土壤信息采集（通用6篇）
土壤信息采集 篇1
引言
我国是一个以农业为基础的国家。目前从国外引进的土壤快速水分测量仪功能单一,只能测量土壤的含水率,不能反映测量点的位置信息。基于GPS、GPRS技术建立农情监测系统,进行田间作业管理等研究越来越深入[1]。在节水农业领域中,利用3S技术建立旱情监测系统,不仅可以对土壤墒情进行监管,更有利于按作物需水量进行精确灌溉[2]。本采用SHT11进行农田土壤的实时温湿度采集,采用GPS模块采集农田的经纬度信息,并通过GPRS模块与PC机进行通信,在PC端上位机中显示采集信息,从而达到实时采集、无线传输与在线监控的目的。
1 系统结构和工作原理
本系统实物图由图1所示。采集系统由STM32单片机、温湿度传感器SHT11、GPS模块、电源模块,以及GPRS通信模块组成。由温湿度传感器SHT11分别对温湿度进行实时采集,由GPS模块采集经纬度信息,采集的数字信号经过主控芯片STM32单片机的处理,经过GPRS模块进行通信使数据进入PC机,由MFC上位机存储相应数据至数据库中,并实时在上位机界面中显示。
2 上位机
系统采用VS2013中的MFC作为上位机开发软件。温湿度数据、经纬度数据经过STM32单片机的解析后,通过GPRS模块传送给PC上位机,上位机将数据存储到数据库中并实时显示采集信息。
编译上位机程序,测试功能的运行情况。上位机可实现监测指定经纬度农田土壤水分、环境温湿度的空间分布的功能。
3 系统测试
打开采集系统电源,等待系统采集到稳定数据,观察上位机中显示。
4 结论
试验结果表明,基于STM32的农田土壤信息采集系统,具有采集数据稳定可靠,操作方便,结构简单,且无线接收,可大幅降低成本,能够基本满足采集要求,具有较好的应用前景。
摘要：系统以STM32单片机作为控制器的核心部件,采用数字温湿度传感器SHT11进行农田土壤的实时温湿度采集,采用GPS模块采集农田的经纬度信息,并通过GPRS模块与PC机进行通信,在PC端上位机中存储并实时显示采集信息。该系统具有实用性强、稳定可靠的优点。
关键词：STM32,温湿度,上位机
参考文献
[1]周国祥,周俊,苗玉彬,等.基于GSM的数字农业远程监控系统研究与应用[J].农业工程学报,2005(6):87-92.
[2]李楠,刘成良,李彦明,等.基于3S技术联合的农田墒情远程监测系统开发[J].农业工程学报,2010(4):169-172
土壤信息采集 篇2
农田土壤墒情信息数据的传输需要大量的数据采集和监测节点,相对于工业现场,具有传输数据量小、覆盖范围广、通信距离远、维护相对不便等特点。考虑到传输距离、成本、能耗、可靠性和现场环境等因素,传统采用的基于GSM/GPRS的数据传输系统效率较低、成本较高,不适宜大范围的农业数据采集和检测。如果采用ZigBee技术构建农田信息采集传输网络,能够在较大范围内有效地获取和发送数据,而且通信过程不产生通信费用,特别适合于土壤墒情信息采集系统的应用需求。目前,ZigBee技术已广泛应用于农业活动中的远程数据传输系统,取得了较多的研究成果[1,2,3,4,5]。
1 系统结构设计
根据农田现场情况,采用扩展星型网络拓扑结构,土壤墒情信息采集系统由一个ZigBee中心节点(协调器)和若干个具有多路输入输出信号的ZigBee路由节点组成一个无线网络。考虑到路由节点的通用化和扩展性,节点具有2路输入信号、2路继电器输出信号、2路模拟信号扩展,可外接土壤水分传感器、土壤盐分传感器等。系统工作时,从服务器端通过软件对相应的监测点发出“信息监测”命令,经过和服务器端相连的ZigBee协调器发出指令;网络路由节点收到命令后,切换到工作状态,启动相应的控制指令,从外接传感器的端口采集数据,由路由节点处理器将数据封装为ZigBee协议数据包,并从路由节点的ZigBee模块发出信息至服务器;服务器收到数据包后,进行数据包解析,提取需要的土壤墒情信息,记入数据库存储,并通过Internet进行发布。为了节约功耗,路由节点一旦和协调器节点建立通信网络之后,应进入休眠状态,直到接收到服务器指令后开始工作,工作结束再次转入休眠状态。考虑到系统的可靠性,采用应答机制,以确保可靠的数据传输。将放置于农田中不同位置的节点设置为路由节点的优点在于能够有效利用中继特性,最多可中继6次,传输较远的距离。整个系统示意图如图1所示。ZigBee网络具有很好的自组织性,新加入的节点能够很快和协调器通信,实现扩展。
2 终端节点系统设计
2.1 芯片/模块选型
无线终端节点采用模块化、集成化、标准化结构,便于容量扩充和引入新的硬件模块,容纳新业务,支持新技术。综合考虑低功耗、低成本、高可靠性、小型化等因素和设计要求,主控板MCU选择C8051F34X全速USB FLASH微控制器。该微控制器是完全集成的混合信号片上系统型MCU,低功耗,具有较强的处理能力,集成模拟外设、数字外设和USB控制器,能够适用于多种工业应用场合。ZigBee网络通信的射频模块选用低功耗、通讯能力很强的XBee Series2 OEM ZigBee Pro RF模块。该模块符合ZigBee标准协议,模块操作在2.4GHz频段,室外明视距离高达1.6km,数据速率为250kbps,具有重试和确认功能,支持点对点、点对多点和对等网络,可自动路由、自我诊断,能够满足本系统的设计要求。土壤水分传感器采用SGR-1型阻抗式土壤水分传感器,可以测定10kPa～15MPa 的土壤水势,适合于对干旱地区土壤水分的测定。土壤盐分传感器采用KTR-TYC-2型土壤盐分传感器,可直接监测土壤里的水盐动态变化。
2.2 路由节点硬件架构
根据PCB电磁兼容设计布局与布线的重要原则及ZigBee射频电路的PCB设计建议,防止电磁相互干扰,采用核心板加底板的设计思路[6]。
