基于DTU的农作物生长环境信息检测系统设计与实现

姚竟发，刘 静

（1.河北农业大学 信息科学与技术学院，河北 保定 071000；2.河北软件职业技术学院 软件工程系，河北 保定 071000；3.保定理工学院 马克思主义学院，河北 保定 071000）

精准农业概念的提出对于计算机技术有了更高的要求，利用计算机技术推广农业生产，让农业走向现代化新型农业的道路，是当前农业发展的重要路径。近年来，计算机的快速发展让农业也走向了智能化生产，农业的生产效益有了大大改善，对于农作物的生产环境也有了更高的需求。简单快捷是当前系统的主要发展方向，系统可以多平台运行已经成为现实。国内对于农作物的生产环境采集系统的研究较少，缺少完整的运行体系。当前的农田信息检测系统中，加入了物联网技术、云计算技术，随着计算机技术的不断更新与发展，越来越多的新型技术不断出现，尤其以无线传感网络应用最为广泛。DTU（Data Transfer Unit）数据传输单元，利用无线通信网络技术进行数据传输，可以有效解决在恶劣环境下无法采集和收集信息的现状。

1 系统组成

基于DTU的农作物生长环境信息检测系统组成结构如图1所示。该系统引入了Datalogger数据采集器，该数据采集器自带4 M内存，可以实时监测信息并进行处理[1]。

图1 基于DTU的农作物生长环境信息检测系统组成结构

空气和土壤需要使用专用的温湿度检测设备进行检测，检测传感器具有信号转换功能，将自身的温湿度参数转换为电压信号，并通过Datalogger数据采集器进行信号存储。DTU无线数据传感器将存储的信息通过自身的无线网络功能上传至终端，利用软件系统对目标参数进行存储和判断，完成对农作物生长环境的监控。Datalogger数据采集器利用继电器模块对电磁阀进行开关控制，通过DTU无线数据传输器进行数据上传，电脑端进行数据接收。Datalogger数据采集器对数据进行分析处理后，利用程序对电磁阀进行关停操作，从而自如控制农作物的环境参数，以促进农作物的健康生长。

2 硬件分析

Datalogger数据采集器自身具备的电流是直流电，通过RS232串口通信完成内部温度补偿与校准，可以在恶劣环境下进行在线检测。RS232具有16个单端口、8个差分口及8个I/O口。在线检测系统需要单端口2个，主要进行空气与土壤的温湿度测量，I/O口2个，利用继电器控制空气和土壤的电磁阀[2]。

DTU提供的RS232接口，与Datalogger数据采集器进行连接，通过在线检测系统让DTU可以一直保持在线工作状态，断线后可以自动连接或者自动重启，还可以远程查询、配置参数。采用Wi-Fi无线通信方式作为主要方式进行设计。

土壤温湿度传感器与空气温湿度传感器的功能见表1[3]。

表1 土壤与空气温湿度传感器功能

通过电磁阀功能控制温湿度的参数，同时将土壤浇灌设备放置在土壤表面，帮助改善农作物的生长环境和参数，不易将空气喷洒装置放置内部，应放置在植物的上方，用于改善空气的温湿度参数。

3 软件分析

采用LoggerNet软件进行编写与编译，通过文本文档编译器进行编辑。具体流程如图2所示。

图2 设计流程

LoggerNet软件具有采集功能，将采集到的数据信息进行整合，帮助系统实现通信功能。

Datalogger数据采集器属于LoggerNet软件的合作软件，用于处理各类数据，并完成数据共享。LoggerNet软件具有编写程序、数据采集和数据监控的功能，当用户使用LoggerNet软件进行参数配置时，需要使用Datalogger数据采集器进行合作配置，快速实现数据的获取和处理。同时需要注意，虚拟串口软件并不是存在的端口，而是通过虚拟手段模拟出的串口，省去了数据电缆的布线，没有物理距离上的限制，也可以很好地实现网络的数据通信功能[4]。

4 系统实现

为了验证该系统的各项功能是否可以更好地帮助改善农作物的生长环境，利用LoggerNet软件，对农作物的生长情况进行模拟，测试空气和土壤的温湿度数据，不可将空气温湿度传感器置于外部，需要将其埋入土内，检测各自的温湿度数据。将电压信号传输到Datalogger数据传感器中，利用该数据采集器对信号进行转换，利用DTU无线数据传感器将得到的环境参数上传到终端，并利用LoggerNet软件进行处理。比较实时数据与预设数据，并进行结果的比较。将结果上传到Datalogger数据采集器的I/O端口中，并对数据信息进行保存，通过控制继电器模块控制电磁阀。将土壤参数的温度设置为28℃，湿度设置为40%以下，当满足设置条件时，通过Datalogger数据采集器分析控制信号，并将获取的数据上传到终端，将土壤浇灌开关设置为10 s，执行浇灌动作对土壤进行温湿度检测操作。土壤在获取足够的水分后，在半个小时之内不再进行二次浇灌，超过半个小时之后观察数据，如温湿度满足设置条件重复浇灌动作，直到数据发生变化为止[5]。

将农作物放置在太阳下，在充分暴露在外的情况下，温度与湿度值会发生改变。空气温度不超过30℃，湿度不易超过60%，同时满足温湿度条件才可进行数据处理。控制端口的输出信号，将获得的数据信息进行存储并上传到终端设备。通过电磁阀可以对空气进行增湿降温操作，时间间隔为半小时，到时间之后继续判断，直到数据发生变化为止。特别注意的是，土壤与空气的温湿度检测要单独进行。

整个试验过程中，利用LoggerNet软件测试土壤和空气的温湿度数据，可以得到，数据曲线随着时间轴的变化而不断发生变化。Datalogger数据采集器将数据信息按照用户的要求进行存储，并记录每一个数据的时间点，方便用户日后的查看与处理[6]。

当土壤和空气的温湿度参数没有在合理的控制范围内时，需要利用Datalogger数据采集器的I/O口进行温湿度参数的重新设定，通过电磁阀进行设定，以达到目标要求。通过网络技术模拟农作物的生长情况，保证生长环境可以达到预期目标，可以更好地实现系统最初的设计初衷。通过DTU设计的农作物生长环境在线检测系统，可以实现实时监控农作物的生长环境，对土壤和空气的温湿度进行实时监控，让土壤和空气的温湿度可以拥有更好的生长环境，根据农作物的生长条件，在LoggerNet软件进行温湿度参数设定，利用控制机构，完成农作物的生长环境参数设定，保证在合适的范围之内，农作物可以获取最优质的生长环境。

5 结束语

基于DTU设计的农作物生长环境信息在线检测系统可以进行空气和土壤的温湿度测试，通过对土壤和空气温湿度的在线监控，进一步完善自动控制系统的功能，实现对各个环境参数的远程控制。