CN1928939A - 低功耗多指标野外土壤墒情远程监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低功耗多指标野外土壤墒情远程监测系统，它由中心站(1)和至少一个监测站(2)组成，中心站(1)通过GSM短消息交换中心连接各监测站(2)，或通过GSM/GPRS/CDMA移动通信网与具有移动网关的数据处理中心(3)相连，数据处理中心(3)通过GSM/GPRS/CDMA移动通信网连接各监测站(2)。本发明利用现代移动通信网络(GSM/GPRS/CDMA)，建立远程无线监测网，对土壤墒情10～20个指标进行远程监测和控制，系统运行经济、简单、安全、可靠，大大提高了监测的准确性和及时性，同时，本发明采用低功耗设计，降低了系统功耗，满足了野外多指标远程监测的要求。

Description

低功耗多指标野外土壤墒情远程监测系统

技术领域：

本发明涉及一种土壤墒情监测系统，尤其是一种低功耗多指标野外土壤墒情远程监测系统。

背景技术：

土壤墒情是指农作物主要根系活动层内的土壤水分状况。它是农业抗旱、水资源合理配置的重要依据。土壤墒情与旱情监测是一项公益性、基础性工作，可为政府宏观决策提供科学依据，为指导农业生产服务；是土肥系统所从事公益性服务的一个重要方面，还可为项目申报、项目建设提供科学依据。目前，对土壤墒情的监测主要采取人工实地监测的方式，不但耗费人力、物力，而且信息传递慢，无法实现实时监测和数据的远程传送，影响了监测的准确性和及时性。近年来，也出现了一些土壤墒情的监测系统，但大多限于大篷内的土壤墒情监测，使用大篷内电源供电，不适宜野外使用；或者是实验基地的土壤墒情监测，采用存储采样数据，通过RS-232进行定时联机取数，监测指标少，不具备远距离数据传输。

发明内容：

本发明的目的在于：提供一种性能可靠、远程数据传输及时且功耗低、适应于太阳能供电、系统运行成本较经济的多指标野外土壤墒情远程监测系统，以解决现有技术存在的问题。

本发明是这样实现的：它由中心站(1)和至少一个监测站(2)组成，中心站(1)通过GSM短消息交换中心连接各监测站(2)，或通过GSM/GPRS/CDMA移动通信网与具有移动网关的数据处理中心(3)相连，数据处理中心(3)通过GSM/GPRS/CDMA移动通信网连接各监测站(2)。

中心站(1)由信息接收及发送模块(4)、监控计算机(5)、服务器(6)、大屏幕显示屏(7)构成，信息接收及发送模块(4)连接监控计算机(5)，监控计算机(5)连接服务器(6)和大屏幕显示屏(7)，在监控计算机(5)中装有基于地理信息系统(GIS)的信息处理软件和监控软件。

中心站(1)由信息接收及发送模块(4)、监控计算机(5)、服务器(6)、大屏幕显示屏(7)构成，信息接收及发送模块(4)连接监控计算机(5)，监控计算机(5)连接服务器(6)和大屏幕显示屏(7)，在监控计算机(5)中装有基于地理信息系统(GIS)的信息处理软件和监控软件。

所述的中心站(1)的信息接收及发送模块(4)由24AH蓄电池组(8)、充放电控制器(9)、无线通信模块(10)、控制器及数据处理模块(11)构成，充放电控制器(9)的电流输入端连接AC/DC适配器(12)，AC/DC适配器(12)连接220V/50HZ交流电源，充放电控制器(9)的电流输出端连接24AH蓄电池组(8)、无线通信模块(10)和控制器及数据处理模块(11)，无线通信模块(10)连接控制器及数据处理模块(11)，控制器及数据处理模块(11)连接监控计算机(5)。

监测站(2)由传感器探头组(13)及变送器组(14)、接口及数据采集模块(15)、控制器及数据处理模块(11)、无线通信模块(10)和太阳能电源系统组成，传感器探头组(13)连接变送器组(14)，变送器组(14)连接接口及数据采集模块(15)，接口及数据采集模块(15)通过40针信号插座(16)连接控制器及数据处理模块(11)，控制器及数据处理模块(11)连接无线通信模块(10)，控制器及数据处理模块(11)、无线通信模块(10)连接太阳能电源系统。

