车载土壤样品信息快速采集装置*

朱洪涛，张 凯，龚振华

（南京信息工程大学 信息与控制学院，江苏 南京210044）

精准农业是指由信息技术支持的根据空间变异，定位、定时、定量地实施一整套现代化农事操作技术与管理的系统。准确地讲，精准农业是在遥感RS（Remote Sensing）、 地理信息系统 GIS （GeographicalInformation System）、全球定位系统 GPS（Global Positioning System）、通信网络等信息技术和先进制造技术支持下，利用农学、地学、生态学模型，对生产过程实施一套精确定位、定量管理集成技术的现代化农业，以最少的或最节省的投入达到同等收入或更高的收入，并改善环境，高效地利用各类农业资源，取得经济效益和环境效益[1-2]。

精准农业是当今世界发展的新潮流，是由信息技术支持实施的一整套现代化农事操作技术与管理的系统。欧美农业高度发达，与精准农业的发展是离不开的。精准农业是现代化的技术装备，土壤采样作为精准农业的重要组成部分，但发展速度较为滞后，国外数年前出现一些车载土壤采样机，虽然在一定程度上解决了以往纯人工采样的一些弊端，但是大部分的产品仍然是人工操作的，带GPS定位的土壤采样车较少[3]。国内土壤采样器应用较多的仍然是沿用五、六十年代的技术，需要大量的人工操作与记录，可靠性不高，效率低下，虽然近年来出现了一些车载土壤采样器，但是还是没有能够有效解决因人工操作带来的一些不良影响。随着对于土壤研究要求的日益提高，为了满足不同土质的不同采样要求，土壤采样车的设计也成为了近年国家“863”计划重点研究课题之一。其中，张凯等人对于土壤采样车的机械开发研究为车载土壤采样设备奠定了基础[4]；郑长奇等人研究的采样头液压驱动回路的优化提高了土壤采样装置的机械工作效率[5]。但是土壤采样车还缺乏必要的安全保障，存在数据采集可靠性不高、自动化程度低等问题，因此，本文研制了一种土壤采样车车载土壤样品信息采集装置，装置体积小、抗震性好，为土壤采样装备提供信息化装备，为精准农业发展提供一定的理论基础和实践经验。

1 装置总体结构

智能车载土壤样品信息采集装置主要有信息采集、监控、信息处理和发送等功能。

信息采集功能主要包括对环境温湿度的采集以及采集地点位置信息的采集，通过对环境温湿度的采样分析可以得出该地区土壤状况受环境温湿度变化的影响，地点位置信息是土壤样品的采集位置坐标；监控功能是指对采样头工作状态的监控，通过对采样头动力驱动单元，即液压油路压力的监控可得到钻头工作状态；信息处理功能由微型控制器作为信息处理的核心，用以将采集到的数据进行整理并控制外围器件；信息发送功能是将土壤采样地点信息以及环境温湿度信息发送至研究所上位机数据管理平台，实现对土壤样品信息的快速自动获取。

本文所述的车载土壤样品信息采集装置采用模块化设计。主要由电源模块、复位电路模块、微控制器MSP430模块、GPS数据接收模块、GSM无线通信模块、环境传感器模块、压力传感器模块、存储模块和液晶显示模块组成，如图1所示。

图1 装置结构图

2 装置硬件电路设计

装置采用TI公司推出的低功耗单片机MSP430F149作为主控制芯片，MSP430系列是一个16 bit、具有精简指令集、超低功耗的混合型单片机，具有极低的功耗、丰富的片内外设和方便灵活的开发手段，以及MSP430单片机丰富的应用实践基础，为本装置提供了节能稳定且高效的控制方案[6]。

2.1 温湿度传感器

温湿度传感器采用SENSIRION公司生产的SHT11。SHT11温湿度传感器将温湿度传感器、信号放大调理、A/D转换无缝连接在一起，具有响应快、功耗低、抗干扰能力强、极高的性价比等优点。其测量温度和相对湿度的分辨率分别为14位、12位，通过状态寄存器可调节至12位和8位。温度测量范围为-40℃～+123.8℃，测量精度为±0.5℃；湿度测量范围为 0～100%RH，分辨率为±3.5%RH，并且支持在测量过程中对相对湿度自动校准。因此完全可以满足本文所述装置对于温湿度精度的要求。SHT11的供电电压为2.4 V～5.5 V，只需占用单片机2个I/O口分别作为数据线DATA和时钟线SCLK，DATA端接入1只上拉电阻，电源间增加一个0.1 μF的电容，用以去耦滤波。SHT11采用 SMD（LCC）表面贴片封装形式，接口非常简单，其与MSP430连接电路图如图2所示。

图2 SHT11连接电路图

2.2 压力传感器

土壤采样车采样头动力由液压驱动，因此，对于液压回路的监控不但可以提高土壤采样车作业的安全性和可靠性也可以保护采样头避免承受太大压力而过度磨损。土壤采样车液压回路采用美国MEAS公司的MSP300压力传感器，土壤采样装置车液压油缸内液压为 6 MPa[5]，因此选用量程为 0～100 bar（合 10 MPa）的压力传感器可以满足土壤采样车液压监控要求。由于压力传感器输出信号为电压信号，因此需要用MSP430自带的12 bit A/D转换模块将电压信号转化为数字信号。压力传感器的电器连接如图3所示。

