王艷霞 唐忠林

摘 要 設(shè)計(jì)一種低成本水力發(fā)電、在線監(jiān)測(cè)土壤濕度的智能噴灌系統(tǒng)。系統(tǒng)以低功耗單片機(jī)MSP430作為主控芯片，基于水動(dòng)力轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)能量的穩(wěn)定收集、存儲(chǔ)和再利用。土壤濕度傳感器采用叉指電極結(jié)構(gòu)型電容器，通過高精度數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片PCAP01實(shí)現(xiàn)對(duì)土壤濕度實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)的功能。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果表明，該土壤監(jiān)測(cè)系統(tǒng)濕度測(cè)量值與標(biāo)準(zhǔn)值的相對(duì)誤差均小于1%，測(cè)量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠，實(shí)時(shí)性好，抗干擾能力強(qiáng)，完成了智能噴灌系統(tǒng)中對(duì)關(guān)鍵參數(shù)的高精度監(jiān)測(cè)技術(shù)研究與實(shí)現(xiàn)。

關(guān)鍵詞 智能噴灌系統(tǒng);土壤濕度監(jiān)測(cè);PCAP01;叉指電極;傳感器

中圖分類號(hào)：S24 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2022.15.043

我國(guó)是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國(guó)，用世界約7%的耕地養(yǎng)活了世界20%的人口，人均擁水量只有世界平均水平的1/4，水資源不足問題已經(jīng)成為嚴(yán)重制約我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展和農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要因素。因此研究有效可行的節(jié)水灌溉方案具有緊迫的現(xiàn)實(shí)意義[1-2]。

土壤濕度代表土壤含水量，是土壤重要的物理性質(zhì)之一[3-4]。實(shí)時(shí)、在線的土壤濕度監(jiān)測(cè)，是現(xiàn)代集約化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中實(shí)現(xiàn)自動(dòng)精確灌溉的必要技術(shù)手段，在節(jié)約農(nóng)業(yè)用水、優(yōu)化作物生長(zhǎng)等方面發(fā)揮著重要作用。

1 ?土壤濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為滿足智能農(nóng)業(yè)的節(jié)水灌溉需要，土壤濕度在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)為多節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)模式[5]。各監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)按照星型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，通過無線通訊方式與控制中心交互數(shù)據(jù)及指令，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意見圖1。

以單節(jié)點(diǎn)為例進(jìn)行說明，智能噴灌系統(tǒng)主要由控制中心模塊、單片機(jī)主控模塊、水動(dòng)力供電模塊、微電容采集模塊和無線傳輸模塊組成，組成結(jié)構(gòu)如圖2所示。

其中，控制中心和單片機(jī)主控模塊作為單節(jié)點(diǎn)的上位機(jī)和下位機(jī)[6]。上位機(jī)主要采用Labview軟件進(jìn)行編程和界面設(shè)計(jì)[7]，完成數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換及工作狀態(tài)等信息的存儲(chǔ)和顯示功能。下位機(jī)以單片機(jī)為控制核心，通過SPI總線實(shí)現(xiàn)與微電容測(cè)量芯片的信息交互，通過叉指電極結(jié)構(gòu)的電容傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)土壤濕度的采集功能 [8-9]。

2 ?PCAP01工作原理

系統(tǒng)采用高精度電容數(shù)字測(cè)量芯片PCAP01AD實(shí)現(xiàn)對(duì)土壤濕度傳感器輸出微電容的測(cè)量[10]。在10 pF基準(zhǔn)電容且測(cè)量速率為5 Hz時(shí)，該芯片的精度可以達(dá)到6 aF。

電容芯片測(cè)量原理如圖3所示。PCAP01內(nèi)部通過充放電原理實(shí)現(xiàn)對(duì)微電容的測(cè)量。在測(cè)量過程中，一個(gè)傳感器的電容和一個(gè)參考電容被連接到同一個(gè)放電電阻，組成一個(gè)Low-pass低通濾波。

電路上電時(shí)，基準(zhǔn)電容Cref會(huì)充電至電源電壓，充電完成后，再通過內(nèi)部選定的放電電阻R1進(jìn)行放電，放電閾值電壓為Vth。PCAP01內(nèi)部高精度時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器TDC會(huì)記錄整個(gè)放電過程，得到一個(gè)放電時(shí)間常數(shù)τref。當(dāng)對(duì)待測(cè)電容CN執(zhí)行相同的充放電過程時(shí)，同樣可得到被測(cè)電容的放電時(shí)間常數(shù)τN[11]，充放電時(shí)序如圖4所示。