从设计通用化角度考虑,处理器模块负责控制整个节点的处理操作、路由协议、同步定位、功耗管理以及任务管理等;无线通信模块负责与其他节点进行无线通信,交换控制消息和收发采集数据;模拟信号接口从外接的传感器上获取相应的土壤墒情数据;开关量和外设接口用于手动或自动产生输入信息,并在LED上显示;能量供应模块(电源)设计为开关可控的系统供电电源,节点电源由两节1.5伏高容量碱性电池组成,可确保1～2个月的使用时间。以上设计中,要充分考虑系统工作的稳定性、可靠性和抗干扰性等。终端节点的电路原理图如图2所示。
3 关键技术及实现
3.1 ZigBee网络的构建
对ZigBee的操作有两种基本的模式,AT命令模式和API操作模式。本系统中采用API操作模式,具有更快的执行速度。API规定了通过串口数据帧如何发命令,命令响应,以及模块状态与信息传送与接收。
ZigBee 的组网是建立在 802.15.4 层组网协议的基础上的,ZigBce 的无线组网就是通过不断的对802.15.4 层组建的星型网络调用拓展而形成更加健壮灵活的网络[7]。其建网流程如图3所示。
协调器的主要任务是组建 ZigBee 网络、允许终端节点加入网络、绑定终端节点,将土壤水分、盐分等数据传送给服务器。
协调器设备都已经具有了一个唯一的固定的 64 位 IEEE MAC 地址(扩展地址),但是作为组网的标识还必须分配给自己一个 16 位的网络地址(短地址)。使用短地址进行通信可以使网络通信更轻量级、更加高效。这一短地址是预先定义的,PAN Coordinator的短地址通常被定义为 0x0000。协调器加电后,首先搜索信道,选定信道后将完成初始化和建立网络的任务,包括 PAN ID 的设定、协调器地址的设定和其他一些网络参数的设定。当有节点加入网络时,如果其发送的信息都正确,协调器将允许其加入网络,并分配给节点一个 16 位的短地址和相关的网络参数,作为设备在网络中的标识。如果协调器收到了节点的绑定请求,协调器要响应节点的绑定请求。对于接收到的数据,在接收数据的同时,协调器还要将数据通过 RS232 串口发送到服务器,来监测测量的结果是否符合设计要求。ZigBee 无线网络是动态生成,即自组织、自管理,这就需要一个灵活的地址分配机制,有效地址分配机制为路由建立了良好的基础[8]。
3.2 节点编号及命名
为了能判别哪个采集信息是哪个终端节点所发送的,需要给终端节点命名来进行识别。根据判别采集信息发送端的短地址来对终端节点进行编号,终端节点短地址从0x715开始递增,节点编号从1开始递增,并且一一对应。在每个节点加入网络前,需要通过下载接口给每个节点的ZigBee模块命名;在加入网络后,终端节点的处理器将通过相关函数读取ZigBee节点的NodeID信息,并和信息数据一起封装传送给协调器节点,最终在服务器端获取其节点名称,便于进行处理。
3.3 路由表的建立
在ZigBee通信协议中,可以进行点对点式通信,也可以进行广播方式通信[9]。考虑到广播方式通信延时大、效率低、不适宜采用应答机制等问题,本设计采用点对点式通信。首先,需要对ZigBee路由器节点进行Node ID设置,这将通过RS232口进行;设置后,路由器节点将这些地址存储到相应的Flash地址中;接着,ZigBee路由器节点将编号地址发给ZigBee协调器节点。鉴于ZigBee路由器节点的Node ID可能发生修改,间隔一定时间,将各个ZigBee路由器节点Node ID依次发给网络中的协调器节点。最后,协调器节点建立一个路由表,这个路由表有两列,第1列是路由节点的Node ID,第2列是监控器设备所连接的ZigBee路由器节点的短地址即ZigBee网络所分配的地址。
通过服务器端软件建立Node ID和某区域的对应关系,以方便用户使用。当服务器要向终端节点发起数据请求时,通过串口发送Node ID和请求,协调器收到Node ID后,查找路由表,找到其对应的ZigBee路由器节点的短地址,将信息发给此ZigBee路由器节点。相应的,路由节点通过传感器采集到数据后,将封装后的数据通过ZigBee发送给协调器,协调器解析数据包,获取其路由节点短地址,查找路由表,找到Node ID,连同数据信息通过串口发送给服务器,服务器收到信息之后,将会在界面上显示对应区域的土壤墒情。
3.4 网络数据传输设计
数据传输系统将ZigBee网络协调器收集到的各路由节点信息通过USB接口(虚拟为串口)传送给服务器。数据传输编码格式为:节点ID、土壤水分、土壤盐分值等。路由终端节点发送数据流程如图4所示。
ZigBee协议定义了3种寻址方式:直接寻址、间接寻址和广播寻址[10],本文采用直接寻址方式。设备要直接寻址必须知道接受方的短地址。当应用对象需要发送数据时,通过APS数据实体APSDE_DATA.request原语调用APS层的一个数据请求。数据将会被封装上每个下层协议的头部。
当路由节点接受到一个单播的消息,其APS层就会激活APSDE_DATA.indication原语处理消息。如果接受到的是一个确认帧,则APS层应该发送APSDE_DA TA .confirm确认。信息采集的主要过程共分3步。由协调器通过原语APSDE_DATA.request发送查询命令,终端通过APSDE_DATA.indication原语来接受命令,然后将节点ID、水分、盐分值等经过封装后的信息再通过APSDE_DATA.request原语发送回协调器,协调器同样通过APSDE_DATA.indication原语来接受信息。 充分考虑到系统数据传输的可靠性,在设计时采用应答机制保障通信双方可靠的通信连接。在C8051F 340上移植了uCOS-II操作系统后,系统具有较强的实时性,并可实现多任务处理,简化了应用系统软件的设计,提高了系统的稳定性和可靠性,满足系统的实际需求。