监测站(2)的传感器探头组(13)由雨量传感器、大气温度传感器、大气湿度传感器、土壤温度传感器、土壤水份传感器、风速传感器、风向传感器、辐射传感器、水份蒸发传感器等组成，并通过导线连接变送器组(14)。

监测站(2)的太阳能电源系统由15-30W太阳能电池板阵列(17)、充放电控制器(9)和17-30AH畜电池组(18)组成，15-30W太阳能电池板阵列(17)连接充放电控制器(9)，充放电控制器(9)连接17-30AH畜电池组(18)。

在监测站(2)的接口和数据采集模块(15)中设有一个功耗大于300mW、动作电压为2.4V的2路微继电器，2路微继电器的输入端连接控制器及数据处理模块(11)的D/A输出信号端，输出端分别连接3.3V供电的数字或模拟信号接口的供电电源和采用12V供电的变送器组(14)及传感器探头组(13)的供电电源。

无线通信模块(10)由天线、GSM芯片、SIM卡座、RS-232插座、外围电路和器件组成，RS-232插座连接控制器及数据处理模块(11)，外围电路和器件连接充放电控制器(9)的电流输出端。

控制器及数据处理模块(11)的控制芯片为美国Cygnal公司的C8051F020单片机。

与现有技术相比，本发明可对土壤墒情进行远程多指标监测与控制，无需人值守，减少了人力、物力的消耗，并实现数据的远程实时传送，大大提高了监测的准确性和及时性。同时，本发明采用低功耗设计和间歇式供电，每间隔一段时间(中心站远程命令调节)采集、处理和发射一次数据，以降低系统功耗，满足野外多指标监测的要求。本发明监测站的控制器及数据处理模块的控制器核心选用混合信号集成芯片，该芯片集成了多路A/D和D/A、可扩充4路RS-232端口等丰富的接口，节省了大量外围接口电路的器件功耗，为系统的低功耗性能奠定了基础，使得系统能在15-30W太阳能板和17-25AH畜电池的供电系统环境下，监测指标10～20组，保证系统静态功耗0.2W以下、动态功耗在2W左右，可保证系统在连续阴雨天60天仍然正常工作，同时也减化了系统的设计，提高了系统的稳定性。本发明利用现代移动通信网络(GSM/GPRS/CDMA)，建立远程无线监测网，使系统运行经济、简单、安全、可靠。

附图说明：

图1为本发明的一种组网方式的结构示意图；

图2为本发明的另一种组网方式的结构示意图；

图3为本发明的中心站的组成示意图；

图4为本发明的监测站的组成示意图；

图5为本发明的数据及采集模块的逻辑结构示意图；

图6为本发明的太阳能电源系统的逻辑结构示意图；

图7为本发明的接口和数据采集模块中的微继电器1和微继电器2的连接原理图。

具体实施方式：

本发明的实施例：本发明的低功耗多指标野外土壤墒情监测系统由中心站1和至少一个监测站2组成，根据系统的规模大、小和需求，中心站1与监测站2可采用两种组网方式：第一种方式，如图1所示，中心站1通过GSM/GPRS/CDMA移动通信网与具有移动网关的数据处理中心3相连，数据处理中心3再通过GSM/GPRS/CDMA移动通信网连接各监测站2，各监测站2利用GSM/GPRS/CDMA移动通信网络以短消息的形式，向数据处理中心3报送数据，数据处理中心3再以短消息的形式，通过GSM/GPRS/CDMA向各中心站1实时报送数据；第二种方式，如图2所示，中心站1通过GSM短消息交换中心连接各监测站2，各监测站2与各中心站1通过短消息直接传输数据。

