專利名稱：基于嵌入式系統(tǒng)的土壤含水量監(jiān)測儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種土壤濕度監(jiān)測裝置，其特別適用于土壤濕度變化 較大的丘陵、山地或面積較大的農(nóng)田等，用于監(jiān)測土壤濕度。
背景技術(shù)：
— 中國-農(nóng)業(yè)和農(nóng)村現(xiàn)代化建H正在進(jìn)入以信息化帶動(dòng)現(xiàn)代化的全新時(shí)期，經(jīng)過20多年的實(shí)踐探索和對未來發(fā)展趨勢的預(yù)測表明，中 國農(nóng)業(yè)M趨勢是從農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化走向農(nóng)業(yè)信息化，從現(xiàn)代農(nóng)業(yè)走向信 息農(nóng)業(yè)。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理信息化、農(nóng)業(yè)科學(xué)技術(shù)信息化、農(nóng)業(yè)經(jīng)營管理 信息化和農(nóng)業(yè)資源環(huán)境信息化是信息化農(nóng)業(yè)的重要組成部分，由傳統(tǒng) 農(nóng)業(yè)向現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)變，由粗;改經(jīng)營向集約經(jīng)營轉(zhuǎn)變是農(nóng)業(yè)信息化過 程中邁出的重要一步。土壤水分對作物的生長狀態(tài)如葉面積指數(shù)、光 合作用、對營養(yǎng)的吸收有直接的影響，土壤水分的測量與監(jiān)控是信息 化農(nóng)業(yè)中農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理信息化、農(nóng)業(yè)科學(xué)技術(shù)信息化和農(nóng)業(yè)資源環(huán)境 信息化的重要組成部分。然而，通過對現(xiàn)有的土壤含水量監(jiān)測儀進(jìn)行了解可知現(xiàn)有的土壤含水量測試儀均是由單機(jī)組成。使用者手持測試儀測量農(nóng)田中某點(diǎn) 的土壤含水量并記錄，對于地塊較大的農(nóng)田或土壤含水量變化較大的 丘陵地帶，則需要在不同位置測試多組數(shù)據(jù)。此外，土壤濕度數(shù)據(jù)的 測量和后期的數(shù)據(jù)處理經(jīng)常浪費(fèi)大量的人力和物力，因此現(xiàn)有的這種 測量儀器使用效率低下。另外，各個(gè)測試儀之間沒有有效的通信鏈路 或只能通過有線的方式組網(wǎng)通信，目前多數(shù)土壤濕度測試儀是需要電 纜與傳感器連接，多個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)采集器一般通過總線的方式連成 一個(gè)測試系統(tǒng)，此種數(shù)據(jù)采集方式不太適合田間使用，因?yàn)樘嗟牟?線會(huì)給田間管理帶來不便，從而增加了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中土壤含水量測試的 成本，進(jìn)而有悖于信息化農(nóng)業(yè)所要求的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)高產(chǎn)、高效的主旨。 現(xiàn)在的發(fā)展趨勢是一個(gè)具有無線通信功能的主機(jī)及多個(gè)無線傳感器 節(jié)點(diǎn)構(gòu)成。隨著嵌入式系統(tǒng)和無線'傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，無線傳感器可以4艮容易的嵌入TCP/IP協(xié)議，通過Internet實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測功能。