4 测试方法与性能分析
从两个方面对搭建的平台进行测试:首先是对所组的网络进行测试,其次对节点的通信质量进行了测试。要进行组网测试,首先将协调器程序烧入一个节点作为协调器,对30个路由节点模块定义、命名,依次给终端节点加电,终端节点随后就会寻找网络,并通过发送MAC帧和同步帧将自己加入这个网络中去。服务器每隔一定时间要对加入网络的点进行巡查,若通讯异常,便提醒工作人员及时处理。
测试在无障碍空地进行测试,在300,800,1 600m处测试,然后通过中继,合理布设路由节点,在3 000,6 000,9 000m处测试。结果表明:通信效果良好,最远可达约10km的通信距离,系统达到设计目标,具有很好的传输特性;同时发现在雨雪天、大雾等气候条件下,通讯距离受到明显影响。考虑到农田信息传输需要更远的距离,提出一种改进思路,可以将ZigBee的协调器模块和GSM/GPRS模块相结合,开发WSN网关节点,这样利用现有移动通信网络可实现更远距离的数据传输。
5 结论
本文将ZigBee技术应用于土壤墒情信息采集系统,设计了满足系统需求的无线监测节点,目前在某地进行进一步测试和评估。测试表明该系统具有通信能力强、可靠性高、通用性好和成本低廉等特点。
摘要：针对农田土壤墒情信息采集系统存在的问题,在分析农田信息数据传输特点的基础上,利用ZigBee技术设计并实现了用于土壤墒情信息采集的无线信息传输网络节点,完成了系统的软硬件设计,对一些关键技术进行了深入分析,并针对系统提出了改进思路。测试结果表明,该系统传输距离远、可靠性高,能够满足农田信息采集的需要。
关键词：ZigBee,土壤墒情,采集系统,终端节点,系统设计
参考文献
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土壤信息采集 篇3
1 工具准备
平板铁锹、布袋 (或塑料袋) 、标签、铅笔、钢卷尺。
2 土壤样品的采集
2.1 采样
首先应确定所要采集样品地块的面积, 以此来确定采点数量和采集路线。一般0.33hm2以下的取9~11点, 面积大于0.33hm2时, 每增加667m2增加采样点1~2个。采集路线即采样点的分布要尽量做到均匀和随机, 如图1所示。
布点形式以蛇形较好, 只有在地块面积小、地势平坦、肥力均匀的情况下, 才用对角线采样;不要在非代表性地点 (如路边、沟边、田边、肥料堆积过的地方和特殊地形部位等) 进行取样。在确定的采样点上, 先将表土2~3mm刮去, 用平锹与地面垂直下挖1个坑 (坑深不小于20cm) 挖过后形成一个剖面, 铁锹沿着与剖面平行的方向后移2cm一脚踏到底, 这时就形成一个从地表到20cm深的一个土饼, 将它放入袋中即可, 同一块地的土样放在同一个袋中, 取样方法如图2所示。
2.2 分样
每块地要采集多点, 总量较大, 给携带和运输带来不便, 必须进行分样。首先将土样阴干, 拣出其中的根茬和石子, 捏碎土块, 并充分混合, 将混合后的土样倒在一块干净的塑料布上, 摊成圆形或四方形, 中间划一个“十”字或对角线划“十”字, 将土样分成4份, 留下对角任意2份, 其余的扔掉, 如此重复进行, 直到样品剩下0.5~1.0kg为止 (如图3) 。
2.3 装袋
采好的土样可装入布袋或塑料袋, 土样装袋后, 应立即书写标签, 一式2份, 1份放在口袋内, 1份系在口袋外, 标签上应用铅笔写明采样地点 (县、乡、村、地块名等) 、深度、样品编号、日期、采样人、土壤名称、地形、地质、植被、上作等。采集土样时一定要注意, 一是装土样的袋子一定要干净, 不要用化肥袋、面袋;二是采集土样的时间最好是在秋季封冻前进行。
3 土壤样品的制备
这项工作最好由专业人员和专门机构来完成。
3.1 风干
农户送来的土样应立即捏成碎块, 剔除侵入体、新生体后, 铺在晾土架、木板或盛土盒中, 摊成2~3cm厚的薄层, 进行风干。风干应在阴凉、通风、干燥的室内进行, 严禁曝晒或受到酸、碱等气体及灰尘的污染。风干过程中要随时翻动, 捏碎大土块, 剔除植物残体、新生体与侵入体。
3.2 磨细与过筛
将风干后的土样铺在木板或塑料布上, 用木棍或塑料棍碾碎, 边磨边筛, 直到全部通过1mm筛孔 (18目) 为止, 但石块、结核不要碾碎。如果检出的石子、结核物较多, 应称重, 并折算出含量百分率。过筛后的土样经充分混合后, 分成2份:一份供p H值、速效养分等测定用;另一份继续磨细至全部通过0.25mm (60目) 筛孔, 供有机质、全氮等测定用。如需测定全磷、全钾, 还应通过0.149mm (100目) 筛孔。应当强调指出, 在分区样品时, 必须将通过1mm筛的全部土样充分混合后, 再用四分法或多点取样法分取, 而不能在其中随意取出一部分进行磨细, 更不允许直接在磨细的样品中筛出一部分作为60目或100目土样使用。
3.3 装瓶储存
过筛后的土样经充分混合后, 应装入具磨口塞的广口瓶或塑料袋中, 内外各具标签1张, 标签上写明土样编号、采样地点、土壤名称、深度、筛孔、采样人及日期等。制备好的土样应避免日光、高温、潮湿或酸、碱气体的影响或污染。
摘要：介绍了测土配方施肥中采集土样的方法、步骤及注意事项。
土壤信息采集 篇4
无线传感器网络是当前在国际上备受关注的、涉及多学科高度交叉和知识高度集成的前沿热点研究领域。它综合了传感器技术、嵌入式计算技术、现代网络及无线通信技术、分布式信息处理技术等,能够通过各类集成化的微型传感器协作地实时监测、感知和采集各种环境或监测对象的信息。这些信息通过无线方式被发送,并以自组多跳的网络方式传送到用户终端,从而实现物理世界、计算世界以及人类社会三元世界的连通。
