低功耗土壤濕度控制儀設(shè)計

孟 強，徐 慧，施山菁

（南京林業(yè)大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院，江蘇南京 210037）

0 引言

現(xiàn)代社會中由于環(huán)境污染、人為破壞，許多地方面臨著嚴(yán)峻的用水問題。農(nóng)業(yè)是第一用水大戶，目前，農(nóng)業(yè)用水有效程度依然很低，在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)和生態(tài)研究中，對土壤濕度的監(jiān)測與控制已經(jīng)成為一項基礎(chǔ)工作，合理的灌溉有利于作物的生長，同時也是對水資源的一種高效利用?；谏鲜鲆蛩?，本文設(shè)計出一種能夠?qū)崟r監(jiān)測土壤濕度，并通過外部執(zhí)行單元控制灌溉土壤，調(diào)節(jié)土壤濕度，同時依據(jù)監(jiān)測的土壤實時濕度及時反饋，控制執(zhí)行單元的工作，從而達(dá)到控制土壤濕度的目的。

在超低功耗方面，處理器 MSP430功耗（l．8～3．6 V，0．1 μA/Power-down，0．5A/Standby，250A/MIPS）和口線輸人漏電流（最大50 nA）在業(yè)界都是最低的，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其他系列產(chǎn)品［1］。

為了滿足使用方便的要求，USB接口成為智能儀表的重要部分。多以8/16位單片機為核心，其USB接口設(shè)計的過程多是先根據(jù)所使用的8/16位單片機，選擇合適的USB接口芯片;其次，編寫單片機的固件程序;最后，編寫USB接口的驅(qū)動程序，實現(xiàn)智能儀器和PC機間的高速通信［2］。

1 土壤水分測量原理

系統(tǒng)采用基于頻域反射（frequency domain reflectometry，F(xiàn)DR）技術(shù)的MP406系列高精度土壤水分傳感器，具有分辨率高、線性度好、維護簡單、不破壞土層的優(yōu)點。土壤水分傳感器如圖1所示。FDR原理［1，2］是利用電磁脈沖原理，根據(jù)電磁波在土壤中傳播頻率來測試土壤的表觀介電常數(shù)，從而得到土壤容積含水量θv。FDR的探頭稱為介電傳感器（dielectric sensor），主要由一對電極（平行排列的金屬棒或圓形金屬環(huán)）組成一個電容器，其間的土壤充當(dāng)電介質(zhì)，電容器與LC振蕩器組成一個調(diào)諧電路。

圖1 MP406系列高精度土壤水分傳感器Fig 1 MP406 series high-precision soil moisture sensor

FDR使用掃頻頻率來檢測共振頻率（此時振幅最大），不斷調(diào)整信號電源的頻率，使得振蕩電路的諧振條件成立，傳輸線上出現(xiàn)頻率相同而傳播方向相反的2列相干波疊加，呈行駐波狀態(tài)，此時，U0的最大值:U0=α（1－ρ），相似地在傳輸線和傳感器結(jié)合部的峰值電壓:Us=α（1+ρ），2個峰值電壓的差值:ΔU=Us－U0=2αρ，其中，α為振蕩器輸出的電壓振幅，ρ為反射系數(shù)。由于諧振電路中電容器的電介質(zhì)為土壤，土壤的水分變化反映在電容C的變化上。此時的信號頻率即為諧振電路的固有頻率。由于諧振產(chǎn)生的條件為

通過電容與介電常數(shù)的關(guān)系ε=C/C0，可以求得土壤的相對介電常數(shù)，其中，C0為介質(zhì)為空氣時的電容。研究證實土壤介電常數(shù)ε與土壤水分含量θv之間具有線性關(guān)系為

其中，a，b均為常數(shù)，由土壤的類型決定。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計方案與功能

本文介紹的土壤濕度控制儀主要由前端數(shù)據(jù)采集部分、控制單元和灌溉執(zhí)行單元組成，設(shè)計框圖如圖2。

圖2 系統(tǒng)總體設(shè)計框圖Fig 2 Block diagram of system overall design

土壤水分傳感器分布于監(jiān)測區(qū)域中，用于采集土壤實時濕度?？刂茊卧訤155單片機為核心，充分利用其片上集成的豐富資源進行硬件電路設(shè)計［3～5］。灌溉執(zhí)行單元設(shè)計為繼電器控制執(zhí)行部件的工作狀態(tài)。由系統(tǒng)的總體框圖設(shè)計了儀器的主要功能如圖3。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)由DS1302提供時間信息，通過簡單的三線同步串行方式與單片機進行通信，時鐘模塊配置備用電池，保證時鐘走時精準(zhǔn)。儀器用液晶顯示屏直觀地顯示出時間信息、土壤濕度值以及系統(tǒng)工作狀態(tài)。整個系統(tǒng)還包括數(shù)據(jù)存儲模塊、USB通信模塊以及電源模塊。

