便携式土地墒情监测系统设计

孙 岩，徐晓辉，苏彦莽，宋 涛，武兴华

(河北工业大学 信息工程学院，天津 300401)

0 前 言

土地墒情是指土壤的水分含量，即土壤干湿程度，是重要的土壤信息[1]。如何高效的进行土地墒情的监测是实现节约用水和自动浇灌的基础。随着科学的发展，虽然自动墒情监测站的投入使用促进了土壤墒情监测在节水灌溉、旱情控制、各种农业水土工程管理及农田气象等领域的广泛应用[2]，但仍存在诸多不足之处。由于监测站只能进行固定地点的监测而无法移动，要想在其他没有安装站点的地方进行测量便无法实现。

为了更方便灵活对土壤墒情进行实时监测，我们借助GPS和GSM技术，设计了一种便携式土壤墒情监测系统。该系统具有体积小、低功耗、实时采集、便于野外携带等优点，节约成本，方便使用，对解决野外无固定墒情监测站地点的墒情监测具有重要意义。

1 系统总体

便携式土壤墒情监测系统，可实现土壤水分含量、土壤温度和地理位置信息数据的采集、本地显示、存储和远传。总体结构如图1。

图1 系统总体结构

2 系统硬件设计

便携式墒情采集系统主要采集土壤的水分值和土壤温度值。系统以C8051F340单片机为中心，主要由土壤温湿度传感器采集模块、GPS模块、GSM模块、液晶显示屏以及蓄电池等模块组成[3]。系统硬件架构如图2所示。

图2 系统硬件架构

2.1 墒情监测系统功能

墒情监测系统使用模块化结构，分为多种模块，其中，数据采集与处理模块、存储模块以及GSM模块是其主要模块。各模块的主要功能如下：

(1)数据采集与处理模块主要实现两方面的功能，一方面传感器采集到的数据通过AD模块将接收到的信号输入给单片机进行处理，并将结果显示出来。另一方面GPS模块将采集地点的地理位置等信息传输给单片机；

(2)数据存储模块主要功能将单片机系统处理后的数据进行存储，同时GPS模块采集到的经纬度、时间等地理位置信息也在这个部分存储。

(3)GSM通讯模块主要实现和远端监控中心的通讯，将便携式土壤墒情监测系统采集到的数据远传至监控中心。

2.2 电源模块

由于在野外进行土地墒情监测时无法随时充电，本监测系统为了达到便携可移动的目的，将采用以蓄电池供电为主，太阳能电池板辅助供电的方式。电源系统主要由一个太阳能电池板、充电管理电路和一个蓄电池构成。通过该电源系统将使得监测器能够获得不间断供电，实现野外长期作业。

3 系统软件设计

系统软件设计主要包括墒情数据采集与处理程序设计、GSM通信子程序设计、时钟芯片初始化及看门狗复位程序设计等[4]。其中，本设计的重点内容是墒情数据采集及处理模块和GSM通信模块。系统流程图如图3所示。

图3 系统流程图

3.1 数据采集子程序

数据采集与处理模块作为软件的核心,将实现对土地墒情和地理位置信息的采集，并将采集到的数据存储在存储单元中。流程图如图4所示。

图4 数据采集流程图

3.2 GPS模块

GPS接收机主要输出NMEA语句,它是一套定义接收机输出的标准信息。由于不同语句有许多不同的格式，如果单纯采用该语句将不利于定位信息数据的接收和读取。为此采用了下述技术。

(1)串行通讯协议:串行通讯协议分为起始位、数据位、停止位以及校验位。本通讯协议无校验位，有8位数据位，起始位和停止位各1位,波特率设置成9 600 bps[5]。

(2)使用RMC语句：RMC表示最小定位信息，为推荐使用的语句格式。GPS数据主要存在于RMC语句中。“$GPRMC”为特征字符串，通过该字符串能够将RMC语句从GPS数据中分离出来。

(3)校验RMC语句的完整性：RMC语句格式为$GPRMC,<1>,<2>,<3>,<4>,<5>,<6>,<7>,<8>,<9>,<10>,<11>,<12>*hh。语句中在“$”和“*”之间的字符相加,如果与校验和字节相同，则表明数据正确,不相同则表明语句不正确。

(4)定位数据分离：在RMC语句中,各地理位置和时间信息数据的位置是一定的,如经度数据一般在第18～28字节,纬度数据一般在第32～41字节,读取相应位置的数据就可获得测量点的相应地理位置信息。

3.3 传感器快速校准

随着设备的长期使用，传感器会因为土壤环境、设备老化等因素的影响，使测量特性发生偏差。因此监测设备需要定期对温湿度传感器进行快速校准，纠正传感器输入输出特性，以便保证温湿度传感器测量的准确性。

土壤温湿度传感器以FDR-100为例，快速校准流程图如图5所示，初始化主要是对微处理器内部特殊功能寄存器、AD转换等进行初始化状态的设定[6]。系统上电后，待电压稳定后入测量状态，调用计算公式对 FDR-100的输出电压进行修正校准，最后输出校准后的电压值。

