車載土壤樣品信息快速采集裝置*

朱洪濤，張 凱，龔振華

（南京信息工程大學 信息與控制學院，江蘇 南京210044）

精準農業是指由信息技術支持的根據空間變異，定位、定時、定量地實施一整套現代化農事操作技術與管理的系統。準確地講，精準農業是在遙感RS（Remote Sensing）、 地理信息系統 GIS （GeographicalInformation System）、全球定位系統 GPS（Global Positioning System）、通信網絡等信息技術和先進制造技術支持下，利用農學、地學、生態學模型，對生產過程實施一套精確定位、定量管理集成技術的現代化農業，以最少的或最節省的投入達到同等收入或更高的收入，并改善環境，高效地利用各類農業資源，取得經濟效益和環境效益[1-2]。

精準農業是當今世界發展的新潮流，是由信息技術支持實施的一整套現代化農事操作技術與管理的系統。歐美農業高度發達，與精準農業的發展是離不開的。精準農業是現代化的技術裝備，土壤采樣作為精準農業的重要組成部分，但發展速度較為滯后，國外數年前出現一些車載土壤采樣機，雖然在一定程度上解決了以往純人工采樣的一些弊端，但是大部分的產品仍然是人工操作的，帶GPS定位的土壤采樣車較少[3]。國內土壤采樣器應用較多的仍然是沿用五、六十年代的技術，需要大量的人工操作與記錄，可靠性不高，效率低下，雖然近年來出現了一些車載土壤采樣器，但是還是沒有能夠有效解決因人工操作帶來的一些不良影響。隨著對于土壤研究要求的日益提高，為了滿足不同土質的不同采樣要求，土壤采樣車的設計也成為了近年國家“863”計劃重點研究課題之一。其中，張凱等人對于土壤采樣車的機械開發研究為車載土壤采樣設備奠定了基礎[4]；鄭長奇等人研究的采樣頭液壓驅動回路的優化提高了土壤采樣裝置的機械工作效率[5]。但是土壤采樣車還缺乏必要的安全保障，存在數據采集可靠性不高、自動化程度低等問題，因此，本文研制了一種土壤采樣車車載土壤樣品信息采集裝置，裝置體積小、抗震性好，為土壤采樣裝備提供信息化裝備，為精準農業發展提供一定的理論基礎和實踐經驗。

1 裝置總體結構

智能車載土壤樣品信息采集裝置主要有信息采集、監控、信息處理和發送等功能。

信息采集功能主要包括對環境溫濕度的采集以及采集地點位置信息的采集，通過對環境溫濕度的采樣分析可以得出該地區土壤狀況受環境溫濕度變化的影響，地點位置信息是土壤樣品的采集位置坐標；監控功能是指對采樣頭工作狀態的監控，通過對采樣頭動力驅動單元，即液壓油路壓力的監控可得到鉆頭工作狀態；信息處理功能由微型控制器作為信息處理的核心，用以將采集到的數據進行整理并控制外圍器件；信息發送功能是將土壤采樣地點信息以及環境溫濕度信息發送至研究所上位機數據管理平臺，實現對土壤樣品信息的快速自動獲取。

本文所述的車載土壤樣品信息采集裝置采用模塊化設計。主要由電源模塊、復位電路模塊、微控制器MSP430模塊、GPS數據接收模塊、GSM無線通信模塊、環境傳感器模塊、壓力傳感器模塊、存儲模塊和液晶顯示模塊組成，如圖1所示。

圖1 裝置結構圖

2 裝置硬件電路設計

裝置采用TI公司推出的低功耗單片機MSP430F149作為主控制芯片，MSP430系列是一個16 bit、具有精簡指令集、超低功耗的混合型單片機，具有極低的功耗、豐富的片內外設和方便靈活的開發手段，以及MSP430單片機豐富的應用實踐基礎，為本裝置提供了節能穩定且高效的控制方案[6]。