如图3所示，中心站1由信息接收及发送模块4、监控计算机5、服务器6、大屏幕显示屏7构成，信息接收及发送模块4连接监控计算机5，监控计算机5连接服务器6和大屏幕显示屏7，监控计算机5通过信息接收及发送模块4接收各监测站2传来的数据，并向各监测站2发送控制命令；在监控计算机5中装有基于地理信息系统(简称GIS)的信息处理软件和监控软件，通过GIS信息处理软件可以根据监测站2的地理位置和部分气象资料，利用数据挖掘、数据分析等技术，预测出以该监测站2为中心的区域土壤信息，并用色块表示，显示到大屏幕显示屏7中，达到直观显示的效果。本发明的监控软件基于GIS开发。软件采用面向对象的设计方法，开发平台选用Mapinfo公司的Mapinfo mapx软件，可实现任意比例尺缩放，漫游全图，监测站快速定位等功能，在空间地理信息和电子地图的支持下，提高了系统的应用性和可视化程度，实现了多角度多层面的查询，在电子地图上关联了监测站的实时信息和图像信息，方便了系统对大规模监测站群的管理，同时，系统经过数据挖掘预测分析，自动分析出监测站所在区域的土壤墒情，并用不同的颜色在电子地图中表示出来，为水利监管部门和政府有关部门提供决策依据。后台数据库系统选用Microsoft公司的MS SQLServer软件，采用C/S结构开发，具有电子地图和表格多种站点查询方式，具有报警及提示功能，和直观的实时数据显示方式，如动态数据点，棒图，指针，实时曲线等，可以清晰的反映各监测指标的发展趋势。在对监测站远程监管方面，具有监测站远程控制面板，可向指定监测站发送各种监管命令，例如：开/关指定监测站、通信线路和监测站自检、请求数据、设置中心站、校准监测站时钟、查询监测站各运行参数等；具有监测站报警门限设置、采集及报送数据周期和频率设置等功能。

中心站1的信息接收及发送模块4由24AH蓄电池组8、充放电控制器9、无线通信模块10、控制器及数据处理模块11构成，充放电控制器9的电流输入端连接AC/DC适配器12，AC/DC适配器12连接220V/50HZ的交流电源，充放电控制器9的电流输出端连接24AH蓄电池组8、无线通信模块10和控制器及数据处理模块11，无线通信模块10通过RS-232数字接口连接控制器及数据处理模块11，控制器及数据处理模块11通过RS-232数字接口连接监控计算机5。

如图4所示，监测站2由传感器探头组13及变送器组14、接口及数据采集模块15、控制器及数据处理模块11、无线通信模块10和太阳能电源系统组成，完成定时数据采样、数据存储、数据处理、数据报送等工作，传感器探头组13连接变送器组14，变送器组14通过RS-232/RS-485数字接口或模拟信号接口连接接口及数据采集模块15，接口及数据采集模块15通过40针信号插座16连接控制器及数据处理模块11，控制器及数据处理模块11通过RS-232数字接口连接无线通信模块10，控制器及数据处理模块11、无线通信模块10连接太阳能电源系统。根据土壤墒情的基本需求，传感器探头组13由雨量传感器、大气温度传感器、大气湿度传感器、土壤温度传感器、土壤水份传感器(3套分3层土层埋设)、风速传感器、风向传感器、辐射传感器、水份蒸发传感器等传感器组成并通过导线连接变送器组14，对雨量、空气温度、空气湿度、土壤温度、土壤水份、风速、风向、辐射、蒸发等多组传感器进行同时监测(可根据需求增加地下水、气压、CO₂等监测指标)，传感器探头组13采用4-20mA、0-10V标准模拟信号或数字信号输出，监测站2在正常运行中，接口及数据采集模块15对传感器探头组13传来的模拟信号源每0.1秒采集1次数据，定时进行数据筛选，对数字信号采用握手约定或定时采集，数据采集完成后送控制器及数据处理模块11进行数据处理，然后按照中心站1规定的发送周期和频率，加上发送时间和日期，汇集成数据组，通过无线通信模块10定时发送给各中心站1。

