朱洪濤，張 凱，龔振華

（南京信息工程大學(xué) 信息與控制學(xué)院，江蘇 南京210044）

精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)是指由信息技術(shù)支持的根據(jù)空間變異，定位、定時(shí)、定量地實(shí)施一整套現(xiàn)代化農(nóng)事操作技術(shù)與管理的系統(tǒng)。準(zhǔn)確地講，精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)是在遙感RS（Remote Sensing）、 地理信息系統(tǒng) GIS （GeographicalInformation System）、全球定位系統(tǒng) GPS（Global Positioning System）、通信網(wǎng)絡(luò)等信息技術(shù)和先進(jìn)制造技術(shù)支持下，利用農(nóng)學(xué)、地學(xué)、生態(tài)學(xué)模型，對生產(chǎn)過程實(shí)施一套精確定位、定量管理集成技術(shù)的現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)，以最少的或最節(jié)省的投入達(dá)到同等收入或更高的收入，并改善環(huán)境，高效地利用各類農(nóng)業(yè)資源，取得經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益[1-2]。

精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)是當(dāng)今世界發(fā)展的新潮流，是由信息技術(shù)支持實(shí)施的一整套現(xiàn)代化農(nóng)事操作技術(shù)與管理的系統(tǒng)。歐美農(nóng)業(yè)高度發(fā)達(dá)，與精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的發(fā)展是離不開的。精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)是現(xiàn)代化的技術(shù)裝備，土壤采樣作為精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的重要組成部分，但發(fā)展速度較為滯后，國外數(shù)年前出現(xiàn)一些車載土壤采樣機(jī)，雖然在一定程度上解決了以往純?nèi)斯げ蓸拥囊恍┍锥?，但是大部分的產(chǎn)品仍然是人工操作的，帶GPS定位的土壤采樣車較少[3]。國內(nèi)土壤采樣器應(yīng)用較多的仍然是沿用五、六十年代的技術(shù)，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(xiàn)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(zhì)的不同采樣要求，土壤采樣車的設(shè)計(jì)也成為了近年國家“863”計(jì)劃重點(diǎn)研究課題之一。其中，張凱等人對于土壤采樣車的機(jī)械開發(fā)研究為車載土壤采樣設(shè)備奠定了基礎(chǔ)[4]；鄭長奇等人研究的采樣頭液壓驅(qū)動(dòng)回路的優(yōu)化提高了土壤采樣裝置的機(jī)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(shù)據(jù)采集可靠性不高、自動(dòng)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(zhǔn)農(nóng)業(yè)發(fā)展提供一定的理論基礎(chǔ)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

1 裝置總體結(jié)構(gòu)

智能車載土壤樣品信息采集裝置主要有信息采集、監(jiān)控、信息處理和發(fā)送等功能。

信息采集功能主要包括對環(huán)境溫濕度的采集以及采集地點(diǎn)位置信息的采集，通過對環(huán)境溫濕度的采樣分析可以得出該地區(qū)土壤狀況受環(huán)境溫濕度變化的影響，地點(diǎn)位置信息是土壤樣品的采集位置坐標(biāo)；監(jiān)控功能是指對采樣頭工作狀態(tài)的監(jiān)控，通過對采樣頭動(dòng)力驅(qū)動(dòng)單元，即液壓油路壓力的監(jiān)控可得到鉆頭工作狀態(tài)；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(shù)據(jù)進(jìn)行整理并控制外圍器件；信息發(fā)送功能是將土壤采樣地點(diǎn)信息以及環(huán)境溫濕度信息發(fā)送至研究所上位機(jī)數(shù)據(jù)管理平臺，實(shí)現(xiàn)對土壤樣品信息的快速自動(dòng)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(shè)計(jì)。主要由電源模塊、復(fù)位電路模塊、微控制器MSP430模塊、GPS數(shù)據(jù)接收模塊、GSM無線通信模塊、環(huán)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(jié)構(gòu)圖

2 裝置硬件電路設(shè)計(jì)

裝置采用TI公司推出的低功耗單片機(jī)MSP430F149作為主控制芯片，MSP430系列是一個(gè)16 bit、具有精簡指令集、超低功耗的混合型單片機(jī)，具有極低的功耗、豐富的片內(nèi)外設(shè)和方便靈活的開發(fā)手段，以及MSP430單片機(jī)豐富的應(yīng)用實(shí)踐基礎(chǔ)，為本裝置提供了節(jié)能穩(wěn)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(chǎn)的SHT11。SHT11溫濕度傳感器將溫濕度傳感器、信號放大調(diào)理、A/D轉(zhuǎn)換無縫連接在一起，具有響應(yīng)快、功耗低、抗干擾能力強(qiáng)、極高的性價(jià)比等優(yōu)點(diǎn)。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(tài)寄存器可調(diào)節(jié)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(dòng)校準(zhǔn)。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(jī)2個(gè)I/O口分別作為數(shù)據(jù)線DATA和時(shí)鐘線SCLK，DATA端接入1只上拉電阻，電源間增加一個(gè)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(dòng)力由液壓驅(qū)動(dòng)，因此，對于液壓回路的監(jiān)控不但可以提高土壤采樣車作業(yè)的安全性和可靠性也可以保護(hù)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(nèi)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(jiān)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(zhuǎn)換模塊將電壓信號轉(zhuǎn)化為數(shù)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(jīng)過電阻分壓處理，將輸出電壓控制在0～2.5 V，這是因?yàn)镸SP430F149單片機(jī)內(nèi)置了2.5 V的參考電壓，使用內(nèi)部參考電壓可以有效地簡化電路設(shè)計(jì)，提高電壓信號采樣轉(zhuǎn)化的準(zhǔn)確性與穩(wěn)定性。傳感器電壓信號接入MSP430的P6.0口進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，由于經(jīng)過MSP430的A/D轉(zhuǎn)換出的數(shù)字信號是12 bit的二進(jìn)制數(shù)，滿刻度為FFFH（對應(yīng)十進(jìn)制4 095），轉(zhuǎn)為實(shí)際電壓需要經(jīng)過如下計(jì)算過程：