因此，有必要提供一種改進(jìn)的土壤含水量監(jiān)測儀，以便克服現(xiàn)有 技術(shù)的缺點(diǎn)與不足。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是克服傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中盲目灌溉和現(xiàn)有的有線傳 感器網(wǎng)絡(luò)難以組網(wǎng)和維護(hù)從而導(dǎo)致不能大規(guī)^莫推廣應(yīng)用的缺點(diǎn)，提供 一種由AVR系列單片機(jī)和弧形電極對組成的土壤濕度傳感器、三星 ARM7S3C44B0X芯片及外圍電路、無線收發(fā)模塊、太陽能供電系統(tǒng) 組成的基于嵌入式系統(tǒng)的土壤含水量監(jiān)測儀。本發(fā)明提供的技術(shù)方案是 一種基于嵌入式系統(tǒng)的土壤含水量監(jiān) 測儀包括由AVR系列Megal6單片機(jī)、弧形電極對和信號(hào)調(diào)理電路 組成的土壤濕度傳感器；由三星ARM7 S3C44B0X芯片及外圍電路和 帶觸摸屏的液晶顯示器構(gòu)成的上位機(jī)控制系統(tǒng)；nRF905系列無線通 信模塊；由太陽能電池板和蓄電池組成的供電系統(tǒng)。所述單片機(jī)直接 采集土壤濕度傳感器測量的土壤電導(dǎo)率數(shù)據(jù)并在單片機(jī)內(nèi)部轉(zhuǎn)換成 土壤濕度數(shù)據(jù)，然后同時(shí)通過所述無線通信模塊根據(jù)上位機(jī)的要求實(shí) 時(shí)或定時(shí)傳輸測量數(shù)據(jù)或接收上位機(jī)控制指令。用戶通過土壤含水量 監(jiān)測儀的上位機(jī)液晶顯示器中的圖形用戶界面控制相應(yīng)傳感器節(jié)點(diǎn)， 實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離無線監(jiān)測，也可以通過無線通信控制傳感器上傳歷史數(shù) 據(jù)，用戶還可以通過該界面設(shè)定采樣頻率定時(shí)采集數(shù)據(jù)、讀取 EEPROM的歷史數(shù)無等操作。 — -本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于由AVR系列單片機(jī)和弧形電極對組成的土 壤濕度傳感器、三星ARM7 S3C44B0X芯片及外圍電路、無線》1議模 塊、太陽能供電系統(tǒng)組成的基于嵌入式系統(tǒng)的土壤含水量監(jiān)測儀能實(shí) 時(shí)或定時(shí)測量和傳輸各節(jié)點(diǎn)所在位置周圍的土壤濕度數(shù)據(jù)，無線4t^ 模塊克服了傳統(tǒng)有線傳感器網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)困難、難以維護(hù)的缺點(diǎn)。太陽能 供電系統(tǒng)有效解決了野外、山間等遠(yuǎn)離電網(wǎng)的農(nóng)田中傳感器網(wǎng)絡(luò)的供 電問題，且低壓供電保證了人畜的安全。此外，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)還在于相對于傳統(tǒng)的土i泉含水量監(jiān)測儀， 本測試儀可準(zhǔn)確地測量節(jié)點(diǎn)所在位置周圍的土壤濕度情況，并且可以根據(jù)測量的濕度數(shù)據(jù)控制滴灌或孩￡灌系統(tǒng)的工作狀態(tài)，乂人而節(jié)約了大 量的水資源，其相對于傳統(tǒng)的有線土壤含水量測試儀，本發(fā)明提供的 監(jiān)測裝置可大大地節(jié)約大量的信號(hào)線和供電電線，克服了有線傳感器 網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)難、難以維護(hù)且成本較高的缺點(diǎn)。另夕卜，本發(fā)明提供的土壤 含水量監(jiān)測儀可允許任意增刪土壤含水量測試儀中節(jié)點(diǎn)的數(shù)量和改 變各節(jié)點(diǎn)的位置。下面將結(jié)合附圖，通過優(yōu)選實(shí)施例詳細(xì)描述本發(fā)明。


