李學(xué)亮，劉云飛，郭 程，顧敏明

(南京林業(yè)大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院，江蘇南京 210037)

對(duì)于農(nóng)林作物而言，土壤溫濕度是其發(fā)育、生長的重要條件。在古代中國農(nóng)業(yè)中，將濕潤的土壤稱為“墑”，并有豐富的關(guān)于保墑、散墑等調(diào)節(jié)土壤水分狀況的技術(shù)和作業(yè)。土壤溫濕度是反應(yīng)土壤狀況的重要物理參數(shù)，決定著植物生長狀況的好壞，它對(duì)于研究植物水分利用、農(nóng)業(yè)灌溉及生態(tài)系統(tǒng)的變化等具有重要意義。在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中，能否對(duì)土壤溫濕度進(jìn)行有效測(cè)量與控制，是實(shí)現(xiàn)“精細(xì)農(nóng)林業(yè)”與“精細(xì)灌溉”的關(guān)鍵，同時(shí)在水文、氣象和生態(tài)科學(xué)中，土壤溫濕度的測(cè)量也具有重要意義。尋求一種快捷、經(jīng)濟(jì)、精度高、可靠性強(qiáng)、適合實(shí)時(shí)測(cè)量的土壤溫濕度測(cè)量技術(shù)是科學(xué)決策的依據(jù)［1－3］。

1 系統(tǒng)框架

設(shè)計(jì)的土壤溫濕度采集系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地獲取監(jiān)測(cè)區(qū)域的溫濕度。系統(tǒng)由兩部分組成:數(shù)據(jù)采集模塊和GPRS網(wǎng)關(guān)，如圖1所示。數(shù)據(jù)采集模塊由多個(gè)從節(jié)點(diǎn)與一個(gè)主節(jié)點(diǎn)組成，形成一個(gè)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)。它將各個(gè)從節(jié)點(diǎn)采集到的土壤溫濕度信息，發(fā)送給主節(jié)點(diǎn);GPRS網(wǎng)關(guān)由單片機(jī)與GPRS模塊構(gòu)成，它負(fù)責(zé)將主節(jié)點(diǎn)的信息發(fā)送給監(jiān)控主機(jī)［4］。

圖1 系統(tǒng)框圖

2 數(shù)據(jù)采集模塊

模塊包含兩部分:采集(從)節(jié)點(diǎn)、主節(jié)點(diǎn)。采集節(jié)點(diǎn)由TI MSP430F1611單片機(jī)、時(shí)鐘、存儲(chǔ)、LED顯示、CC2420通信模塊、土壤溫濕度傳感器5TM等組成，如圖2所示。它負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)采集監(jiān)測(cè)點(diǎn)的土壤溫濕度信息，并發(fā)往主節(jié)點(diǎn);主節(jié)點(diǎn)無土壤溫濕度傳感器模塊，其他部分與采集節(jié)點(diǎn)相同。它負(fù)責(zé)接收采集節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)處理后，發(fā)送至串口。即通過主節(jié)點(diǎn)Telosb平臺(tái)的UART0將數(shù)據(jù)傳送給GPRS網(wǎng)關(guān)。采集節(jié)點(diǎn)的軟件平臺(tái)基于TinyOS2.1.1操作系統(tǒng)開發(fā)，使用TinyOS－2.1.1操作系統(tǒng)內(nèi)核，各模塊及應(yīng)用程序由nesC語言編程實(shí)現(xiàn)［5］。

圖2 采集節(jié)點(diǎn)框架

2.1 節(jié)點(diǎn)平臺(tái)

節(jié)點(diǎn)采用Crossbow公司的TelosB，TelosB具有低功耗和快速蘇醒功能，可保證更長的電池壽命。主要功能及部件有 IEE802.15.4協(xié)議、250 kbit·s－1高傳輸速率射頻器、TI MSP430F1611單片機(jī)、10 kB RAM微處理器、集成板載天線?？赏ㄟ^USB接口獲取數(shù)據(jù)和編程，開源操作系統(tǒng)，集成了光照及空氣溫度、濕度傳感器，兩個(gè)擴(kuò)展接口和板載跳線可以通過配置控制模擬傳感器以及電子外圍設(shè)備等。