2.1 溫濕度傳感器

溫濕度傳感器采用SENSIRION公司生產的SHT11。SHT11溫濕度傳感器將溫濕度傳感器、信號放大調理、A/D轉換無縫連接在一起，具有響應快、功耗低、抗干擾能力強、極高的性價比等優點。其測量溫度和相對濕度的分辨率分別為14位、12位，通過狀態寄存器可調節至12位和8位。溫度測量范圍為-40℃～+123.8℃，測量精度為±0.5℃；濕度測量范圍為 0～100%RH，分辨率為±3.5%RH，并且支持在測量過程中對相對濕度自動校準。因此完全可以滿足本文所述裝置對于溫濕度精度的要求。SHT11的供電電壓為2.4 V～5.5 V，只需占用單片機2個I/O口分別作為數據線DATA和時鐘線SCLK，DATA端接入1只上拉電阻，電源間增加一個0.1 μF的電容，用以去耦濾波。SHT11采用 SMD（LCC）表面貼片封裝形式，接口非常簡單，其與MSP430連接電路圖如圖2所示。

圖2 SHT11連接電路圖

2.2 壓力傳感器

土壤采樣車采樣頭動力由液壓驅動，因此，對于液壓回路的監控不但可以提高土壤采樣車作業的安全性和可靠性也可以保護采樣頭避免承受太大壓力而過度磨損。土壤采樣車液壓回路采用美國MEAS公司的MSP300壓力傳感器，土壤采樣裝置車液壓油缸內液壓為 6 MPa[5]，因此選用量程為 0～100 bar（合 10 MPa）的壓力傳感器可以滿足土壤采樣車液壓監控要求。由于壓力傳感器輸出信號為電壓信號，因此需要用MSP430自帶的12 bit A/D轉換模塊將電壓信號轉化為數字信號。壓力傳感器的電器連接如圖3所示。

圖3 壓力傳感器連接電路圖

由圖看出，將液壓傳感器的輸出信號經過電阻分壓處理，將輸出電壓控制在0～2.5 V，這是因為MSP430F149單片機內置了2.5 V的參考電壓，使用內部參考電壓可以有效地簡化電路設計，提高電壓信號采樣轉化的準確性與穩定性。傳感器電壓信號接入MSP430的P6.0口進行數據采集，由于經過MSP430的A/D轉換出的數字信號是12 bit的二進制數，滿刻度為FFFH（對應十進制4 095），轉為實際電壓需要經過如下計算過程：

進行多次轉換后，取32次平均值以提高信號采集精度。

2.3 GPS

對于土壤采集位置的確定，GPS（全球定位系統）可以提供比較精確的數據。本裝置采用現在普遍使用的基于SIRF3芯片組的GS-92模塊，運行功耗僅35 mA，定位精度在10 m以內，上電啟動后，可以迅速完成搜星定位以及數據傳送等功能，完全可以滿足對于土壤采樣位置的定位。

圖4所示為GS-92模塊與MSP430的連接電路圖，模塊供電要求為3.3 V，電源和地之間增加濾波電容提高系統穩定性，將TXD端口接入單片機P3.5（URXD0）完成數據的接收。

2.4 GSM無線通信

土壤信息采集裝置所采集到的信息通過GSM無線通信方式發送至上位機管理平臺，實現土壤信息的快速自動獲取。GSM模塊采用SIEMENS TC35i芯片，TC35i的數據I/O口是一個串行異步收發器，符合RS232標準，8位數據位和1位停止位，無校驗位，波特率在300 b/s～115 kb/s之間，支持 AT操作指令；接口協議公開，方便用戶的應用開發及設計。