圖1為本發(fā)明的基于嵌入式系統(tǒng)的土壤含水量測試儀的上位機(jī) 的總體結(jié)構(gòu)圖。圖2為圖1—所示基午嵌入式系統(tǒng)的土壤含水量測試儀^土壤電 導(dǎo)率測試節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)圖。圖3為本發(fā)明的基于嵌入式系統(tǒng)的土壤含水量測試儀的下位機(jī) 傳感器節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)框圖。圖4為本發(fā)明基于嵌入式系統(tǒng)的土壤含水量測試儀的監(jiān)控主界面。圖5為本發(fā)明基于嵌入式系統(tǒng)的土壤含水量測試儀的傳感器監(jiān) 測界面。
具體實(shí)施方式
如圖1-5所示，本發(fā)明提供的基于嵌入式系統(tǒng)的土壤含水量測試儀包括上位機(jī)(如圖1所示)與下位機(jī)(如圖3所示)。請參考圖 1，上位才幾包4舌互相通訊的S3C44B0X最小系統(tǒng)13、彩色LCD顯示 器與觸摸屏16、觸摸屏控制器15、 EEPROM存儲(chǔ)器12、無線通信模 塊11以及網(wǎng)絡(luò)控制器比如RTL8019。 S3C44B0X最小系統(tǒng)13內(nèi)只集 成了 8KB的RAM，沒有集成FLASH-ROM和SDRAM,本發(fā)明通過 在S3C44B0X最小系統(tǒng)13的外部擴(kuò)展FLASH和RAM, /人而構(gòu)成一 個(gè)基本的最小系統(tǒng)，并在其內(nèi)燒寫固件程序。帶觸摸屏的彩色LCD 顯示器16選用四線式電阻式觸摸屏，同時(shí)選用ADS7843作為該觸摸 屏控制器15。無線通訊模塊11必須與傳感器節(jié)點(diǎn)的無線通信模塊保 持一致，為此同樣選用nRF905系列一體化4議模塊，S3C44B0X最 小系統(tǒng)13有兩個(gè)串行通訊口，其中UART0留作與PC通訊，用于 ARMij件程序的調(diào)試；另一個(gè)'串行口用作無線通ifL接口。 —觸摸屏控制器15控制電極電壓的切換，在測量X坐標(biāo)的時(shí)候?qū)?Y輸出電壓，在測量Y坐標(biāo)時(shí)對X輸出電壓，然后通過ADC轉(zhuǎn)換采 集接觸點(diǎn)處的電壓值。如圖2所示，土壤電導(dǎo)率測試節(jié)點(diǎn)的探頭是整個(gè)傳感器的前端， 直接插入土壤并從土壤電導(dǎo)率數(shù)據(jù)，通過標(biāo)定得出來的土壤電導(dǎo)和土 壤含水量之間的相互關(guān)系，把測得的電導(dǎo)值轉(zhuǎn)變?yōu)楹恐?。為了?反映不同深度的土壤水分狀況，每個(gè)測試節(jié)點(diǎn)的探頭設(shè)計(jì)有4層電極 對。本發(fā)明采用適當(dāng)塑料管22,比如PVC-U管作為電極對的載體， 用塑料帽28，比如密封帽封住管底，防止土壤中的水分從底部進(jìn)入， 影響測試結(jié)果。在PVC-U管外壁，/人底層開始，每隔3cm貼一層電極對，電導(dǎo)片24用導(dǎo)線從PVC-U的內(nèi)壁引出，連接到插座26上。如圖3所示，下位機(jī)傳感器節(jié)點(diǎn)主要由雙極性脈沖間歇電壓激勵(lì) 源32、集成運(yùn)放器、程控放大器31、 A/D轉(zhuǎn)換器33和AVR單片機(jī) 37等電路組成。因土壤含水量差異較大，土壤電導(dǎo)的變化范圍很大， 土壤電導(dǎo)率傳感器的輸出信號(hào)波動(dòng)較大，本發(fā)明通過程控放大電路較 好地處理增益和動(dòng)態(tài)范圍之間的關(guān)系，既能夠保證較大的動(dòng)態(tài)范圍， 又能在小信號(hào)時(shí)保證較高的精度。