孟 強(qiáng),徐 慧,施山菁
(南京林業(yè)大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院,江蘇南京 210037)
現(xiàn)代社會(huì)中由于環(huán)境污染、人為破壞,許多地方面臨著嚴(yán)峻的用水問題。農(nóng)業(yè)是第一用水大戶,目前,農(nóng)業(yè)用水有效程度依然很低,在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)和生態(tài)研究中,對(duì)土壤濕度的監(jiān)測(cè)與控制已經(jīng)成為一項(xiàng)基礎(chǔ)工作,合理的灌溉有利于作物的生長(zhǎng),同時(shí)也是對(duì)水資源的一種高效利用?;谏鲜鲆蛩兀疚脑O(shè)計(jì)出一種能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)土壤濕度,并通過外部執(zhí)行單元控制灌溉土壤,調(diào)節(jié)土壤濕度,同時(shí)依據(jù)監(jiān)測(cè)的土壤實(shí)時(shí)濕度及時(shí)反饋,控制執(zhí)行單元的工作,從而達(dá)到控制土壤濕度的目的。
在超低功耗方面,處理器 MSP430功耗(l.8~3.6 V,0.1 μA/Power-down,0.5A/Standby,250A/MIPS)和口線輸人漏電流(最大50 nA)在業(yè)界都是最低的,遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其他系列產(chǎn)品[1]。
為了滿足使用方便的要求,USB接口成為智能儀表的重要部分。多以8/16位單片機(jī)為核心,其USB接口設(shè)計(jì)的過程多是先根據(jù)所使用的8/16位單片機(jī),選擇合適的USB接口芯片;其次,編寫單片機(jī)的固件程序;最后,編寫USB接口的驅(qū)動(dòng)程序,實(shí)現(xiàn)智能儀器和PC機(jī)間的高速通信[2]。
系統(tǒng)采用基于頻域反射(frequency domain reflectometry,F(xiàn)DR)技術(shù)的MP406系列高精度土壤水分傳感器,具有分辨率高、線性度好、維護(hù)簡(jiǎn)單、不破壞土層的優(yōu)點(diǎn)。土壤水分傳感器如圖1所示。FDR原理[1,2]是利用電磁脈沖原理,根據(jù)電磁波在土壤中傳播頻率來測(cè)試土壤的表觀介電常數(shù),從而得到土壤容積含水量θv。FDR的探頭稱為介電傳感器(dielectric sensor),主要由一對(duì)電極(平行排列的金屬棒或圓形金屬環(huán))組成一個(gè)電容器,其間的土壤充當(dāng)電介質(zhì),電容器與LC振蕩器組成一個(gè)調(diào)諧電路。
圖1 MP406系列高精度土壤水分傳感器Fig 1 MP406 series high-precision soil moisture sensor
FDR使用掃頻頻率來檢測(cè)共振頻率(此時(shí)振幅最大),不斷調(diào)整信號(hào)電源的頻率,使得振蕩電路的諧振條件成立,傳輸線上出現(xiàn)頻率相同而傳播方向相反的2列相干波疊加,呈行駐波狀態(tài),此時(shí),U0的最大值:U0=α(1-ρ),相似地在傳輸線和傳感器結(jié)合部的峰值電壓:Us=α(1+ρ),2個(gè)峰值電壓的差值:ΔU=Us-U0=2αρ,其中,α為振蕩器輸出的電壓振幅,ρ為反射系數(shù)。由于諧振電路中電容器的電介質(zhì)為土壤,土壤的水分變化反映在電容C的變化上。此時(shí)的信號(hào)頻率即為諧振電路的固有頻率。由于諧振產(chǎn)生的條件為
通過電容與介電常數(shù)的關(guān)系ε=C/C0,可以求得土壤的相對(duì)介電常數(shù),其中,C0為介質(zhì)為空氣時(shí)的電容。研究證實(shí)土壤介電常數(shù)ε與土壤水分含量θv之間具有線性關(guān)系為
其中,a,b均為常數(shù),由土壤的類型決定。
