王記存，譚峰

（黑龍江八一農(nóng)墾大學信息技術(shù)學院，大慶163319）

水稻生產(chǎn)中稻田的滲漏量對水稻的生理生態(tài)環(huán)境有重要影響。適宜的稻田滲漏，能改善稻根的生長環(huán)境，促進水稻正常生長發(fā)育，提高水稻產(chǎn)量[1]。因此水田滲透量的監(jiān)測對水稻正常生長，調(diào)節(jié)生理生態(tài)環(huán)境，獲得高產(chǎn)及對灌區(qū)的規(guī)劃管理、合理運行、水資源的合理調(diào)配與實施節(jié)水灌溉有重要意義。為了實現(xiàn)對水田滲透量的實時監(jiān)控，給稻田管理者提供及時的田間滲透數(shù)據(jù)，以便稻田管理人員在水稻的各生育期實行合理的灌溉規(guī)劃來保證水稻正常生長達到高產(chǎn)的目的與實現(xiàn)節(jié)水灌溉的目的。設(shè)計了一種在線式水田滲透儀來檢測水田滲透量。

在線式水田滲透儀的設(shè)計融合了傳感器智能化技術(shù)和單片機技術(shù)及無線傳輸技術(shù)，將水田滲透量監(jiān)測和無線傳輸技術(shù)結(jié)合，可以實現(xiàn)田間滲透量數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測并用無線模塊傳輸?shù)奖O(jiān)控室的上位機，滿足稻田管理者對田間滲透數(shù)據(jù)的需求。

1 儀器原理

滲透量的測量是通過超聲波傳感器用差值模式測得不同時間的液位值再做差乘以滲桶面積而得。公式如下：

其中：ΔQ——一定面積S內(nèi)的滲透量

ΔH——一定時間內(nèi)的液位差值

ΔS—— 滲桶面積

根據(jù)達西定律[2]還可以計算出土壤的一項重要的力學指標滲透系數(shù)K[3]。

式中：Q——時間t內(nèi)的滲透量，cm3

t——滲透時間，s

L——滲徑即實驗土樣的高度，cm

A——滲透面積，cm2（即試驗土樣的橫斷面積）

h——滲透液的水頭高度，cm

超聲波的波長較短、衍射小，能夠成為射線而定向傳播，在液體、固體中衰減很小，穿透能力強。當超聲波從一種介質(zhì)入射到另一種介質(zhì)時，由于在兩種介質(zhì)中的傳播速度不同，在界面上會產(chǎn)生反射、折射和波形轉(zhuǎn)換等現(xiàn)象[4]。超聲波測液位的原理是利用超聲波在空氣中的傳播速度為已知，測量聲波在發(fā)射后遇到障礙物反射回來的時間，根據(jù)發(fā)射和接受的時間差計算出發(fā)射點到障礙物的實際距離。測距公式[5]表示為：

式中：L——測量的距離長度

c——超聲波在空氣中的傳播速度，通常情況下為340m/s；

t——測量距離傳播的時間（t為發(fā)射到接受時間數(shù)值）。

2 總體設(shè)計

2.1 模塊化結(jié)構(gòu)

滲透量監(jiān)測儀模塊化結(jié)構(gòu)如圖1所示。NJ2000 MH-A超聲波傳感器和DBT-1土壤水分傳感器把液位值和土壤濕度值經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換傳到主機MSP430，經(jīng)過DS1302芯片的定時及數(shù)據(jù)處理由液位值或土壤水分值來控制供水泵給滲桶供水，并用12864液晶顯示實時滲透量和滲透量累加值，用無線傳輸?shù)姆绞桨褲B透量數(shù)據(jù)傳輸給上位機。

圖1 模塊結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Module structure chart

2.2 儀器結(jié)構(gòu)

在線式滲透量測量儀組成部分主要包括滲桶、供水桶、主機、泵、土壤水分傳感器、超聲波測位儀、無線模塊顯示部分等。

滲透儀的實物結(jié)構(gòu)見圖2。

3 在線式水田滲透量監(jiān)測儀的硬件設(shè)計

以超低功耗MSP430F149單片機為數(shù)據(jù)采集的核心，及兩個NJ2000 MH-A超聲波傳感器，一個土壤水分傳感器，一個微型離心抽水泵，無線模塊，5 V電源，24 V電源等組成。其結(jié)構(gòu)示意圖見圖3。

