便攜式土地墑情監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

孫 巖，徐曉輝，蘇彥莽，宋 濤，武興華

(河北工業(yè)大學(xué) 信息工程學(xué)院，天津 300401)

0 前 言

土地墑情是指土壤的水分含量，即土壤干濕程度，是重要的土壤信息[1]。如何高效的進(jìn)行土地墑情的監(jiān)測是實(shí)現(xiàn)節(jié)約用水和自動(dòng)澆灌的基礎(chǔ)。隨著科學(xué)的發(fā)展，雖然自動(dòng)墑情監(jiān)測站的投入使用促進(jìn)了土壤墑情監(jiān)測在節(jié)水灌溉、旱情控制、各種農(nóng)業(yè)水土工程管理及農(nóng)田氣象等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用[2]，但仍存在諸多不足之處。由于監(jiān)測站只能進(jìn)行固定地點(diǎn)的監(jiān)測而無法移動(dòng)，要想在其他沒有安裝站點(diǎn)的地方進(jìn)行測量便無法實(shí)現(xiàn)。

為了更方便靈活對(duì)土壤墑情進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，我們借助GPS和GSM技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種便攜式土壤墑情監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有體積小、低功耗、實(shí)時(shí)采集、便于野外攜帶等優(yōu)點(diǎn)，節(jié)約成本，方便使用，對(duì)解決野外無固定墑情監(jiān)測站地點(diǎn)的墑情監(jiān)測具有重要意義。

1 系統(tǒng)總體

便攜式土壤墑情監(jiān)測系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)土壤水分含量、土壤溫度和地理位置信息數(shù)據(jù)的采集、本地顯示、存儲(chǔ)和遠(yuǎn)傳?？傮w結(jié)構(gòu)如圖1。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

便攜式墑情采集系統(tǒng)主要采集土壤的水分值和土壤溫度值。系統(tǒng)以C8051F340單片機(jī)為中心，主要由土壤溫濕度傳感器采集模塊、GPS模塊、GSM模塊、液晶顯示屏以及蓄電池等模塊組成[3]。系統(tǒng)硬件架構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件架構(gòu)

2.1 墑情監(jiān)測系統(tǒng)功能

墑情監(jiān)測系統(tǒng)使用模塊化結(jié)構(gòu)，分為多種模塊，其中，數(shù)據(jù)采集與處理模塊、存儲(chǔ)模塊以及GSM模塊是其主要模塊。各模塊的主要功能如下：

(1)數(shù)據(jù)采集與處理模塊主要實(shí)現(xiàn)兩方面的功能，一方面?zhèn)鞲衅鞑杉降臄?shù)據(jù)通過AD模塊將接收到的信號(hào)輸入給單片機(jī)進(jìn)行處理，并將結(jié)果顯示出來。另一方面GPS模塊將采集地點(diǎn)的地理位置等信息傳輸給單片機(jī)；

(2)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊主要功能將單片機(jī)系統(tǒng)處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，同時(shí)GPS模塊采集到的經(jīng)緯度、時(shí)間等地理位置信息也在這個(gè)部分存儲(chǔ)。

(3)GSM通訊模塊主要實(shí)現(xiàn)和遠(yuǎn)端監(jiān)控中心的通訊，將便攜式土壤墑情監(jiān)測系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳至監(jiān)控中心。

2.2 電源模塊

由于在野外進(jìn)行土地墑情監(jiān)測時(shí)無法隨時(shí)充電，本監(jiān)測系統(tǒng)為了達(dá)到便攜可移動(dòng)的目的，將采用以蓄電池供電為主，太陽能電池板輔助供電的方式。電源系統(tǒng)主要由一個(gè)太陽能電池板、充電管理電路和一個(gè)蓄電池構(gòu)成。通過該電源系統(tǒng)將使得監(jiān)測器能夠獲得不間斷供電，實(shí)現(xiàn)野外長期作業(yè)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括墑情數(shù)據(jù)采集與處理程序設(shè)計(jì)、GSM通信子程序設(shè)計(jì)、時(shí)鐘芯片初始化及看門狗復(fù)位程序設(shè)計(jì)等[4]。其中，本設(shè)計(jì)的重點(diǎn)內(nèi)容是墑情數(shù)據(jù)采集及處理模塊和GSM通信模塊。系統(tǒng)流程圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)流程圖

