基于太阳能供电的寒地水稻育秧棚环境参数采集终端设计

张斌+田芳明+徐骁翔+高扬+孙磊+冯广学

摘 要：水稻育秧环节是寒地水稻种植的必要步骤，只有培育壮秧才能确保水稻高产，育秧过程中，不同育秧时期秧苗对所需的棚内空气温湿度、土壤水分、土壤温度等要求不同，只有搭建适合的生长环境，才能达到培育壮秧的目的。本设计根据寒地水稻育秧所需的特有生长环境及黑龙江垦区育秧期的实际环境状况，研制了基于太阳能供电的棚内参数采集终端系统，该系统可以实现棚内多种环境参数的实时采集，并能通过无线或短信等方式将环境信息上传到监控中心的PC机或用户手机中，使技术人员实时掌握棚内的环境状态，具有低功耗、可靠性高、通用性强等特点。

关键词：寒地；育秧；太阳能；GSM

1 引言

众所周知，黑龙江省广袤并且肥沃的平原土地资源，从之前的北大荒逐渐成为了全国数一数二的粮仓“北大仓”。随着现代化的飞速发展，农业自动控制也正在为越来越多的人所关注，它能够在很大程度上提升耕作劳动的效率和质量，为广大农民的生产生活做出贡献。然而，我省一年之中1/3的时间在冰霜笼盖之下，冬季气温低，冻土层最深达2.5米，全年无霜期平均在130天左右，针对寒地特点进行自动控制系统的特殊设计与分析显得非常重要。水稻育秧是水稻安全生产的重要环节，提供适合的生长环境对培育壮秧具有重要意义，在寒地水稻育秧过程中，不仅需要高度自动化的设备，还需要尽可能的低功耗，适应性强的设备，经研究设计了一套基于太阳能供电的寒地水稻育秧棚环境参数采集终端。系统采用低功耗MSP430单片机作为主控芯片，高效节能太阳能模块提供能量，无线数传及短信模块实现对实地情况的实时监控与操作。系统具有能耗低，运算速度快，精度高，运行可靠，适应性强，方便好用等特点，对于寒地水稻的种植及养护具有现实意义[1]。

2 系统硬件设计

根据育秧现场的实际需求及环境特点，设计了系统硬件框图（如图1所示），其中包括MSP430微处理器模块、液晶显示模块、串口无线通信模块，短信收发模块、电源模块、按键控制模块等。

当采集系统工作时，MSP430微处理器模块经电源模块供电上电复位后进入低功耗中断等待状态，根据传感器通用接口模块连接的传感器类型，通过按键控制模块启动系统进入环境参数采集过程，采集的数据经MSP430微处理器模块处理后存储到存储模块中并分屏实时显示在液晶显示模块上，MSP430微处理器模块通过远程无线模块将采集的数据发送到监控中心，供给农场技术人员进行历史数据查询等，同时，可利用GSM短信方式向用户发送信息，用户亦可通过手机向指定号码发送“查询”指令获取棚内环境参数信息。系统中采用的元器件皆为低功耗原件，太阳能供电模块可以完全满足农场农忙期经常停电的实际需求。

2.1 微控制器

系统采用了MSP430F149单片机作为主控芯片[2]，这款TI公司研制的单片机具有可靠性高，耗电量低，内嵌A/D接口等众多优点。其工作电压为3.3V，很好的适应了太阳能供电这一低功耗的特点。由于系统内有着各种各样的模拟量信号处理要求，所以内置A/D接口避免了进行外扩A/D，使系统得到了合理的利用。

2.2 供电模块

农场地区农忙期供电需求大，经常会遇到停电情况，所以供电系统的稳定是决定这个系统好坏的重要组成部分。并且考虑到北方白天光强高，光线直射时间长的特点，选择了太阳能供电的方式。利用电源管理芯片实现有电时利用市电进行供电，太阳能电池板仅对蓄电池进行充电，若停电，则转换为太阳能充电电池供电方式供电，保障系统可靠运行。其供电结构图如图2所示。