如公式（1）所示，放電時(shí)間比等于被測(cè)電容CN與基準(zhǔn)電容Cref之比。

[τNτref=CNCref] ?（1）

被測(cè)電容的取值一般應(yīng)盡量接近基準(zhǔn)電容，以降低增益偏移。本電路適用于測(cè)量0～3.5 nF的電容，如需測(cè)量更高的電容值，可通過在外部連接一個(gè)小電阻Rdisch_ext來實(shí)現(xiàn)。

3 ?系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)充分利用噴灌系統(tǒng)的水動(dòng)力，綜合運(yùn)用鋰電池儲(chǔ)能技術(shù)與智能電源管理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)持續(xù)穩(wěn)定的能量收集、存儲(chǔ)與供應(yīng)。通過叉指電容技術(shù)與微電容采集芯片相互配合的模式，實(shí)現(xiàn)對(duì)土壤濕度的在線監(jiān)測(cè)功能。

整個(gè)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)主要包括參數(shù)采集與控制模塊、能量采集與管理模塊、土壤濕度在線采集模塊及無線傳輸模塊。

3.1 ?能量采集與管理模塊

系統(tǒng)基于水力發(fā)電和電源管理技術(shù)，有效克服有源電網(wǎng)和太陽(yáng)能發(fā)電的缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)噴灌作業(yè)的智能化充放電管理，根據(jù)剩余電量和土壤水消耗速度，自動(dòng)調(diào)節(jié)用電策略，保證系統(tǒng)全程自主供電模式。

3.2 ?參數(shù)采集與控制模塊

本模塊以低功耗單片機(jī)MSP430作為主控芯片，合理設(shè)置工作和休眠策略，使一次噴灌后的鋰電池能量?jī)?chǔ)備可以支持一個(gè)水消耗周期。設(shè)計(jì)空氣濕度、環(huán)境溫度和光照度等環(huán)境參數(shù)檢測(cè)電路，結(jié)合叉指電容土壤濕度傳感器在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和作物的生長(zhǎng)特性[12-13]，自適應(yīng)計(jì)算或根據(jù)控制中心指令調(diào)節(jié)伺服閥的啟停與開度，同時(shí)統(tǒng)計(jì)每次的噴灌用水量和間隔時(shí)間信息。該模塊可與無線傳輸模塊交換數(shù)據(jù)，接受控制中心的無線指令并執(zhí)行相應(yīng)動(dòng)作，或根據(jù)指令要求上傳數(shù)據(jù)。

3.3 ?土壤濕度在線采集模塊

本系統(tǒng)主要通過PCAP01芯片完成對(duì)土壤濕度傳感器電容值的在線采集和轉(zhuǎn)換功能，測(cè)量電路圖見圖5。本電路采用單個(gè)傳感器接地的連接方式，其中C0為基準(zhǔn)電容，C1為被測(cè)電容（土壤濕度監(jiān)測(cè)傳感器輸出電容）。為減少寄生電容對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，驗(yàn)證電路板中電容接口模塊的走線盡可能短。

ACAM公司為PCAP01提供了標(biāo)準(zhǔn)固件03.01.xx，通過SPI或者I2C總線下載到芯片中，并合理配置內(nèi)部寄存器的參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)電容的高精度測(cè)量。

土壤濕度傳感器采用叉指電極結(jié)構(gòu)和雙面PCB工藝，每塊PCB采用雙層板結(jié)構(gòu)，板厚1.6 mm，電極寬度W與電極間隔G均為0.5 mm，電極占空比為50%[14]。叉指電容傳感器實(shí)物如圖6所示。

3.4 ?無線傳輸模塊

本系統(tǒng)中自動(dòng)灌溉網(wǎng)絡(luò)采用星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，各節(jié)點(diǎn)與控制中心建立無線雙工通訊，節(jié)點(diǎn)之間不進(jìn)行數(shù)據(jù)交互[15]。無線傳輸模塊采用2.4 GHz低功耗nRF24L01芯片[16]，在噴灌節(jié)點(diǎn)端采用TTL串口轉(zhuǎn)無線模式與單片機(jī)交互，在控制中心采用USB轉(zhuǎn)串口模式與計(jì)算機(jī)交互，實(shí)現(xiàn)單網(wǎng)模式即可覆蓋一個(gè)小型種植園的土壤濕度監(jiān)測(cè)與自動(dòng)灌溉需求。

4 ?系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1 ?主程序設(shè)計(jì)

軟件程序主要用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)灌溉節(jié)點(diǎn)處的土壤濕度、空氣濕度、空氣溫度、光照度等種植環(huán)境參數(shù)，并根據(jù)種植環(huán)境參數(shù)智能計(jì)算，自動(dòng)控制噴灌作業(yè)，包括噴灌的啟停和噴灌水量的伺服閥PID調(diào)節(jié)。以一個(gè)澆灌周期為例，圖7給出了主程序流程設(shè)計(jì)圖。

