所示：

在3狀態(tài)中，讀取光照數(shù)據(jù)并顯示，如下圖所示：

在4狀態(tài)中，讀取水分?jǐn)?shù)據(jù)并顯示，如下圖所示：

最后，關(guān)閉串口通信。

由于RS-485總線具有抗干擾能力強的優(yōu)點，適合用于可靠性要求高的場合，本節(jié)介紹的智能農(nóng)業(yè)監(jiān)測系統(tǒng)采用RS-485總線作為每個子節(jié)點與總站的通信方式，如果需要檢測的面積較大，監(jiān)測密度較為稀疏，RS-485總線方式需要很多的線材，則采用ZigBee無線通信方式更為實用。由于農(nóng)業(yè)專業(yè)的傳感器價格較為昂貴，本部分采用較為低廉的傳感器來實現(xiàn)了一個簡易的監(jiān)測，如果需要專業(yè)應(yīng)用，則需要購買農(nóng)業(yè)專用的傳感器。