2.3 复位保护模块

采用MAX809S 复位芯片。它采用了SOT-23表面贴片3脚封装。工作电压为-0.3V-+6V。复位阀值为2.93V。具有高适应性，可在-40°-+105°间正常工作，此时电压幅度为1.2V-5.5V。其电路图如图3。

2.4 电源转换模块

在电源转换方面采用了N7805非隔离降压电源转换模块。转换效率高达96%，可在-40°-+85°下能保证正常的工作电压，适应绝大部分地区的需要，具有很好的适应性和可移植性。内部还设有短路保护和过热保护措施，能够在出现错误的时候及时对元器件进行保护。由它将电压稳定地转换到5V，再用TPS76033稳压器将其转换为3.3V的单片机可用供电电压，其电路连接如图4所示。

3 对外数据交换系统

为了适应各种不同的外界环境，模块中采用了工业级的串口通信电平转换芯片MAX3232ESE进行电平转换，它采用SOIC 封装方式，电源电压为3V-5.5V。电源电流为3mA，工作温度范围为-40°～+85°，它为单片机和外界提供了一个可靠的串口通信协议，是必不可少的组成部件。

3.1 无线通信接口设计

系统设计了无线数传接口电路，采用小功率无线模块JZ877进行可靠信息数传[3]。JZ877是高集成度的小功率半双工的无线数传模块，采用TI高性能射频芯片及高速单片机，提供16个频道，并配备有专业的设置软件，以便用户进行参数更改，模块采用透明传输的方式，无须用户编写设置与传输程序，即可进行传输任何大小的数据。有效传输距离为3000米（1200bps）。内置看门狗，可以保证长期可靠运行。适用于UART/TTL、RS232、RS485接口。

3.2 短信通信接口设计

系统设计了端口扩展进行CDMA通信，支持JTAG调试，多样化的程序检测路径很好地保证了系统的稳定运行[4]。CDMA短信接收电路如图5所示。

4 结束语

本文根据北方寒地水稻育秧特点，设计了智能育秧棚室环境参数采集终端系统，该系统采用太阳能供电方式，有效解决了农场农忙期经常停电带来的实际问题，系统可进行数据采集数目与种类扩展，能够实现无线、短信等多种通信方式，具有实用性强，可靠性高等优点。

参考文献

[1]田芳明，衣淑娟，谭峰，等.智能育秧群棚监控系统的设计与应用[J].广东农业科学，2011（2）：126-129.

[2]秦龙.MSP430单片机应用系统开发典型实例[M].北京：中国电力出版社，2005.

[3]郑淑慧.太阳能供电录井数据采集与无线传输系统的研究[D].东营：中国石油大学，2008.

[4]孟现平.带有CDMA短信模块的多功能电力监测仪[J].自动化与仪表，2012（4）：22-26.

作者简介：张斌（1992-），男，黑龙江八一农垦大学2011级电子信息工程专业本科生。

通讯作者：田芳明，女，讲师，现主要从事农业信息化、设施农业方面研究。endprint

摘 要：水稻育秧环节是寒地水稻种植的必要步骤，只有培育壮秧才能确保水稻高产，育秧过程中，不同育秧时期秧苗对所需的棚内空气温湿度、土壤水分、土壤温度等要求不同，只有搭建适合的生长环境，才能达到培育壮秧的目的。本设计根据寒地水稻育秧所需的特有生长环境及黑龙江垦区育秧期的实际环境状况，研制了基于太阳能供电的棚内参数采集终端系统，该系统可以实现棚内多种环境参数的实时采集，并能通过无线或短信等方式将环境信息上传到监控中心的PC机或用户手机中，使技术人员实时掌握棚内的环境状态，具有低功耗、可靠性高、通用性强等特点。