圖3 土壤濕度控制儀的主要功能Fig 3 Main function of soil moisture control apparatus

3．1 前端采集模塊

系統(tǒng)對傳感器輸出的模擬電壓信號進行采樣，為保證信號的穩(wěn)定性，加入信號調(diào)理電路。采樣信號通過MSP430F155單片機片內(nèi)A/D轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，根據(jù)公式將得到的濕度信號換成0%～100%RH范圍內(nèi)變化的相對濕度值，這樣設(shè)計不增加復(fù)雜硬件電路，簡化系統(tǒng)電路設(shè)計，而且，MSP430單片機的A/D轉(zhuǎn)換模塊具有12位精度，測量結(jié)果可以達(dá)到較高的精度，提高了系統(tǒng)的可靠性。

3．2 數(shù)據(jù)存儲模塊

數(shù)據(jù)的存儲采用32 kB串行E2PROM存儲芯片AT24C256，用來存儲不同時間段土壤濕度上下限值，土壤實時濕度值也將定時存儲以作分析等用途。根據(jù)存儲的時間間隔的不同，可存儲的濕度數(shù)據(jù)量也不同，若每隔30 min存儲一組濕度數(shù)據(jù)，則可存儲約16000組濕度數(shù)據(jù)。

該芯片讀寫方式為I2C總線讀寫，MSP430F155內(nèi)部集成1個硬件I2C控制單元，其速度可支持到400 kbps（快速模式）。硬件I2C接口相較于傳統(tǒng)的用軟件模擬I2C接口，其程序精簡，傳輸速度快，故障處理易于實現(xiàn)。

3．3 USB通信模塊的設(shè)計

通信部分選用CH376S接口芯片，實現(xiàn)系統(tǒng)對U盤文件的讀寫。該芯片支持Host主機方式和Slave設(shè)備方式，其內(nèi)部集成了8位被動并行接口、異步串行接口、SPI設(shè)備接口、USB通信協(xié)議的基本固件、FAT文件系統(tǒng)管理固件、處理Mass-Storage海量存儲設(shè)備的專用通信協(xié)議的固件，支持常用的USB存儲設(shè)備［6］。硬件原理圖如圖4所示。

圖4 USB通信模塊電路圖Fig 4 USB communication module circuit diagram

CH376采用USB-Host方式實現(xiàn)對系統(tǒng)存儲模塊AT24C256芯片中濕度數(shù)據(jù)、采集時間等信息的提取，并以TXT文件格式存儲到U盤里，脫離了依賴電腦采集和提取數(shù)據(jù)的約束性，降低了通信的復(fù)雜度。CH376具有8位數(shù)據(jù)總線和讀、寫、片選控制線以及并口地址輸入?？紤]到主控芯片MSP430F155的工作電壓是+3．3V，因此，CH376芯片采用+3．3 V電壓供電，但是供U盤插入的USB通信接口必須采用+5 V電源供電。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件采用TI公司430單片機軟件開發(fā)工具IAR Embedded Workbench為平臺，由C語言編寫，通過JTAG接口燒入MSP430單片機，然后進行實際運行。

4．1 整體程序流程

為實現(xiàn)低功耗要求，系統(tǒng)設(shè)置休眠模式。當(dāng)用戶不操作系統(tǒng)超過15 s時，系統(tǒng)進入休眠模式，此時MSP430處于低功耗狀態(tài)，每隔30 s系統(tǒng)退出休眠模式，進行土壤濕度的監(jiān)測與控制，此后再次進入休眠模式，當(dāng)用戶操作系統(tǒng)時也會自動退出休眠模式。系統(tǒng)在上電和復(fù)位時要先執(zhí)行初始化，LCD顯示屏顯示開機畫面，軟件判斷是否是首次開機，首次開機需手動完成參數(shù)設(shè)置，系統(tǒng)自動存儲初始工作狀態(tài)。系統(tǒng)非首次啟動，則自動調(diào)用已存儲的工作狀態(tài)。主程序流程框架圖如圖5所示。

系統(tǒng)主程序?qū)崿F(xiàn)的功能主要有按鍵處理功能、執(zhí)行單元控制功能以及系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲和USB通信功能。系統(tǒng)有按鍵按下時進入按鍵處理子程序，進行時鐘設(shè)置，植物生長周期設(shè)置并設(shè)置不同生長時期的土壤濕度上下限值，實現(xiàn)植物生長不同時期對土壤濕度值不同要求的人性化理念;當(dāng)檢測到土壤濕度值小于所設(shè)定的下限值時，輸出控制部分分別輸出打開電磁閥和水泵的控制信號，為防止水管壓力過大，兩信號輸出設(shè)置5 s的間隔時間;若檢測到土壤濕度值大于所設(shè)定的上限值時，輸出控制部分分別間隔輸出關(guān)閉水泵和電磁閥的控制信號。有U盤插入系統(tǒng)時，E2PROM中存儲的采集時間和濕度信息被自動寫入U盤中，寫入完成后依據(jù)顯示屏上的提示拔去U盤，此時系統(tǒng)將自動清除E2PROM存儲的部分信息，恢復(fù)初始存儲空間狀態(tài)。