2.2 TinyOS操作系統(tǒng)

TinyOS是由加州大學(xué)伯克利分校開發(fā)的專門用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的輕量級(jí)、低功耗的開源嵌入式操作系統(tǒng)，它以通信為中心的設(shè)計(jì)和模塊式軟件模型，使得TinyOS符合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)資源受限、功耗低和操作魯棒性的需求。它所引入的事件(event)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行模式和基于組件(component)的軟件設(shè)計(jì)，在使用少量ROM的情況下支持高度并行處理、復(fù)雜協(xié)議和算法，提高了系統(tǒng)的性能，使得TinyOS能有效地運(yùn)行在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中。TinyOS運(yùn)行在每個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)上，是上層應(yīng)用和協(xié)議運(yùn)行的前提。TinyOS提供一系列可重用的組件，一個(gè)應(yīng)用程序可以通過連接配置文件將各種組件連接，以完成所需的功能。基于TinyOS的開發(fā)者可以選擇所需要的組件，組件庫包括網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、分布式服務(wù)、傳感驅(qū)動(dòng)器和數(shù)據(jù)采集工具，這些組件都可以作為進(jìn)一步開發(fā)的基礎(chǔ)。

2.3 采集節(jié)點(diǎn)軟件結(jié)構(gòu)

采集節(jié)點(diǎn)的軟件結(jié)構(gòu)分為嵌入式OS內(nèi)核和API兩層，嵌入式OS內(nèi)核提供任務(wù)調(diào)度模塊、功耗管理模塊和通信協(xié)議模塊，內(nèi)核底層還提供了對(duì)節(jié)點(diǎn)上所有硬件設(shè)備的驅(qū)動(dòng)。API層提供傳感器采集模塊和射頻通信模塊［6］。采集節(jié)點(diǎn)軟件體系結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 采集節(jié)點(diǎn)軟件體系結(jié)構(gòu)

采集節(jié)點(diǎn)流程如圖4所示，通電后首先對(duì)單片機(jī)進(jìn)行初始化，然后初始化TinyOS操作系統(tǒng)并加載SPI驅(qū)動(dòng)來初始化無線通信模塊CC2420。由于采集節(jié)點(diǎn)采用電池供電，必須要保證終端節(jié)點(diǎn)的低功耗，因此設(shè)計(jì)采集節(jié)點(diǎn)定時(shí)采集數(shù)據(jù)，主節(jié)點(diǎn)采用被動(dòng)喚醒的方式連接網(wǎng)關(guān)模塊，其他時(shí)間則轉(zhuǎn)入低功耗模式。處于低功耗狀態(tài)的節(jié)點(diǎn)關(guān)閉傳感模塊以及部分電路，只保留單片機(jī)內(nèi)部定時(shí)器、中斷以及無線通信模塊。

圖4 采集節(jié)點(diǎn)流程圖

當(dāng)主節(jié)點(diǎn)無線通信模塊收到采集節(jié)點(diǎn)發(fā)來的廣播數(shù)據(jù)時(shí)喚醒節(jié)點(diǎn)，由于每一個(gè)節(jié)點(diǎn)有一個(gè)事先分配的唯一ID，當(dāng)節(jié)點(diǎn)接收到一個(gè)數(shù)據(jù)包時(shí)，先取出該數(shù)據(jù)包包頭的ID與自己的ID比較，如果一致則接收，否則就丟棄。接收數(shù)據(jù)后，主節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)處理后，傳給GPRS 模塊［7－8］。

2.4 土壤溫濕度傳感器

采集系統(tǒng)采用美國Decagon公司的土壤溫濕度傳感器5TM。5TM溫度傳感器為熱電阻。濕度傳感器屬于頻域反射法(FDR)，它利用電磁脈沖原理，根據(jù)電磁波在土壤中的傳播頻率來測(cè)試土壤的表觀介電常數(shù)的變化，將這些變化轉(zhuǎn)變?yōu)榕c土壤體積含水量成比例的mV信號(hào)來計(jì)算土壤體積含水量。其基本原理:FDR的探針主要由一對(duì)電極組成一個(gè)電容，其間的土壤充當(dāng)電介質(zhì)，電容和振蕩器組成一個(gè)調(diào)諧電路，振蕩器頻率F與土壤電容C呈非線性反比關(guān)系F=12πL×C+1Cb×15。式中，L為振蕩器的電感;Cb為與儀器有關(guān)的電容。由于土壤電容C隨土壤含水率的增加而增加，于是振蕩器頻率F與土壤含水率的關(guān)系被建立。

5TM是此類傳感器中唯一對(duì)土壤鹽度和溫度效應(yīng)敏感度相對(duì)較低的一種，而且耗電較少，從而更容易實(shí)現(xiàn)長期監(jiān)測(cè)。該傳感器測(cè)量相對(duì)濕度的范圍是0%～100%，分辨力達(dá)到0.08%RH，最高精度為±2%RH，測(cè)量溫度的范圍－40～50℃，供電電壓3.7～12 V，輸出TTL的異步串口信號(hào)，異步串口的波特率為1 200 baud。由于該傳感器的測(cè)量是在加電的瞬間完成，所以每次獲得數(shù)據(jù)后都要斷開傳感器的電源，以便下次測(cè)量。為此用晶體管BC847及1 kΩ電阻組成一開關(guān)電路，如圖5所示，應(yīng)用采集節(jié)點(diǎn)上MSP430單片機(jī)的P6.6/DAC0控制NPN三級(jí)管的基極，來控制土壤溫濕度傳感器5TM接地一端的通斷。P3.4/UTXD0接到5TM的數(shù)字輸出口，傳感器斷電后，由P3.4口讀出傳感器數(shù)據(jù)，通過無線發(fā)送至主節(jié)點(diǎn)。

