作物需水信息远程实时采集系统的设计

作物需水信息远程实时采集系统的设计
徐志青;韩文霆;张超
【摘要】作物需水信息的快速获取和实时传输是实现智能诊断和精量灌溉的前提.为此,设计了一种实时采集影响作物需水多环境参数的多通道数据采集系统.该系统以超低功耗单片机MSP430F149为核心处理模块、西门子MC39i为无线传输模块,以计算作物需水量的彭曼—蒙特斯公式中的主要气象要素(温度、湿度、日照时数、风速、辐射)和土壤湿度作为采集对象,根据各传感器输出信号设计了数据采集通道数量及类型.设计选用了系统的实时时钟电路、数据存储模块、LCD液晶显示以及控制键盘等电路,开发了系统各模块的控制软件,实现了通道选择、数据采集、数据处理、液晶显示及无线数据传输等功能.经电位器模拟输出电压测试,系统能实现数据采集和实时显示的功能,可以应用于灌溉决策系统中作物需水信息的实时监测.
【期刊名称】《农机化研究》
【年(卷),期】2013(035)003
【总页数】6页(P107-112)
【关键词】作物需水;多通道数据采集;单片机;无线传输
【作者】徐志青;韩文霆;张超
【作者单位】西北农林科技大学机械与电子工程学院,陕西杨凌712100;西北农林科技大学机械与电子工程学院,陕西杨凌712100;西北农林科技大学中国旱区节水农业研究院,陕西杨凌712100;西北农林科技大学机械与电子工程学院,陕西杨凌712100
【正文语种】中文
【中图分类】TP273+.5
0 引言
对作物需水状况进行准确、快速和可靠的评价，是以实时监测和诊断与作物需水状况密切相关的作物水分信息为基础的。

作物需水信息采集不仅是实施灌溉决策和管理的重要基础，也是现代节水农业技术体系和精量灌溉工程的一个重要组成部分［1］。

现代电子技术以及移动无线通讯技术的发展为农业信息的采集提供了有效的途径。

国外已经形成了较为成熟的农业信息采集设备的系列产品，而国内在这方面的研究起步较晚，还没有形成成熟的产品。

例如，王艳玲等采用C8051F020单片机作为中央处理器设计了基于GPRS的农田环境信息远程监测系统［2］;李兴霞等基于嵌入式技术，采用 ARM7处理器和GPRS通信方式设计研究了农田环境信息采集系统，实现了农田信息的实时采集［3］。

这些远程数据采集系统的研究在通道数的扩展及系统的功耗上还存在一定的问题。

为此，设计了一种以德州仪器(TI)公司的超低功耗MSP430F149单片机为核心芯片、西门子公司MC39i为无线传输模块的多通道数据采集系统，用于作物需水信息(包括气象要素、土壤湿度)的采集。

该系统能够实现多路作物需水信息的采集、存储、显示和与上位机无线传输，为实时诊断作物水分状况提供了依据和保证。

1 系统结构设计
作物需水信息实时采集系统结构如图1所示。

该系统主要模块包括传感器模块、微处理器模块、数据存储模块、无线传输模块、电源模块、LCD显示及控制键盘电路。

微控制器采用MSP430F149超低功耗混合信号控制器。

系统采用气象变送器及土壤传感器将采集到的标准电压信号传给单片机内置的ADC进行A/D转换，经过CPU进行数据处理，存储到数据存储器，能实现LCD
显示，并通过GPRS进行无线传输至上位机。

2 硬件电路设计
2.1 处理器及外围电路
MSP430单片机是TI公司的一种基于16位RISC架构的超低功耗工业级混合信号微控制器。

本系统采用的MSP430F149具有2kB RAM与64kB FLASH，能处理大量代码与数据。

除了正常工作模式外，还有5种低功耗电压1.8～3.6V，超低功耗掉电模式仅0.1μA，待机模式1.1μA，活动模式也只有280μA(2.2V，1MHz)［4］。

片内集成了丰富的外设，有 USART串行收发模块和A/D转换模块等。

另外，它可在线编程，不用外部编程电压，使用十分方便，而且开发工具很多，易于完成软件的设计、调试及其测试，在很大程度上缩短了开发周期。

微处理器外围电路如图2所示。

图1 系统结构框图Fig.1 The block diagram of system structure
图2 处理器及外围电路Fig.2 Circuit of CPU and periphery
2.2 实时时钟电路
本系统采用DS1302时钟芯片来获取数据采集时间，以实现系统数据的实时管理。

DS1302是美国DALLAS公司推出的一种高性能、低功耗的实时时钟芯片，附加
31字节静态RAM，采用 SPI三线接口与CPU进行同步通信，能够计算秒、分、时、日、周、月、年，1个月小于31天时可以自动调整，且自动补偿2100年之
前的闰年日期。