4.2 ?PCAP01配置

PCAP01在使用前需完成相關(guān)配置工作[17]，SPI通訊測(cè)試正常后，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)固件下載模式，按照?qǐng)D8所示的流程圖進(jìn)行該模塊的配置。

其中928字節(jié)固件的配置代碼如下：

void Firmware_down（void）

{ ?uchar addr2=0x00; ?//起始地址00H

uchar addr1=0x90; ?//SRAM寫指令定義

int i;

for（i=1;i<=925;i++）

{ ?P5OUT &= 0xFE; //MOSI置低

delay （10）;

spiSendByte（addr1）; //SPI寫操作

spiSendByte（addr2++）;

spiSendByte（fw[k++]）; //發(fā)送固件內(nèi)容

P5OUT |= 0x01; ?//MOSI拉高

delay （10）;

if（addr2 == 0xFF） ?// 3次進(jìn)位

{ ?P5OUT &= 0xFE; // MOSI置低

delay （10）;

spiSendByte（addr1）;

spiSendByte（addr2++）;

spiSendByte（fw[k++]）;//發(fā)送固件

P5OUT |= 0x01; ?//MOSI拉高

delay （10）;

addr1++;

}

}

}

5 ?實(shí)驗(yàn)分析

根據(jù)測(cè)試需求，搭建系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證平臺(tái)，進(jìn)行軟硬件聯(lián)合調(diào)試，實(shí)驗(yàn)測(cè)試場(chǎng)景如圖9所示。

為合理地進(jìn)行基準(zhǔn)電容匹配，實(shí)驗(yàn)中，將傳感器置于一定濕度的土壤中，采用精密LCR數(shù)字電橋預(yù)先測(cè)試傳感器的初始電容值，多次反復(fù)測(cè)量表明，電容值基本穩(wěn)定在220～235 pF之間，如圖10所示。故本次實(shí)驗(yàn)選擇標(biāo)稱值為220 pF的基準(zhǔn)電容。

程序通過讀取Res 0和Res 1寄存器的內(nèi)容，得到C0 LSB及C1/C0（ratio）的值。其中C1/C0值以24 bit數(shù)字量信號(hào)輸出，高3位為整數(shù)，最大值為7，低21位為小數(shù)，最大值為0.999 999 5。其轉(zhuǎn)換公式依據(jù)二進(jìn)制與十進(jìn)制的轉(zhuǎn)換方法實(shí)現(xiàn)：

[a2a1a0a-1…an=a2×22+a1×21+a0×20+a-1×2-1+…+a×2-21] ? （2）

（2）式中，an（n=-21、-20……1、2）為Res 1寄存器讀取到的二進(jìn)制數(shù)，最終通過數(shù)制轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器C1的采集及顯示功能。

實(shí)驗(yàn)中，提取不同濕度的土壤樣本進(jìn)行對(duì)比分析和測(cè)試，每次增加土壤濕度，分別測(cè)試不同濕度對(duì)應(yīng)的電容值，得到PCAP01的實(shí)測(cè)值C1及由精密LCR數(shù)字電橋測(cè)試的標(biāo)準(zhǔn)值Cst，如表1所示。

將不同土壤濕度環(huán)境下的采集數(shù)據(jù)通過無線通訊方式傳輸至上位機(jī)，采用Labview軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示及監(jiān)控，界面設(shè)計(jì)如圖11所示。

通過以上實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析及對(duì)比圖可知，隨著土壤濕度的增加，叉指電容傳感器的電容值不斷升高，實(shí)驗(yàn)所測(cè)數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)值之間的相對(duì)誤差均小于1%?？梢姡赑CAP01的電容采集與轉(zhuǎn)換模塊抗干擾性強(qiáng)，精度高，能夠可靠地跟蹤土壤濕度環(huán)境，實(shí)現(xiàn)噴灌作業(yè)的智能化控制與長(zhǎng)期數(shù)據(jù)采集。

6 ?結(jié)論

本文采用叉指電極結(jié)構(gòu)型電容器，通過高精度數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片PCAP01實(shí)現(xiàn)對(duì)土壤濕度實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)的功能，實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果表明，該土壤濕度在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的測(cè)試精度高，穩(wěn)定性好，效率高，實(shí)時(shí)性強(qiáng)，在灌溉期間能夠快速檢測(cè)土壤水是否達(dá)到田間持水量，在消耗期間能夠精確檢測(cè)土壤水是否降到作物凋萎系數(shù)，為灌溉時(shí)機(jī)提供科學(xué)有效的決策。該類設(shè)計(jì)在位置測(cè)試、壓力監(jiān)測(cè)及MEMS等領(lǐng)域同樣具有廣闊的應(yīng)用和發(fā)展前景。

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（責(zé)任編輯：易 ?婧）