員玉良，白壯壯，吳聰康

(青島農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，山東 青島 266109)

0 引 言

土壤墑情的有效獲取是精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)發(fā)展的前提，是實(shí)現(xiàn)節(jié)水灌溉的基礎(chǔ)[1]。美國(guó)等西方國(guó)家在20世紀(jì)70年代首先采用中子衰減法采集土壤含水量對(duì)土壤墑情進(jìn)行了監(jiān)測(cè)與預(yù)估。進(jìn)入21世紀(jì)后，土壤墑情監(jiān)測(cè)技術(shù)及設(shè)備的發(fā)展迅速，結(jié)合網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)實(shí)現(xiàn)了土壤墑情監(jiān)測(cè)的即時(shí)通訊與網(wǎng)絡(luò)化傳輸[2,3]。國(guó)內(nèi)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化進(jìn)程相對(duì)較慢，雷志棟院士[4]自20世紀(jì)80年代開(kāi)始進(jìn)行土壤水分及相關(guān)問(wèn)題的研究，并提出了“四水轉(zhuǎn)化”概念。隨著精細(xì)農(nóng)業(yè)這一現(xiàn)代化理念的出現(xiàn)，國(guó)內(nèi)越來(lái)越多的學(xué)者開(kāi)始進(jìn)行土壤墑情的相關(guān)研究，關(guān)于土壤溫濕度檢測(cè)的方法與技術(shù)也日新月異。尤其是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，國(guó)內(nèi)出現(xiàn)了一系列結(jié)合無(wú)線通信技術(shù)的墑情檢測(cè)系統(tǒng)。王玖林等[5]設(shè)計(jì)了基于LoRa的節(jié)水灌溉系統(tǒng)，賈科進(jìn)等[6]設(shè)計(jì)了基于ZigBee無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的土壤墑情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，陳天華等[7]設(shè)計(jì)的基于ARM和GPRS的遠(yuǎn)程土壤墑情監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)系統(tǒng)，這些系統(tǒng)基本都具有物聯(lián)網(wǎng)的結(jié)構(gòu)模式，但均存在傳感器精度較低、兼容性差以及成本高等問(wèn)題，大面積推廣使用較困難。

基于此，本文設(shè)計(jì)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(cè)土壤水分，數(shù)字溫度傳感器測(cè)量土壤溫度，結(jié)合無(wú)線通訊及GPS等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)測(cè)定點(diǎn)的土壤溫濕度與位置的即插、即測(cè)、即存以及即發(fā)等功能。

1 整體方案設(shè)計(jì)

便攜式土壤墑情采集器通過(guò)土壤水分傳感器和溫度傳感器測(cè)得土壤溫濕度數(shù)據(jù)，經(jīng)單片機(jī)處理后實(shí)時(shí)顯示并存儲(chǔ)，根據(jù)按鍵選擇的模式?jīng)Q定數(shù)據(jù)通過(guò)藍(lán)牙發(fā)送至手機(jī)或GPRS傳輸至PC上位機(jī)[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(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)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(guān)信息并將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)發(fā)送，傳感器需便攜、快捷、準(zhǔn)確采集?？紤]到傳感器主要在戶外工作，因此應(yīng)自帶電源，須采用低功耗設(shè)計(jì)。

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(shù)據(jù)采集控制電路、無(wú)線通信電路、顯示電路、存儲(chǔ)電路以及按鍵輸入電路，具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。主控CPU選擇STM32系列單片機(jī)[9]，土壤溫度傳感器采用數(shù)字溫度傳感器DS18B20。

圖2 采集器硬件結(jié)構(gòu)圖

2.1 土壤水分傳感器硬件設(shè)計(jì)

土壤是一種非均質(zhì)、分散、多孔介質(zhì)，主要由固體、液體與空氣三類物體等組成。根據(jù)介電理論，土壤的介電常數(shù)中水的介電常數(shù)占主要部分，因此通過(guò)測(cè)含水土壤的相對(duì)介電常數(shù)即可間接測(cè)得土壤的容積含水量[10]。本設(shè)計(jì)采用基于FD阻抗法的測(cè)量方法[11,12]，采用土壤探針阻抗測(cè)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(wěn)定電壓，采用LM2576S-5.0穩(wěn)壓芯片將輸入電壓穩(wěn)定在5 V；高頻振蕩電路采用100 MHz有源晶振產(chǎn)生一個(gè)100 MHz的正弦信號(hào)。

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(hào)。

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(diào)、寬電源電壓、滿電源輸出等優(yōu)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(shè)計(jì)

采集器需將數(shù)據(jù)通過(guò)藍(lán)牙或者GPRS網(wǎng)絡(luò)傳輸，則需要使用藍(lán)牙、GPRS模塊以及定位模塊?？紤]到系統(tǒng)功能需求以及節(jié)省硬件成本與空間，本系統(tǒng)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(shí)現(xiàn)短信、語(yǔ)音通話、藍(lán)牙、GPRS數(shù)據(jù)的傳輸?shù)裙δ?，支?.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(nèi)置藍(lán)牙符合藍(lán)牙specifican3.0+EDR標(biāo)準(zhǔn)，采用集成AT指令。本設(shè)計(jì)采用SIM808mini板。此外，本系統(tǒng)還可擴(kuò)展多種通信方式，如串行通信接口與NRF24L01接口等。