时钟的工作格式可以是24h或带AM/PM指示的12h格式。

DS1302实时时钟芯片硬件电路原理图如图3所示。

DS1302与MSP430F149采用共同的复位信号，在系统上电时即可复位。

此外，DS1302接有备用电池，保证系统断电时仍可保持精确的计时。

2.3 数据存储电路
本文采用的AT24C512是Atmel公司生产的64kB(512Kbit)的串行电可擦除的可编程存储器(EEPROM)。

该芯片采用 I2 C总线设计;与1MHz(5V)，400kHz(2.7V)，100kHz(1.8V)I2 C 总线兼容;100 000次编程/擦写周期;内部有512页，每一页为128字节，存储容量为65 536Byte;任一单元的地址为16位，地址范围为0000～0FFFFH;单电源，读写电压为1.8～5.5V;数据可保存40年;写保护功能，当WP为高电平时，进入写保护状态;CMOS低功耗技术，最大写入电流为3mA;自
动定时的写周期;采用8引脚封装，具有结构紧凑、存储量大的特点。

电路原理图，如图4所示。

图3 实时时钟电路Fig.3 Circuit of real－ time clock
图4 数据存储模块电路Fig.4 Circuit of data storing
2.4 LCD液晶显示及控制键盘电路
系统采用3.3V低电压、低功耗的CH12864B液晶模块显示采集到的作物需水信
号及其对应的采集通道号。

该模块是一种具有4位/8位并行、2线或3线串行多
种接口方式，利用其灵活的接口方式和简单、方便的操作指令，可以构成全中文人机交互图形界面，可以显示8×4行16×16点阵的汉字，也可以完成图形显示。

键盘由16个4×4阵列按键组成，分别为数字键0 ～ 9、确定(ENTER)、退出(ESC)、关机/小数点(OFF/.)、通道选择/液晶背光开启关闭(C/U/BL)。

同时，通过对键盘的操作可以实现对采集时间、采集通道输入的设置，结合LCD使得每操作
一步都会在液晶上显示出来，并作相应的提示，真正达到了人机交互的效果。

2.5 GPRS无线传输模块
GPRS无线数据传输模块选用的是GF－2008AW型GPRS DTU，内置西门子
MC39i模块，主要由射频天线，内部Flash，SRAM，GSM基带处理器及匹配电
源和一个40脚的ZIF插座组成。

GSM基带处理器是核心部件，用来处理外部系
统通过串口发送AT指令;射频天线部分主要实现信号的调制和解调，以及外部射频信号与内部基带处理器之间的信号转换;匹配电源为处理器及射频部分提供所需的电压［6］。

MC39i模块的功能是将数据或命令通过与其连接的天线发射出去，或接受远端数据中心发送来的数据，再将接收到的数据或者命令进行相应的处理后送入微控制器中。

该模块与MSP430F149之间采用RS232串口通信来完成数据交换，其接口电路采用MAX3232芯片实现。

MAX3232是3.0～5.5V 供电、低功率的 RS232收发器，支持高达1Mbps的通信速率，仅需要4个0.1μF的电容作为外部元件即能够工作。

电路原理图如图5所示。

图5 RS232接口电路图Fig.5 Circuit of interface RS232
3 软件设计
3.1 主程序流程
图6是作物需水信息远程实时采集系统主程序流程图。

单片机系统启动后，先进行系统初始化。

初始化子程序包括时钟、I/O端口、定时器、串口、液晶显示模块和ADC设置等一些参数的初始化。

进入定时器中断后，开启数据采样通道，分别采集系统确定的各指标要素(气象要素与土壤水分)。

对采集的模拟量信号进行A/D 转换，转换完的数字信号存储到数据存储芯片AT24C512。

微控制器将新数据写入LCD显示寄存器，更新LCD的显示内容。

如果微控制器接收到上位机发来的通信信号，便会调用GPRS传输子程序以判断上位机发来的握手信号，若信号符合约定，则控制器就进行GPRS无线传输，将采集到的数据传至上位机。

图6 系统程序流程图Fig.6 Program flowchart of system
3.2 各模块软件设计
系统采用IAR公司提供的开发调试环境IAR Embedded Workbench IDE进行软件的编译调试以及目标代码的下载，采用C语言和汇编语言作为系统软件的开发语言。

