高緯度低海拔土壤監(jiān)測系統(tǒng)研究*

周艷娥 ，葛海波 ，林 界 ，柯奎雄

（1.西安郵電大學(xué) 電子工程學(xué)院，陜西 西安 710061；2.西安郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院，陜西 西安 710061；3.華為技術(shù)有限公司西研所，陜西 西安 710077）

在0℃或0℃以下的環(huán)境中，含水的松散巖石或土壤膠結(jié)了松散的固體顆?；蜣D(zhuǎn)變成結(jié)晶狀態(tài)，通常稱為凍土。我國的常年凍土主要分布在帕米爾高原、青藏高原，祁連山、天山等西部高山地區(qū)及長白山、東北的大興安嶺及內(nèi)蒙古的部分山區(qū)。據(jù)有關(guān)資料[1]表明，在新疆地區(qū)冬季凍土層最深達2.53 m，黑龍江地區(qū)冬季凍土層最深達2.94 m，內(nèi)蒙古滿洲里地區(qū)冬季凍土層深達3.92 m。這種地區(qū)凍土現(xiàn)象對長輸管道存在明顯的影響[2]，處理不好會產(chǎn)生嚴(yán)重的惡果，在工程項目施工中應(yīng)引起高度注意。近幾年，我國長輸管道施工項目較多，管道需穿越不同的地段和地域。本文設(shè)計的土壤檢測系統(tǒng)適應(yīng)多年或冬季季節(jié)周期較長的寒冷地區(qū)的凍土地段。為了更好地了解凍土對管道的影響，必須了解凍土的溫度、濕度和凍土在0℃左右融化時的基本信息。

1 土壤監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

土壤監(jiān)測系統(tǒng)采用MSP430作為監(jiān)測終端的微控制器（MCU），PC作為服務(wù)器，數(shù)據(jù)傳輸通過 GPRS的 SIM卡借用移動網(wǎng)絡(luò)。數(shù)據(jù)傳輸有兩種方案，一是SIM[3-4]卡通過運營商提供的短信方式傳輸數(shù)據(jù)，另一種是采用運營商的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)上網(wǎng)計流量方式傳輸數(shù)據(jù)。綜合考慮到傳輸數(shù)據(jù)產(chǎn)生的通信費用，本設(shè)計不采用短信形式，而采用移動數(shù)據(jù)計流量的方式傳輸數(shù)據(jù)。土壤監(jiān)測系統(tǒng)框架圖1所示。

圖1 土壤監(jiān)測系統(tǒng)框架圖

1.1 監(jiān)測終端設(shè)計

監(jiān)測終端采用MSP430F2619[5-6]微控制器為核心控制芯片。GPRS模塊采用SIM300，將信息上傳到Internet，供管理人員遠程實時查詢。恒溫箱里溫度采集采用18B20，根據(jù)恒溫箱里溫度實測情況控制加熱裝置，以便在恒溫箱不能正常工作時，維持終端設(shè)備工作環(huán)境的恒定。與PC通信采用串口RS-232/RS-485，方便現(xiàn)場調(diào)試、檢測和查詢各個監(jiān)測點的土壤信息?？紤]到低溫-40℃時LCD不能正常顯示，終端顯示采用點陣數(shù)碼管，通過按鍵切換顯示各個監(jiān)測點的數(shù)據(jù)。顯示部分只在現(xiàn)場調(diào)試中應(yīng)用，正常工作狀態(tài)不帶顯示，以降低功耗。溫度、濕度和位移各10路模擬信號分別通過電子開關(guān)CD4067在MCU的控制下循環(huán)送入MSP430F2619內(nèi)置的12 bit ADC進行模數(shù)轉(zhuǎn)換。同時，核心控制芯片采集電源基本信息，包括電壓、電流和電池剩余電量。通過MSP430F2619進行數(shù)據(jù)處理，將各種數(shù)據(jù)封裝好送到GPRS模塊連入Internet。監(jiān)測終端系統(tǒng)方案框圖如圖2所示。

