基于GSM的土壤湿度监测系统的研究

杜英

(山西农业大学 信息科学与工程学院，山西 太谷 030801)

随着精准农业技术的发展，目前田间信息采集系统已进入智能化阶段[1,2]。我国幅员辽阔，农业区域分布广泛，地理环境复杂，传统的田间信息采集系统是现场采集数据送至实验室处理分析，耗资耗时，是实施“精准农业”技术实践的瓶颈。本文提出基于GSM 的土壤湿度监测系统具有抗干扰能力强、运行稳定、成本较低，适用于地点较分散、距离较远和地形复杂的环境，能够有效解决有线网络布局困难、难于维护等限制。该系统将土壤湿度信息通过GSM无线传输方式，为用户实时监测农田需水状况，实现远程智能灌溉提供基本条件，能够有效缓解农业用水的紧张，为农业可持续发展提供了解决途径。

1 系统组成原理

基于GSM的土壤湿度监测系统由信息采集模块、数据处理模块和无线传输模块组成，系统整体原理框图如图1所示。

其中信息采集模块采用土壤湿度传感器，用于测定土壤中的含水量，并将该信息传输到数据处理模块。数据处理模块采用C8051F022单片机，该单片机接收土壤湿度信息，并通过内部AD将模拟量转换为数字量，通过与已设定的数据比较，若湿度低于设定值，则将采集的当前湿度值通过串口传输到GSM模块。GSM模块输出端采用TC35i，将该信息通过GSM网络传输到用户手机上，用户可根据土壤湿度决定该块土地的灌溉量。

图1 系统整体原理框图Fig.1 System theory sketch

2 系统硬件设计

2.1 信息采集模块土壤

土壤湿度信息的采集采用武汉新普惠公司的PHTS-5V-V2土壤湿度传感器，是一款高精度、高灵敏度的土壤水分测量仪，采用电磁脉冲原理测量土壤的表观介电常数，从而得到土壤真实水分含量，具有快速、准确、稳定可靠、不受土壤中化肥和金属离子的影响等特点。该传感器采用+5V直流电源供电，输出0～2.5 V范围的电压值，精度为±5%。

农田中的土壤湿度状况受土壤质地、土壤温度、土壤热通量以及农作物根系环境等的影响，同一块农田中同时刻土壤湿度可能会有差别[3～5]。土壤湿度监测系统分散在农田中，为了不影响正常的田间作业，遇到阴雨天气时不影响田间土壤湿度信息的获取，需要保证系统的电源系统能够持续供电，需要采用太阳能与蓄电池相结合的供电系统。

2.2 数据处理模块

本设计采用美国Cygnal公司的C8051F022单片机。该处理器内部带有数据采集所需的12位逐次逼近型ADC。本设计通过C8051F022单片机内部集成的ADC将土壤湿度传感器采集的湿度信息由模拟信号转换为数字量，为进一步单片机内核数据的处理提供条件。

C8051F022外设还增添了两个增强型UART串行口，可与外界进行串行数据通信。该UART串行通信口为全双工通信口。该设计采用UART1，通过初始化设置波特率为9600bps，用于将内核处理的数据以一定的编码方式通过TXD1传输到无线发送模块，同时还可以将无线发送模块的返回值通过RXD1，便于单片机实时监测无线发送模块的状态。

C8051F022的RST引脚提供了外部强制单片机进入复位状态的功能。在RST引脚加一低电平信号就会使单片机进入复位状态，同时电容对RST引脚去耦，可以防止噪声引起的误复位。C8051F022复位和系统时钟电路如图2所示。

图2 系统复位和时钟Fig.2 Reset and clock of system

2.3 无线通信模块

通信模块采用西门子公司的TC35i，该无线调制解调器集成了射频单元和基带处理器[6,7]。TC35i接口为标准RS232，软件支持AT指令集，可实现点对点短消息(SMS)通信[8]。TC35i上电10 ms后，必须在IGT引脚施加一个大于100 mV的低电平信号且该信号的下降沿时间小于1 ms，启动后IGT引脚应保持高电平，可用SYNC管脚连接一个指示灯来指示GSM模块的工作状态。当LED熄灭时，表明TC35i处于关闭或睡眠状态；当LED为600 ms亮/600 ms熄时，表明SIM卡没有插入或TC35i正在进行网络登陆；当LED为75 ms亮/3 s熄时，表明TC35i已登录进网络，处于待机状态。TC35i的外围电路如图3所示。