为了满足系统野外无人值守工作的要求，监测站2的电源系统采用太阳能供电系统，如图6所示，它由15-30W太阳能电池板阵列17、充放电控制器9和17-30AH畜电池组18组成，15-30W太阳能电池板阵列17连接充放电控制器9，充放电控制器9连接17-30AH畜电池组18。15-30W太阳能电池板阵列17的作用是将太阳辐射能直接转换成直流电，供负载使用或存贮于17-30AH畜电池组18内备用；充放电控制器9可为17-30AH畜电池组18提供最佳的充电电流和电压，快速、平稳、高效的为17-30AH畜电池组18充电，并在充电过程中减少损耗、尽量延长17-30AH畜电池组18的使用寿命，同时保护17-30AH畜电池组18，避免过充电和过放电现象的发生，同时记录并显示如充电电流、电压等各种重要数据；17-30AH畜电池组18可将15-30W太阳能电池板阵列17发出的直流电存贮起来，供负载使用。由于在白天太阳能电池板阵列给畜电池组充电，同时还给负载用电，晚上负载用电全部由畜电池组供给，因此，要求畜电池组的自放电要小，而且充电效率要高，同时考虑到价格和使用是否方便等因素，本发明的畜电池组选用17-30AH畜电池组。上述电源系统在30-60天阴天的情况下，采用间歇式供电，保证每天1-8小时(由中心站1远程命令调节)发送一组信息；监测站2输入电压DC12V，静态输出电流30mA，动态输出电流500mA，系统唤醒后数据采集、数据处理、数据发送等正常工作时间2Sec，在日照时数6～7h和配备16路具有4-20mA或者0-10V工业标准模拟信号接口、4个具有RS-232和若干个RS-485/422标准数字信号接口的与土壤墒情有关传感器的条件下，能够保证远程土壤墒情在线监测各项功能正常工作。

为降低功耗，本发明在监测站2单独设计了接口和数据采集模块15，如图5所示，在接口和数据采集模块15中设有一个功率大于300mW、动作电压为2.4V的2路微继电器，2路微继电器的输入端连接控制器及数据处理模块11的D/A输出信号端，输出端分别连接3.3V供电的数字或模拟信号接口的供电电源和采用12V供电的变送器组14及传感器探头组13的供电电源。当控制器及数据处理模块11中的控制芯片休眠时，首先经过其D/A输出“0”，2路微继电器断开，从而使接口和数据采集模块15外围的RS-232/RS-485数字接口或模拟信号接口和变送器组14、传感器探头组13停止工作；当控制器及数据处理模块11中的控制芯片被唤醒时，经过D/A输出“256”，使2路微继电器接通，接口和数据采集模块15外围的RS-232/RS-485数字接口或模拟信号接口和变送器组14、传感器探头组13开始工作，使监测站2间歇供电，达到降低功耗的目的。由于监测站2需通过通信侦听外部命令，以便随时唤醒控制器及数据处理模块11中的控制芯片，同时，传感器探头组13中的雨量传感器也需实时监测雨量信息，因此，无线通信模块10和雨量传感器不实行间歇供电，以保证监测站2在多组(10～20组传感器)传感器同时监测的情况下正常运行。

中心站1和监测站2的无线通信模块10支持目前常用的GSM/GPRS/CDMA移动通信网络，选择通用的GSM芯片，突出数据通信功能，专用设计。它由天线、GSM芯片、SIM卡座、RS-232插座、外围电路和器件组成，RS-232插座连接控制器及数据处理模块11，外围电路和器件连接充放电控制器9的电流输出端。GSM芯片选用法国WAVECOM公司的GSM/GPRS/CDMA系列芯片，其与GSM phase2/2+兼容、支持双频(GSM/900和GSM/1800)、符合ETSI标准GSM0707和GSM0705，控制器及数据处理模块11通过串口，用AT指令对其进行控制，AT指令是主要移动电话生产商NOKIA、Erics.son、Motorola和HP共同为GSM研制的一整套指令。中心站1和监测站2采用更换GSM芯片和软件设置来调整通信方式，在支持短消息和GPRS通信时，可选用Q2403系列或者Q24X6系列芯片，在支持CDMA时选用Q2338芯片。

中心站1和监测站2的控制器及数据处理模块11的控制芯片选用美国Cygnal公司的C8051F020单片机，C8051F020单片机是集成在一块芯片上的混合信号系统级微处理器芯片，具有高速流水线结构的8051兼容的CIP-51内核可达25MIPS，芯片上具有12位8通道ADC，两个12位DAC可编程更新时序，两个UART串行接口，5个通用的16位定时器，5个捕捉/比较模块的可编程计数器/定时器阵列，串行接口经软件编程可扩充到6个和增加8位8通道ADC。因此，系统在节省功耗不增加外围接口电路的情况下，具有12位8通道A/D和8位8通道A/D，2个独立的RS-232串行接口，2路D/A，2路比较器，可软件扩展4路RS-232串行接口。因此，可同时对10～20个指标进行监测，基本能满足本发明的应用要求。在软件编程时，针对终端检测站的控制器在系统静态工作时，设置系统空闲状态和MCU中时钟振荡器降低振荡频率10倍，留下除定时器0(Timer0)和通信中断(UART1)以外的暂不用的中断和定时器，保证正常的内部时钟记数和侦听雨量记数，便于系统能够被定时唤醒。通信中断侦听GSM通信模块，便于接收外部命令唤醒系统。系统唤醒时，软件逐一恢复以上设置。

