CN101261241B - 基于嵌入式系统的土壤含水量监测仪 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于嵌入式系统的土壤含水量监测仪，包括AVR系列Mega16单片机、弧形电极对和信号调理电路组成的土壤湿度传感器；三星ARM7 S3C44B0X芯片及外围电路和带触摸屏的液晶显示器构成的上位机控制系统；无线通信模块；以及由太阳能电池板和蓄电池组成的供电系统，所述单片机直接采集土壤湿度传感器测量的土壤电导率数据并在单片机内部转换成土壤湿度数据，同时通过所述无线通信模块根据上位机的要求实时或定时传输测量数据或接收上位机控制指令。

Description

基于嵌入式系统的土壤含水量监测仪

技术领域

本发明涉及一种土壤湿度监测装置，其特别适用于土壤湿度变化较大的丘陵、山地或面积较大的农田等，用于监测土壤湿度。

背景技术

中国农业和农村现代化建设，正在进入以信息化带动现代化的全新时期，经过20多年的实践探索和对未来发展趋势的预测表明，中国农业发展趋势是从农业现代化走向农业信息化，从现代农业走向信息农业。农业生产管理信息化、农业科学技术信息化、农业经营管理信息化和农业资源环境信息化是信息化农业的重要组成部分，由传统农业向现代化农业转变，由粗放经营向集约经营转变是农业信息化过程中迈出的重要一步。土壤水分对作物的生长状态如叶面积指数、光合作用、对营养的吸收有直接的影响，土壤水分的测量与监控是信息化农业中农业生产管理信息化、农业科学技术信息化和农业资源环境信息化的重要组成部分。

然而，通过对现有的土壤含水量监测仪进行了解可知：现有的土壤含水量测试仪均是由单机组成。使用者手持测试仪测量农田中某点的土壤含水量并记录，对于地块较大的农田或土壤含水量变化较大的丘陵地带，则需要在不同位置测试多组数据。此外，土壤湿度数据的测量和后期的数据处理经常浪费大量的人力和物力，因此现有的这种测量仪器使用效率低下。另外，各个测试仪之间没有有效的通信链路或只能通过有线的方式组网通信，目前多数土壤湿度测试仪是需要电缆与传感器连接，多个传感器的数据采集器一般通过总线的方式连成一个测试系统，此种数据采集方式不太适合田间使用，因为太多的布线会给田间管理带来不便，从而增加了农业生产中土壤含水量测试的成本，进而有悖于信息化农业所要求的农业生产高产、高效的主旨。现在的发展趋势是一个具有无线通信功能的主机及多个无线传感器节点构成。随着嵌入式系统和无线传感器网络的发展，无线传感器可以很容易的嵌入TCP/IP协议，通过Internet实现远程监测功能。

因此，有必要提供一种改进的土壤含水量监测仪，以便克服现有技术的缺点与不足。

发明内容

本发明的目的是克服传统农业生产中盲目灌溉和现有的有线传感器网络难以组网和维护从而导致不能大规模推广应用的缺点，提供一种由AVR系列单片机和弧形电极对组成的土壤湿度传感器、三星ARM7 S3C44B0X芯片及外围电路、无线收发模块、太阳能供电系统组成的基于嵌入式系统的土壤含水量监测仪。

本发明提供的技术方案是：一种基于嵌入式系统的土壤含水量监测仪包括由AVR系列Mega16单片机、弧形电极对和信号调理电路组成的土壤湿度传感器；由三星ARM7 S3C44B0X芯片及外围电路和带触摸屏的液晶显示器构成的上位机控制系统；nRF905系列无线通信模块；由太阳能电池板和蓄电池组成的供电系统。所述单片机直接采集土壤湿度传感器测量的土壤电导率数据并在单片机内部转换成土壤湿度数据，然后同时通过所述无线通信模块根据上位机的要求实时或定时传输测量数据或接收上位机控制指令。用户通过土壤含水量监测仪的上位机液晶显示器中的图形用户界面控制相应传感器节点，实现远距离无线监测，也可以通过无线通信控制传感器上传历史数据，用户还可以通过该界面设定采样频率定时采集数据、读取EEPROM的历史数据等操作。

本发明的优点在于：由AVR系列单片机和弧形电极对组成的土壤湿度传感器、三星ARM7 S3C44B0X芯片及外围电路、无线收发模块、太阳能供电系统组成的基于嵌入式系统的土壤含水量监测仪能实时或定时测量和传输各节点所在位置周围的土壤湿度数据，无线收发模块克服了传统有线传感器网络组网困难、难以维护的缺点。太阳能供电系统有效解决了野外、山间等远离电网的农田中传感器网络的供电问题，且低压供电保证了人畜的安全。

此外，本发明的优点还在于：相对于传统的土壤含水量监测仪，本测试仪可准确地测量节点所在位置周围的土壤湿度情况，并且可以根据测量的湿度数据控制滴灌或微灌系统的工作状态，从而节约了大量的水资源，其相对于传统的有线土壤含水量测试仪，本发明提供的监测装置可大大地节约大量的信号线和供电电线，克服了有线传感器网络组网难、难以维护且成本较高的缺点。另外，本发明提供的土壤含水量监测仪可允许任意增删土壤含水量测试仪中节点的数量和改变各节点的位置。

