便攜式土壤墑情采集器設計

員玉良，白壯壯，吳聰康

(青島農業大學機電工程學院，山東 青島 266109)

0 引 言

土壤墑情的有效獲取是精準農業發展的前提，是實現節水灌溉的基礎[1]。美國等西方國家在20世紀70年代首先采用中子衰減法采集土壤含水量對土壤墑情進行了監測與預估。進入21世紀后，土壤墑情監測技術及設備的發展迅速，結合網絡通訊技術實現了土壤墑情監測的即時通訊與網絡化傳輸[2,3]。國內農業現代化進程相對較慢，雷志棟院士[4]自20世紀80年代開始進行土壤水分及相關問題的研究，并提出了“四水轉化”概念。隨著精細農業這一現代化理念的出現，國內越來越多的學者開始進行土壤墑情的相關研究，關于土壤溫濕度檢測的方法與技術也日新月異。尤其是物聯網技術的發展，國內出現了一系列結合無線通信技術的墑情檢測系統。王玖林等[5]設計了基于LoRa的節水灌溉系統，賈科進等[6]設計了基于ZigBee無線傳感網絡的土壤墑情監測系統，陳天華等[7]設計的基于ARM和GPRS的遠程土壤墑情監測預報系統，這些系統基本都具有物聯網的結構模式，但均存在傳感器精度較低、兼容性差以及成本高等問題，大面積推廣使用較困難。

基于此，本文設計了一種便攜式土壤墑情采集器，利用FD阻抗法土壤水分傳感器檢測土壤水分，數字溫度傳感器測量土壤溫度，結合無線通訊及GPS等技術，實現測定點的土壤溫濕度與位置的即插、即測、即存以及即發等功能。

1 整體方案設計

便攜式土壤墑情采集器通過土壤水分傳感器和溫度傳感器測得土壤溫濕度數據，經單片機處理后實時顯示并存儲，根據按鍵選擇的模式決定數據通過藍牙發送至手機或GPRS傳輸至PC上位機[8]，整體功能方案示意圖如圖1所示。

圖1 整體功能方案示意圖

2 采集器硬件設計

本文所設計的土壤墑情采集器需要采集土壤溫濕度及地理位置等相關信息并將數據存儲發送，傳感器需便攜、快捷、準確采集?？紤]到傳感器主要在戶外工作，因此應自帶電源，須采用低功耗設計。

便攜式土壤墑情采集器主要包括：主控CPU、電源模塊、傳感器電路(土壤水分傳感器、土壤溫度傳感器)、數據采集控制電路、無線通信電路、顯示電路、存儲電路以及按鍵輸入電路，具體結構如圖2所示。主控CPU選擇STM32系列單片機[9]，土壤溫度傳感器采用數字溫度傳感器DS18B20。

圖2 采集器硬件結構圖

2.1 土壤水分傳感器硬件設計

土壤是一種非均質、分散、多孔介質，主要由固體、液體與空氣三類物體等組成。根據介電理論，土壤的介電常數中水的介電常數占主要部分，因此通過測含水土壤的相對介電常數即可間接測得土壤的容積含水量[10]。本設計采用基于FD阻抗法的測量方法[11,12]，采用土壤探針阻抗測試原理如圖3所示，圖3中Zo為分壓阻抗，Ua與Ub分別為采樣電壓。其中：

(1)

圖3 FD阻抗法原理示意圖

土壤水分傳感器主要由電源電路、高頻振蕩電路、檢波電路以及放大電路等部分組成。

電源電路主要為脈沖電路及差分放大電路提供穩定電壓，采用LM2576S-5.0穩壓芯片將輸入電壓穩定在5 V；高頻振蕩電路采用100 MHz有源晶振產生一個100 MHz的正弦信號。

檢波電路采用二極管檢波電路，分別接采樣阻抗兩端，檢波電路輸出為采樣電壓Ua、Ub，為差分放大輸出信號。

放大電路采用AD623作為放大器，AD623具有較好的交流共模抑制比，為集成單電源儀用放大器。具有增益可調、寬電源電壓、滿電源輸出等優良特性。放大電路的輸入為檢波電路輸出的采樣電壓，電路如圖4所示。

