便携式土壤墒情采集器设计

员玉良，白壮壮，吴聪康

(青岛农业大学机电工程学院，山东 青岛 266109)

0 引 言

土壤墒情的有效获取是精准农业发展的前提，是实现节水灌溉的基础[1]。美国等西方国家在20世纪70年代首先采用中子衰减法采集土壤含水量对土壤墒情进行了监测与预估。进入21世纪后，土壤墒情监测技术及设备的发展迅速，结合网络通讯技术实现了土壤墒情监测的即时通讯与网络化传输[2,3]。国内农业现代化进程相对较慢，雷志栋院士[4]自20世纪80年代开始进行土壤水分及相关问题的研究，并提出了“四水转化”概念。随着精细农业这一现代化理念的出现，国内越来越多的学者开始进行土壤墒情的相关研究，关于土壤温湿度检测的方法与技术也日新月异。尤其是物联网技术的发展，国内出现了一系列结合无线通信技术的墒情检测系统。王玖林等[5]设计了基于LoRa的节水灌溉系统，贾科进等[6]设计了基于ZigBee无线传感网络的土壤墒情监测系统，陈天华等[7]设计的基于ARM和GPRS的远程土壤墒情监测预报系统，这些系统基本都具有物联网的结构模式，但均存在传感器精度较低、兼容性差以及成本高等问题，大面积推广使用较困难。

基于此，本文设计了一种便携式土壤墒情采集器，利用FD阻抗法土壤水分传感器检测土壤水分，数字温度传感器测量土壤温度，结合无线通讯及GPS等技术，实现测定点的土壤温湿度与位置的即插、即测、即存以及即发等功能。

1 整体方案设计

便携式土壤墒情采集器通过土壤水分传感器和温度传感器测得土壤温湿度数据，经单片机处理后实时显示并存储，根据按键选择的模式决定数据通过蓝牙发送至手机或GPRS传输至PC上位机[8]，整体功能方案示意图如图1所示。

图1 整体功能方案示意图

2 采集器硬件设计

本文所设计的土壤墒情采集器需要采集土壤温湿度及地理位置等相关信息并将数据存储发送，传感器需便携、快捷、准确采集。考虑到传感器主要在户外工作，因此应自带电源，须采用低功耗设计。

便携式土壤墒情采集器主要包括：主控CPU、电源模块、传感器电路(土壤水分传感器、土壤温度传感器)、数据采集控制电路、无线通信电路、显示电路、存储电路以及按键输入电路，具体结构如图2所示。主控CPU选择STM32系列单片机[9]，土壤温度传感器采用数字温度传感器DS18B20。

图2 采集器硬件结构图

2.1 土壤水分传感器硬件设计

土壤是一种非均质、分散、多孔介质，主要由固体、液体与空气三类物体等组成。根据介电理论，土壤的介电常数中水的介电常数占主要部分，因此通过测含水土壤的相对介电常数即可间接测得土壤的容积含水量[10]。本设计采用基于FD阻抗法的测量方法[11,12]，采用土壤探针阻抗测试原理如图3所示，图3中Zo为分压阻抗，Ua与Ub分别为采样电压。其中：

(1)

图3 FD阻抗法原理示意图

土壤水分传感器主要由电源电路、高频振荡电路、检波电路以及放大电路等部分组成。

电源电路主要为脉冲电路及差分放大电路提供稳定电压，采用LM2576S-5.0稳压芯片将输入电压稳定在5 V；高频振荡电路采用100 MHz有源晶振产生一个100 MHz的正弦信号。

检波电路采用二极管检波电路，分别接采样阻抗两端，检波电路输出为采样电压Ua、Ub，为差分放大输出信号。

放大电路采用AD623作为放大器，AD623具有较好的交流共模抑制比，为集成单电源仪用放大器。具有增益可调、宽电源电压、满电源输出等优良特性。放大电路的输入为检波电路输出的采样电压，电路如图4所示。