图5 校准系统流程图

3.4 通信模块的实现

GSM模块有两种传输方式负责采集数据的远传，分别是GPRS网络和GSM短消息。两者都是通过GSM/GPRS无线信道实现数据传输，前者通过监听指定的TCP端口接收数据，后者则通过串口向GSM模块发送AT指令完成短信接收[7]。

3.4.1GPRS网络模块

GPRS网络模块采用 TCP/IP协议利用SOCKET实现数据通信，在与监测中心建立联接前要预先设置IP地址和端口号，联网成功后，将TCP数据包按设置好的IP地址发送出去，监测中心接收后对其进行解析，获得相应数据。

首先，对SIM900A模块进行初始化。发送“AT”指令字符串，确认是否连接正确；再发送“AT+CLPORT =,，”指令字符串，若收到响应“OK”，则设置成功设置本地端口号。

其次，发送指令“AT+CIPSTART =,，”，建立GPRS连接。若收到响应指令“CONNECT OK”，则GPRS连接成功。

最后，单片机发送指令“AT+CIPSEND”，请求是否发送数据信息。若收到响应指令“>”，则开始发送温湿度传感器及地理位置信息等数据。GPRS流程如图6所示。

图6 GPRS连接流程图

3.4.2短消息模块

(1)AT指令。将GSM模块与C8051单片机相连接，单片机主要是通过RS232异步串口线发送T指令来控制GSM模块收发短消息。首先设定目标手机号码，然后将数据加载到短消息内容中，最后控制GSM发送短消息。数据可以以短消息的形式发送到手机上，也可以发送给另一个远程的GSM，该GSM模块与远程监控中心通过串口线相连接，在远程监控中心上建立超级终端后同样可以通过发送AT指令读取收到的短消息内容。从而便完成了墒情数据的无线远程传输。

GSM模块提供标准的AT指令来控制短消息的收发及其他命令。AT指令通常是以特定指令前缀“AT”开头，以回车“指令结束标志”结束。每个指令执行是否成功，都有对应的返回信息。常用的AT指令如下:①AT+CMGF:用于设置短消息的格式。短信的编码格式主要分为两种：一种是text格式，明文不用解码一看就懂，一种是PDU格式，国内一般都是PDU格式。0为PDU模式,1为TEXT模式。本文采用国内普遍支持的PDU格式并利用UCS2编码格式进行远程数据传输；②AT+CMGS:用于发送短消息；③AT+CMGD:用于删除已读短消息,进行数据维护；④AT+GSMR:用于读取短消息；⑤AT+CSCA:用于设置短消息中心。

4 结 语

便携式土壤墒情采集系统在设计时突出了实时便携、成本低廉和耐久实用等特点[8]。在土壤含水量数据采集系统中，实现了便携式监测，采集了土壤水分含量、经纬度数据、监测时间，并实现了无线发送，实现信息采集的及时、准确、空间定位等。

本便携式土地墒情采集系统在传统固定式墒情监测站的基础上，进行了以下几方面的改进：

(1)加入GPS模块，目的是提供实时数据，如：经纬度、时间等导航和定位信息。

(2)该系统通过设置土壤温度传感器插口和土壤湿度传感器插口，以实现同时对土壤的温湿度数据的采集和显示，而不需要再进行分开测量。另外，本监测系统的传感器接口还具有扩充功能，可以根据用户的不同要求选用其他不同类型的传感器。

(3)该设计与以往的固定监测站最大区别之处在于其可移动性。通过采用太阳能电池板辅助蓄电池供电的方式，无论有阳光还是阴天都可不间断发送数据，使整个监测系统变得小巧可移动，达到了真正便携的目的，适合在野外长期工作。

(4)采用LCD显示屏显示墒情、经纬度及附加时间等采集数据，可以实时了解监测数据信息，并通过按键完成相应操作。

[1] 李所林,宋 威,宋良平,等. 便携式土壤墒情和土壤温度测量仪的设计[J]. 电子技术应用,2013,(7):28-30,34.

[2] 高照阳,张红梅,常明勋,等. 国内外土壤水分监测技术[J]. 节水灌溉,2004,(2):28-29.

[3] 支孝勤. 基于GPS/GPRS/WebGIS的明光市墒情监测系统的研究[D]. 合肥：安徽农业大学,2012.

[4] 孙小春. 基于GPRS技术的土壤信息采集关键技术研究[D]. 陕西杨凌：西北农林科技大学,2010.

[5] 裘正军,何 勇,葛晓峰,等. 基于GPS定位的土壤水分快速测量仪的研制[J]. 浙江大学学报(农业与生命科学版),2003,(2):20-23.

[6] 徐晓辉,闫焕娜,苏彦莽,等. FDR土壤水分传感器的快速校准与验证[J]. 节水灌溉,2014,(3):66-68.

[7] 吴 春,姜 波,申长军,等. 基于无线网络的远程墒情监测系统设计与实现[J]. 节水灌溉,2011,(12):37-40.

[8] 吕雄杰,陆文龙,宋治文,等. 一种便携式土壤温湿度数据采集器的研制[J]. 天津农业科学,2010,(1):97-100.