下面将结合附图，通过优选实施例详细描述本发明。

附图说明

图1为本发明的基于嵌入式系统的土壤含水量测试仪的上位机的总体结构图。

图2为图1所示基于嵌入式系统的土壤含水量测试仪的土壤电导率测试节点结构图。

图3为本发明的基于嵌入式系统的土壤含水量测试仪的下位机传感器节点结构框图。

图4为本发明基于嵌入式系统的土壤含水量测试仪的监控主界面。

图5为本发明基于嵌入式系统的土壤含水量测试仪的传感器监测界面。

具体实施方式

如图1-5所示，本发明提供的基于嵌入式系统的土壤含水量测试仪包括上位机(如图1所示)与下位机(如图3所示)。请参考图1，上位机包括互相通讯的S3C44B0X最小系统13、彩色LCD显示器与触摸屏16、触摸屏控制器15、EEPROM存储器12、无线通信模块11以及网络控制器比如RTL8019。S3C44B0X最小系统13内只集成了8KB的RAM，没有集成FLASH-ROM和SDRAM，本发明通过在S3C44B0X最小系统13的外部扩展FLASH和RAM，从而构成一个基本的最小系统，并在其内烧写固件程序。带触摸屏的彩色LCD显示器16选用四线式电阻式触摸屏，同时选用ADS7843作为该触摸屏控制器15。无线通讯模块11必须与传感器节点的无线通信模块保持一致，为此同样选用nRF905系列一体化收发模块，S3C44B0X最小系统13有两个串行通讯口，其中UART0留作与PC通讯，用于ARM固件程序的调试，另一个串行口用作无线通讯接口。

触摸屏控制器15控制电极电压的切换，在测量X坐标的时候对Y输出电压，在测量Y坐标时对X输出电压，然后通过ADC转换采集接触点处的电压值。

如图2所示，土壤电导率测试节点的探头是整个传感器的前端，直接插入土壤并从土壤电导率数据，通过标定得出来的土壤电导和土壤含水量之间的相互关系，把测得的电导值转变为含水量值。为了能反映不同深度的土壤水分状况，每个测试节点的探头设计有4层电极对。本发明采用适当塑料管22，比如PVC-U管作为电极对的载体，用塑料帽28，比如密封帽封住管底，防止土壤中的水分从底部进入，影响测试结果。在PVC-U管外壁，从底层开始，每隔3cm贴一层电极对，电导片24用导线从PVC-U的内壁引出，连接到插座26上。

如图3所示，下位机传感器节点主要由双极性脉冲间歇电压激励源32、集成运放器、程控放大器31、A/D转换器33和AVR单片机37等电路组成。因土壤含水量差异较大，土壤电导的变化范围很大，土壤电导率传感器的输出信号波动较大，本发明通过程控放大电路较好地处理增益和动态范围之间的关系，既能够保证较大的动态范围，又能在小信号时保证较高的精度。

双极性脉冲间歇电压激励源32由L7805和L7905三端稳压器构成的正负稳压电源及双极性脉冲间歇电压源的切换控制电路组成。正负、0V电源的切换控制是由经过AVR单片机37控制的精密、高速和低导通电阻的单刀双掷模拟开关MAX303完成。程控放大器由AD526及简单的外围电路构成，可提供二进制数1、2、4、8、16的精密增益数字控制，本系统采用两片AD526级联的方式作为增益放大器，级联后的放大倍数为1、4、16、64、256，依次增大4倍。激励源的正、0V切换、程控放大器的增益设置等均由AVR单片机37完成。

本电路是这样工作的：土壤电导率测试节点的探头上含有一对金属电极薄片，该电极对通过绝缘线分别与激励源电路的输出端和反向放大电路38的输入端相连。当单片机发出启动双极性脉冲间歇电压源32的控制信号后，被测土壤受到激励，被测信号通过转换电路，把电导信号转换成电压信号，传递到可编程增益放大器的输入端，经程控放大后被单片机自带的A/D转换电路33采集，存入单片机37。

激励源的正、反、0V切换、程控放大器31的增益设置等均由单片机37完成。测得的信号通过串口通信电路送至上位机进行数据处理。

如图4所示，土壤含水量监测仪监控主界面是系统上电后显示的第一个界面，通过本界面，用户可以方便的控制或选择系统中的各个操作，各操作结束后，系统自动回复到本界面。用户开机首先进入主界面，在此触摸相应的传感器，就能实现远距离无线监测，也可以通过无线通信控制传感器上传历史数据。

如图5所示，用户触摸系统主界面任一传感器图标，即可进入该传感器监测界面。进入传感器监测状态后，系统会主动向指定的传感器发出命令，如果传感器的缓存EEPROM内有历史记录，则可以先读取历史数据，然后按用户设定的采样频率定时采集数据。每采集一个数据都在传感器图上显示具体的数据，向时在曲线显示区画出每路数据的变化轨迹，每次接收一组数据同时发出声音提醒用户“接收成功”。