圖2 監(jiān)測終端系統(tǒng)方案框圖

1.2 上位機遠程軟件設(shè)計

上位機遠程監(jiān)控軟件采用C++Bulding[7]開發(fā)，需要管道公司在通信運營商申請一個固定IP作為服務(wù)器的IP。服務(wù)器通過IP對各個終端的數(shù)據(jù)進行TCP/IP[8]解析，將監(jiān)測信息顯示在屏幕上。根據(jù)需求可以將信息數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫，本設(shè)計采用Office自帶的Access數(shù)據(jù)庫。網(wǎng)絡(luò)模型為C/S[9]模型，考慮到手機上網(wǎng)成為趨勢，隨著技術(shù)的發(fā)展，該網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)也可以支持手機訪問，但目前能實現(xiàn)的是PC訪問。結(jié)構(gòu)框架如圖3所示。

圖3 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模型圖

2 監(jiān)測終端的實現(xiàn)

2.1 傳感器及其信號調(diào)理

溫度、濕度和位移均采用電阻值或電容值成線性變化的傳感器，采用電橋法調(diào)理電路采集微弱的電變化信息，最后線性放大到MSP430F2619內(nèi)置12 bit A/D轉(zhuǎn)換器的電壓范圍之內(nèi)（0～3.3 V）。例如，鉑電阻隨溫度變化的阻值經(jīng)直流雙臂電橋轉(zhuǎn)化為微弱的電壓信號，一路經(jīng)儀表運放AD620AN放大約20倍后單端輸入到MCU ADC0口，一路直接雙端輸入到 MCU ADC1口，由 MCU內(nèi)部自帶放大電路放大20倍。另外，ADC2口接內(nèi)部溫度傳感器，為室溫測量提供選擇。具體電路如圖4所示。其中，滑動變阻器用于電橋平衡調(diào)節(jié)，電源由5 V精確穩(wěn)壓電路提供。

圖4 溫度傳感器及信號調(diào)理電路

運放 AD620AN放大倍數(shù) Av=19.3，R為 Pt100的電阻值，D為模擬電壓經(jīng)過MCU 12 bit ADC轉(zhuǎn)換后采集的數(shù)值。經(jīng)查表可知，Pt100的電阻值與溫度有關(guān)，計算出它們的對應(yīng)關(guān)系為：

2.2 通信協(xié)議——終端數(shù)據(jù)封裝格式

所有傳輸數(shù)據(jù)采用BCD碼發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，一個字節(jié)的高4 bit和低4 bit分別采用BCD[10]的一位十進制數(shù)。信息包括MCU采集的土壤狀態(tài)信息 （10路溫度信息，10路濕度信息和10路位移信息）、電源信息（剩余電池量）、恒溫箱信息（溫度）以及采集信息的時間（年月日時分秒），具體幀格式如圖5所示。

圖5 終端數(shù)據(jù)封裝格式

每個狀態(tài)信息采用2 B表示，高字節(jié)的高4 bit為符號位，低4 bit表示整數(shù)部分，低字節(jié)低4 bit表示小數(shù)。電源剩余電量用百分比表示，同樣采用兩個無符號字節(jié)，高字節(jié)的高4 bit非零表示100%，其他與土壤的狀態(tài)信息一樣。