Claims (9)

1、一种低功耗多指标野外土壤墒情远程监测系统，它由中心站(1)和至少一个监测站(2)组成，其特征在于：中心站(1)通过GSM短消息交换中心连接各监测站(2)，或通过GSM/GPRS/CDMA移动通信网与具有移动网关的数据处理中心(3)相连，数据处理中心(3)通过GSM/GPRS/CDMA移动通信网连接各监测站(2)。

2、根据权利要求1所述的低功耗多指标野外土壤墒情远程监测系统，其特征在于：中心站(1)由信息接收及发送模块(4)、监控计算机(5)、服务器(6)、大屏幕显示屏(7)构成，信息接收及发送模块(4)连接监控计算机(5)，监控计算机(5)连接服务器(6)和大屏幕显示屏(7)，在监控计算机(5)中装有基于地理信息系统(GIS)的信息处理软件和监控软件。

3、根据权利要求2所述的低功耗多指标野外土壤墒情远程监测系统，其特征在于：所述的中心站(1)的信息接收及发送模块(4)由24AH蓄电池组(8)、充放电控制器(9)、无线通信模块(10)、控制器及数据处理模块(11)构成，充放电控制器(9)的电流输入端连接AC/DC适配器(12)，AC/DC适配器(12)连接220V/50HZ交流电源，充放电控制器(9)的电流输出端连接24AH蓄电池组(8)、无线通信模块(10)和控制器及数据处理模块(11)，无线通信模块(10)连接控制器及数据处理模块(11)，控制器及数据处理模块(11)连接监控计算机(5)。

4、根据权利要求1所述的低功耗多指标野外土壤墒情远程监测系统，其特征在于：监测站(2)由传感器探头组(13)及变送器组(14)、接口及数据采集模块(15)、控制器及数据处理模块(11)、无线通信模块(10)和太阳能电源系统组成，传感器探头组(13)连接变送器组(14)，变送器组(14)连接接口及数据采集模块(15)，接口及数据采集模块(15)通过40针信号插座(16)连接控制器及数据处理模块(11)，控制器及数据处理模块(11)连接无线通信模块(10)，控制器及数据处理模块(11)、无线通信模块(10)连接太阳能电源系统。

5、根据权利要求4所述的低功耗多指标野外土壤墒情远程监测系统，其特征在于：监测站(2)的传感器探头组(13)由雨量传感器、大气温度传感器、大气湿度传感器、土壤温度传感器、土壤水份传感器、风速传感器、风向传感器、辐射传感器、水份蒸发传感器等组成，并通过导线连接变送器组(14)。

6、根据权利要求4所述的低功耗多指标野外土壤墒情远程监测系统，其特征在于：监测站(2)的太阳能电源系统由15-30W太阳能电池板阵列(17)、充放电控制器(9)和17-30AH畜电池组(18)组成，15-30W太阳能电池板阵列(17)连接充放电控制器(9)，充放电控制器(9)连接17-30AH畜电池组(18)。

7、根据权利要求4所述的低功耗多指标野外土壤墒情远程监测系统，其特征在于：在监测站(2)的接口和数据采集模块(15)中设有一个功耗大于300mW、动作电压为2.4V的2路微继电器，2路微继电器的输入端连接控制器及数据处理模块(11)的D/A输出信号端，输出端分别连接3.3V供电的数字或模拟信号接口的供电电源和采用12V供电的变送器组(14)及传感器探头组(13)的供电电源。

8、根据权利要求3或4所述的低功耗多指标野外土壤墒情远程监测系统，其特征在于：无线通信模块(10)由天线、GSM芯片、SIM卡座、RS-232插座、外围电路和器件组成，RS-232插座连接控制器及数据处理模块(11)，外围电路和器件连接充放电控制器(9)的电流输出端。

9、根据权利要求3或4所述的低功耗多指标野外土壤墒情远程监测系统，其特征在于：控制器及数据处理模块(11)的控制芯片为美国Cygnal公司的C8051F020单片机。

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