0 引言

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　　精准农业是目前世界农业发展的趋势，也是未来农业的发展方向。我国的国情是人多地少，而且随着城市化进程的不断加快，可耕地也在逐渐地减少。因此，要在有限的土地上生产出更多的粮食才能保证我国的粮食安全，这就要求必须要提高农田的单位生产效率。目前，我国正在大力提倡农业的现代化，要求搞精细化农业，而快速发展的物联网为实现农业的精细化耕种提供了可能。在我国的”十二五”规划和”863 计划”中，已经把”农业物联网”纳入到现代农业技术领域的战略中。2010 年1 月5 日，受国家发改委的委托，”精细农牧业物联网发展战略规划”列入了由中国工程院牵头的重大咨询研究专项计划中(14 个专项之一)，为我国农业物联网的发展指明了方向，给予了政策支撑，促进了农业物联网的快速发展。

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　　实施精准农业的一个重要环节就是农田信息数据的采集。但是，当前对农田信息采集技术的研究远远滞后于支撑精准农业的其他技术的要求，成为阻碍精准农业推广的主要障碍之一，目前很多专家学者针对农田信息的采集提出了很多种不同的方法和手段。经查阅文献资料后发现，大部分方法都是基于ZigBee技术的。例如，孙玉文等提出了一套基于嵌入式ZigBee 技术的农田信息服务系统，结合基于ARM9和DSP 的嵌入式移动终端和WebGIS 农田信息管理系统来获得各种农田信息。李贯峰等提出了一种基于ZigBee 技术的信息监测系统，其硬件平台基于ATmegal28和CC1101 射频芯片，软件平台利用nesC 语言实现传感器节点和汇聚节点的开发。郭家等提出了一种基于ZigBee 协议，由ARM + LINUX 模块、ZigBee 和上位机信息管理系统构成的农田环境监测网络系统。孟志军等提出基于时间阈值的数字照片自动空间位置标识方法和基于空间位置的数字照片索引及热链接方法来实现对精准农业多源信息采集管理的应用。该文献实现了基于掌上电脑的基本GIS 功能和GPS 通讯及数据解析功能，并在嵌入式农田信息采集系统中成功地实现了对基于GPS 的空间位置数据和属性数据的采集和管理。张淑娟等提出了基于PDA/GPS /GIS 的田间信息采集方法。该文献介绍了数据转换与处理方法，以及如何实现PDA、GIS 数据到桌面GIS 数据的转换与共享。

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　　虚拟仪器技术借助个人计算机的高速性能，把采集的数据进行处理、分析、存储并传输，并依托灵活高效的虚拟面板将测量结果实时显示，用编程的方式实现仪器的功能。相比传统仪器，其具有功能强、灵活、扩展性好、人机交换界面(UI)良好等特点。

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　　为了加快我国精准农业的信息化技术的发展，根据我国农业的发展状况和特点，本文结合虚拟仪器和嵌入式技术，设计了一种基于Arduino 控制板和VI 的农田信息无线采集系统。研究和设计的主要内容包括农田信息的采集处理模块、无线传输模块、上位机显示，以及对数据的分析和决策模块。

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　　该系统将采集上来的农田信息( 如土壤的温度和湿度、空气的温度和湿度、光照度等) 通过AVR 单片机进行处理后，再经过无线传输模块将该块农田的信息传给上位机，在LV 编写的显示界面上进行实时显示;并将接收的数据生成数据库，方便进行后期的数据分析，为农田的生产和管理提供决策依据。该套系统具有低成本、工作稳定及灵敏度高等特点。

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　　1 系统整体设计

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　　系统由Arduino、土壤温湿度传感器、空气温湿度传感器、光照度转换模块和无线串口发送模块组成。其中，Arduino 单片机是系统的控制中心，负责把采集上来的数据按照自定义的通信格式变成相应的帧格式发送给上位机。数据主要包括土壤环境的温湿度、空气环境的温湿度和光照度等。