雙極性脈沖間歇電壓激勵(lì)源32由L7805和L7905三端穩(wěn)壓器構(gòu) 成的正負(fù)穩(wěn)壓電源及雙極性脈沖間歇電壓源的切換控制電路組成。正 負(fù)、0V電源的切換控制是由經(jīng)過AVR單片機(jī)37控制的精密、高速 和低導(dǎo)通電阻的單刀雙擲模擬開關(guān)MAX303完成。程控放大器由 AD526及簡單的外圍電路構(gòu)—成，可提供二進(jìn)制數(shù)l、 2、 4、 8、 16的 精密增益數(shù)字控制，本系統(tǒng)采用兩片AD526級(jí)聯(lián)的方式作為增益放 大器，級(jí)聯(lián)后的》文大倍數(shù)為1、 4、 16、 64、 256，依次增大4倍。激 勵(lì)源的正、0V切換、程控放大器的增益設(shè)置等均由AVR單片機(jī)37 完成。本電路是這樣工作的土壤電導(dǎo)率測試節(jié)點(diǎn)的探頭上含有一對金 屬電極薄片，該電極對通過絕緣線分別與激勵(lì)源電路的輸出端和反向 放大電路38的輸入端相連。當(dāng)單片機(jī)發(fā)出啟動(dòng)雙極性脈沖間歇電壓 源32的控制信號(hào)后，被測土壤受到激勵(lì)，被測信號(hào)通過轉(zhuǎn)換電路， 把電導(dǎo)信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，傳遞到可編程增益放大器的輸入端，經(jīng) 程控放大后被單片機(jī)自帶的A/D轉(zhuǎn)換電路33采集，存入單片機(jī)37。激勵(lì)源的正、反、0V切換、程控放大器31的增益設(shè)置等均由單片機(jī) 37完成。測得的信號(hào)通過串口通信電路送至上位才幾進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。如圖4所示，土壤含水量監(jiān)測儀監(jiān)控主界面是系統(tǒng)上電后顯示的 第一個(gè)界面，通過本界面，用戶可以方便的控制或選擇系統(tǒng)中的各個(gè) 操作，各操作結(jié)束后，系統(tǒng)自動(dòng)回復(fù)到本界面。用戶開機(jī)首先進(jìn)入主 界面，在此觸摸相應(yīng)的傳感器，就能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離無線監(jiān)測，也可以通 過無線通信控制傳感器上傳歷史數(shù)據(jù)。如圖5所示，用戶觸摸系統(tǒng)主界面任一傳感器圖標(biāo)，即可進(jìn)入該 傳感器監(jiān)測界面。進(jìn)入傳感器監(jiān)測狀態(tài)后，系統(tǒng)會(huì)主動(dòng)向指定的傳感 器發(fā)出命令，如果傳感器的緩存EEPROM內(nèi)有歷史記錄，則可以先 讀取歷史數(shù)據(jù)，然后按用戶設(shè)定的采樣頻率定時(shí)采集數(shù)據(jù)。每采集一 個(gè)數(shù)據(jù)都在傳感l(wèi)l圖上顯示具體的數(shù)據(jù)，向時(shí)在曲線顯示區(qū)畫出每路 數(shù)據(jù)的變化軌跡，每次接收一組數(shù)據(jù)同時(shí)發(fā)出聲音提醒用戶"接收成 功"。該界面共設(shè)置了 12個(gè)觸摸區(qū)，除了 "保存"、"查閱"、"采樣頻 率""數(shù)值顯示，，以外，屏幕右下角還有一個(gè)小喇叭，當(dāng)不需要聲音 提示的時(shí)候，可以按此關(guān)閉提示音。如果只關(guān)注某一個(gè)通道的信息， 可以觸摸傳感器圖片相應(yīng)的探頭位置，就可以只顯示當(dāng)前通道的數(shù)據(jù) 或曲線。如上所述，便可較好的實(shí)現(xiàn)本發(fā)明。