進(jìn)行多次轉(zhuǎn)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(tǒng)）可以提供比較精確的數(shù)據(jù)。本裝置采用現(xiàn)在普遍使用的基于SIRF3芯片組的GS-92模塊，運(yùn)行功耗僅35 mA，定位精度在10 m以內(nèi)，上電啟動(dòng)后，可以迅速完成搜星定位以及數(shù)據(jù)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(tǒng)穩(wěn)定性，將TXD端口接入單片機(jī)P3.5（URXD0）完成數(shù)據(jù)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(fā)送至上位機(jī)管理平臺，實(shí)現(xiàn)土壤信息的快速自動(dòng)獲取。GSM模塊采用SIEMENS TC35i芯片，TC35i的數(shù)據(jù)I/O口是一個(gè)串行異步收發(fā)器，符合RS232標(biāo)準(zhǔn)，8位數(shù)據(jù)位和1位停止位，無校驗(yàn)位，波特率在300 b/s～115 kb/s之間，支持 AT操作指令；接口協(xié)議公開，方便用戶的應(yīng)用開發(fā)及設(shè)計(jì)。

TC35i的數(shù)據(jù)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(jìn)行I/O口的電平轉(zhuǎn)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(jī)P4.5，單片機(jī)I/O口可以通過程序設(shè)置輸出200 ms的低電平以啟動(dòng)TC35i模塊；引腳18和19分別接單片機(jī)串行接口P3.6和P3.7，用以發(fā)送土壤信息和接收信息。

2.5 LCD液晶顯示的設(shè)計(jì)

本裝置采用一塊12864單色液晶屏幕作為人機(jī)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(biāo)顯示、畫面移位、自定義字符、睡眠模式等多種實(shí)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(shí)現(xiàn)12864與單片機(jī)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(jī) I/O口；引腳 5（串行數(shù)據(jù)輸入口）接單片機(jī)I/O口，用來傳輸需要顯示的數(shù)據(jù)；引腳6（串行移位脈沖輸入）接單片機(jī)I/O口，為數(shù)據(jù)按位傳輸提供穩(wěn)定時(shí)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(jī)控制程序設(shè)計(jì)

MSP430作為信息采集裝置的主控制器，其軟件功能主要包括：監(jiān)視液壓泵壓力、按需獲取溫濕度傳感器數(shù)據(jù)、按需獲取GPS位置數(shù)據(jù)、通過AT指令控制GSM模塊發(fā)送數(shù)據(jù)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(zhǔn)備工作；然后設(shè)定定時(shí)中斷，在每一個(gè)定時(shí)內(nèi)，單片機(jī)都需要對傳感器上的數(shù)據(jù)讀取一次并顯示；如果用戶有發(fā)送命令，則啟動(dòng)GSM模塊，把當(dāng)前狀態(tài)下有關(guān)數(shù)據(jù)通過短信形式發(fā)送到土壤研究所上位機(jī)平臺，如此完成對于土壤采樣車的監(jiān)控以及對土壤樣品信息的快速采集，為土壤采樣作業(yè)提供良好的人機(jī)交互界面。

4 裝置測試和實(shí)驗(yàn)結(jié)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(shù)據(jù)顯示；

（3）按鍵選擇GSM發(fā)送，通過上位機(jī)軟件觀察數(shù)據(jù)傳回狀態(tài)；

（4）上位機(jī)通過RS232串口接收來自車載土壤樣品信息菜價(jià)裝置發(fā)來的GSM短信，解析數(shù)據(jù)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(fā)的自動(dòng)化信息控制裝置。具有監(jiān)控采樣車工作狀態(tài)、采集土壤樣品信息、發(fā)送土壤樣品信息等多種功能，符合現(xiàn)代精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)對于農(nóng)業(yè)機(jī)械的信息技術(shù)要求。經(jīng)實(shí)驗(yàn)室測試表明，該裝置運(yùn)行穩(wěn)定、可靠性較高，可以實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)功能。

[1]陳立東，馬淑英，李國昉，等.談我國精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)裝備技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展方向[J].山東農(nóng)機(jī)，2004（12）：4-6.

[2]戎愷，楊星衛(wèi)，段項(xiàng)鎖.精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的研究應(yīng)用現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢[J].上海農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)，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(dòng)式土壤采集裝置研究[J].南京信息工程大學(xué) 學(xué)報(bào) （自然科 學(xué)版 ），2010，2（4）：297-301.

[5]鄭長奇，苗玉彬.農(nóng)田土壤快速信息采樣設(shè)備設(shè)計(jì)研究[D].上海：上海交通大學(xué)，2008.

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