无线传感器网络具有通信便利和部署方便的优点,使其在节水灌溉的控制中得以应用。同时,网络节点还可具有土壤参数、气象参数的测量能力,再与互联网和GPS技术结合,可以比较方便地实现灌区动态管理、作物需水信息采集与精量控制专家系统的构建,并可实现高效、低能耗、低投入及多功能的农业节水灌溉平台。本文基于支持Zigbee协议的JN5139无线收发模块,对土壤湿度无线采集系统节点的软硬件设计和实施方案进行了阐述。
1 ZigBee技术简介
ZigBee是一种短距离、低速率、低功耗、低成本和低复杂度的无线传输技术,主要工作于无需注册的2.4GHz工业、科学和医药(ISM, Industrial Scientific Medical)频段,传输速率为10~250kb/s,传输距离为10~75m。这是针对小型设备的无线联网和控制而制定的协议规范,为无线个人局域网络(WPAN, Wireless Personal Area Networks)的标准之一,主要适用于无线传感器网络、自动控制和远程控制领域,拥有一套非常完整的协议层次结构,由IEEE 802.15.4和ZigBee联盟共同制订完成。
1.1 ZigBee设备分类
在ZigBee网络中存在3种逻辑设备类型:协调器(Coordinator)、路由器 (Router)和终端设备 (End-Device)。ZigBee网络由一个协调器、多个路由器和多个终端设备组成。其中,协调器和路由器由全功能设备(FFD, Full Function Device)组成。终端设备可由全功能设备,也可由精简功能设备(RFD, Reduced Function Device)组成。
1.2 ZigBee协议栈结构
ZigBee协议栈结构由一组被称作层的模块组成。每一层为上面的层执行一组特定的服务:数据实体提供了数据传输服务,管理实体提供了所有其它的服务。每个服务实体通过一个服务接入点(SAP, Service Access Point)为上层提供一个接口。每个服务接入点支持多种服务原语,来实现要求的功能。
ZigBee协议栈结构在图1中做了描述,它基于标准的开放式系统互联(OSI, Open System Interconnection)7层模型。IEEE 802.15.4-2003标准定义了两个较低层:物理层(PHY)和媒体访问控制子层(MAC, Media Access Control)。ZigBee联盟在此基础上建立了网络层(NWK)和应用层构架(AF)。应用层构架由应用支持子层(APS)、ZigBee设备对象(ZDO)和制造商定义的应用对象组成。
1.3 ZigBee网络拓扑
ZigBee网络层(NWK)支持星型(star)、树型(tree)和网状(mesh)网络3种拓扑结构,如图2所示。
在星型拓扑中,网络由一个叫做ZigBee协调器的设备控制。gBee协调器负责发起和维护网络,终端设备直接与ZigBee协调器通信。在网状和树型拓扑中,ZigBee协调器负责启动网络,选择关键的网络参数,但是网络可以通过使用ZigBee路由器进行扩展。在树型网络中,路由器使用一个分级路由策略在网络中传送数据和控制信息。树型网络可以使用IEEE 802.15.4规范中描述的以信标为导向的通信。网状网络允许完全的点对点通信,网状网络中的ZigBee路由器不会定期发出IEEE 802.15.4信标。
2 系统硬件构成
尽管在不同应用中,无线传感器网络节点的组成都不尽相同,但一般都由数据采集、数据处理、数据传输和电源这4部分组成[1]。其中,传感器的类型由被监测物理信号的形式决定,处理器通常选用嵌入式处理器。数据传输单元由低功耗、短距离的无线通信模块组成。
Zigbee网络中包括3种节点:协调器节点、路由器节点和终端节点。本文中3种节点采用同样的电路设计,均由以下6个模块组成:数据采集模块、主控制器模块、无线传输模块、电源模块、JTAG调试模块和串口模块。节点间通信采用2.4GHz载频,终端设备控制传感器采集土壤湿度信号,并通过无线方式传输至协调器。远距离情况下可通过路由器转发,协调器通过RS232串行接口将数据传输至PC机。
2.1 数据采集模块
数据采集模块包括传感器和模数(A/D)转换器,主要使用传感器完成对土壤湿度的采集,并使用模数转换器将电信号转化为控制器可处理的数字信号。土壤湿度传感器采用了SWR-3型土壤水分传感器。SWR-3是一种高精度、高可靠性及受土壤质地影响不明显的快速土壤水分测量传感器[2]。SWR-3使用简单,直流输入直流输出,通常的工作电流为20~30mA,工作电压为10~30Vdc,输出为标准输出0~2.5V,精度高,在0~50%(m3/m3)范围内为±2%(m3/m3);线性度好,响应速度快,可以在1s内进入稳态过程;多探头结构,易于更换;全封闭设计,可直接插入或者长期埋入土壤中使用,防水性好,不易受腐蚀。所以,SWR-3的输出为标准输出,因此可将其输出直接连接到模数转换器输入引脚上。模数转换器采用了JN5139收发芯片自带的模数(A/D)转换器。与JN5139的连接如图3所示。
2.2 主控制器模块
主控制器是整个节点的核心,主要作用包括对Zigbee通信模块进行相应配置,并接收其它节点的数据,对数据进行校正与融合等处理。协调器节点的主控制器还需管理与监控中心终端的有效连接。为了达到高性能、低功耗的目的,设计的节点采用以ARM7TDMI-S为核心的RISC微处理器LPC2138为主控制器。该控制器集成了USBHost、BUS控制器、中断控制、功率控制、存储控制、串行控制、SPI、GPIO、RTC、TIMER/PWM和ADC等丰富的外围资源,通过串口和JTAG调试接口等构建硬件平台,并具有完善的动态电源管理支持,具有空闲和掉电两种低功耗模式,可通过外部中断唤醒[3]。其外围电路如图4和图5所示。