概括地講，本發(fā)明提供一種基于嵌入式系統(tǒng)的土壤含水量監(jiān)測 儀，包括由AVR系列Megal6單片機(jī)、弧形電極對和信號(hào)調(diào)理電路 組成的土壤濕度傳感器；由三星ARM7 S3C44B0X芯片及外圍電路和帶觸摸屏的液晶顯示器構(gòu)成的上位才幾控制系統(tǒng)；無線通信沖莫塊；以及 由太陽能電池板和蓄電池組成的供電系統(tǒng)，所述單片機(jī)直接采集土壤 濕度傳感器測量的土壤電導(dǎo)率數(shù)據(jù)并在單片機(jī)內(nèi)部轉(zhuǎn)換成土壤濕度 數(shù)據(jù)，然后同時(shí)通過所述無線通信模塊根據(jù)上位機(jī)的要求實(shí)時(shí)或定時(shí) 傳輸測量數(shù)據(jù)或接收上位機(jī)指令。所述單片機(jī)系統(tǒng)包括AVR系列Megal6單片機(jī)、晶體振蕩器、 復(fù)位電路、調(diào)試接口。單片機(jī)采集土壤電導(dǎo)率傳感器的信號(hào)，并將其 轉(zhuǎn)換成土壤濕度數(shù)據(jù)，晶體振蕩器為單片機(jī)提供外部時(shí)鐘信號(hào)。所述 三星ARM7 S3C44B0X芯片及其外圍電路以S3C44B0X微處理器為 核心，擴(kuò)展觸摸屏幕、彩色LCD顯示器和無線收發(fā)電路構(gòu)成嵌入式 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。所述土壤電導(dǎo)率測量傳感器由6塊寬為lcm、弧長為 2cm且已鍍導(dǎo)電陶瓷的'銅片、信號(hào)調(diào)磁電路和圓柱形絕緣材料組成。所述無線收發(fā)才莫塊采用Nordic 7>司出品的nRF905芯片，進(jìn)行控 制命令的接收和測量數(shù)據(jù)的無線傳輸。所述太陽能供電系統(tǒng)由太陽能 電池板和14V蓄電池組成，為整個(gè)系統(tǒng)提供電能。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)之一為由AVR系列單片機(jī)和弧形電才iU于組成的 土壤濕度傳感器、三星ARM7 S3C44B0X芯片及外圍電路、無線收發(fā) 模塊、太陽能供電系統(tǒng)組成的基于嵌入式系統(tǒng)的土壤含水量監(jiān)測儀能 實(shí)時(shí)或定時(shí)測量和傳輸各節(jié)點(diǎn)所在位置周圍的土壤濕度數(shù)據(jù)，無線收 發(fā)模塊克服了傳統(tǒng)有線傳感器網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)困難、難以維護(hù)的缺點(diǎn)。太陽 能供電系統(tǒng)有效解決了野外、山間等遠(yuǎn)離電網(wǎng)的農(nóng)田中傳感器網(wǎng)絡(luò)的 供電問題，且低壓供電保證了人畜的安全。此外，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)還包括相對于傳統(tǒng)的土壤含水量監(jiān)測儀， 本測試儀可準(zhǔn)確地測量節(jié)點(diǎn)所在位置周圍的土壤濕度情況，并且可以 根據(jù)測量的濕度數(shù)據(jù)控制滴灌或微灌系統(tǒng)的工作狀態(tài)，從而節(jié)約了大 量的水資源，其相對于傳統(tǒng)的有線土壤含水量測試儀，本發(fā)明提供的 監(jiān)測裝置可大大地節(jié)約大量的信號(hào)線和供電電線，克服了有線傳感器 網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)難、難以維護(hù)且成本較高的缺點(diǎn)。另外，本發(fā)明提供的土壤 含水量監(jiān)測儀可允許任意增刪土壤含水量測試儀中節(jié)點(diǎn)的數(shù)量和改 變各節(jié)點(diǎn)的位置。
權(quán)利要求