关键词：寒地；育秧；太阳能；GSM

1 引言

众所周知，黑龙江省广袤并且肥沃的平原土地资源，从之前的北大荒逐渐成为了全国数一数二的粮仓“北大仓”。随着现代化的飞速发展，农业自动控制也正在为越来越多的人所关注，它能够在很大程度上提升耕作劳动的效率和质量，为广大农民的生产生活做出贡献。然而，我省一年之中1/3的时间在冰霜笼盖之下，冬季气温低，冻土层最深达2.5米，全年无霜期平均在130天左右，针对寒地特点进行自动控制系统的特殊设计与分析显得非常重要。水稻育秧是水稻安全生产的重要环节，提供适合的生长环境对培育壮秧具有重要意义，在寒地水稻育秧过程中，不仅需要高度自动化的设备，还需要尽可能的低功耗，适应性强的设备，经研究设计了一套基于太阳能供电的寒地水稻育秧棚环境参数采集终端。系统采用低功耗MSP430单片机作为主控芯片，高效节能太阳能模块提供能量，无线数传及短信模块实现对实地情况的实时监控与操作。系统具有能耗低，运算速度快，精度高，运行可靠，适应性强，方便好用等特点，对于寒地水稻的种植及养护具有现实意义[1]。

2 系统硬件设计

根据育秧现场的实际需求及环境特点，设计了系统硬件框图（如图1所示），其中包括MSP430微处理器模块、液晶显示模块、串口无线通信模块，短信收发模块、电源模块、按键控制模块等。

当采集系统工作时，MSP430微处理器模块经电源模块供电上电复位后进入低功耗中断等待状态，根据传感器通用接口模块连接的传感器类型，通过按键控制模块启动系统进入环境参数采集过程，采集的数据经MSP430微处理器模块处理后存储到存储模块中并分屏实时显示在液晶显示模块上，MSP430微处理器模块通过远程无线模块将采集的数据发送到监控中心，供给农场技术人员进行历史数据查询等，同时，可利用GSM短信方式向用户发送信息，用户亦可通过手机向指定号码发送“查询”指令获取棚内环境参数信息。系统中采用的元器件皆为低功耗原件，太阳能供电模块可以完全满足农场农忙期经常停电的实际需求。

2.1 微控制器

系统采用了MSP430F149单片机作为主控芯片[2]，这款TI公司研制的单片机具有可靠性高，耗电量低，内嵌A/D接口等众多优点。其工作电压为3.3V，很好的适应了太阳能供电这一低功耗的特点。由于系统内有着各种各样的模拟量信号处理要求，所以内置A/D接口避免了进行外扩A/D，使系统得到了合理的利用。

2.2 供电模块

农场地区农忙期供电需求大，经常会遇到停电情况，所以供电系统的稳定是决定这个系统好坏的重要组成部分。并且考虑到北方白天光强高，光线直射时间长的特点，选择了太阳能供电的方式。利用电源管理芯片实现有电时利用市电进行供电，太阳能电池板仅对蓄电池进行充电，若停电，则转换为太阳能充电电池供电方式供电，保障系统可靠运行。其供电结构图如图2所示。

2.3 复位保护模块

采用MAX809S 复位芯片。它采用了SOT-23表面贴片3脚封装。工作电压为-0.3V-+6V。复位阀值为2.93V。具有高适应性，可在-40°-+105°间正常工作，此时电压幅度为1.2V-5.5V。其电路图如图3。

2.4 电源转换模块

在电源转换方面采用了N7805非隔离降压电源转换模块。转换效率高达96%，可在-40°-+85°下能保证正常的工作电压，适应绝大部分地区的需要，具有很好的适应性和可移植性。内部还设有短路保护和过热保护措施，能够在出现错误的时候及时对元器件进行保护。由它将电压稳定地转换到5V，再用TPS76033稳压器将其转换为3.3V的单片机可用供电电压，其电路连接如图4所示。

3 对外数据交换系统

为了适应各种不同的外界环境，模块中采用了工业级的串口通信电平转换芯片MAX3232ESE进行电平转换，它采用SOIC 封装方式，电源电压为3V-5.5V。电源电流为3mA，工作温度范围为-40°～+85°，它为单片机和外界提供了一个可靠的串口通信协议，是必不可少的组成部件。

3.1 无线通信接口设计

系统设计了无线数传接口电路，采用小功率无线模块JZ877进行可靠信息数传[3]。JZ877是高集成度的小功率半双工的无线数传模块，采用TI高性能射频芯片及高速单片机，提供16个频道，并配备有专业的设置软件，以便用户进行参数更改，模块采用透明传输的方式，无须用户编写设置与传输程序，即可进行传输任何大小的数据。有效传输距离为3000米（1200bps）。内置看门狗，可以保证长期可靠运行。适用于UART/TTL、RS232、RS485接口。