复位电路采用MAX708电压监测芯片,当电压低于阈值时,MAX708产生复位信号,其中的TRST是提供给JTAG调试模块使用的。
2.3 无线传输模块
数据收发为整个节点的无线通讯部分,主要负责数据的传输和各个节点之间的组网等。其主要构成是JN5139无线收发芯片,该芯片是基于JN5139低功耗、低成本的兼容IEEE 802.15.4无线微控制器。每个器件集成了32位精简指令集计算机(RISC, Reduced Instruction Set Computer)处理器以及完全兼容IEEE802.15.4 的2.4GHz收发器,集成了192kB ROM, 96kB的RAM。内置ROM可集成完整的Zigbee协议栈,内置RAM则支持网络路由而不需外部扩展存储空间。芯片包括4路12位模拟量输入、两路11位模拟量输出和两路比较器,可完成模拟信号和数字信号间的转换;2个应用程序定时器,3个系统定时器,2个通用异步接收/发送装置(UART,其中一路用于系统调试),SPI接口。芯片与主控制器模块通过SPI连接。主控制器的SPI接口工作在主机模式,是数据传输的控制方,JN5139设为从机模式。通过SPI总线,主控制器完成对JN5139的控制及数据通信(如图3所示)。
2.4 电源模块
电能是传感器网络非常宝贵的资源,为了保证硬件电路的低功耗设计,节点芯片的选择均使用低功耗、低电压工作的芯片,系统采用普通电池工作。
为了使节点可用两节AA电池供电,采用升压型DC-DC MAX756构建供电单元。MAX756是MAXIM公司生产的高效率3.3V/5V、升压式DC-DC电源转换器,其输人电压可以低至0.7V,开关频率为500 kHz,效率较高(超过87%),而且可以对电池电压进行监控。MAX756的输出电压是固定的,输出电压可以通过芯片引脚设置选择3V和5V两种输出电压[4]。电路如图6所示。
2.5 JTAG调试模块
JTAG技术是一种嵌入式调试技术,芯片内部封装了专门的测试电路TAP(测试访问口),通过专用的JTAG测试工具对内部节点进行测试和控制。目前,大多数ARM器件支持JTAG协议,标准JTAG接口是4线:TMS(测试模式选择)、TCK(测试时钟)、TDI(测试数据串行输入)和TDO(测试数据串行输出)。常用的JTAG接口是20脚的IDC插座,具体如图7所示。
2.6 串口模块
通过PC机的通用异步RS232接口完成与上位机的通讯及程序的下载,采用MAX 3111E串行异步收发器实现。该芯片通过SPI总线与主控制器相连,实现同步与异步之间的数据格式转换。
主控制器的MOSI1与DIN连接作为发送数据线,MISO1与DOUT连接作为接收数据线。MAX 3111E的中断信号(IRQ)与主控制器的外部中断EINT1相连。RS232接口一般为9针,选用DB9,除5脚接地外,2,3,7和8而分别接MAX 3111E的T2OUT,R1IN,R2IN和T1OUT。其连接电路如图8所示。
3 节点无线网络的组建
3.1 组建网络过程
3.1.1 网络创建
ZigBee协调器负责创建网络。协调器首先在已知的可用信道上搜索一个可用的合适的信道(通常为最不活跃的信道)。在选择合适的信道后,协调器建立网络,并用网络标识符PAN ID(Personal Area Network Identifier)标识网络,并准备对其它节点的加入网络请示做出响应。
3.1.2 设备的加入
路由器和端节点可以加入由协调器创建的已存在网络。路由节点和协调节点都可以允许其余节点加入网络。过程如下:
1)首先,新节点扫描可用的信道,找到它要加入的网络及其网络标识符(PAN ID),在同一个信道上可能会有多个网络在运行,不同的网络由网络标识符(PAN ID)来区别。
2)一个节点可能会在同一个网络中找到多个路由节点和一个协调节点,它会从中选择一个合适的节点请示加入,通常为信号最强的节点。
3)节点会向路由节点发送一条请示信息,要求加入网络。
4)路由节点决定申请加入网络的节点是否是一个被允许的设备,路由节点当前是否允许设备加入以及是否有可用的地址分配。如果以上条件都可以满足,则路由节点允许设备加入,并分配一个地址。
3.1.3 设备的离开
当设备要离开网络时会发送断开网络请求。当网络协调器收到设备断开设备请求后,执行相应的断开流程,从设备列表中删除该设备相关信息。
对协调器和路由器来说,在多跳路由中,如果检测到和下一个节点的连接失败,它会尝试修复路径或者形成一条新的路径。该过程由ZigBee协议栈的路径发现自动完成。
对终端设备来说,由于所有的通信都依赖父亲节点,如果父亲节点离开网络,则它将不再发送或接收帧。用户程序通过监听APS确认帧的状态,终端设备可以检测到父亲节点的状态,在连续多次无法收到父亲节点的APS确认帧后,终端设备可以认为父亲节点离开网络,然后尝试寻找一个新的父亲节点[5]。
3.2 节点软件设计流程
协调器节点是整个Zigbee网络的控制中心,它负责网络的建立、地址的分配和成员的加入以及消息路由、安全管理等。其流程如图9所示。
终端节点负责发送和接收消息,当它不处于数据收发状态时,通常是处于休眠状态,以节省电能。网络建立后,定时触发发送事件,如发送队列内有消息的话,通过无线方式发送出去,流程图如图10所示。
3.3 利用JN5139组建网络关键函数分析
在Jennic ZigBee系统上运行的用户程序必须和ZigBee协议栈使用相同的处理器,因此需要使用Jennic提供的BOS(Basic Operating System)统筹控制。BOS和ZigBee协议栈都由用户程序来启动。