该界面共设置了12个触摸区，除了“保存”、“查阅”、“采样频率”“数值显示”以外，屏幕右下角还有一个小喇叭，当不需要声音提示的时候，可以按此关闭提示音。如果只关注某一个通道的信息，可以触摸传感器图片相应的探头位置，就可以只显示当前通道的数据或曲线。如上所述，便可较好的实现本发明。

概括地讲，本发明提供一种基于嵌入式系统的土壤含水量监测仪，包括由AVR系列Mega16单片机、弧形电极对和信号调理电路组成的土壤湿度传感器；由三星ARM7 S3C44B0X芯片及外围电路和带触摸屏的液晶显示器构成的上位机控制系统；无线通信模块；以及由太阳能电池板和蓄电池组成的供电系统，所述单片机直接采集土壤湿度传感器测量的土壤电导率数据并在单片机内部转换成土壤湿度数据，然后同时通过所述无线通信模块根据上位机的要求实时或定时传输测量数据或接收上位机指令。

所述单片机系统包括AVR系列Mega16单片机、晶体振荡器、复位电路、调试接口。单片机采集土壤电导率传感器的信号，并将其转换成土壤湿度数据，晶体振荡器为单片机提供外部时钟信号。所述三星ARM7S 3C44B0X芯片及其外围电路以S3C44B0X微处理器为核心，扩展触摸屏幕、彩色LCD显示器和无线收发电路构成嵌入式数据采集系统。所述土壤电导率测量传感器由6块宽为1cm、弧长为2cm且已镀导电陶瓷的铜片、信号调理电路和圆柱形绝缘材料组成。

所述无线收发模块采用Nordic公司出品的nRF905芯片，进行控制命令的接收和测量数据的无线传输。所述太阳能供电系统由太阳能电池板和14V蓄电池组成，为整个系统提供电能。

本发明的优点之一为：由AVR系列单片机和弧形电极对组成的土壤湿度传感器、三星ARM7 S3C44B0X芯片及外围电路、无线收发模块、太阳能供电系统组成的基于嵌入式系统的土壤含水量监测仪能实时或定时测量和传输各节点所在位置周围的土壤湿度数据，无线收发模块克服了传统有线传感器网络组网困难、难以维护的缺点。太阳能供电系统有效解决了野外、山间等远离电网的农田中传感器网络的供电问题，且低压供电保证了人畜的安全。

此外，本发明的优点还包括：相对于传统的土壤含水量监测仪，本测试仪可准确地测量节点所在位置周围的土壤湿度情况，并且可以根据测量的湿度数据控制滴灌或微灌系统的工作状态，从而节约了大量的水资源，其相对于传统的有线土壤含水量测试仪，本发明提供的监测装置可大大地节约大量的信号线和供电电线，克服了有线传感器网络组网难、难以维护且成本较高的缺点。另外，本发明提供的土壤含水量监测仪可允许任意增删土壤含水量测试仪中节点的数量和改变各节点的位置。

Claims (5)

1.一种基于嵌入式系统的土壤含水量监测仪，其特征在于：包括由AVR系列Mega16单片机、弧形电极对和信号调理电路组成的土壤湿度传感器；三星ARM7S3C44B0X芯片及外围电路和带触摸屏的液晶显示器构成的上位机控制系统；无线通信模块；以及由太阳能电池板和蓄电池组成的供电系统，所述单片机直接采集土壤湿度传感器测量的土壤电导率数据并在单片机内部转换成土壤湿度数据，然后同时通过所述无线通信模块根据上位机的要求实时或定时传输测量数据或接收上位机指令。

2.根据权利要求1所述的基于嵌入式系统的土壤含水量监测仪，其特征在于：由AVR系列Mega16单片机、弧形电极对及信号调理电路构成的土壤湿度传感器，包括一个探头，该探头由镀导电陶瓷的铜片构成所述弧形电极对，所述信号调理电路对弧形电极对的输出信号进行转换、放大处理。

3.根据权利要求1或2所述的基于嵌入式系统的土壤含水量监测仪，其特征在于：所述单片机及无线通讯模块构成了数据传输系统，该数据传输系统通过无线传输模块，传输测量数据和上位机或传感器网络中其他节点传输过来的指令和数据。

4.根据权利要求1所述的基于嵌入式系统的土壤含水量监测仪，其特征在于：在所述太阳能电池板和蓄电池组成的供电系统中，太阳能电池板输出电能并将多余的电能储存在蓄电池内，供节点夜间使用。

5.根据权利要求1所述的基于嵌入式系统的土壤含水量监测仪，其特征在于：单片机及外围电路、土壤电导率测量传感器、无线收发模块、太阳能电池板和蓄电池组成的供电系统组成了单个传感器节点，由多个此种节点构成了传感器网络，整个传感器网络中的每个节点权利对等，共同受由用户控制的上位机控制，向其传输数据或接收其控制命令。

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