3.2.1 A/D 初始化子程序
系统采用模/数转换的序列通道多次转换模式，对选定的多通道进行连续转换。

由ADC12CTL1的CSTARTADDx位定义了第一个转换存储器的首地址。

转换结果将顺序地存放在转换存储寄存器中。

当由ADC12MCTLx寄存器中EOS位定义的最后一个通道转换完成之后，一次序列通道转换完成，触发信号会触发下一次序列通道转换［7］。

本文中A0通道采集电位器的模拟电压，A1～A3通道分别采集空气温湿度变送器及土壤水分传感器输出的0～2.0V DC电压值，对其进行A/D转换。

先对使用序列通道多次转换模式下的模/数转换模块的初始化设计程序如下:
由ADC12CTL1的CSTARTADDx位定义了第一个转换存储器的首地址。

转换结果将顺序地存放在转换存储寄存器中。

当由ADC12MCTLx寄存器中EOS位定义的最后一个通道转换完成之后，一次序列通道转换完成，触发信号会触发下一次序列通道转换。

本文中A0通道采集电位器两端的模拟电压，A1～A3通道分别采集空气温湿度变送器以及土壤水分传感器输出的0～2.0V DC电压值，对其进行
A/D转换。

ADC内核将模拟信号转换成12位数字信号并存入转换存储寄存器。

内核使用两个参考电压，即V R+和VR－作为转换范围的上、下限和读数的满量程值和“0”值。

转换值在输入信号大于或者等于V R+时为满量程值，小于或等于V R－时为“0”。

输入通道和参考电平由转换存储控制寄存器定义。

输入模拟电压最终转换结果公式为［8］
其中，N ADC为A/D转换后的数值;V in为输入的模拟电压值;V R+为参考电压的正端;V R－为参考电压的负端。

3.2.2 串口通信初始化子程序
MSP430F149包含两个USART模块(USART0和USART1)，系统选用USAR0模块。

串口UART0初始化程序如下:
3.2.3 实时时钟子程序
MCU 通过其 GPIO 的 P2.5，P2.6，P2.7 端口与DS1302的SCLK，I/O及3个引脚连接，通过这3个I/O可以执行对DS1302的全部操作。

初始化DS1302，对DS1302写入1个字节的数据程序如下:
4 试验与结果分析
4.1 传感器选型
本文选用邯郸市清胜电子科技有限公司的CG－01空气温湿度变送器以及FDS－100土壤水分传感器，如图7和图8所示。

CG－01变送器供电电压为7～
12VDC;模拟信号输出0～2V，对应温度为－30～70℃，精度达到±0.2℃，对应湿度为 0～100%，精度达到±3%。

FDS－100土壤水分传感器的测量原理是FDR 频域法;量程为0～100%;精度在0～50%时可达±2%;工作电压7～24V;输出信号形式为模拟输出电压0～2V DC;响应时间小于1s。

图7 CG－1温湿度变送器Fig.7 CG －1 temperature and humidity transmitter 图8 FDS－100土壤水分传感器Fig.8 FDS － 100 soil moisture sensor
试验中采集系统实物图如图9所示。

图9 采集系统实物图Fig.9 Data acquisition system image
4.2 实验结果分析
对各通道A/D转换后的数值进行平滑滤波，取32次平均值。

在实验室中通过调
节电位器得到8组0～2.5V范围内的不同电压，对输出的每组电压进行采集，将12864液晶显示的电压值与VICTOR VC890D型数字万用表测得的电压进行对比。

A0通道的部分电压测量数据如表1所示。

表1 A0通道电压测量值Table 1 Experimental results from A0 channel V组
显示值标准值组显示值标准值1 0.38 0.39 2 0.79 0.79 3 1.01 1.01 5 1.57
1.57 6 1.88 1.88 7
2.21 2.20 4 1.34 1.35 8 2.42 2.41
由表1的数据可以看出，通过系统采集并进行A/D转换、处理和显示的电压值与
数字万用表测得的实际电压值很接近，甚至完全一样，可知系统的稳定性较高，采用第一组数据计算系统的百分误差为2.56%，计算公式为
5 结论
本文提出了一种基于超低功耗MSP430F149单片机、以计算作物需水量的彭曼—蒙特斯公式中的主要气象要素(温度、湿度、日照时数、风速、辐射)和土壤湿度作为采集对象的作物需水信息远程实时采集系统，设计了系统的实时时钟电路、数据存储模块、LCD液晶显示及控制键盘等电路，开发了系统各模块的控制软件，实
现了通道选择、数据采集、数据处理、液晶显示等功能。

系统充分利用了单片机内部的12位A/D转换模块完成对外部模拟量数据的采集转换与显示。

经过试验，
系统采集信号百分误差为2.56%，测试结果表明系统稳定性较高，能够很好地完
成数据的采集及显示。

参考文献:
【相关文献】
［1］徐更琪，吴普特，韩文霆.作物需水信息实时监测与无线远程传输系统［J］.农机化研究，2010，32(2):162－165.
［2］王艳玲.基于GPRS的农田信息远程监测系统研究［D］.镇江:江苏大学，2008.
［3］李兴霞.基于嵌入式技术的农田环境信息采集系统的研究［D］.哈尔滨:哈尔滨工程大学，2009.
［4］胡大可.MSP430系列FLASH型超低功耗16位单片机［M］.北京:北京航空航天大学出版社，2001.
［5］魏小龙.MSP430系列单片机接口技术及系统设计实例［M］.北京:北京航空航天大学出版社，2002.
［6］北京嘉复欣科技有限公司.GF－2008 AW GPRSDTU使用手册［Z］.北京:北京嘉复欣科技有限公司，2007.
［7］洪利，章扬，李世宝.MSP430单片机原理与应用实例详解［M］.北京:北京航空航天大学出
版社，2010.
［8］沈建华，杨艳琴，翟骁曙.MSP430系列16位超低功耗单片机原理与应用［M］.北京:清华大学出版社，2004:267－275.。