本文介紹的土壤濕度控制儀主要由前端數(shù)據(jù)采集部分、控制單元和灌溉執(zhí)行單元組成,設(shè)計(jì)框圖如圖2。
圖2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖Fig 2 Block diagram of system overall design
土壤水分傳感器分布于監(jiān)測(cè)區(qū)域中,用于采集土壤實(shí)時(shí)濕度??刂茊卧訤155單片機(jī)為核心,充分利用其片上集成的豐富資源進(jìn)行硬件電路設(shè)計(jì)[3~5]。灌溉執(zhí)行單元設(shè)計(jì)為繼電器控制執(zhí)行部件的工作狀態(tài)。由系統(tǒng)的總體框圖設(shè)計(jì)了儀器的主要功能如圖3。
系統(tǒng)由DS1302提供時(shí)間信息,通過簡(jiǎn)單的三線同步串行方式與單片機(jī)進(jìn)行通信,時(shí)鐘模塊配置備用電池,保證時(shí)鐘走時(shí)精準(zhǔn)。儀器用液晶顯示屏直觀地顯示出時(shí)間信息、土壤濕度值以及系統(tǒng)工作狀態(tài)。整個(gè)系統(tǒng)還包括數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、USB通信模塊以及電源模塊。
圖3 土壤濕度控制儀的主要功能Fig 3 Main function of soil moisture control apparatus
系統(tǒng)對(duì)傳感器輸出的模擬電壓信號(hào)進(jìn)行采樣,為保證信號(hào)的穩(wěn)定性,加入信號(hào)調(diào)理電路。采樣信號(hào)通過MSP430F155單片機(jī)片內(nèi)A/D轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào),根據(jù)公式將得到的濕度信號(hào)換成0%~100%RH范圍內(nèi)變化的相對(duì)濕度值,這樣設(shè)計(jì)不增加復(fù)雜硬件電路,簡(jiǎn)化系統(tǒng)電路設(shè)計(jì),而且,MSP430單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換模塊具有12位精度,測(cè)量結(jié)果可以達(dá)到較高的精度,提高了系統(tǒng)的可靠性。
數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)采用32 kB串行E2PROM存儲(chǔ)芯片AT24C256,用來存儲(chǔ)不同時(shí)間段土壤濕度上下限值,土壤實(shí)時(shí)濕度值也將定時(shí)存儲(chǔ)以作分析等用途。根據(jù)存儲(chǔ)的時(shí)間間隔的不同,可存儲(chǔ)的濕度數(shù)據(jù)量也不同,若每隔30 min存儲(chǔ)一組濕度數(shù)據(jù),則可存儲(chǔ)約16000組濕度數(shù)據(jù)。
該芯片讀寫方式為I2C總線讀寫,MSP430F155內(nèi)部集成1個(gè)硬件I2C控制單元,其速度可支持到400 kbps(快速模式)。硬件I2C接口相較于傳統(tǒng)的用軟件模擬I2C接口,其程序精簡(jiǎn),傳輸速度快,故障處理易于實(shí)現(xiàn)。
通信部分選用CH376S接口芯片,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)對(duì)U盤文件的讀寫。該芯片支持Host主機(jī)方式和Slave設(shè)備方式,其內(nèi)部集成了8位被動(dòng)并行接口、異步串行接口、SPI設(shè)備接口、USB通信協(xié)議的基本固件、FAT文件系統(tǒng)管理固件、處理Mass-Storage海量存儲(chǔ)設(shè)備的專用通信協(xié)議的固件,支持常用的USB存儲(chǔ)設(shè)備[6]。硬件原理圖如圖4所示。