3.1 MSP430F149單片機

滲透儀采集器核心器件采用美國德州儀器公司推出的16位超低功耗MSP430F149單片機[6]。430單片機內(nèi)部集成有12位A/D轉(zhuǎn)換模塊，內(nèi)部存儲容量大，調(diào)試方便，傳感器的信號線只需通過上拉電阻接入端口。且MSP430F149系列單片機為低功耗單片機，在1.8～3.6 V的電壓、1MHz的時鐘頻率運行、耗電電流在0.1～400μA之間，這個和不同的工作模式有關(guān)。典型情況下：在4 KHz，2.2 V時工作消耗電流2.5μA；在1MHz，2.2 V時消耗電流280μA，在只有RAM 數(shù)據(jù)保持的低功耗模式下耗電 0.1 A[7]。MSP430F149系列單片機有16個中斷源并且可以嵌套使用，使用中斷請求將CPU從低功耗模式下喚醒只要6μ的時間，這樣就可以編寫出實時性很高的程序。根據(jù)具體的處理情況可以將CPU處于低功耗模式，在需要的時候通過中斷來喚醒CPU，從而實現(xiàn)系統(tǒng)的低功耗。89C51單片機本身的電源電壓是5 V，有兩種低功耗方式：待機方式和掉電方式。正常情況下消耗的電流為24mA，在掉電狀態(tài)下，其耗電電流仍為3 mA；即使在掉電方式下，電源電壓可以下降到2 V，但是為了保存內(nèi)部RAM中的數(shù)據(jù)，還需要提供約50 uA的電流。而MSP430系列單片機在低功耗方面的優(yōu)越之處，則是89C51系列不可比擬的。正因為如此，MSP430更適合應(yīng)用于使用電池供電的儀器、儀表類產(chǎn)品中。還有MSP430F149單片機為16位的RSIC結(jié)構(gòu)，具有簡潔的27條指令，具有豐富的尋址方式，大量的寄存器以及片內(nèi)的數(shù)據(jù)存儲器都可以參加多種運算，還有高效的查表處理方法，有較高的處理速度，在8 MHz晶體下運算能力達到1M IPS。而89C51單片機是8位單片機。其指令是采用的被稱為“CISC”的復(fù)雜指令集，共具有111條指令。

圖2 儀器結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Instrument structure chart

圖3 硬件連接圖Fig.3 Hardware connection chart

在開發(fā)工具方面MSP430F149引進了Flash型程序存儲器和JTAG技術(shù)支持C語言開發(fā)，縮短了開發(fā)時間也保證了程序的可移植性，并實現(xiàn)了在線編程。如果MCLK發(fā)生故障，DCO會自動啟動，以保證系統(tǒng)正常工作，如果程序跑飛可以通過設(shè)置看門狗，在看門狗溢出的情況下產(chǎn)生復(fù)位，使系統(tǒng)重新啟動，從而保證系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性[8]。

3.2 超聲波傳感器的選擇

NJ2000MH-A超聲波傳感器：傳感器的選擇要求為精度比較高，低功耗，本傳感器采用模擬量輸出4～20 mA，精度±0.3%×最大量程，功耗＜1.5 W，最小分辨率為1 mm。在工作中自動關(guān)閉顯示，以節(jié)省整機耗電，滿足基本要求。而且在工作中可以自動關(guān)閉顯示，以節(jié)省整機耗電。

3.3 土壤水分傳感器

DBT-1型土壤水分傳感器是一款高精度、高靈敏度的測量土壤水分的傳感器。體積設(shè)計小巧攜帶方便，響應(yīng)時間＜1秒，而且數(shù)據(jù)傳輸效率高。

NJ2000 MH-A超聲波傳感器與DBT-1土壤水分傳感器通過P口與MSP430F149單片機相連，串行數(shù)據(jù)口用于接收和輸出數(shù)據(jù)，串行時鐘SCK用于NJ2000 MH-A超聲波傳感器與DBT-1土壤水分傳感器和430單片機之間通訊。數(shù)據(jù)在時鐘下降沿到來之后改變狀態(tài)，在時鐘的上升沿才有效。所以可以在時鐘處于高電平時讀取數(shù)據(jù)，在向NJ2000 MH-A超聲波傳感器與DBT-1土壤水分傳感器發(fā)送數(shù)據(jù)時，在時鐘的下降沿到來之后才改變狀態(tài)，而且要保證數(shù)據(jù)口的狀態(tài)在SCK處于高電平時保持穩(wěn)定。

3.4 SRWF-SmartRF無線模塊

SRWF-SmartRF無線傳輸模塊（RS232）是上海桑銳電子公司為了方便客戶設(shè)計的一塊數(shù)傳電臺，能適應(yīng)任何標準或非標準的用戶協(xié)議；抗干擾能力強，傳輸距離遠，模塊可工作在403/433/470/868/915MHz，多種接口波特率，采用單片射頻集成電路及單片MCU，體積小，方便的USB接口5 V電壓供電。

可靠傳輸距離300～2 500m取決于天線類型和數(shù)據(jù)波特率；本設(shè)計波特率采用9 600 bps；MSP430與上位機通過串口232與SRWF-SmartRF無線傳輸模塊（RS232）進行數(shù)據(jù)通訊。在發(fā)送模式中SRWFSmartRF無線傳輸模塊（RS232）接受經(jīng)過單片機A/D轉(zhuǎn)換并調(diào)理的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)經(jīng)過編碼器轉(zhuǎn)換成串行信號送入發(fā)射模塊，由天線發(fā)射出去，在接收模式中，無線模塊將接收到的信號進行解調(diào)然后送入解碼器解碼并輸出[9]。