3.2 短信通信接口设计

系统设计了端口扩展进行CDMA通信，支持JTAG调试，多样化的程序检测路径很好地保证了系统的稳定运行[4]。CDMA短信接收电路如图5所示。

4 结束语

本文根据北方寒地水稻育秧特点，设计了智能育秧棚室环境参数采集终端系统，该系统采用太阳能供电方式，有效解决了农场农忙期经常停电带来的实际问题，系统可进行数据采集数目与种类扩展，能够实现无线、短信等多种通信方式，具有实用性强，可靠性高等优点。

参考文献

[1]田芳明，衣淑娟，谭峰，等.智能育秧群棚监控系统的设计与应用[J].广东农业科学，2011（2）：126-129.

[2]秦龙.MSP430单片机应用系统开发典型实例[M].北京：中国电力出版社，2005.

[3]郑淑慧.太阳能供电录井数据采集与无线传输系统的研究[D].东营：中国石油大学，2008.

[4]孟现平.带有CDMA短信模块的多功能电力监测仪[J].自动化与仪表，2012（4）：22-26.

作者简介：张斌（1992-），男，黑龙江八一农垦大学2011级电子信息工程专业本科生。

通讯作者：田芳明，女，讲师，现主要从事农业信息化、设施农业方面研究。endprint

摘 要：水稻育秧环节是寒地水稻种植的必要步骤，只有培育壮秧才能确保水稻高产，育秧过程中，不同育秧时期秧苗对所需的棚内空气温湿度、土壤水分、土壤温度等要求不同，只有搭建适合的生长环境，才能达到培育壮秧的目的。本设计根据寒地水稻育秧所需的特有生长环境及黑龙江垦区育秧期的实际环境状况，研制了基于太阳能供电的棚内参数采集终端系统，该系统可以实现棚内多种环境参数的实时采集，并能通过无线或短信等方式将环境信息上传到监控中心的PC机或用户手机中，使技术人员实时掌握棚内的环境状态，具有低功耗、可靠性高、通用性强等特点。

关键词：寒地；育秧；太阳能；GSM

1 引言

众所周知，黑龙江省广袤并且肥沃的平原土地资源，从之前的北大荒逐渐成为了全国数一数二的粮仓“北大仓”。随着现代化的飞速发展，农业自动控制也正在为越来越多的人所关注，它能够在很大程度上提升耕作劳动的效率和质量，为广大农民的生产生活做出贡献。然而，我省一年之中1/3的时间在冰霜笼盖之下，冬季气温低，冻土层最深达2.5米，全年无霜期平均在130天左右，针对寒地特点进行自动控制系统的特殊设计与分析显得非常重要。水稻育秧是水稻安全生产的重要环节，提供适合的生长环境对培育壮秧具有重要意义，在寒地水稻育秧过程中，不仅需要高度自动化的设备，还需要尽可能的低功耗，适应性强的设备，经研究设计了一套基于太阳能供电的寒地水稻育秧棚环境参数采集终端。系统采用低功耗MSP430单片机作为主控芯片，高效节能太阳能模块提供能量，无线数传及短信模块实现对实地情况的实时监控与操作。系统具有能耗低，运算速度快，精度高，运行可靠，适应性强，方便好用等特点，对于寒地水稻的种植及养护具有现实意义[1]。

2 系统硬件设计

根据育秧现场的实际需求及环境特点，设计了系统硬件框图（如图1所示），其中包括MSP430微处理器模块、液晶显示模块、串口无线通信模块，短信收发模块、电源模块、按键控制模块等。

当采集系统工作时，MSP430微处理器模块经电源模块供电上电复位后进入低功耗中断等待状态，根据传感器通用接口模块连接的传感器类型，通过按键控制模块启动系统进入环境参数采集过程，采集的数据经MSP430微处理器模块处理后存储到存储模块中并分屏实时显示在液晶显示模块上，MSP430微处理器模块通过远程无线模块将采集的数据发送到监控中心，供给农场技术人员进行历史数据查询等，同时，可利用GSM短信方式向用户发送信息，用户亦可通过手机向指定号码发送“查询”指令获取棚内环境参数信息。系统中采用的元器件皆为低功耗原件，太阳能供电模块可以完全满足农场农忙期经常停电的实际需求。