圖4 USB通信模塊電路圖Fig 4 USB communication module circuit diagram
CH376采用USB-Host方式實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)存儲(chǔ)模塊AT24C256芯片中濕度數(shù)據(jù)、采集時(shí)間等信息的提取,并以TXT文件格式存儲(chǔ)到U盤里,脫離了依賴電腦采集和提取數(shù)據(jù)的約束性,降低了通信的復(fù)雜度。CH376具有8位數(shù)據(jù)總線和讀、寫、片選控制線以及并口地址輸入??紤]到主控芯片MSP430F155的工作電壓是+3.3V,因此,CH376芯片采用+3.3 V電壓供電,但是供U盤插入的USB通信接口必須采用+5 V電源供電。
系統(tǒng)軟件采用TI公司430單片機(jī)軟件開發(fā)工具IAR Embedded Workbench為平臺(tái),由C語言編寫,通過JTAG接口燒入MSP430單片機(jī),然后進(jìn)行實(shí)際運(yùn)行。
為實(shí)現(xiàn)低功耗要求,系統(tǒng)設(shè)置休眠模式。當(dāng)用戶不操作系統(tǒng)超過15 s時(shí),系統(tǒng)進(jìn)入休眠模式,此時(shí)MSP430處于低功耗狀態(tài),每隔30 s系統(tǒng)退出休眠模式,進(jìn)行土壤濕度的監(jiān)測(cè)與控制,此后再次進(jìn)入休眠模式,當(dāng)用戶操作系統(tǒng)時(shí)也會(huì)自動(dòng)退出休眠模式。系統(tǒng)在上電和復(fù)位時(shí)要先執(zhí)行初始化,LCD顯示屏顯示開機(jī)畫面,軟件判斷是否是首次開機(jī),首次開機(jī)需手動(dòng)完成參數(shù)設(shè)置,系統(tǒng)自動(dòng)存儲(chǔ)初始工作狀態(tài)。系統(tǒng)非首次啟動(dòng),則自動(dòng)調(diào)用已存儲(chǔ)的工作狀態(tài)。主程序流程框架圖如圖5所示。
系統(tǒng)主程序?qū)崿F(xiàn)的功能主要有按鍵處理功能、執(zhí)行單元控制功能以及系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和USB通信功能。系統(tǒng)有按鍵按下時(shí)進(jìn)入按鍵處理子程序,進(jìn)行時(shí)鐘設(shè)置,植物生長(zhǎng)周期設(shè)置并設(shè)置不同生長(zhǎng)時(shí)期的土壤濕度上下限值,實(shí)現(xiàn)植物生長(zhǎng)不同時(shí)期對(duì)土壤濕度值不同要求的人性化理念;當(dāng)檢測(cè)到土壤濕度值小于所設(shè)定的下限值時(shí),輸出控制部分分別輸出打開電磁閥和水泵的控制信號(hào),為防止水管壓力過大,兩信號(hào)輸出設(shè)置5 s的間隔時(shí)間;若檢測(cè)到土壤濕度值大于所設(shè)定的上限值時(shí),輸出控制部分分別間隔輸出關(guān)閉水泵和電磁閥的控制信號(hào)。有U盤插入系統(tǒng)時(shí),E2PROM中存儲(chǔ)的采集時(shí)間和濕度信息被自動(dòng)寫入U(xiǎn)盤中,寫入完成后依據(jù)顯示屏上的提示拔去U盤,此時(shí)系統(tǒng)將自動(dòng)清除E2PROM存儲(chǔ)的部分信息,恢復(fù)初始存儲(chǔ)空間狀態(tài)。
圖5 主程序流程圖Fig 5 Main program flow chart
USB總線通用接口芯片CH376具有省事的內(nèi)置固件和靈活的外置固件2種模式,在內(nèi)置固件模式下不需要本地端(智能儀表)的微控制器作任何處理,從而簡(jiǎn)化了微處理器的固件編程,為快速開發(fā)產(chǎn)品提供了保證,因此,CH376用于智能儀表的通信接口,是低成本且高效的解決途徑。CH376芯片可以自動(dòng)檢測(cè)USB設(shè)備的連接和斷開,提供設(shè)備連接和斷開的事件通知。U盤通信部分的流程圖如圖6所示。