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　　2 系统硬件设计

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　　2. 1 Arduino 控制板

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　　Arduino 是一种近几年非常流行的一个开源硬件控制平台，具有自己的集成开发环境( IDE)。该IDE是基于C 语言开发的，完全免费，并且是免安装的，任何人都可以从官网上下载使用，且具有简单高效的特点，很容易使用。其硬件包括原理图和印制电路板(PCB)，都是公开免费的，官方仅仅保留其Arduino 的商标所有权。很多厂商也基于官方的文件开发了多种多样的Arduino 外围功能电路可供选择，包括电机驱动、无线通信、音乐播放及各种传感器( 压力、温度、速度、倾角等)。

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　　本系统使用的Arduino 单元为Arduino UNO R3，是Arduino USB 接口系列的最新版本，核心处理器是ATmega328，具有14 路数字输入/ 输出口(6 路可作为PWM 输出)、6 路模拟输入，支持I2C 和SPI 通信协议。

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　　2. 2 光照度模块单元

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　　光照度单元采用数字光强度检测模块GY – 30。该模块采用ROHM 原装BH1750FVI 芯片，内置16bitAD 转换器，光照度范围0 ～ 65 535lx，具有接近于视觉灵敏度的分光特性，光源的依赖性不大，直接数字输出省略了复杂的计算及标定;对亮度进行1 勒克斯(lx)的高精度测定;带有SDA 和SCL 管脚，支持I2C通信协议。模块内部具有通信的电平转换功能，可与5V 单片机IO 口直接连接，无需任何外部。

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　　2. 3 空气温湿度数据采集模块

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　　空气温湿度数据采集模块采用DHT21，输出的温湿度包含已校准的数字信号，应用专用数字模块采集技术，内部由电容式感湿元件及NTC 测温元件，有很高的可靠性和稳定性;具有体积小、低功耗、传输距离远、性价比高及抗干扰能力强等特点;可以和单片机的IO 口直接连接，无需额外布线就能连接到系统中，使用非常方便。

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　　2. 4 土壤温湿度数据采集

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　　土壤湿度数据采集模块采用FC – 28 模块。该模块的比较器使用工作稳定的LM393 芯片，适用于对土壤的湿度检测;通过电位器来调节土壤湿度控制的阈值，可以大范围地控制土壤湿度。当湿度高于设定值时，输出低电平;低于设定值时，输出高电平。土壤温度数据采集模块采用经过防水、防潮、防生锈的优质不锈钢管封的DS18B20 模块。该传感器具有9 ～ 12 位可调分辨率，感温范围在- 55 ～ +125℃之间，足够用来对土壤的温度进行采集。

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　　2. 5 无线串口数据收发模块

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　　采用APC220 作为无线串口数据收发模块，采用高性能基频晶振，符合工业环境的使用要求; 内有256Byte 的缓冲区，一次可以最大传输256Byte 的数据;工作在ISM 公用频段，无需申请频率使用许可证;使用RF – Magic 设置软件可以设置其RF 输出功率(0～ 25dBm)，串口速率可设置为1. 2 ～ 38. 4kbps 多种速率、产品ID、工作频率等。

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　　3 系统软件设计

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　　3. 1 底层软件设计

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　　底层软件设计使用官方提供的免费IDE。该开发环境是基于C 语言开发，上手容易，且方便使用，因为大部分的参数设置都已经被函数化了，只需要具有简单的C 语言概念就可以很快使用它。

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　　下位机程序主要包括主循环、空气和土壤温湿度转换子程序、光照度转换子程序、数据处理子程序及串口发送子程序等。发送数据的时间间隔为1. 5s，采用自定义数据帧格式，每帧以0xFB 开头，0xFE 结束。

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　　3. 2 上位机软件设计

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　　上位机的系统控制台软件采用LabVIEW 编写，通过Arduino 控制板将采集上来的传感器数据按照自定义的通信协议组成数据帧格式，经由无线串口发送模块APC220 发给上位机，再经过数据接收和处理由相应的显示控件进行实时显示，同时把接收的下位机数据存入数据库。

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　　4 结论

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　　基于Arduin 和LV 的农田信息无线采集系统可采集土壤的温湿度、空气的温湿度和光照度，并带有对采集电路的掉电检测等相关控制电路，以及对相关数据的存储、显示和分析功能。整个系统具有采集数据精度高、操作简单及抗干扰性能强等特点，具有较高的推广使用价值。