TC35i的數據通道輸出高電平為 2.25 V～2.76 V，輸出低電平最大值為0.2 V，輸入高電平為1.95 V～3.3 V，輸入低電平為-0.3 V～0.5 V，與MSP430串行口可以直接通信，不需要進行I/O口的電平轉換。本裝置中只涉及 TC35i模塊的 15引腳 （IGT）、18引腳 （RXD0）、19引腳（TXD0）以及 SIM卡引腳24～29，其他引腳功能沒有被使用。引腳15連接單片機P4.5，單片機I/O口可以通過程序設置輸出200 ms的低電平以啟動TC35i模塊；引腳18和19分別接單片機串行接口P3.6和P3.7，用以發送土壤信息和接收信息。

2.5 LCD液晶顯示的設計

本裝置采用一塊12864單色液晶屏幕作為人機交互的界面。12864是一款成熟的漢字圖形顯示模塊，可顯示漢字和圖形，支持光標顯示、畫面移位、自定義字符、睡眠模式等多種實用功能，完全能夠滿足本裝置的使用需要。

12864 模塊具有2.7 V～5.5 V的寬工作電壓范圍，具有串/并行多種接口方式，本裝置采用串行接口實現12864與單片機之間的通信，因此只需連接引腳4、引腳5、引腳6和引腳 15。引腳 4（片選控制位）接單片機 I/O口；引腳 5（串行數據輸入口）接單片機I/O口，用來傳輸需要顯示的數據；引腳6（串行移位脈沖輸入）接單片機I/O口，為數據按位傳輸提供穩定時序；引腳15為串/并傳輸方式選擇位，該位置低為串行傳輸方式，因此直接將該位接地，使12864始終處于串行傳輸方式。具體電路連接如圖5所示。

3 單片機控制程序設計

MSP430作為信息采集裝置的主控制器，其軟件功能主要包括：監視液壓泵壓力、按需獲取溫濕度傳感器數據、按需獲取GPS位置數據、通過AT指令控制GSM模塊發送數據等。主程序的流程框圖如圖6所示。

裝置在上電后，首先初始化各模塊，準備工作；然后設定定時中斷，在每一個定時內，單片機都需要對傳感器上的數據讀取一次并顯示；如果用戶有發送命令，則啟動GSM模塊，把當前狀態下有關數據通過短信形式發送到土壤研究所上位機平臺，如此完成對于土壤采樣車的監控以及對土壤樣品信息的快速采集，為土壤采樣作業提供良好的人機交互界面。

4 裝置測試和實驗結果

裝置測試過程如下：

（1）將裝置放置于田間等空曠地，便于GPS搜星；

（2）觀察溫濕度傳感器以及GPS位置數據顯示；

（3）按鍵選擇GSM發送，通過上位機軟件觀察數據傳回狀態；

（4）上位機通過RS232串口接收來自車載土壤樣品信息菜價裝置發來的GSM短信，解析數據后，顯示在土壤信息管理平臺上，如圖7所示。

車載土壤樣品信息快速采集裝置是基于土壤采樣車開發的自動化信息控制裝置。具有監控采樣車工作狀態、采集土壤樣品信息、發送土壤樣品信息等多種功能，符合現代精準農業對于農業機械的信息技術要求。經實驗室測試表明，該裝置運行穩定、可靠性較高，可以實現設計功能。

[1]陳立東，馬淑英，李國昉，等.談我國精準農業裝備技術的現狀及發展方向[J].山東農機，2004（12）：4-6.

[2]戎愷，楊星衛，段項鎖.精準農業的研究應用現狀和發展趨勢[J].上海農業學報，2000，16（3）：5-8.

[3] WUEST， STEWART B.Small-IncrementElectric Soil Sampler[J].Soil Science Society of America Journal， 2008，72（6）：1554-1556.

[4]張凱，劉成良.車載液壓振動式土壤采集裝置研究[J].南京信息工程大學 學報 （自然科 學版 ），2010，2（4）：297-301.

[5]鄭長奇，苗玉彬.農田土壤快速信息采樣設備設計研究[D].上海：上海交通大學，2008.

[6]TI.MSP430x1xx family user′s guide.2006.