1.一種基于嵌入式系統(tǒng)的土壤含水量監(jiān)測儀，其特征在于包括由AVR系列Mega16單片機(jī)、弧形電極對和信號(hào)調(diào)理電路組成的土壤濕度傳感器；三星ARM7 S3C44B0X芯片及外圍電路和帶觸摸屏的液晶顯示器構(gòu)成的上位機(jī)控制系統(tǒng)；無線通信模塊；以及由太陽能電池板和蓄電池組成的供電系統(tǒng)，所述單片機(jī)直接采集土壤濕度傳感器測量的土壤電導(dǎo)率數(shù)據(jù)并在單片機(jī)內(nèi)部轉(zhuǎn)換成土壤濕度數(shù)據(jù)，然后同時(shí)通過所述無線通信模塊根據(jù)上位機(jī)的要求實(shí)時(shí)或定時(shí)傳輸測量數(shù)據(jù)或接收上位機(jī)指令。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于.嵌入式系統(tǒng)的土壤含水量監(jiān)測儀， 其特征在于由AVR系列Megal6單片機(jī)、弧形電招對及信號(hào)條理 電路構(gòu)成的土壤濕度傳感器，包括一個(gè)探頭，該探頭由鍍導(dǎo)電陶瓷的 銅片構(gòu)成所述弧形電極對，所述信號(hào)條理電路對弧形電核對的輸出信 號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換、放大處理。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于嵌入式系統(tǒng)的土壤含水量監(jiān)測 儀，其特征在于所述單片機(jī)及無線通訊模塊構(gòu)成了數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)， 該數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)通過無線傳輸模塊，傳輸測量數(shù)據(jù)和上位機(jī)或傳感器 網(wǎng)絡(luò)中其他節(jié)點(diǎn)傳輸過來的指令和數(shù)據(jù)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于嵌入式系統(tǒng)的土壤含水量監(jiān)測儀， 其特征在于在所述太陽能電池板和蓄電池組成的供電系統(tǒng)中，太陽 能電池板輸出電能并將多余的電能儲(chǔ)存在蓄電池內(nèi)，供節(jié)點(diǎn)夜間使 用。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于嵌入式系統(tǒng)的土壤含水量監(jiān)測儀， 其特征在于單片機(jī)及外圍電路、土:t裏電導(dǎo)率測量傳感器、無線4t^ 模塊、太陽能電池板和蓄電池組成的供電系統(tǒng)等組成了單個(gè)傳感器節(jié) 點(diǎn)，由多個(gè)此種節(jié)點(diǎn)構(gòu)成了傳感器網(wǎng)絡(luò)，整個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)節(jié) 點(diǎn)權(quán)利對等，共同受由用戶控制的上位機(jī)控制，向其傳輸數(shù)據(jù)或接收 其控制命令。
全文摘要
本發(fā)明提供一種基于嵌入式系統(tǒng)的土壤含水量監(jiān)測儀，包括AVR系列Mega16單片機(jī)、弧形電極對和信號(hào)調(diào)理電路組成的土壤濕度傳感器；三星ARM7 S3C44B0X芯片及外圍電路和帶觸摸屏的液晶顯示器構(gòu)成的上位機(jī)控制系統(tǒng)；無線通信模塊；以及由太陽能電池板和蓄電池組成的供電系統(tǒng)，所述單片機(jī)直接采集土壤濕度傳感器測量的土壤電導(dǎo)率數(shù)據(jù)并在單片機(jī)內(nèi)部轉(zhuǎn)換成土壤濕度數(shù)據(jù)，同時(shí)通過所述無線通信模塊根據(jù)上位機(jī)的要求實(shí)時(shí)或定時(shí)傳輸測量數(shù)據(jù)或接收上位機(jī)控制指令。
文檔編號(hào)G08C17/02GK101261241SQ20081002740
公開日2008年9月10日 申請日期2008年4月14日 優(yōu)先權(quán)日2008年4月14日
發(fā)明者顥 唐, 唐勁馳, 孫道宗, 王衛(wèi)星, 賈瑞昌, 趙超藝, 黎健龍 申請人:廣東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院茶葉研究所