基于SDI—12總線的土壤多參數(shù)檢測儀設(shè)計與實現(xiàn)

徐一清 周益民

摘 要：研發(fā)了一種基于SDI-12總線的土壤多參數(shù)檢測儀。該檢測儀以單片機為核心控制單元，結(jié)合5TE三合一土壤傳感器，設(shè)計了傳感器接口電路、通信時序控制、數(shù)據(jù)存儲電路及顯示電路等；將傳感器技術(shù)、數(shù)據(jù)通信技術(shù)和微計算機技術(shù)相結(jié)合，在實驗室初步實現(xiàn)對土壤水分、電導(dǎo)率和溫度等數(shù)據(jù)的實時采集與傳輸。檢測儀性能試驗表明測量參數(shù)精度較高，能夠滿足土壤檢測要求。

關(guān)鍵詞：土壤；多參數(shù)；檢測儀；單片機；數(shù)據(jù)采集；SDI-12總線

中圖分類號：S151.9 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）12-0101-03

Abstract： This paper proposes and develops a soil multi-parameter detector based on SDI-12 bus. The instrument uses single-chip microcomputer as the core control unit， and in combination with 5TE three-in-one soil sensor， this paper designs a sensor interface circuit， communication timing control， data storage circuit and display circuit. The sensor technology， data communication technology and microcomputer technology are combined to realize the real-time collection and transmission of soil moisture， conductivity and temperature in the laboratory. The performance test of the tester shows that the precision of the measurement parameters is high and can meet the requirements of soil detection.

Keywords： soil； multi-parameter； detector； single-chip microcomputer； data collection； SDI-12 bus

土壤墑情（含水率、電導(dǎo)率及表層溫度等）是重要的土壤信息，是農(nóng)作物和樹木生長的重要生態(tài)因素，進行土壤墑情的測定，掌握土壤墑情變化的規(guī)律，對作物生態(tài)狀況的監(jiān)測和預(yù)報具有重要意義。目前，土壤含水率、電導(dǎo)率和溫度的測量方法國內(nèi)外有很多種[1-4]，但這些系統(tǒng)的設(shè)計功能單一、集成度不高，同時在成本、功耗以及傳輸速率上不是太理想，系統(tǒng)一般采用RS232、RS485、RS422和CAN等接口標(biāo)準，不利于在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中進行推廣。相比而言，SDI-12（Serial Digital Interface at 1200 Baud）總線不僅規(guī)定了硬件電氣接口協(xié)議，同時也規(guī)定了通信協(xié)議，這使得該總線在生態(tài)水文土壤傳感器網(wǎng)絡(luò)等應(yīng)用場合中更具有優(yōu)勢[5]。本文設(shè)計了一種土壤多參數(shù)檢測儀，該檢測儀以單片機為核心控制單元，采用具有SDI-12接口的5TE三合一土壤傳感器，實現(xiàn)了土壤水分、電導(dǎo)率和溫度等數(shù)據(jù)的實時采集與傳輸，提高了土壤參數(shù)測量的效率和精度，有利于對土壤進行全面綜合分析，從而能更好地指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。

1 設(shè)計原理

土壤傳感器選用的是美國DECAGON公司的5TE三合一傳感器，5TE是DECAGON新推出的革命性ECH2O傳感器，可以同時測量土壤水分含量，電導(dǎo)率（EC）和溫度。其運行頻率是70MHz，對EC的變化不敏感，因此特別適用于溫室或鹽堿土環(huán)境，其激發(fā)電壓范圍為3-15 VDC，采用SDI-12協(xié)議輸出信號。該傳感器使用70MHz振蕩器測量土壤的介電常數(shù)，確定水分含量。在測量礦質(zhì)土壤含水率時采用著名的T opp方程來計算體積含水率VWC：

（1）

式（1）中？著a為土壤介電常數(shù)。當(dāng)5TE恰當(dāng)安置于一般的礦質(zhì)土壤中時（土壤飽和浸出液電導(dǎo)率<10dS/m），式（1）得到的VWC精度可達±3%。

與傳感器熱力接觸的熱敏電阻測量溫度，同時傳感器表面的金絲組成了四點陣列來測量電導(dǎo)率。其工作原理如下：測量土壤含水率時，傳感器向傳感器分枝提供70MHz的振蕩波，傳感器分枝按照材料的電介質(zhì)充電。存儲的電荷與土壤電介質(zhì)和土壤容積水分含量成比例。5TE微處理器測量傳感器的電荷并輸出一個值，這個值與水分含量相關(guān)；測量電導(dǎo)率（EC）時給2個外部電極施加交變電流，測量2個內(nèi)部電極之間的電壓來得到電導(dǎo)率（EC）。電壓和電流都用于計算導(dǎo)度。電壓和導(dǎo)度與單元常數(shù)（電極的距離與它們的面積的比）相乘得到電導(dǎo)率。5TE使用Wenner矩陣來測量EC。Wenner矩陣分布在2個5TE分枝的四條金帶上。5TE在傳感器表面安裝了熱敏電阻來獲取溫度讀數(shù)，熱敏電阻與傳感器的一個分枝熱力接觸，讀取分枝表面的平均溫度。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