设备上电复位后,程序由函数AppColdStart开始,系统将在这里被初始化。同时,ZigBee的一些必要的参数也在这里设置,如信道号(CID)和网络号(PID)。在该函数的开始,调用(void)JZS_u32InitSystem(TRUE)初始化ZigBee协议栈。在函数的最后,调用bBosRun(TRUE)初始化并启动BOS。
BOS随后通过调用函数JZA_vAppDefineTasks实现一些内部功能。用户通过JZA_vAppDefineTasks函数向BOS注册一些用户任务。完成用户任务的添加后,程序调用最后的初始函数JZA_boAppStart。在这个函数中,用户可以为该设备的端点向AF层注册ZigBee描述符;在函数的最后,JZS_vStartStack()被调用来启动ZigBee协议栈;在完成这步后,控制权将转交给BOS。
在BOS和ZigBee协议栈都启动后,BOS会通过一系列函数将控制权转交给用户程序。这些程序中只有一个是被BOS定期调用的,而其它的则是由事件驱动。当用户程序结束后,控制权会自动交给BOS。BOS会定期将控制权交给ZigBee协议栈,执行一些必要的动作。用到的主要应用函数如表1所示。
表1中所列函数均是一个程序正常编译所必须的,因此在源文件中必须包含这些函数。但是,如果一些函数并没有在程序中使用,这些函数的函数体可以为空[6]。函数交互过程如图11所示。
4 结论
随着科学技术的发展,无线技术逐渐取代有线技术。在短距离的无线控制、监测和数据传输领域,ZigBee短距离低速无线个域网具有可靠性高、组网简单和灵活的优势,作为一种新兴的无线网络技术,具有广阔的应用前景。本文给出了基于ZigBee的土壤湿度采集系统节点的硬件设计方案,如何利用Jennic的无线模块组建ZigBee网络的方法。希望本文的论述能促进进一步的研究。
摘要：简要介绍了ZigBee协议规范的特点及应用领域,详细叙述了基于ZigBee技术的无线传感器网络的组建过程,并给出了利用Jennic公司的JN5139无线模块实现建网的过程,最后确定了一种基于ZigBee的土壤湿度无线采集系统节点的实现方案。
关键词：土壤湿度,ZigBee,JN5139,无线传感器网络
参考文献
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[4]Anon.MAX756/MAX757-MANUAL[EB/OL].(1995-02-01)[2009-11-05].http://www.alldatasheet.com.
[5]Anon.JN-UG-3017-ZigBeeStackUserGuide-1v6[EB/OL].(2008-09-23)[2009-11-10].http://www.jennic.com.
土壤信息采集 篇5
1 采样单元。
采样前要详细了解采样地区的土壤类型、肥力等级和地形等因素, 将测土配方施肥区域划分为若干个采样单元, 每个采样单元的土壤要尽可能均匀一致。平均每个采样单元为100亩 (平原区大田作物每200~300亩采一个混合样, 丘陵区园艺作物每30~80亩采一个混合样) 。
2 采样时间。
在作物收获后或播种施肥前采集, 一般在秋后;第一次施肥前采集。进行氮肥追肥推荐时, 应在追肥前或作物生长的关键时期。
3 采样周期。
常规土壤化验每2~3年采集1次。
4 采样点定位。
采样点参考农场地号图, 采用GPS定位, 记录经纬度, 精确到0.1″。土壤样品采集要求使用GPS定位, 采样点的空间分布应相对均匀, 先在土壤图上大致确定采样位置, 然后在标记位置附近采集多点混合土样。
5 采样深度。
采样深度一般为0~20cm。±壤硝态氮或无机氮含量测定, 采样深度应根据不同作物、不同生育期的主要根系分布深度来确定。
6 采样点数量。
要保证足够的采样点, 使之能代表采样单元的土壤特性。每个样品采样点的多少, 取决于采样单元的大小、土壤肥力的一致性等, 一般10~20个点为宜。
7 采样路线。
采样时应沿着一定的线路, 按照“随机”、“等量”和“多点混合”的原则进行采样。一般采用S形布点采样, 能够较好地克服耕作、施肥等所造成的误差。在地形变化小、地力较均匀、采样单元面积较小的情况下, 也可采用梅花形布点取样, 要避开路边、田埂、沟边、肥堆等特殊部位。
8 采样方法。
每个采样点的取土深度及采样量应均匀一致, 土样上层与下层的比例要相同。取样器应垂直于地面入土, 深度相同。用取土铲取样应先铲出一个耕层断面, 再平行于断面下铲取土;测定微量元素的样品必须用不锈钢取土器采样。
9 样品量。
一个混和土样以取土1公斤左右为宜 (用于推荐施肥的0.5公斤, 用于试验的2公斤) , 如果一个混合样品的数量太大, 可用四分法将多余的土壤弃去。方法是将采集的土壤样品放在塑料布上, 弄碎、混匀, 铺成四方形, 划对角线将土样分成四份, 把对角的两份分别合并成一份, 保留一份, 弃去一份。如果所得的样品依然很多, 可再用四分法处理, 直至所需数量为止。
1 0 样品标记。
采集的样品放入统一的样品袋, 用铅笔写好标签, 内外各一张。采样标签样:采样序号、采样地点、样品名称、作物品种、土壤名称 (或当地俗称) 、地形地势、耕作制度、前茬作物及产量、化肥农药施用情况、灌溉水源、采样点地理位置简图。
1 1 注意事项。
1.1.1注意防止酸、碱等气体及灰尘的污染。剔除土壤以外的侵入体。1.1.2用于微量元素分析的土样, 在采样、风干、研磨、过筛、运输、贮存等诸环节都要特别注意, 不要接触金属器具, 以防污染。如采样、制样使用木、竹或塑料工具。1.1.3有充分的代表性。必须经过详细的调查了解, 按照不同的地形部位、土壤类型、作物种植情况、肥力水平等划分采样区, 确定采样点。1.1.4有明确的目的。采集混合样, 要多点混合, 以充分反映地块的养分状况。1.1.5采集土样时, 在采土深度内要上下均匀等量。采土之前必须将工具清理干净, 并将取样点表面的植物残体或其他杂物全部去掉。不能在靠近路边、地头、渠道附近、沟边、局部特殊地形及堆放过肥料的地方采样。1.1.6注意采样方法。确定好采样地块后, 根据地块形状、大小、土壤肥力的均匀程度等确定采样点, 采集10~20个样点, 混合后用四分法进行缩分。