图3 压力传感器连接电路图

由图看出，将液压传感器的输出信号经过电阻分压处理，将输出电压控制在0～2.5 V，这是因为MSP430F149单片机内置了2.5 V的参考电压，使用内部参考电压可以有效地简化电路设计，提高电压信号采样转化的准确性与稳定性。传感器电压信号接入MSP430的P6.0口进行数据采集，由于经过MSP430的A/D转换出的数字信号是12 bit的二进制数，满刻度为FFFH（对应十进制4 095），转为实际电压需要经过如下计算过程：

进行多次转换后，取32次平均值以提高信号采集精度。

2.3 GPS

对于土壤采集位置的确定，GPS（全球定位系统）可以提供比较精确的数据。本装置采用现在普遍使用的基于SIRF3芯片组的GS-92模块，运行功耗仅35 mA，定位精度在10 m以内，上电启动后，可以迅速完成搜星定位以及数据传送等功能，完全可以满足对于土壤采样位置的定位。

图4所示为GS-92模块与MSP430的连接电路图，模块供电要求为3.3 V，电源和地之间增加滤波电容提高系统稳定性，将TXD端口接入单片机P3.5（URXD0）完成数据的接收。

2.4 GSM无线通信

土壤信息采集装置所采集到的信息通过GSM无线通信方式发送至上位机管理平台，实现土壤信息的快速自动获取。GSM模块采用SIEMENS TC35i芯片，TC35i的数据I/O口是一个串行异步收发器，符合RS232标准，8位数据位和1位停止位，无校验位，波特率在300 b/s～115 kb/s之间，支持 AT操作指令；接口协议公开，方便用户的应用开发及设计。

TC35i的数据通道输出高电平为 2.25 V～2.76 V，输出低电平最大值为0.2 V，输入高电平为1.95 V～3.3 V，输入低电平为-0.3 V～0.5 V，与MSP430串行口可以直接通信，不需要进行I/O口的电平转换。本装置中只涉及 TC35i模块的 15引脚 （IGT）、18引脚 （RXD0）、19引脚（TXD0）以及 SIM卡引脚24～29，其他引脚功能没有被使用。引脚15连接单片机P4.5，单片机I/O口可以通过程序设置输出200 ms的低电平以启动TC35i模块；引脚18和19分别接单片机串行接口P3.6和P3.7，用以发送土壤信息和接收信息。

2.5 LCD液晶显示的设计

本装置采用一块12864单色液晶屏幕作为人机交互的界面。12864是一款成熟的汉字图形显示模块，可显示汉字和图形，支持光标显示、画面移位、自定义字符、睡眠模式等多种实用功能，完全能够满足本装置的使用需要。

12864 模块具有2.7 V～5.5 V的宽工作电压范围，具有串/并行多种接口方式，本装置采用串行接口实现12864与单片机之间的通信，因此只需连接引脚4、引脚5、引脚6和引脚 15。引脚 4（片选控制位）接单片机 I/O口；引脚 5（串行数据输入口）接单片机I/O口，用来传输需要显示的数据；引脚6（串行移位脉冲输入）接单片机I/O口，为数据按位传输提供稳定时序；引脚15为串/并传输方式选择位，该位置低为串行传输方式，因此直接将该位接地，使12864始终处于串行传输方式。具体电路连接如图5所示。

3 单片机控制程序设计

MSP430作为信息采集装置的主控制器，其软件功能主要包括：监视液压泵压力、按需获取温湿度传感器数据、按需获取GPS位置数据、通过AT指令控制GSM模块发送数据等。主程序的流程框图如图6所示。

装置在上电后，首先初始化各模块，准备工作；然后设定定时中断，在每一个定时内，单片机都需要对传感器上的数据读取一次并显示；如果用户有发送命令，则启动GSM模块，把当前状态下有关数据通过短信形式发送到土壤研究所上位机平台，如此完成对于土壤采样车的监控以及对土壤样品信息的快速采集，为土壤采样作业提供良好的人机交互界面。

4 装置测试和实验结果

装置测试过程如下：

（1）将装置放置于田间等空旷地，便于GPS搜星；

（2）观察温湿度传感器以及GPS位置数据显示；

（3）按键选择GSM发送，通过上位机软件观察数据传回状态；

（4）上位机通过RS232串口接收来自车载土壤样品信息菜价装置发来的GSM短信，解析数据后，显示在土壤信息管理平台上，如图7所示。

车载土壤样品信息快速采集装置是基于土壤采样车开发的自动化信息控制装置。具有监控采样车工作状态、采集土壤样品信息、发送土壤样品信息等多种功能，符合现代精准农业对于农业机械的信息技术要求。经实验室测试表明，该装置运行稳定、可靠性较高，可以实现设计功能。

[1]陈立东，马淑英，李国昉，等.谈我国精准农业装备技术的现状及发展方向[J].山东农机，2004（12）：4-6.

[2]戎恺，杨星卫，段项锁.精准农业的研究应用现状和发展趋势[J].上海农业学报，2000，16（3）：5-8.

[3] WUEST， STEWART B.Small-IncrementElectric Soil Sampler[J].Soil Science Society of America Journal， 2008，72（6）：1554-1556.

[4]张凯，刘成良.车载液压振动式土壤采集装置研究[J].南京信息工程大学 学报 （自然科 学版 ），2010，2（4）：297-301.

[5]郑长奇，苗玉彬.农田土壤快速信息采样设备设计研究[D].上海：上海交通大学，2008.

[6]TI.MSP430x1xx family user′s guide.2006.