圖5 5TM控制電路

對(duì)于5TM，需要對(duì)測(cè)量的原始值進(jìn)行校正:(1)介電常數(shù)校正。若介電常數(shù)的測(cè)量值為εRaw，校正后的土壤介電常數(shù)εa=εRaw/50。對(duì)于盆栽土，土壤濕度VWC=2.25 ×10－5－2.06 ×10－3+7.24 ×10－2εa－0.247。(2)溫度校正。若溫度測(cè)量值TRaw≤900，則TRaw2=TRaw;若溫度測(cè)量值TRaw＞900;則TRaw2=900+5(TRaw－900)，由此計(jì)算溫度值T=(TRaw2－400)/10℃。

3 GPRS網(wǎng)關(guān)

GPRS網(wǎng)關(guān)模塊由控制模塊和GPRS通信模塊組成，其中GPRS通信是采集控制系統(tǒng)和監(jiān)控主機(jī)連接的扭帶，GPRS通信的質(zhì)量直接影響系統(tǒng)的穩(wěn)定。系統(tǒng)采用西門子公司的MC52i設(shè)計(jì)GPRS通信電路。MC52i具有體積小、電壓要求低、開機(jī)成功率高等優(yōu)點(diǎn)，而且內(nèi)嵌了TCP/IP協(xié)議。MSP430F149與MC52i之間的通信是基于 RS232協(xié)議的串口通信，MSP430F149的P3.6和P3.7(UART1)分別與 MC52i的RX和TX相連。MC52i在發(fā)射數(shù)據(jù)時(shí)會(huì)有一個(gè)瞬時(shí)的尖峰電流產(chǎn)生，為使系統(tǒng)不受尖峰電流的影響，采用3個(gè)470 μF的膽電容并聯(lián)進(jìn)行濾波，圖6為網(wǎng)關(guān)框圖。網(wǎng)關(guān)類似一個(gè)具有IP地址的“計(jì)算機(jī)”，可以與遠(yuǎn)程服務(wù)器進(jìn)行基于TCP/IP的網(wǎng)絡(luò)通信，流程圖如圖7所示。

4 系統(tǒng)測(cè)試

采集系統(tǒng)由1個(gè)主節(jié)點(diǎn)及3個(gè)從節(jié)點(diǎn)構(gòu)成。采集的數(shù)據(jù)匯聚到主節(jié)點(diǎn)，并通過GPRS模塊，傳送到監(jiān)控主機(jī)。監(jiān)控主機(jī)的主要功能是把數(shù)據(jù)幀進(jìn)行解析，然后存進(jìn)數(shù)據(jù)庫并顯示在控制界面上。在監(jiān)控主機(jī)上，根據(jù)各節(jié)點(diǎn)地址及時(shí)間等信息查詢歷史數(shù)據(jù)和當(dāng)前數(shù)據(jù)，采集系統(tǒng)主程序流程如圖8所示。

圖8 主程序流程圖

測(cè)試系統(tǒng)置于溫室大棚中，測(cè)試結(jié)果如圖9所示。這里截取了部分測(cè)試數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采用16進(jìn)制，每一行前8 Byte為包頭，后10 Byte為測(cè)試數(shù)據(jù)，用2 Byte代表一個(gè)測(cè)試量，分別為:節(jié)點(diǎn)標(biāo)識(shí)碼ID、計(jì)數(shù)器、內(nèi)電壓、土壤濕度介電常數(shù)εRaw和土壤溫度TRaw。

圖9中，每隔5 min采集一次數(shù)據(jù)，在節(jié)點(diǎn)1兩次采集到的土壤濕度介電常數(shù)均為(01 B8)16、土壤溫度均為(02 77)16。由此計(jì)算出節(jié)點(diǎn)1處的土壤溫、濕度的平均值分別為VWC=24.59%RH，T=23.1℃。

圖9 部分測(cè)試結(jié)果

5 結(jié)束語

設(shè)計(jì)了一個(gè)基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的土壤溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)土壤溫濕度的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)。系統(tǒng)具有低功耗、配置靈活、適應(yīng)能力強(qiáng)的特點(diǎn)，可用于野外林地及大棚內(nèi)多個(gè)區(qū)域的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

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