摘要：针对土壤样品采集的方法及有关注意事项进行了论述。
土壤信息采集 篇6
农田土壤湿度检测具有被测面积大、测点多和观测时间长等特点, 传统获取土壤湿度信息的检测方法难以适应这种需要。随着无线传感网络 (WSN) 的广泛应用, 利用WSN进行土壤湿度在线检测已经受到国内外越来越多专家学者的关注[1,2,3,4]。然而, WSN节点一般采用电池供电, 这就要求节点所采用土壤湿度传感器的工作电压低, 能耗小。美国Decagon公司成功研制了具有相应特点的EC-5土壤湿度传感器。但影响该传感器测试精度的因素较多, 如土壤温度、电导率以及传感器本身的工作电压等[5,6,7,8]。WSN在工作过程中, 节点电池电压随能量消耗而不断下降。由于WSN节点工作电压范围较宽, 从两节新电池的3.2V到节点最低工作电压2.1V相差很大, 导致EC-5土壤湿度传感器检测的相对误差可达8%, 这对于EC-5土壤湿度传感器在WSN节点中的具体应用带来很大的麻烦。如果采用硬件稳压措施, 不但增加了节点成本, 还增加了额外的能耗。本文以TI公司推出的CC2430芯片为WSN信息传输节点, 采用上下位机的模式建立具有多节点WSN土壤湿度采集系统。
通过对EC-5土壤湿度传感器原理分析, 在上位机运用最小二乘支持向量机对土壤湿度采集节点中的传感器非线性系统进行逆向建模, 对EC-5传感器实现了由电源电压引起检测误差的补偿。
1 土壤湿度WSN采集节点
图1是土壤湿度WSN采集节点的结构示意图。节点是由EC-5土壤湿度传感器、处理单元与无线收发单元集成在一起的主芯片CC2430和电源单元 (2节5号电池) 等3部分组成。
EC-5传感器内部主要由电子振荡器、RC电路和时间电压转换部件组成, 其工作电压为2～5V, 是适用于WSN低电压、低功耗土壤湿度传感器。CC2430内部主要由增强工业标准的8051MCU、内置Zigbee协议栈的无线收发单元、A/D转换电路和电压检测部件组成, 是一种较为理想的WSN信息传输节点[9]。EC-5传感器把土壤湿度转换成电压信号U, 经CC2430的A/D转换电路输送到处理器, 同时CC2430的电压检测部件采集电源单元的电压值, 通过内部的无线收发单元将这两路信息发送给上位机。
2 EC-5传感器工作原理及误差来源
2.1 工作原理
EC-5土壤湿度传感器是一种高集成度的电容式变换器, 传感部件电容C以耐腐蚀的PCB为极板, 待测土壤为电介质, 土壤介电常数ε随湿度的变化表现为电容量的变化。当测试电极几何因数g、电阻R及供电电压Vf (充电电压) 为定值时, 土壤介电常数ε的大小可由充电时间t决定, 再通过时间电压转换电路得到输出电压U。因此, 传感器输出电压的变化反映了土壤介电常数ε大小的变化。在传感器内部有一个电子振荡器, 产生周期T的方波信号对RC电路进行充放电, 其充放电过程如图2所示。根据RC电路充放电公式, 电容充电时间t可表示为
式中 Vi—电容初始电压;
V—电容充到的电压。
在充电电压Vf和初始电压Vi相同时, 设两种不同湿度土壤的介电常数分别为ε0与ε1, 等效电容充电至V所用时间分别为t0与t1, 则充电时间变化量为
t=t1-t0=kε (2)
式中,
θ=-5.3×10-2+2.92×10-2ε-
5.5×10-4ε2+4.3×10-6ε3 (3)
2.2 测量误差来源
影响EC-5传感器测试精度的因素较多, 如土壤温度、电导率以及传感器本身的工作电压等。其中, 供电电压对测量结果的影响相当明显, 主要原因是和EC-5传感器的充放电测量原理有关。设电容充到的电压为αVf (0<α<1) 时, 由式 (1) 可得
式 (4) 两边对Vf求导得
由EC-5传感器的工作原理可得到如下结论:
1) 对某一被测土壤来说, 其土壤介电常数ε为一定值。式 (5) 中, R, g, ε为常数, 且Vf>Vt>0, 显然有dt/dVf>0, 即等效电容充电时间t是电容充电电压Vf的单调增函数。这表明, 对某一被测土壤来说, EC-5传感器的输出会随供电电压的增加而增加。
2) 当充电电压和初始电压不变时, 由式 (5) 可知, 当土壤介电常数ε增大 (土壤湿度增大) 时, 由供电电压Vf引起EC-5传感器的误差更大。
3 基于最小二乘支持向量机的电压补偿
3.1 补偿原理
在无线传感器网络土壤湿度采集节点中, 设节点电池供电电压为u, 被测土壤实际湿度为θ, 则传感器节点采集到的土壤湿度值y可以理想地表示为[11,12,13]
y=f (θ, u) (6)
其中, f (·) 为某一未知非线性函数。为消除u造成的非线性误差, 采用一个补偿模块, 将节点采集的土壤湿度值y和节点电池电压u作为补偿模块的输入。补偿模块是EC-5传感器输出特性的反函数, 即
z=f-1 (y, u) (7)
其中, f-1 (·) 为某一待求非线性函数, 则补偿模块输出与输入之间的函数关系为z=f-1 (y, u) =f-1[f (x, u) , u]=θ。显然, 补偿后的输出值z与u无关。
3.2 最小二乘支持向量机补偿实现
3.2.1 最小二乘支持向量机 (LS-SVM)
支持向量机的基本建模思想是通过事先选择的非线性映射φ (⌷) 把输入样本从输入空间Rd映射到特征空间φ (x) = (φ1 (x) , φ2 (x) , …, φn (x) ) , 再在这个空间中构造最优决策函数。在构造最优决策函数时, 利用了结构风险最小化原则, 并巧妙地利用原空间的核函数取代了高维特征空间中的点积运算, 从而将非线性估计问题转化为高维特征空间的线性函数估计问题。最小二乘支持向量机优化目标采用精度ε=0, 误差损失函数L (yi, f (xi) ) 采用误差的二次项e