2.3 GPRS模塊

數(shù)據(jù)收發(fā)器采用SIMCOM公司的SIM300 GPRS模塊。該產(chǎn)品具有標(biāo)準(zhǔn)的AT命令借口，可以提供GSM語音、短消息和GPRS上網(wǎng)等業(yè)務(wù)。首先，由MSP430控制并啟動GPRS模塊，啟動之后開始尋找信號，LED燈快速閃爍約20 s，LED燈閃爍頻率降低，表明信號已找到，此時，MSP430通過UATR1串口1向 GPRS發(fā)送命令，以使GPRS處于接收數(shù)據(jù)狀態(tài)。同時，打開上位機遠程監(jiān)控軟件，等待GPRS數(shù)據(jù)的發(fā)送。當(dāng)30路模擬信號經(jīng)過MSP430 A/D轉(zhuǎn)換后，通過UART2串口2，MSP430將數(shù)據(jù)發(fā)送給GPRS模塊，GPRS在接收到數(shù)據(jù)后，直接發(fā)送給上位機遠程監(jiān)控軟件。

2.4監(jiān)測終端軟件設(shè)計

MCU一直處于掃描系統(tǒng)時鐘的狀態(tài)，每隔半小時采集一次數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集完啟動GPRS模塊，將數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機，同時也將數(shù)據(jù)寫入SD卡中。MCU中內(nèi)置URAT工作在SPI模式下驅(qū)動SD卡。由于實際工作中時間間隔過大，在測試土壤檢測系統(tǒng)時，時間間隔為1 min。具體流程圖如圖6所示。

圖6 監(jiān)測終端軟件流程圖

3 上位機遠程監(jiān)控軟件的實現(xiàn)

上位機人機交互界面用C++Building 5.0實現(xiàn)，可以檢測30個終端，可以設(shè)置用戶權(quán)限，有普通用戶和高級用戶，普通用戶只有查看權(quán)，高級用戶有修改數(shù)據(jù)的權(quán)利。在上位機上還可以設(shè)置各路信息的報警上下限，實現(xiàn)更人性化的管理。監(jiān)測信息包括土壤信息10個點（每個點包括溫度、位移和濕度3路信息），檢測終端電路板的工作環(huán)境（溫度和電池電荷剩余量），實時監(jiān)測。根據(jù)用戶需求不同，監(jiān)測信息可以以表格的形式保存、打印。構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)C/S模型，外部可以上網(wǎng)的PC可以通過Web訪問和查看監(jiān)測信息。

4 系統(tǒng)測試數(shù)據(jù)

對MCU內(nèi)的12 bit ADC進行測試，參考電壓3.36 V，溫、濕度和位移測量曲線圖如圖7所示。即每個模擬值進行10次測量的平均值對應(yīng)的理論模擬電壓值。

圖7 溫、濕度和位移測量曲線

經(jīng)過數(shù)據(jù)分析可得方差和標(biāo)準(zhǔn)差,結(jié)果為：方差S2=[（x1-x）2+（x2-x）2+…+（xn-x）2]=2.103 687 36， 標(biāo) 準(zhǔn)差

根據(jù)方差和數(shù)據(jù)分析可知，在高緯度低海拔的環(huán)境中，土壤監(jiān)測系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性可以滿足一定用戶對監(jiān)測土壤參數(shù)信息的需求。

該系統(tǒng)實現(xiàn)對土壤變化的實時監(jiān)控，動態(tài)地監(jiān)測數(shù)據(jù)并反饋到上位機，以便遠程查詢。經(jīng)過需求分析，選取合適的傳感器同時搭建所需要的硬件電路以滿足精度要求。焊接電路之后進行調(diào)試，調(diào)通GPRS模塊后進行上位機和監(jiān)測終端的融合，完成整個系統(tǒng)的設(shè)計。

本設(shè)計很好地解決了遠程監(jiān)控溫度、濕度、位移及其他線性參數(shù)的問題。該設(shè)計不僅僅是針對土壤，也可以將其推廣到其他方面。近年興起的智能建筑也是以此為基礎(chǔ)，對建筑內(nèi)的溫度或者濕度變化進行實時的監(jiān)測，對建筑內(nèi)的能耗系統(tǒng)了如指掌，為人們營造一個更加舒適的居住環(huán)境提供了依據(jù)。土壤監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計讓人們看到了日趨智能化的生活更加簡便。

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