便攜式土壤水分速測儀的研發背景及軟硬件結構及設計

　　作為土壤水分傳感器的應用研究，本文完成了便攜式土壤水分速測儀的軟硬件設計，研制開發出系統樣機，并通過試驗驗證其性能，達到了設計要求，實現了GPS數據的接收與處理、土壤水分的采集與存儲等功能，并應用GIS軟件ArcView生成土壤水分分布圖以監測土壤水分墑情，為變量灌溉的實施提供依據。
      由于土壤結構及土壤水分的空間差異性造成了同一地塊中土壤含水量的不同，這就需要墑情監測和變量灌溉技術。變量灌溉是當前精準農林業的主要發展方向之一，是實現節水農林業的有力措施。基于變量灌溉的要求，本文設計一種便攜式土壤水分速測儀。便攜式土壤水分速測儀的應用可分為兩部分：(1)在田間采樣時，單片機系統的RS232串行口與GPS接收機的串行口相連接，實現與GPS接收機的通訊。同時，單片機系統的一個模擬信號輸入端口與SWR土壤水分傳感器探頭相連，測量土壤含水量，然后與GPS接收機發送過來的時間、地理位置數據結合形成一個數據塊，存儲在單片機系統的RAM中，以便傳輸到上位機進行數據處理。(2)在工作室進行數據處理時，單片機系統的RS232串行口與上位機的RS232串行口相連接，將保存在RAM中的數據塊傳送給上位機，進行一系列的數據處理，最終生成土壤水分分布圖以監測田間土壤墑情，指導變量灌溉。系統主要功能見圖1。

圖1 便攜式土壤水分速測儀的系統功能框圖

　　便攜式土壤水分速測儀的系統硬件結構設計根據系統功能要求，相應的硬件必須包括：與GPS及上位機通訊的RS232端口；接收SWR土壤水分傳感器信息的功能端口；信息顯示部件；程序與數據存儲器；功能鍵盤。
　　便攜式土壤水分速測儀的系統軟件設計系統可分為兩大部分：一部分為單片機系統，負責控制和數據接收、存儲；另一部分為上位機系統，負責數據處理。考慮到兩部分的特點及實現功能的差別，選用不同的語言工具來實現。
　　便攜式土壤水分速測儀的單片機系統采用C語言作為編程語言。C語言具有功能強大、移植性好、更易于編程和結構化設計、程序可讀性高等優點，并且其編譯的代碼緊湊，結構優良，運行效率也接近于匯編語言。目前在PC機的Windows平臺中較為流行的編程工具有VC、VB、DELPHI等，兼顧到系統上位機的功能需求和開發時間的限制，系統采用了功能較強、效率較高、開發速度較快的開發工具VB作為上位機的開發平臺。
　　便攜式土壤水分速測儀的單片機系統軟件設計：單片機部分的程序可分為4部分：主控制模塊(主程序)、事件獲取和執行模塊、子功能模塊(主要是按鍵功能模塊和通訊模塊)、顯示模塊。主程序主程序是整個單片機程序的入口和初始化部分，是程序運行的主體和總控制部分。主程序啟動后，通過事件模塊循環獲取各按鍵事件狀態并執行該按鍵事件，事件執行模塊則調用相應子功能模塊來完成用戶所需的功能，而顯示模塊則顯示系統運行的狀態和數據結果。系統要實時監測地理位置信息(即GPS信息)，所以在系統開始運行時就必須實現與GPS接收機的通訊，同時顯示模塊要顯示地理位置信息。這就要求系統與GPS接收機的通訊和顯示GPS信息的工作要在主程序的初始化階段完成。單片機系統與GPS的通訊軟件設計GPS接收機與單片機系統的通訊是在定時器中斷方式下完成一個格式GPS數據的接收，而串行口以查尋方式工作，保證在一次定時中斷中完成接收一個格式的GPS全部數據。這樣使得程序結構簡單、可靠、便于實現。此通訊程序分為三大模塊：(1)設置GPS：包括設置GPS的工作狀態、基站點、信標、通訊的波特率9600bps、輸出格式等，這一部分采用GPS開發商提供的系統。(2)設置單片機系統的通訊狀態：包括設置單片機的波特率為9600bps、定時器定時時間1s、定時中斷字等。(3)中斷服務模塊：包括讀取、校驗和存儲GPS數據。
　　便攜式土壤水分速測儀的單片機系統與上位機的通訊軟件設計：單片機系統與上位機的通訊采用點對點的通訊方式，其中，單片機系統是發送者，上位機是接收者。當單片機系統開始發送時，先送一個“S”信號，上位機收到后回答一個“A”，表示同意接收。當單片機收到“A”后，開始發送數據，每發送一次求“校驗和”，數據塊長度為36個字節，數據緩沖區為buf，數據塊發送完后馬上發送“校驗和”。