基于GPS的现代农业信息计算机采集系统设计

章玉清

（荆楚理工学院 湖北荆门 448000）

地理信息是信息采集的关键，借助于GPS技术可有效丰富农业信息采集的精准性和内容，有助于提高地址信息的精度，满足农民使用需要。因此通过设计结合GPS技术的农业信息采集系统，提供给农民精准高效的信息服务。

1 我国农业信息采集特征

目前我国农业机械的使用相对滞后，使用的设备多比较陈旧。且农业管理理念落后，我国农业资源丰富，对于信息采集的要求较为多样，采集农业信息十分困难。农田信息种类多样，涉及的范围相对广泛，如土壤信息、GPS定位、环境信息等，需要采集的农业数据多种多样，变化速度快，为进一步提高农业效率，还需要研发更加先进的农业信息采集系统。

农业信息数据的采集工作难度高，一方面由于使用GPS接受设备成本高昂，采集仪价格多处于几万至几十万之间，用户经济水平很难满足。同时由于农业信息种类较多，采集信息较为模糊，进一步提高了采集信息的难度。另一方面，为实现对信息的综合采集，要注意对信息的分散，推动信息之间相互关联，为分析数据价值和关联提供良好的基础[1]。针对农业信息采集特征，面对采集农业信息的难度，为研发现代农业信息采集系统提供了指导方向。需要明确农业信息采集的需求，由于农业空间分布相对规律，大多数呈现出矩形。很多农业区域采用人工建构方法建设大棚和温室。为了给林业、种植业以及养殖业创造良好的环境，主要围绕土壤pH值、温度、湿度、土壤水分等展开调查收集信息。

2 基于GPS的现代农业信息计算机采集系统设计

2.1 总体架构设计

采集系统主要包含上位机和田间采集设备，采集设备可采取便携式小型设备和固定设备结合，在无线网络覆盖条件下，利用采集设备的传感器收集环境信息，并提供数据储存管理功能。安装GPS定位模块，能够自动定位地理信息，根据测量信息，能够通过无线和有线形式构建网络通讯，构成采集网络。环境信息采集设备使用单片机作为核心设备，系统使用了单片机作为核心的职能系统，包含传感器、调理吊炉以及核心处理模块等。

2.2 硬件设计

2.2.1 传感器设备

本文使用了温度、湿度、pH值、压力、风速、光照、土壤水分等传感器设备，如测量温湿度要精准把握农业耕作，本文选择电阻式温度传感器。湿度测量较为困难，湿气信息的传达相对复杂，本文选择薄膜电容，电容量可以根据环境变化而变化，对湿度数据进行反馈，同时模块可以提供良好的稳定性。

2.2.2 土壤水分测量

对于土壤水分测量使用驻波率间接测量，对土壤中水分容积含水率进行测量，虽然结果不如烘干测量准确，但是测量速度快，也具有良好的精准度，不易腐蚀，价格低廉。

2.2.3 土壤pH测量

测量土壤pH值代表着溶液酸碱度，测量pH值主要在化工、环保、电力等领域中应用。传感器具有良好的稳定性、重复性和测量范围。测量pH值主要利用电极，处理温度带来的影响，本文选择性能更高的复合电极，并利用玻璃电极以及温度电极等辅助，进行应用能够测量0～14 的pH值，响应速度迅速，具有较高的稳定性。

2.2.4 电导率测量

测量电导率有配比溶液和四电极原位测定两种方法，能够对土壤进行直接测量。测量结果受到多种因素影响，不容易受到控制，四电极法得到的测量结果更加准确。本文使用了电导电极，可对溶液电导率准确测量，进而通过电阻计算，得到电导率的数据。电导率测量可采取直流电，由于直流分压方式测量容易发生两极分化现象，严重影响测量精度[2]。

2.2.5 土壤压实度测量

土壤颗粒之间的缝隙大小代表压实度，缝隙丢失意味着空气和水分在土壤中无法流通，土壤压实度严重会造成农作物生长速度缓慢，对农作物的生长发育产生直接影响，出现机械耕作困难。本系统使用电阻应变拉压力传感器，该设备作用稳定，有着良好的抗冲击能力，能够远距离动态测量。

2.2.6 键盘、显示及存储系统

键盘系统使用横列式按键，每个按键占用一个I/O线，造成I/O口浪费。本文选择行列式按钮，按照I/O线可得到行结构以及列结构，两者交叉位置上设计按键，按键数量增加可节约大量口线。使用LCD模块，作为点阵式液晶显示屏，可以由控制驱动芯片添加辅助电路构成，使用SIP封装取代实际封装。存储系统使用可编程制度存储器，具有良好的储存容量，结构紧凑，价格低廉。

