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

　　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儀的軟硬件設(shè)計，研制開發(fā)出系統(tǒng)樣機，并通過試驗驗證其性能，達到了設(shè)計要求，實現(xiàn)了GPS數(shù)據(jù)的接收與處理、土壤水分的采集與存儲等功能，并應(yīng)用GIS軟件ArcView生成土壤水分分布圖以監(jiān)測土壤水分墑情，為變量灌溉的實施提供依據(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)測和變量灌溉技術(shù)。變量灌溉是當前精準農(nóng)林業(yè)的主要發(fā)展方向之一，是實現(xiàn)節(jié)水農(nóng)林業(yè)的有力措施�；�于變量灌溉的要求，本文設(shè)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(yīng)用可分為兩部分：(1)在田間采樣時，單片機系統(tǒng)的RS232串行口與GPS接收機的串行口相連接，實現(xiàn)與GPS接收機的通訊。同時，單片機系統(tǒng)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(fā)送過來的時間、地理位置數(shù)據(jù)結(jié)合形成一個數(shù)據(jù)塊，存儲在單片機系統(tǒng)的RAM中，以便傳輸?shù)缴衔粰C進行數(shù)據(jù)處理。(2)在工作室進行數(shù)據(jù)處理時，單片機系統(tǒng)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(shù)據(jù)塊傳送給上位機，進行一系列的數(shù)據(jù)處理，最終生成土壤水分分布圖以監(jiān)測田間土壤墑情，指導(dǎo)變量灌溉。系統(tǒng)主要功能見圖1。

圖1 便攜式土壤水分速測儀的系統(tǒng)功能框圖

　　便攜式土壤水分速測儀的系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計根據(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)存儲器；功能鍵盤。
　　便攜式土壤水分速測儀的系統(tǒng)軟件設(shè)計系統(tǒng)可分為兩大部分：一部分為單片機系統(tǒng)，負責(zé)控制和數(shù)據(jù)接收、存儲；另一部分為上位機系統(tǒng)，負責(zé)數(shù)據(jù)處理�？紤]到兩部分的特點及實現(xiàn)功能的差別，選用不同的語言工具來實現(xiàn)。
　　便攜式土壤水分速測儀的單片機系統(tǒng)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(jié)構(gòu)化設(shè)計、程序可讀性高等優(yōu)點，并且其編譯的代碼緊湊，結(jié)構(gòu)優(yōu)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(tǒng)上位機的功能需求和開發(fā)時間的限制，系統(tǒng)采用了功能較強、效率較高、開發(fā)速度較快的開發(fā)工具VB作為上位機的開發(fā)平臺。
　　便攜式土壤水分速測儀的單片機系統(tǒng)軟件設(shè)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(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(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)子功能模塊來完成用戶所需的功能，而顯示模塊則顯示系統(tǒng)運行的狀態(tài)和數(shù)據(jù)結(jié)果。系統(tǒng)要實時監(jiān)測地理位置信息(即GPS信息)，所以在系統(tǒng)開始運行時就必須實現(xiàn)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(tǒng)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(tǒng)與GPS的通訊軟件設(shè)計GPS接收機與單片機系統(tǒng)的通訊是在定時器中斷方式下完成一個格式GPS數(shù)據(jù)的接收，而串行口以查尋方式工作，保證在一次定時中斷中完成接收一個格式的GPS全部數(shù)據(jù)。這樣使得程序結(jié)構(gòu)簡單、可靠、便于實現(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、信標、通訊的波特率9600bps、輸出格式等，這一部分采用GPS開發(fā)商提供的系統(tǒng)。(2)設(shè)置單片機系統(tǒng)的通訊狀態(tài)：包括設(shè)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(wù)模塊：包括讀取、校驗和存儲GPS數(shù)據(jù)。
　　便攜式土壤水分速測儀的單片機系統(tǒng)與上位機的通訊軟件設(shè)計：單片機系統(tǒng)與上位機的通訊采用點對點的通訊方式，其中，單片機系統(tǒng)是發(fā)送者，上位機是接收者。當單片機系統(tǒng)開始發(fā)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(fā)送數(shù)據(jù)，每發(fā)送一次求“校驗和”，數(shù)據(jù)塊長度為36個字節(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“校驗和”。