(8)
式中 wT—权向量;
γ—误差惩罚因子;
b—偏置量。
引入拉格朗日函数L (w, b, ξ, a) 求解上式的优化问题。定义
式中, ai (i=1, …, n) 是拉格朗日乘子, 根据KKT (Karush-Kuhn-Tucker) 优化条件有
由式 (10) 得到以下等式约束条件
(11)
消去w和e, 可得线性方程组为
(12)
式中, lT=[1, 1, …, 1]n, I为n×n的单位矩阵, a=[a1, a2, …, an]T, y=[y1, y2, …, yn]T, G=[φT (x1) , φT (x2) , …, φT (xn) ]。根据Mercer条件, 可以用核函数K (xi, xj) 代替特征空间的内积φ (xi) ·φ (xj) 。综上所述, 方程组变为
由上述线性方程组可求出拉格朗日乘子ai和b, 则线性回归函数为
基于LS-SVM辨识技术的非线性系统的拓扑结构图如图3所示。
3.2.2 建立基于LS-SVM的传感器非线性补偿模型
f-1 (y, u) 是一个十分复杂的非线性函数, 很难用准确的数学公式求出, 而最小二乘支持向量机具有很强的逼近任意连续非线性函数的能力, 且较好地解决了小样本、非线性、高维数和局部极小点等问题, 具有很强的泛化能力。采用LS-SVM构造该反函数发生器, 通过少量样本的学习, 让LS-SVM逼近f-1 (y, u) 。网络输入层是由节点采集的土壤湿度y和节点电池电压u所组成的输入向量P, 补偿模块的输出为Z, 即土壤实际水分含量θ。
取n组具有代表性的样本S (θi, ui, yi) , i=1, 2, 3, ……n, 土壤实际湿度θ采用烘干法 (获取土壤湿度信息的国际标准方法, 其值为质量百分比, 要转换为体积比) 获取。节点电池电压u和节点采集的土壤湿度y由CC2430直接测量获得。以θ为训练目标, n组土壤湿度信息和节点电池电压信息为训练样本数据。
3.2.3 WSN数据采集与土壤湿度补偿
图4是WSN数据采集与土壤湿度补偿的结构图。
下位各个WSN节点采集土壤湿度值yn和节点电池电压un, n为节点编号, n=1, 2, 3...。通过节点内无线收发芯片发送到上位数据采集接口实现数据采集。由于无线传感器网络节点硬件资源有限, 计算能力不强, 最小二乘支持向量机补偿算法由上位计算机实现, 即采集到的数据经过预处理, 输入传感器非线性补偿模块, 实现由电源电压引起EC-5传感器检测误差的补偿。
4 实验与结果分析
4.1样本获取与补偿模型建立
取样本数n为 160, 0<θ<50%m3/m3, θ取自16种湿度不同的土壤样本, 对每一种土壤样本分别用10种不同的节点工作电压u供电 (2.1V<u<3.2V) , 用160组样本数据对上面建立的 EC-5土壤湿度传感器最小二乘支持向量机补偿模型进行训练, 建立传感器非线性补偿模型。经训练, 隐含层节点数m取19。
4.2 补偿结果与分析
用土壤湿度分别为19.25%, 21.10%, 25.28%和28.80%等4种土壤样本对EC-5传感器非线性电压补偿模型进行实验。当节点工作电压从2.1V变到3.2V时, 实验结果如图5所示。
其中, 虚线为用烘干法测量所得到的土壤湿度真实值, 实线为经过补偿后的湿度值, 点划线为未补偿的湿度值。
由图5可以看出, 对同一种土壤样本, 节点采集到的土壤湿度值随着节点电池电压的下降而下降, 实验结果与EC-5测量误差来源的理论分析是一致的。以湿度为19.25%的土壤样本为例, 节点电压从3.07V变化至2.24V时, 节点采集的湿度值从27.15%变化至12.15%, 最大相对误差为7.87%, 均方误差为4.626 5%。经补偿后, 最大相对误差为0.35%, 均方误差为0.155 8%, 取得了很好的补偿效果。4种土壤样本电压补偿前后的湿度测试误差对比见表1所示。由表1可知, 未补偿的节点采集土壤湿度误差随着被检测土壤湿度含量增加而增加, 实验结果与EC-5测量误差来源的理论分析也是一致的。显然, 上述补偿方法能够在很大程度上消除节点采集的土壤湿度信息受节点供电电压的影响。
5 结论
1) 针对EC-5传感器对电源电压敏感的问题, 分析了电源电压引起传感器土壤湿度检测误差的来源, 得到误差随被测土壤湿度增大而增大的规律, 并通过对不同土壤湿度的样本实验证实了这一点。
2) 提出了实现EC-5传感器由电源电压引起检测误差的补偿方法。经实验分析表明, 从未补偿WSN节点采集湿度值均方误差由5%左右下降到补偿后的均方误差为0.4%以下, 有效地减少了节点电压变化对WSN土壤湿度采集精度的影响。
3) 针对WSN节点硬件资源有限、计算能力差的特点, 采用在上位机对节点采集的土壤湿度信息进行电压补偿的设计思路, 解决了EC-5传感器检测误差补偿方法的实现问题。
摘要：针对适用于WSN土壤湿度采集节点的EC-5传感器对电源电压敏感的问题, 从传感器工作原理入手, 分析电源电压引起检测误差的来源, 且发现当传感器各项参数确定后, 这种误差是随被测土壤湿度增大而增大的。采用CC 2 4 3 0芯片作为WSN信息传输节点, 建立具有多节点的上下位机WSN土壤湿度采集系统, 以节点电压和被测土壤实际湿度为对象, 运用最小二乘支持向量机对采集节点中非线性土壤湿度传感器系统进行逆向建模, 在上位机上实现由电源电压引起EC-5传感器检测误差的补偿。实验和仿真结果表明, 该方法能有效地减少节点电池电压变化对WSN土壤湿度采集精度的影响。