2.2.7 GPS系统

精确的农业信息是实现精细农业的基础，采集农业信息时，要获取采样点位置信息。使用GPS技术可满足地理信息精准度的要求。GPS定位具有实时、全天候和快速的优势，也能提供导航功能。GPS接收机输出定位数据，接受机可以由用户选择语句输出，包含GPS信息。数据项之间使用逗号分隔。GPS接收机能够输出地心大地坐标系的高度、纬度和经度数据，要想统一测量数据和当前结构，要转换测量数据的坐标。

2.2.8 打印机系统

在现场测量中，可能需要打印历史数据进行研究。本系统配置打印机系统，能够随时在现场打印数据。

2.3 软件设计

2.3.1 功能设计

软件设计是系统的核心，功能完善的软件能够保障系统的正常使用。软件功能设计主要包括浏览数据、通信功能、数据采集以及系统初始化等。采集程序整合传感器传导的数据，系统进一步处理数据，转化为可以识别的信号和数据，实现人工交互。

2.3.2 主程序设计

主程序负责调度各个程序，和外部设备交换数据，对硬件设备和软件程序进行统一管理，为了让系统正常运行，主程序需要具有初始化和自检功能，包括诊断RAM、CPU、ROM等。

（1）数据采集程序

系统使用人机交互界面和键盘控制完成采集工作，采集程序对应着采集按钮。按钮被按下，系统在内存内开启暂存数组，用于保存测量数据。系统显示的是对旧数据的补充测量，读取存储器对应的数据。按下按键后，程序要点亮LED指示灯，打开A/D转换通道，进入数据处理程序。

（2）测量模拟量

通过A/D转换测量模拟量，将定时器0打开，用于读取转换结果。转换程序，完成测量后发出外部中断信号，使用A/D转换，每间隔一段时间读取转换结果。使用定时器0定时，每间隔200 ms读取结果。先要选择高位地址，将RD信号送入CE端，读入高位数据。选择RD信号送入CE端，读取低位数据，分成两次读取低位数据和高位数据，保存全局变量。数据测量程序，将A/S转换结果带入程序，筛选A/D值并计算，得到测量结果。

（3）测量频率量

接收到风速传感器的风速频率，使用定时器定时，产生0.5s间隔，使用定时器0计数。对外部频率缓冲个数测量，每间隔0.5s，读取计数值，传输给计算子程序，将数值转化为风速数据，在显示画面中呈现给人员。

（4）测量数字量

对于数字量的测量，和读取GPS信号互相对应，本系统使用外接GPS接收器获取信号，选择单向通讯。只能被动接收信号。按下测量键，用户读取信号后，在页面中输入GPS信号，并操作接收机，系统将信号传递给单片机的串口，一旦串口中断，程序可以对中断信号申请[3]。GPS信号可被自动存入总线，等待单片机读取信号，单片机读取后数据被保存在缓存数组中，对信号完整性进一步验证，若验证未发现错误信号，可变换GPS信号。

（5）储存功能

系统在田间作业，要具有强大的储存功能，保存实时数据。本系统使用可编程存储器，可以支持2M存储容量。用户完成测量后，按下SAVE按钮，数据可以自动进入存储程序。

（6）查询功能

按下功能键后，选择Dis功能，修通可以从0地址取出存储数据地址，根据地址查询，系统提供翻页键，用户可以按顺序查找数据。如果查询地址不在存储范围内，会提示无数据。

（7）删除功能

系统保存大量数据时，部分数据可以被直接删除，删除数据将0地址赋10，作为首字节，可以从10地址进行读取。

（8）传输功能

第一，串行口传输，借助于串行口的传输功能，让系统具备了实时传输和短消息传输。串行口传输需要单片机将采集数据上传至上位机加以处理。第二，系统初始化时，对寄存器赋值，单片机可从总线取出数据，作为单片机传输的数据。从保存数据的初始地址起，逐一进行查询。第三，用户查询测量对象的实时数据可以得到实时传输，实时数据直接被上传至上位机得到分析，测量结果被传递至串行口，不是保存在存储器中。第四，远距离传输短消息，要借助于AT命令，可直接操作短消息模块。

（9）数据打印

串口和打印机相互连接，打印机执行内部命令，控制码为一字节序列，执行打印命令。串口波特率和默认波特率一致。单片机通过串口给打印机发送字符命令，受到命令后自检。单片机在读取数据信号之后，将数据传递给串口，数据被保存在打印机设备的缓冲空间中，串口可对打印机发送指令，打印机按照命令打印全部字符。

3 小结

通过利用GPS系统设计农业信息采集系统，可利用先进系统设备采集农业信息辅助农业重视，GPS技术可支持信息地址采集，提高信息采集速度，减少采集信息错误，有助于提高信息采集的准确性。计算机采集信息系统的应用，有助于推动农业现代化发展。