3.1 數(shù)據(jù)采集子程序

數(shù)據(jù)采集與處理模塊作為軟件的核心,將實(shí)現(xiàn)對(duì)土地墑情和地理位置信息的采集，并將采集到的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在存儲(chǔ)單元中。流程圖如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)采集流程圖

3.2 GPS模塊

GPS接收機(jī)主要輸出NMEA語句,它是一套定義接收機(jī)輸出的標(biāo)準(zhǔn)信息。由于不同語句有許多不同的格式，如果單純采用該語句將不利于定位信息數(shù)據(jù)的接收和讀取。為此采用了下述技術(shù)。

(1)串行通訊協(xié)議:串行通訊協(xié)議分為起始位、數(shù)據(jù)位、停止位以及校驗(yàn)位。本通訊協(xié)議無校驗(yàn)位，有8位數(shù)據(jù)位，起始位和停止位各1位,波特率設(shè)置成9 600 bps[5]。

(2)使用RMC語句：RMC表示最小定位信息，為推薦使用的語句格式。GPS數(shù)據(jù)主要存在于RMC語句中。“$GPRMC”為特征字符串，通過該字符串能夠?qū)MC語句從GPS數(shù)據(jù)中分離出來。

(3)校驗(yàn)RMC語句的完整性：RMC語句格式為$GPRMC,<1>,<2>,<3>,<4>,<5>,<6>,<7>,<8>,<9>,<10>,<11>,<12>*hh。語句中在“$”和“*”之間的字符相加,如果與校驗(yàn)和字節(jié)相同，則表明數(shù)據(jù)正確,不相同則表明語句不正確。

(4)定位數(shù)據(jù)分離：在RMC語句中,各地理位置和時(shí)間信息數(shù)據(jù)的位置是一定的,如經(jīng)度數(shù)據(jù)一般在第18～28字節(jié),緯度數(shù)據(jù)一般在第32～41字節(jié),讀取相應(yīng)位置的數(shù)據(jù)就可獲得測量點(diǎn)的相應(yīng)地理位置信息。

3.3 傳感器快速校準(zhǔn)

隨著設(shè)備的長期使用，傳感器會(huì)因?yàn)橥寥拉h(huán)境、設(shè)備老化等因素的影響，使測量特性發(fā)生偏差。因此監(jiān)測設(shè)備需要定期對(duì)溫濕度傳感器進(jìn)行快速校準(zhǔn)，糾正傳感器輸入輸出特性，以便保證溫濕度傳感器測量的準(zhǔn)確性。

土壤溫濕度傳感器以FDR-100為例，快速校準(zhǔn)流程圖如圖5所示，初始化主要是對(duì)微處理器內(nèi)部特殊功能寄存器、AD轉(zhuǎn)換等進(jìn)行初始化狀態(tài)的設(shè)定[6]。系統(tǒng)上電后，待電壓穩(wěn)定后入測量狀態(tài)，調(diào)用計(jì)算公式對(duì) FDR-100的輸出電壓進(jìn)行修正校準(zhǔn)，最后輸出校準(zhǔn)后的電壓值。

圖5 校準(zhǔn)系統(tǒng)流程圖

3.4 通信模塊的實(shí)現(xiàn)

GSM模塊有兩種傳輸方式負(fù)責(zé)采集數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)傳，分別是GPRS網(wǎng)絡(luò)和GSM短消息。兩者都是通過GSM/GPRS無線信道實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，前者通過監(jiān)聽指定的TCP端口接收數(shù)據(jù)，后者則通過串口向GSM模塊發(fā)送AT指令完成短信接收[7]。

3.4.1GPRS網(wǎng)絡(luò)模塊

GPRS網(wǎng)絡(luò)模塊采用 TCP/IP協(xié)議利用SOCKET實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，在與監(jiān)測中心建立聯(lián)接前要預(yù)先設(shè)置IP地址和端口號(hào)，聯(lián)網(wǎng)成功后，將TCP數(shù)據(jù)包按設(shè)置好的IP地址發(fā)送出去，監(jiān)測中心接收后對(duì)其進(jìn)行解析，獲得相應(yīng)數(shù)據(jù)。

首先，對(duì)SIM900A模塊進(jìn)行初始化。發(fā)送“AT”指令字符串，確認(rèn)是否連接正確；再發(fā)送“AT+CLPORT =,，”指令字符串，若收到響應(yīng)“OK”，則設(shè)置成功設(shè)置本地端口號(hào)。

