便攜式土壤水分速測(cè)儀的研發(fā)背景及軟硬件結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)

　　作為土壤水分傳感器的應(yīng)用研究，本文完成了便攜式土壤水分速測(cè)儀的軟硬件設(shè)計(jì)，研制開(kāi)發(fā)出系統(tǒng)樣機(jī)，并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證其性能，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，實(shí)現(xiàn)了GPS數(shù)據(jù)的接收與處理、土壤水分的采集與存儲(chǔ)等功能，并應(yīng)用GIS軟件ArcView生成土壤水分分布圖以監(jiān)測(cè)土壤水分墑情，為變量灌溉的實(shí)施提供依據(jù)。
      由于土壤結(jié)構(gòu)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(jiān)測(cè)和變量灌溉技術(shù)。變量灌溉是當(dāng)前精準(zhǔn)農(nóng)林業(yè)的主要發(fā)展方向之一，是實(shí)現(xiàn)節(jié)水農(nóng)林業(yè)的有力措施。基于變量灌溉的要求，本文設(shè)計(jì)一種便攜式土壤水分速測(cè)儀。便攜式土壤水分速測(cè)儀的應(yīng)用可分為兩部分：(1)在田間采樣時(shí)，單片機(jī)系統(tǒng)的RS232串行口與GPS接收機(jī)的串行口相連接，實(shí)現(xiàn)與GPS接收機(jī)的通訊。同時(shí)，單片機(jī)系統(tǒng)的一個(gè)模擬信號(hào)輸入端口與SWR土壤水分傳感器探頭相連，測(cè)量土壤含水量，然后與GPS接收機(jī)發(fā)送過(guò)來(lái)的時(shí)間、地理位置數(shù)據(jù)結(jié)合形成一個(gè)數(shù)據(jù)塊，存儲(chǔ)在單片機(jī)系統(tǒng)的RAM中，以便傳輸?shù)缴衔粰C(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。(2)在工作室進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時(shí)，單片機(jī)系統(tǒng)的RS232串行口與上位機(jī)的RS232串行口相連接，將保存在RAM中的數(shù)據(jù)塊傳送給上位機(jī)，進(jìn)行一系列的數(shù)據(jù)處理，最終生成土壤水分分布圖以監(jiān)測(cè)田間土壤墑情，指導(dǎo)變量灌溉。系統(tǒng)主要功能見(jiàn)圖1。

圖1 便攜式土壤水分速測(cè)儀的系統(tǒng)功能框圖

　　便攜式土壤水分速測(cè)儀的系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)根據(jù)系統(tǒng)功能要求，相應(yīng)的硬件必須包括：與GPS及上位機(jī)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(shù)據(jù)存儲(chǔ)器；功能鍵盤(pán)。
　　便攜式土壤水分速測(cè)儀的系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)系統(tǒng)可分為兩大部分：一部分為單片機(jī)系統(tǒng)，負(fù)責(zé)控制和數(shù)據(jù)接收、存儲(chǔ)；另一部分為上位機(jī)系統(tǒng)，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理。考慮到兩部分的特點(diǎn)及實(shí)現(xiàn)功能的差別，選用不同的語(yǔ)言工具來(lái)實(shí)現(xiàn)。
　　便攜式土壤水分速測(cè)儀的單片機(jī)系統(tǒng)采用C語(yǔ)言作為編程語(yǔ)言。C語(yǔ)言具有功能強(qiáng)大、移植性好、更易于編程和結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)、程序可讀性高等優(yōu)點(diǎn)，并且其編譯的代碼緊湊，結(jié)構(gòu)優(yōu)良，運(yùn)行效率也接近于匯編語(yǔ)言。目前在PC機(jī)的Windows平臺(tái)中較為流行的編程工具有VC、VB、DELPHI等，兼顧到系統(tǒng)上位機(jī)的功能需求和開(kāi)發(fā)時(shí)間的限制，系統(tǒng)采用了功能較強(qiáng)、效率較高、開(kāi)發(fā)速度較快的開(kāi)發(fā)工具VB作為上位機(jī)的開(kāi)發(fā)平臺(tái)。
　　便攜式土壤水分速測(cè)儀的單片機(jī)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)：?jiǎn)纹瑱C(jī)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(zhí)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(gè)單片機(jī)程序的入口和初始化部分，是程序運(yùn)行的主體和總控制部分。主程序啟動(dòng)后，通過(guò)事件模塊循環(huán)獲取各按鍵事件狀態(tài)并執(zhí)行該按鍵事件，事件執(zhí)行模塊則調(diào)用相應(yīng)子功能模塊來(lái)完成用戶(hù)所需的功能，而顯示模塊則顯示系統(tǒng)運(yùn)行的狀態(tài)和數(shù)據(jù)結(jié)果。系統(tǒng)要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)地理位置信息(即GPS信息)，所以在系統(tǒng)開(kāi)始運(yùn)行時(shí)就必須實(shí)現(xiàn)與GPS接收機(jī)的通訊，同時(shí)顯示模塊要顯示地理位置信息。這就要求系統(tǒng)與GPS接收機(jī)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(jī)系統(tǒng)與GPS的通訊軟件設(shè)計(jì)GPS接收機(jī)與單片機(jī)系統(tǒng)的通訊是在定時(shí)器中斷方式下完成一個(gè)格式GPS數(shù)據(jù)的接收，而串行口以查尋方式工作，保證在一次定時(shí)中斷中完成接收一個(gè)格式的GPS全部數(shù)據(jù)。這樣使得程序結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠、便于實(shí)現(xiàn)。此通訊程序分為三大模塊：(1)設(shè)置GPS：包括設(shè)置GPS的工作狀態(tài)、基站點(diǎn)、信標(biāo)、通訊的波特率9600bps、輸出格式等，這一部分采用GPS開(kāi)發(fā)商提供的系統(tǒng)。(2)設(shè)置單片機(jī)系統(tǒng)的通訊狀態(tài)：包括設(shè)置單片機(jī)的波特率為9600bps、定時(shí)器定時(shí)時(shí)間1s、定時(shí)中斷字等。(3)中斷服務(wù)模塊：包括讀取、校驗(yàn)和存儲(chǔ)GPS數(shù)據(jù)。
　　便攜式土壤水分速測(cè)儀的單片機(jī)系統(tǒng)與上位機(jī)的通訊軟件設(shè)計(jì)：?jiǎn)纹瑱C(jī)系統(tǒng)與上位機(jī)的通訊采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通訊方式，其中，單片機(jī)系統(tǒng)是發(fā)送者，上位機(jī)是接收者。當(dāng)單片機(jī)系統(tǒng)開(kāi)始發(fā)送時(shí)，先送一個(gè)“S”信號(hào)，上位機(jī)收到后回答一個(gè)“A”，表示同意接收。當(dāng)單片機(jī)收到“A”后，開(kāi)始發(fā)送數(shù)據(jù)，每發(fā)送一次求“校驗(yàn)和”，數(shù)據(jù)塊長(zhǎng)度為36個(gè)字節(jié)，數(shù)據(jù)緩沖區(qū)為buf，數(shù)據(jù)塊發(fā)送完后馬上發(fā)送“校驗(yàn)和”。