圖6 USB通信流程圖Fig 6 USB communication flow chart
工作現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境復(fù)雜,各種干擾通過不同的耦合方式進(jìn)入到測(cè)試系統(tǒng)中,而且濕度傳感器輸出信號(hào)較小,這些干擾有可能使系統(tǒng)誤差加大,程序運(yùn)行失常。因此,在進(jìn)行智能儀表可靠性設(shè)計(jì)時(shí),要特別重視抗干擾設(shè)計(jì)。
系統(tǒng)的干擾很大一部分是從電源進(jìn)入的,電網(wǎng)電壓的波動(dòng)、尖脈沖干擾、瞬間斷電等能對(duì)系統(tǒng)的工作造成干擾。因此,需考慮電源凈化問題,系統(tǒng)在開關(guān)電源前增加電源濾波模塊,以濾去電網(wǎng)中各種大功率設(shè)備產(chǎn)生的尖峰脈沖干擾,盡可能得到“純凈”的電源。
在設(shè)計(jì)電路板方面,晶振和單片機(jī)的連線要短;模擬地和數(shù)字地要分開;電源線和地線要做加粗處理;PCB下方也要進(jìn)行覆銅,使電源和信號(hào)傳輸穩(wěn)定。
通過軟件濾波的方法可以進(jìn)一步降低噪聲。軟件設(shè)計(jì)在濕度傳感器輸出信號(hào)的A/D轉(zhuǎn)換中,采用了限幅濾波和均值濾波,取得了較好的效果。
限幅濾波即對(duì)數(shù)據(jù)最大、最小范圍進(jìn)行限定,超過這個(gè)范圍的數(shù)據(jù)被認(rèn)為是錯(cuò)誤的數(shù)據(jù),并且此次數(shù)據(jù)由前一次數(shù)據(jù)代替。均值濾波則是采集16個(gè)數(shù)據(jù)求出平均值,用這種方法降低了隨機(jī)噪聲,提高了數(shù)據(jù)采集的穩(wěn)定性。
在實(shí)驗(yàn)基地內(nèi),儀器運(yùn)行情況穩(wěn)定,液晶屏可以觀測(cè)到當(dāng)前土壤相對(duì)濕度值,儀器面板上的按鍵可以設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)、修改時(shí)鐘時(shí)間,各部分均能正常工作。
表1為土壤相對(duì)濕度測(cè)試值與實(shí)際值的比較,測(cè)試結(jié)果表明:系統(tǒng)絕對(duì)誤差為±2%RH,精度較為理想。誤差的產(chǎn)生主要在于傳感器在制造時(shí)由于工藝限制導(dǎo)致的一定誤差,儀器標(biāo)定時(shí)也可能產(chǎn)生人為誤差。
表1 土壤相對(duì)濕度測(cè)試結(jié)果Tab 1 Test results of soil relative humidity
儀器自動(dòng)工作一段時(shí)間后,用U盤提取存儲(chǔ)的濕度數(shù)據(jù),經(jīng)分析后得出儀器整體工作情況,圖7所示為7 d的濕度數(shù)據(jù)曲線。
圖7 土壤相對(duì)濕度變化Fig 7 Change of soil relative humidity
圖中虛線分別表示當(dāng)時(shí)儀器設(shè)定的土壤相對(duì)濕度上下限值,由曲線可看出:土壤相對(duì)濕度值保持在限值內(nèi),儀器工作穩(wěn)定,執(zhí)行部件等均能正常工作。
本文介紹了以低功耗MSP430單片機(jī)為主控單元的土壤濕度控制系統(tǒng)。經(jīng)過模塊化的電路測(cè)試、軟件調(diào)試和系統(tǒng)組裝證明:該系統(tǒng)可以準(zhǔn)確測(cè)量土壤濕度,絕對(duì)誤差為±2%RH,精度較為理想。正確控制執(zhí)行部件工作,能使土壤濕度保持在要求的范圍內(nèi)。系統(tǒng)可以將采集的數(shù)據(jù)通過USB接口傳到PC機(jī)上處理,在實(shí)際應(yīng)用中能夠獨(dú)立工作,脫離了PC機(jī)的約束,具有較高的實(shí)用價(jià)值。
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