圖5 主程序流程圖Fig 5 Main program flow chart

4．2 USB 通信模塊

USB總線通用接口芯片CH376具有省事的內(nèi)置固件和靈活的外置固件2種模式，在內(nèi)置固件模式下不需要本地端（智能儀表）的微控制器作任何處理，從而簡化了微處理器的固件編程，為快速開發(fā)產(chǎn)品提供了保證，因此，CH376用于智能儀表的通信接口，是低成本且高效的解決途徑。CH376芯片可以自動檢測USB設(shè)備的連接和斷開，提供設(shè)備連接和斷開的事件通知。U盤通信部分的流程圖如圖6所示。

圖6 USB通信流程圖Fig 6 USB communication flow chart

5 抗干擾設(shè)計

工作現(xiàn)場的環(huán)境復(fù)雜，各種干擾通過不同的耦合方式進入到測試系統(tǒng)中，而且濕度傳感器輸出信號較小，這些干擾有可能使系統(tǒng)誤差加大，程序運行失常。因此，在進行智能儀表可靠性設(shè)計時，要特別重視抗干擾設(shè)計。

5．1 硬件抗干擾

系統(tǒng)的干擾很大一部分是從電源進入的，電網(wǎng)電壓的波動、尖脈沖干擾、瞬間斷電等能對系統(tǒng)的工作造成干擾。因此，需考慮電源凈化問題，系統(tǒng)在開關(guān)電源前增加電源濾波模塊，以濾去電網(wǎng)中各種大功率設(shè)備產(chǎn)生的尖峰脈沖干擾，盡可能得到“純凈”的電源。

在設(shè)計電路板方面，晶振和單片機的連線要短;模擬地和數(shù)字地要分開;電源線和地線要做加粗處理;PCB下方也要進行覆銅，使電源和信號傳輸穩(wěn)定。

5．2 軟件抗干擾

通過軟件濾波的方法可以進一步降低噪聲。軟件設(shè)計在濕度傳感器輸出信號的A/D轉(zhuǎn)換中，采用了限幅濾波和均值濾波，取得了較好的效果。

限幅濾波即對數(shù)據(jù)最大、最小范圍進行限定，超過這個范圍的數(shù)據(jù)被認(rèn)為是錯誤的數(shù)據(jù)，并且此次數(shù)據(jù)由前一次數(shù)據(jù)代替。均值濾波則是采集16個數(shù)據(jù)求出平均值，用這種方法降低了隨機噪聲，提高了數(shù)據(jù)采集的穩(wěn)定性。

6 測試結(jié)果分析

在實驗基地內(nèi)，儀器運行情況穩(wěn)定，液晶屏可以觀測到當(dāng)前土壤相對濕度值，儀器面板上的按鍵可以設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)、修改時鐘時間，各部分均能正常工作。

表1為土壤相對濕度測試值與實際值的比較，測試結(jié)果表明:系統(tǒng)絕對誤差為±2%RH，精度較為理想。誤差的產(chǎn)生主要在于傳感器在制造時由于工藝限制導(dǎo)致的一定誤差，儀器標(biāo)定時也可能產(chǎn)生人為誤差。

表1 土壤相對濕度測試結(jié)果Tab 1 Test results of soil relative humidity

儀器自動工作一段時間后，用U盤提取存儲的濕度數(shù)據(jù)，經(jīng)分析后得出儀器整體工作情況，圖7所示為7 d的濕度數(shù)據(jù)曲線。

圖7 土壤相對濕度變化Fig 7 Change of soil relative humidity

圖中虛線分別表示當(dāng)時儀器設(shè)定的土壤相對濕度上下限值，由曲線可看出:土壤相對濕度值保持在限值內(nèi)，儀器工作穩(wěn)定，執(zhí)行部件等均能正常工作。

7 結(jié)束語

本文介紹了以低功耗MSP430單片機為主控單元的土壤濕度控制系統(tǒng)。經(jīng)過模塊化的電路測試、軟件調(diào)試和系統(tǒng)組裝證明:該系統(tǒng)可以準(zhǔn)確測量土壤濕度，絕對誤差為±2%RH，精度較為理想。正確控制執(zhí)行部件工作，能使土壤濕度保持在要求的范圍內(nèi)。系統(tǒng)可以將采集的數(shù)據(jù)通過USB接口傳到PC機上處理，在實際應(yīng)用中能夠獨立工作，脫離了PC機的約束，具有較高的實用價值。

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