其次，發(fā)送指令“AT+CIPSTART =,，”，建立GPRS連接。若收到響應(yīng)指令“CONNECT OK”，則GPRS連接成功。

最后，單片機(jī)發(fā)送指令“AT+CIPSEND”，請(qǐng)求是否發(fā)送數(shù)據(jù)信息。若收到響應(yīng)指令“>”，則開始發(fā)送溫濕度傳感器及地理位置信息等數(shù)據(jù)。GPRS流程如圖6所示。

圖6 GPRS連接流程圖

3.4.2短消息模塊

(1)AT指令。將GSM模塊與C8051單片機(jī)相連接，單片機(jī)主要是通過RS232異步串口線發(fā)送T指令來控制GSM模塊收發(fā)短消息。首先設(shè)定目標(biāo)手機(jī)號(hào)碼，然后將數(shù)據(jù)加載到短消息內(nèi)容中，最后控制GSM發(fā)送短消息。數(shù)據(jù)可以以短消息的形式發(fā)送到手機(jī)上，也可以發(fā)送給另一個(gè)遠(yuǎn)程的GSM，該GSM模塊與遠(yuǎn)程監(jiān)控中心通過串口線相連接，在遠(yuǎn)程監(jiān)控中心上建立超級(jí)終端后同樣可以通過發(fā)送AT指令讀取收到的短消息內(nèi)容。從而便完成了墑情數(shù)據(jù)的無線遠(yuǎn)程傳輸。

GSM模塊提供標(biāo)準(zhǔn)的AT指令來控制短消息的收發(fā)及其他命令。AT指令通常是以特定指令前綴“AT”開頭，以回車“指令結(jié)束標(biāo)志”結(jié)束。每個(gè)指令執(zhí)行是否成功，都有對(duì)應(yīng)的返回信息。常用的AT指令如下:①AT+CMGF:用于設(shè)置短消息的格式。短信的編碼格式主要分為兩種：一種是text格式，明文不用解碼一看就懂，一種是PDU格式，國內(nèi)一般都是PDU格式。0為PDU模式,1為TEXT模式。本文采用國內(nèi)普遍支持的PDU格式并利用UCS2編碼格式進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸；②AT+CMGS:用于發(fā)送短消息；③AT+CMGD:用于刪除已讀短消息,進(jìn)行數(shù)據(jù)維護(hù)；④AT+GSMR:用于讀取短消息；⑤AT+CSCA:用于設(shè)置短消息中心。

4 結(jié) 語

便攜式土壤墑情采集系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)突出了實(shí)時(shí)便攜、成本低廉和耐久實(shí)用等特點(diǎn)[8]。在土壤含水量數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)了便攜式監(jiān)測，采集了土壤水分含量、經(jīng)緯度數(shù)據(jù)、監(jiān)測時(shí)間，并實(shí)現(xiàn)了無線發(fā)送，實(shí)現(xiàn)信息采集的及時(shí)、準(zhǔn)確、空間定位等。

本便攜式土地墑情采集系統(tǒng)在傳統(tǒng)固定式墑情監(jiān)測站的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了以下幾方面的改進(jìn)：

(1)加入GPS模塊，目的是提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，如：經(jīng)緯度、時(shí)間等導(dǎo)航和定位信息。

(2)該系統(tǒng)通過設(shè)置土壤溫度傳感器插口和土壤濕度傳感器插口，以實(shí)現(xiàn)同時(shí)對(duì)土壤的溫濕度數(shù)據(jù)的采集和顯示，而不需要再進(jìn)行分開測量。另外，本監(jiān)測系統(tǒng)的傳感器接口還具有擴(kuò)充功能，可以根據(jù)用戶的不同要求選用其他不同類型的傳感器。

(3)該設(shè)計(jì)與以往的固定監(jiān)測站最大區(qū)別之處在于其可移動(dòng)性。通過采用太陽能電池板輔助蓄電池供電的方式，無論有陽光還是陰天都可不間斷發(fā)送數(shù)據(jù)，使整個(gè)監(jiān)測系統(tǒng)變得小巧可移動(dòng)，達(dá)到了真正便攜的目的，適合在野外長期工作。

(4)采用LCD顯示屏顯示墑情、經(jīng)緯度及附加時(shí)間等采集數(shù)據(jù)，可以實(shí)時(shí)了解監(jiān)測數(shù)據(jù)信息，并通過按鍵完成相應(yīng)操作。

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