3.5 泵

泵采用普通的離心電機就能滿足抽水的要求。電機電源線路與接繼電器的一對常開觸點串聯(lián)，繼電器的電源接地端通過放大電路接到430單片機的P2.3端口，由P2.3輸出的高低電平來控制抽水泵的閉或開的狀態(tài)。

4 程序設(shè)計

滲透儀軟件用C語言編程，主要有主程序初始化模塊，1302時鐘模塊，無線模塊，數(shù)據(jù)采集模塊。

程序流程圖如圖4所示：

圖4 程序流程圖Fig.4 Programme flow chart

單片機從液位傳感器采集到數(shù)據(jù)，在液晶上顯示實時液位值，當液位低于某值時430對其進行判斷，并控制供水電機的工作狀態(tài)對滲桶及時供水。把采集來的液位初值保存到數(shù)組里，并用1 302開始定時，定時到23 h 59 min把此時刻采集到的數(shù)據(jù)和初始值做差并乘以桶的面積得到一天的滲透量（cm3），實時值和初始值做差得到實時滲透量值，把每天的滲透量相加得到滲透量累計值。在旱田可以根據(jù)土壤水分值來控制供水泵來測量達到一定濕度的滲透量。把數(shù)據(jù)通過無線模塊傳輸?shù)缴衔粰C。

5 試驗設(shè)計與誤差分析

5.1 試驗方法及結(jié)果

在實驗室測量水桶內(nèi)不同深度的水來模擬稻田滲透。用實測法得到的數(shù)據(jù)作為基準來檢驗滲透儀的測量精度。由于采集一次數(shù)據(jù)就顯示出來，數(shù)據(jù)很不穩(wěn)定，經(jīng)試驗程序的設(shè)計采集400次數(shù)據(jù)求平均值比較接近真實值，采集的數(shù)據(jù)如表1所示：

表1 液位實驗結(jié)果Table 1 Liquid level testing results

其誤差有：

（1）傳播介質(zhì)溫度和傳播時間引起的；

（2）回波干擾引起的誤差；

（3）超聲波是否放平引起的誤差。

5.2 誤差分析

滲透量測量理論依據(jù)是根據(jù)超聲波側(cè)液位的原理。根據(jù)超聲波測距公式：

其中：T——發(fā)射到接受時間數(shù)值的一半

C——超聲波在空氣中的傳播速度通常情況下為340m/s

可知測距的誤差是由超聲波的傳播速度誤差和測量距離傳播的時間誤差引起的。其中溫度影響聲速在空氣中的傳播速度，其誤差為：

近似公式為：

式中：C0——零度時的聲波速度332m/s，

Cθ——實時溫度下的聲速[10]。

實驗室溫度為21.3℃則有溫度引起的誤差為：

由于時間引起的誤差是由超聲波所采用的芯片的處理信號的速度引起的，屬于傳感器本身精度的誤差，傳感器本身精度為：±0.3%×最大量程，本設(shè)計采用1米的量程，誤差大約為±3mm。

回波干擾誤差導(dǎo)致顯示數(shù)據(jù)不穩(wěn)，數(shù)據(jù)顯示誤差范圍基本在0～3mm浮動，在頂蓋使用吸波材料可以回波誤差。

超聲波放置不平也會引起誤差，用水平尺來矯正可以很好地降低未放平引起的人為誤差。

數(shù)據(jù)與真實值對比誤差基本在2%左右滿足測量要求。

6 結(jié)論

設(shè)計的在線式水田滲透量監(jiān)測儀，采用MSP430單片機與傳感器和無線傳輸相結(jié)合實現(xiàn)了在線滲透量的檢測，經(jīng)分析測量試驗數(shù)據(jù)得出誤差在允許的范圍之內(nèi)，為測量水田滲透量帶來了方便，能滿足稻田管理者對稻田滲透量的需求。

［1］彭世彰，俞雙恩.水稻節(jié)水灌溉技術(shù)［M］.北京：中國水利水電出版社，1998.

［2］劉和平，陳美芙.黏土滲透儀器的改進與探討［J］.環(huán)境科學與研究，1996，1（9）：44-46.

［3］黃春華.黏土滲透儀器的改進與探討［J］.灌溉排水，1991，4（10）：48-50.

［4］王雪文，張志勇.傳感器原理及應(yīng)用［M］.北京：航空航天大學出版社，2004.

［5］張曉艷.超聲波液位計的原理與應(yīng)用［J］.黑龍江造紙，2004，3（3）：78-81.

［6］胡大可.MSP430系列超低功耗16位單片機原理與應(yīng)用［M］.北京：航空航天大學出版社，2001.

［7］王鵬，譚峰.低功耗水稻育秧秧棚監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計［J］.黑龍江八一農(nóng)墾大學學報，2011，23（3）：78-81.

［8］秦龍.MSP430單片機應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)典型實例［M］.北京：中國電力出版社，2005.

［9］何小映，杜永平.一種溫度無線傳輸系統(tǒng)設(shè)計［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2006：21（2）15-16.

［10］克勞特克洛默.超聲波監(jiān)測技術(shù)［M］.廣州：廣東社科出版社，1984.