图4 放大电路

2.2 通信及定位模块电路设计

采集器需将数据通过蓝牙或者GPRS网络传输，则需要使用蓝牙、GPRS模块以及定位模块。考虑到系统功能需求以及节省硬件成本与空间，本系统选择SIM808模块为通信及定位模块。SIM808为GSM/GPRS/GPS集成模块，可低功耗实现短信、语音通话、蓝牙、GPRS数据的传输等功能，支持3.3和5.0 V TTL串口，5～18 V的宽电压工作范围。集成PA提供10 dBm的输出功率，内置蓝牙符合蓝牙specifican3.0+EDR标准，采用集成AT指令。本设计采用SIM808mini板。此外，本系统还可扩展多种通信方式，如串行通信接口与NRF24L01接口等。

2.3 存储电路设计

采用TF卡作为存储单元，TF卡相比SD卡或U盘模块更加小巧，相比Flash更加方便读取，利用STM32F103自带SDIO接口读取速度更快。

2.4 显示与控制电路设计

采集器设有5个轻触按键，用于系统工作模式的选择、数据发送、系统唤醒、GPS的开关以及一个预留按键。系统显示采用0.91寸OLED屏，OLED显示屏是采用有机发光二极管显示，具有自发光、广视角、极低耗电、响应速度快等特点。相比LCD屏占用IO口少且体积小，面积仅为40 mm×12 mm。工作电压为3.3～5.0 V，分辨率为128×32，I2C通信接口。

2.5 系统供电电路设计

性能稳定的电源是系统稳定工作的必要前提条件。本系统主要需要5.0及3.3 V电源，根据系统设计要求，采用18650锂电池供电，利用升压模块将电池输出电压升至5 V，利用AMS1117-3.3稳压模块为系统提供3.3 V电压。在PCB板绘制时已预留电源接口，若要更改供电电源可根据实际需要增减相应模块。

3 采集器软件设计

采集器软件设计主要分为数据采集、数据处理、显示、发送及存储几部分，根据按键输入选择模式，分蓝牙、GPRS、单机三个模式，模式选择后系统会自动采集数据并显示，在蓝牙和GPRS模式下当发送按键按下时，数据会发送至连接设备或上位机。若5 min内无按键按下时系统会自动进入低功耗模式，直至唤醒按键按下才进入工作模式。主要程序流程如图5。

图5 系统程序主流程图

4 试验与分析

4.1 传感器精度标定

为保证所设计传感器的精度，对传感器进行了试验标定。利用烘干法对传感器精度进行实验室标定曲线如图6所示。

图6 传感器精度标定曲线

由图6可以看出传感器输出与土壤容积含水量呈线性相关，决定系数R2=0.944 2，表示其为极显著相关。

4.2 采集器功能调试

SIM808模块采用串口通信，需要分别对蓝牙、GPS、GPRS三部分进行调试，调试时发现GPS定位需要在室外且定位时间大约在5 s左右，使用外置GPS天线，在信号良好的情况下精度可高达10 m；调试蓝牙功能过程中发现，蓝牙配对与连接时返回指令不同，且配对方式不同时返回指令也不同，本文主要用到其SPP服务，在程序编写时对其也做出了相应的改动。GPRS功能调试时偶尔出现连接时间稍长的现象，在程序中加有看门狗功能避免系统卡死，但若长时间等待连接，看门狗会自动复位，避免因信号等问题出现连接时间过长时系统自动复位，对相应程序也做出对应的改动。各模块调试完成后进行系统硬件总体调试，分别对其三个模式进行试验，试验表明本文所研制采集器的三个功能，即单机、蓝牙、GPRS模式下均能正常工作，且定位功能正常。图7、图8为功能调试截图。

图7 蓝牙功能调试截图

图8 GPRS功能调试截图

5 结 语

本文设计了一种便携式土壤墒情采集器，研制了基于FD阻抗法的土壤湿度传感器，实现了土壤温湿度的快速检测及数据的多途径传输。主要结论如下。

(1)研制了基于FD阻抗法的土壤湿度传感器，经标定结果显示该传感器精度较高。

(2)采集器采用蓝牙及GPRS两种通信方式，可满足远程及近距离的数据传输。两种无线通信方式使土壤温湿度的数据处理更加快捷方便，此外采用TF卡存储数据，保证数据不丢失。

(3)采集器预留多种通信接口，如NRF及RS-485通信接口，可满足大田的多点无线及有线测量。