Tc35i通过串口RXD0、TXD0与单片机通信，其中RXD0接收单片机发送的消息，TXD0从TC35i返回信息。P24～P29为TC35i与SIM卡插槽的连接。

3 系统软件设计

系统的软件设计主要是对主控制器单片机C8051F022编程，主要包括系统初始化、湿度信息采集、数据处理和发送中断服务程序。该设计采用C语言编写，在Silicon Laboratories IDE集成开发环境下调试完成并加载到单片机内部。

图3 Tc35i的外围电路Fig.3 Circuit of Tc35i

土壤湿度信息采集处理时本软件设计的核心，C8051F022通过内部AD采集湿度传感器的信息并将该模拟信号转换为数字信号，以便单片机进行处理。信息采集处理流程如图4所示。单片机控制内部AD采集湿度传感器敏感当前土壤中的湿度信息，并将模拟量转换为数字量，进一步与单片机中存储的湿度信息对比，若当前土壤的湿度低于土壤中作物生长的需水量，则将该信息通过串口传输到TC35i，否则不进行处理。

图4 信息采集处理流程Fig.4 Flow chart of information collection and dispose

短消息收发共有3种方式：Block方式、Text方式和PDU方式[9,10]。本设计采用PDU模式，该模式将GB2312的中文编码转换为Unicode编码，实现中文编码。TC35i采用AT指令集进行初始化合短消息的接收与发送。PDU数据包发送流程如图5所示。

图5 PDU数据包发送流程Fig.5 Flow chart of PDU data transmission

首先发送指令AT+CMGF=0，设置信息传输模式为PDU模式，接着发送PDU数据包长度指令AT+CMGS=？，等待TC35i模块相应返回字符“>”后，发送封装好采样信息的PDU数据包，最后发送“Ctrl+Z”字符控制TC35i模块发送PDU短信到指定的接收终端。

当土壤中湿度低于当前作物需水量时，土壤湿度监测系统可以将当前的土壤湿度信息通过GSM网络以短信的形式传输到农户手机，提醒农户进行及时的灌溉，同时农户还可以根据接收到的土壤湿度决定本次土壤灌溉量。

4 结论

本系统将田间土壤湿度传感器与无线通信技术结合在一起，设计了一种基于GSM的土壤湿度监测系统。该系统能够准确、快速的实现田间土壤湿度信息的远程监测，为农业决策提供了数据依据，使农户方便快捷获取田间信息，按需定量灌溉农作物，为实现智能灌溉奠定了基础。随着精细农业的进一步发展，田间信息远程采集监控的需求不断提高，该系统的可扩展性和易升级性使其具有一定的应用前景。

参 考 文 献

[1]孙磊磊.田间信息采集与测试系统研究[D].济南：山东大学，2012.

[2]王亚男，王福林，朱会霞.田间信息的远程获取与无线传输系统的设计[J].农机化研究，2013,3(3)：92-95.

[3]徐志青.作物需水信息远程实时采集系统研究[D].杨凌：西北农林科技大学，2012.

[4]孙巍.基于ZIGBEE协议的无线土壤温、湿度监测系统的研究[D].长春：吉林农业大学，2012.

[5]谢忠兵.基于ZIGBEE技术的土壤温和湿度无线检测系统的研究[D].呼和浩特：内蒙古农业大学，2012.

[6]毕宁强，朱瑞祥.基于TC35i的GSM土壤信息远程检测系统[J].农机化研究，2013(3)：187-190.

[7]郭志伟，张云伟，李霜，等.基于GSM的农田气象信息远程监控系统设计[J].农业机械学报，2009,3(3)：161-166.

[8]郭素萍.基于GSM的变压器防盗报警系统的设计[D].南京：南京理工大学，2012.

[9]钟以崇，卢博友.基于GSM的土壤水分监测与决策支持系统[J].农机化研究，2009(6)：174-176.

[10]王丽欣.基于GPS/GSM的车辆定位跟踪系统设计与实现[D].沈阳：沈阳工业大学，2013.