2.3 存儲(chǔ)電路設(shè)計(jì)

采用TF卡作為存儲(chǔ)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(shè)計(jì)

采集器設(shè)有5個(gè)輕觸按鍵，用于系統(tǒng)工作模式的選擇、數(shù)據(jù)發(fā)送、系統(tǒng)喚醒、GPS的開(kāi)關(guān)以及一個(gè)預(yù)留按鍵。系統(tǒng)顯示采用0.91寸OLED屏，OLED顯示屏是采用有機(jī)發(fā)光二極管顯示，具有自發(fā)光、廣視角、極低耗電、響應(yīng)速度快等特點(diǎn)。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(tǒng)供電電路設(shè)計(jì)

性能穩(wěn)定的電源是系統(tǒng)穩(wěn)定工作的必要前提條件。本系統(tǒng)主要需要5.0及3.3 V電源，根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(wěn)壓模塊為系統(tǒng)提供3.3 V電壓。在PCB板繪制時(shí)已預(yù)留電源接口，若要更改供電電源可根據(jù)實(shí)際需要增減相應(yīng)模塊。

3 采集器軟件設(shè)計(jì)

采集器軟件設(shè)計(jì)主要分為數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、顯示、發(fā)送及存儲(chǔ)幾部分，根據(jù)按鍵輸入選擇模式，分藍(lán)牙、GPRS、單機(jī)三個(gè)模式，模式選擇后系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)采集數(shù)據(jù)并顯示，在藍(lán)牙和GPRS模式下當(dāng)發(fā)送按鍵按下時(shí)，數(shù)據(jù)會(huì)發(fā)送至連接設(shè)備或上位機(jī)。若5 min內(nèi)無(wú)按鍵按下時(shí)系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)進(jìn)入低功耗模式，直至喚醒按鍵按下才進(jìn)入工作模式。主要程序流程如圖5。

圖5 系統(tǒng)程序主流程圖

4 試驗(yàn)與分析

4.1 傳感器精度標(biāo)定

為保證所設(shè)計(jì)傳感器的精度，對(duì)傳感器進(jìn)行了試驗(yàn)標(biāo)定。利用烘干法對(duì)傳感器精度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室標(biāo)定曲線如圖6所示。

圖6 傳感器精度標(biāo)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(guān)，決定系數(shù)R2=0.944 2，表示其為極顯著相關(guān)。

4.2 采集器功能調(diào)試

SIM808模塊采用串口通信，需要分別對(duì)藍(lán)牙、GPS、GPRS三部分進(jìn)行調(diào)試，調(diào)試時(shí)發(fā)現(xiàn)GPS定位需要在室外且定位時(shí)間大約在5 s左右，使用外置GPS天線，在信號(hào)良好的情況下精度可高達(dá)10 m；調(diào)試藍(lán)牙功能過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，藍(lán)牙配對(duì)與連接時(shí)返回指令不同，且配對(duì)方式不同時(shí)返回指令也不同，本文主要用到其SPP服務(wù)，在程序編寫時(shí)對(duì)其也做出了相應(yīng)的改動(dòng)。GPRS功能調(diào)試時(shí)偶爾出現(xiàn)連接時(shí)間稍長(zhǎng)的現(xiàn)象，在程序中加有看門狗功能避免系統(tǒng)卡死，但若長(zhǎng)時(shí)間等待連接，看門狗會(huì)自動(dòng)復(fù)位，避免因信號(hào)等問(wèn)題出現(xiàn)連接時(shí)間過(guò)長(zhǎng)時(shí)系統(tǒng)自動(dòng)復(fù)位，對(duì)相應(yīng)程序也做出對(duì)應(yīng)的改動(dòng)。各模塊調(diào)試完成后進(jìn)行系統(tǒng)硬件總體調(diào)試，分別對(duì)其三個(gè)模式進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)表明本文所研制采集器的三個(gè)功能，即單機(jī)、藍(lán)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(diào)試截圖。

圖7 藍(lán)牙功能調(diào)試截圖

圖8 GPRS功能調(diào)試截圖

5 結(jié) 語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)了土壤溫濕度的快速檢測(cè)及數(shù)據(jù)的多途徑傳輸。主要結(jié)論如下。

(1)研制了基于FD阻抗法的土壤濕度傳感器，經(jīng)標(biāo)定結(jié)果顯示該傳感器精度較高。

(2)采集器采用藍(lán)牙及GPRS兩種通信方式，可滿足遠(yuǎn)程及近距離的數(shù)據(jù)傳輸。兩種無(wú)線通信方式使土壤溫濕度的數(shù)據(jù)處理更加快捷方便，此外采用TF卡存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，保證數(shù)據(jù)不丟失。

(3)采集器預(yù)留多種通信接口，如NRF及RS-485通信接口，可滿足大田的多點(diǎn)無(wú)線及有線測(cè)量。