2.1 微控制器

系统采用了MSP430F149单片机作为主控芯片[2]，这款TI公司研制的单片机具有可靠性高，耗电量低，内嵌A/D接口等众多优点。其工作电压为3.3V，很好的适应了太阳能供电这一低功耗的特点。由于系统内有着各种各样的模拟量信号处理要求，所以内置A/D接口避免了进行外扩A/D，使系统得到了合理的利用。

2.2 供电模块

农场地区农忙期供电需求大，经常会遇到停电情况，所以供电系统的稳定是决定这个系统好坏的重要组成部分。并且考虑到北方白天光强高，光线直射时间长的特点，选择了太阳能供电的方式。利用电源管理芯片实现有电时利用市电进行供电，太阳能电池板仅对蓄电池进行充电，若停电，则转换为太阳能充电电池供电方式供电，保障系统可靠运行。其供电结构图如图2所示。

2.3 复位保护模块

采用MAX809S 复位芯片。它采用了SOT-23表面贴片3脚封装。工作电压为-0.3V-+6V。复位阀值为2.93V。具有高适应性，可在-40°-+105°间正常工作，此时电压幅度为1.2V-5.5V。其电路图如图3。

2.4 电源转换模块

在电源转换方面采用了N7805非隔离降压电源转换模块。转换效率高达96%，可在-40°-+85°下能保证正常的工作电压，适应绝大部分地区的需要，具有很好的适应性和可移植性。内部还设有短路保护和过热保护措施，能够在出现错误的时候及时对元器件进行保护。由它将电压稳定地转换到5V，再用TPS76033稳压器将其转换为3.3V的单片机可用供电电压，其电路连接如图4所示。

3 对外数据交换系统

为了适应各种不同的外界环境，模块中采用了工业级的串口通信电平转换芯片MAX3232ESE进行电平转换，它采用SOIC 封装方式，电源电压为3V-5.5V。电源电流为3mA，工作温度范围为-40°～+85°，它为单片机和外界提供了一个可靠的串口通信协议，是必不可少的组成部件。

3.1 无线通信接口设计

系统设计了无线数传接口电路，采用小功率无线模块JZ877进行可靠信息数传[3]。JZ877是高集成度的小功率半双工的无线数传模块，采用TI高性能射频芯片及高速单片机，提供16个频道，并配备有专业的设置软件，以便用户进行参数更改，模块采用透明传输的方式，无须用户编写设置与传输程序，即可进行传输任何大小的数据。有效传输距离为3000米（1200bps）。内置看门狗，可以保证长期可靠运行。适用于UART/TTL、RS232、RS485接口。

3.2 短信通信接口设计

系统设计了端口扩展进行CDMA通信，支持JTAG调试，多样化的程序检测路径很好地保证了系统的稳定运行[4]。CDMA短信接收电路如图5所示。

4 结束语

本文根据北方寒地水稻育秧特点，设计了智能育秧棚室环境参数采集终端系统，该系统采用太阳能供电方式，有效解决了农场农忙期经常停电带来的实际问题，系统可进行数据采集数目与种类扩展，能够实现无线、短信等多种通信方式，具有实用性强，可靠性高等优点。

参考文献

[1]田芳明，衣淑娟，谭峰，等.智能育秧群棚监控系统的设计与应用[J].广东农业科学，2011（2）：126-129.

[2]秦龙.MSP430单片机应用系统开发典型实例[M].北京：中国电力出版社，2005.

[3]郑淑慧.太阳能供电录井数据采集与无线传输系统的研究[D].东营：中国石油大学，2008.

[4]孟现平.带有CDMA短信模块的多功能电力监测仪[J].自动化与仪表，2012（4）：22-26.

作者简介：张斌（1992-），男，黑龙江八一农垦大学2011级电子信息工程专业本科生。

通讯作者：田芳明，女，讲师，现主要从事农业信息化、设施农业方面研究。endprint