圖4 放大電路

2.2 通信及定位模塊電路設計

采集器需將數據通過藍牙或者GPRS網絡傳輸，則需要使用藍牙、GPRS模塊以及定位模塊?？紤]到系統功能需求以及節省硬件成本與空間，本系統選擇SIM808模塊為通信及定位模塊。SIM808為GSM/GPRS/GPS集成模塊，可低功耗實現短信、語音通話、藍牙、GPRS數據的傳輸等功能，支持3.3和5.0 V TTL串口，5～18 V的寬電壓工作范圍。集成PA提供10 dBm的輸出功率，內置藍牙符合藍牙specifican3.0+EDR標準，采用集成AT指令。本設計采用SIM808mini板。此外，本系統還可擴展多種通信方式，如串行通信接口與NRF24L01接口等。

2.3 存儲電路設計

采用TF卡作為存儲單元，TF卡相比SD卡或U盤模塊更加小巧，相比Flash更加方便讀取，利用STM32F103自帶SDIO接口讀取速度更快。

2.4 顯示與控制電路設計

采集器設有5個輕觸按鍵，用于系統工作模式的選擇、數據發送、系統喚醒、GPS的開關以及一個預留按鍵。系統顯示采用0.91寸OLED屏，OLED顯示屏是采用有機發光二極管顯示，具有自發光、廣視角、極低耗電、響應速度快等特點。相比LCD屏占用IO口少且體積小，面積僅為40 mm×12 mm。工作電壓為3.3～5.0 V，分辨率為128×32，I2C通信接口。

2.5 系統供電電路設計

性能穩定的電源是系統穩定工作的必要前提條件。本系統主要需要5.0及3.3 V電源，根據系統設計要求，采用18650鋰電池供電，利用升壓模塊將電池輸出電壓升至5 V，利用AMS1117-3.3穩壓模塊為系統提供3.3 V電壓。在PCB板繪制時已預留電源接口，若要更改供電電源可根據實際需要增減相應模塊。

3 采集器軟件設計

采集器軟件設計主要分為數據采集、數據處理、顯示、發送及存儲幾部分，根據按鍵輸入選擇模式，分藍牙、GPRS、單機三個模式，模式選擇后系統會自動采集數據并顯示，在藍牙和GPRS模式下當發送按鍵按下時，數據會發送至連接設備或上位機。若5 min內無按鍵按下時系統會自動進入低功耗模式，直至喚醒按鍵按下才進入工作模式。主要程序流程如圖5。

圖5 系統程序主流程圖

4 試驗與分析

4.1 傳感器精度標定

為保證所設計傳感器的精度，對傳感器進行了試驗標定。利用烘干法對傳感器精度進行實驗室標定曲線如圖6所示。

圖6 傳感器精度標定曲線

由圖6可以看出傳感器輸出與土壤容積含水量呈線性相關，決定系數R2=0.944 2，表示其為極顯著相關。

4.2 采集器功能調試

SIM808模塊采用串口通信，需要分別對藍牙、GPS、GPRS三部分進行調試，調試時發現GPS定位需要在室外且定位時間大約在5 s左右，使用外置GPS天線，在信號良好的情況下精度可高達10 m；調試藍牙功能過程中發現，藍牙配對與連接時返回指令不同，且配對方式不同時返回指令也不同，本文主要用到其SPP服務，在程序編寫時對其也做出了相應的改動。GPRS功能調試時偶爾出現連接時間稍長的現象，在程序中加有看門狗功能避免系統卡死，但若長時間等待連接，看門狗會自動復位，避免因信號等問題出現連接時間過長時系統自動復位，對相應程序也做出對應的改動。各模塊調試完成后進行系統硬件總體調試，分別對其三個模式進行試驗，試驗表明本文所研制采集器的三個功能，即單機、藍牙、GPRS模式下均能正常工作，且定位功能正常。圖7、圖8為功能調試截圖。

圖7 藍牙功能調試截圖

圖8 GPRS功能調試截圖

5 結 語

本文設計了一種便攜式土壤墑情采集器，研制了基于FD阻抗法的土壤濕度傳感器，實現了土壤溫濕度的快速檢測及數據的多途徑傳輸。主要結論如下。

(1)研制了基于FD阻抗法的土壤濕度傳感器，經標定結果顯示該傳感器精度較高。

(2)采集器采用藍牙及GPRS兩種通信方式，可滿足遠程及近距離的數據傳輸。兩種無線通信方式使土壤溫濕度的數據處理更加快捷方便，此外采用TF卡存儲數據，保證數據不丟失。

(3)采集器預留多種通信接口，如NRF及RS-485通信接口，可滿足大田的多點無線及有線測量。