本基于SDI-12總線的土壤多參數(shù)檢測儀由5TE三合一土壤傳感器、SDI-12接口轉(zhuǎn)換電路、中心控制單元、OLED顯示屏、控制按鍵和數(shù)據(jù)存儲單元等組成，系統(tǒng)硬件組成框圖如圖2所示，系統(tǒng)硬件電路圖如圖3所示，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。土壤傳感器通過絕緣塑料電纜和手持式數(shù)據(jù)采集顯示器連接，手持式數(shù)據(jù)采集顯示器面板上設(shè)置有OLED顯示屏和操作按鍵，一臺手持式數(shù)據(jù)采集顯示器配有5個接口，可同時檢測交替顯示5路傳感信號。土壤傳感器將采集到的信號經(jīng)接口轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換格式后輸入主控制電路，主控制電路將采集到的數(shù)字信號進行數(shù)據(jù)處理后實時存儲于數(shù)據(jù)存儲電路中，然后在按鍵控制電路控制下通過顯示電路顯示相應(yīng)傳感數(shù)據(jù)。儀器留有接口可與計算機通訊，便于數(shù)據(jù)提取和后續(xù)升級應(yīng)用。

2.1 數(shù)據(jù)存儲和液晶顯示電路

主機中的數(shù)據(jù)存儲電路實現(xiàn)對測量數(shù)據(jù)做定時存儲，以便對測量點進行跟蹤觀測。系統(tǒng)采用美國ATMEL公司的低功耗CMOS串行EEPROM產(chǎn)品AT24C16，存儲容量為16 K，通過I2C總線接口進行操作，具有寫保護功能，數(shù)據(jù)可在斷電情況下保存40天。顯示電路選用OLED屏。OLED屏是利用有機發(fā)光材料受激輻射發(fā)光原理，因此無需背光、亮度高、功耗低，最符合系統(tǒng)需要。在實驗室環(huán)境下測得土壤體積含水率（單位：%）、電導(dǎo)率（單位：dS/m）、溫度（單位：℃）在OLED屏的顯示結(jié)果如圖5所示。

2.2 傳感器接口電路

SDI-12采用串行數(shù)據(jù)接口，使用的波特率是1200 baud。SDI-12通信協(xié)議采用三線制，包括+12V電源線、數(shù)據(jù)線和地線。圖6是SDI-12接口電路[6]，接口電路中增加了必要的電源電路等，以便和單片機連接形成數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)，同時該電路帶傳輸保護，可將多個傳感器連接使用。SDI-12的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)為1位起始位、7位數(shù)據(jù)位（低位在前）、1位偶校驗位、1位停止位[7]。圖7表示SDI-12的命令及響應(yīng)的時序，所有計時的允差為0.4ms。

2.3 控制電路

主控制電路采用STC12LE5A60S2單片機作為核心處理器。該系列單片機是宏晶科技生產(chǎn)的單時鐘/機器周期（1T）的單片機，是高速/低功耗/超強抗干擾的新一代8051單片機，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051，但速度快8-12倍，采用低壓3.3V供電， 56 K Flash存儲空間、1280 B靜態(tài)存取內(nèi)存、1 K可編程只讀存儲器，能夠滿足數(shù)據(jù)采集存儲顯示等工作，為系統(tǒng)的功能實現(xiàn)提供了基礎(chǔ)和保障。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件采用模塊化程序設(shè)計思想[8]，用C語言編寫，程序主流程圖和顯示界面流程圖分別見圖8和圖9，主要包括主程序模塊、土壤傳感器數(shù)據(jù)采集模塊、SD1-12數(shù)據(jù)接口轉(zhuǎn)換、核心數(shù)據(jù)運算控制、人機接口模塊等模塊構(gòu)成等。子模塊各司其能，有主程序統(tǒng)籌協(xié)調(diào)各模塊依存關(guān)系，以期達到操作界面友好，數(shù)據(jù)采集效果理想，系統(tǒng)高度穩(wěn)定的目標(biāo)。

4 儀器試驗

選取一塊長方形連續(xù)地塊作為研究區(qū)域，通過基于SDI-12總線的土壤多參數(shù)檢測儀對采樣點土壤剖面水分，電導(dǎo)率和溫度進行測量，同時采用TDR100便攜式土壤水分儀和電導(dǎo)率儀測定數(shù)據(jù)作為標(biāo)準值，得到測量數(shù)據(jù)如表1所示，測量結(jié)果精度較高。

5 結(jié)束語

本文設(shè)計了一種基于SDI-12總線的土壤多參數(shù)檢測儀，將傳感器技術(shù)、數(shù)據(jù)通信技術(shù)和微計算機技術(shù)相結(jié)合，在實驗室初步實現(xiàn)對土壤水分、電導(dǎo)率和溫度等數(shù)據(jù)的實時采集與傳輸，具有集成成本低、可連接多個傳感器和儀器、通信功耗低、速率高等優(yōu)點。

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