在线式水田渗透量监测仪的研究

2012-03-13王记存谭峰

黑龙江八一农垦大学学报 2012年4期

王记存，谭峰

（黑龙江八一农垦大学信息技术学院，大庆163319）

水稻生产中稻田的渗漏量对水稻的生理生态环境有重要影响。适宜的稻田渗漏，能改善稻根的生长环境，促进水稻正常生长发育，提高水稻产量[1]。因此水田渗透量的监测对水稻正常生长，调节生理生态环境，获得高产及对灌区的规划管理、合理运行、水资源的合理调配与实施节水灌溉有重要意义。为了实现对水田渗透量的实时监控，给稻田管理者提供及时的田间渗透数据，以便稻田管理人员在水稻的各生育期实行合理的灌溉规划来保证水稻正常生长达到高产的目的与实现节水灌溉的目的。设计了一种在线式水田渗透仪来检测水田渗透量。

在线式水田渗透仪的设计融合了传感器智能化技术和单片机技术及无线传输技术，将水田渗透量监测和无线传输技术结合，可以实现田间渗透量数据的实时监测并用无线模块传输到监控室的上位机，满足稻田管理者对田间渗透数据的需求。

1 仪器原理

渗透量的测量是通过超声波传感器用差值模式测得不同时间的液位值再做差乘以渗桶面积而得。公式如下：

其中：ΔQ——一定面积S内的渗透量

ΔH——一定时间内的液位差值

ΔS—— 渗桶面积

根据达西定律[2]还可以计算出土壤的一项重要的力学指标渗透系数K[3]。

式中：Q——时间t内的渗透量，cm3

t——渗透时间，s

L——渗径即实验土样的高度，cm

A——渗透面积，cm2（即试验土样的横断面积）

h——渗透液的水头高度，cm

超声波的波长较短、衍射小，能够成为射线而定向传播，在液体、固体中衰减很小，穿透能力强。当超声波从一种介质入射到另一种介质时，由于在两种介质中的传播速度不同，在界面上会产生反射、折射和波形转换等现象[4]。超声波测液位的原理是利用超声波在空气中的传播速度为已知，测量声波在发射后遇到障碍物反射回来的时间，根据发射和接受的时间差计算出发射点到障碍物的实际距离。测距公式[5]表示为：

式中：L——测量的距离长度

c——超声波在空气中的传播速度，通常情况下为340m/s；

t——测量距离传播的时间（t为发射到接受时间数值）。

2 总体设计

2.1 模块化结构

渗透量监测仪模块化结构如图1所示。NJ2000 MH-A超声波传感器和DBT-1土壤水分传感器把液位值和土壤湿度值经过A/D转换传到主机MSP430，经过DS1302芯片的定时及数据处理由液位值或土壤水分值来控制供水泵给渗桶供水，并用12864液晶显示实时渗透量和渗透量累加值，用无线传输的方式把渗透量数据传输给上位机。

图1 模块结构图Fig.1 Module structure chart

2.2 仪器结构

在线式渗透量测量仪组成部分主要包括渗桶、供水桶、主机、泵、土壤水分传感器、超声波测位仪、无线模块显示部分等。

渗透仪的实物结构见图2。

3 在线式水田渗透量监测仪的硬件设计

以超低功耗MSP430F149单片机为数据采集的核心，及两个NJ2000 MH-A超声波传感器，一个土壤水分传感器，一个微型离心抽水泵，无线模块，5 V电源，24 V电源等组成。其结构示意图见图3。

3.1 MSP430F149单片机

渗透仪采集器核心器件采用美国德州仪器公司推出的16位超低功耗MSP430F149单片机[6]。430单片机内部集成有12位A/D转换模块，内部存储容量大，调试方便，传感器的信号线只需通过上拉电阻接入端口。且MSP430F149系列单片机为低功耗单片机，在1.8～3.6 V的电压、1MHz的时钟频率运行、耗电电流在0.1～400μA之间，这个和不同的工作模式有关。典型情况下：在4 KHz，2.2 V时工作消耗电流2.5μA；在1MHz，2.2 V时消耗电流280μA，在只有RAM 数据保持的低功耗模式下耗电 0.1 A[7]。MSP430F149系列单片机有16个中断源并且可以嵌套使用，使用中断请求将CPU从低功耗模式下唤醒只要6μ的时间，这样就可以编写出实时性很高的程序。根据具体的处理情况可以将CPU处于低功耗模式，在需要的时候通过中断来唤醒CPU，从而实现系统的低功耗。89C51单片机本身的电源电压是5 V，有两种低功耗方式：待机方式和掉电方式。正常情况下消耗的电流为24mA，在掉电状态下，其耗电电流仍为3 mA；即使在掉电方式下，电源电压可以下降到2 V，但是为了保存内部RAM中的数据，还需要提供约50 uA的电流。而MSP430系列单片机在低功耗方面的优越之处，则是89C51系列不可比拟的。正因为如此，MSP430更适合应用于使用电池供电的仪器、仪表类产品中。还有MSP430F149单片机为16位的RSIC结构，具有简洁的27条指令，具有丰富的寻址方式，大量的寄存器以及片内的数据存储器都可以参加多种运算，还有高效的查表处理方法，有较高的处理速度，在8 MHz晶体下运算能力达到1M IPS。而89C51单片机是8位单片机。其指令是采用的被称为“CISC”的复杂指令集，共具有111条指令。

图2 仪器结构图Fig.2 Instrument structure chart

图3 硬件连接图Fig.3 Hardware connection chart

在开发工具方面MSP430F149引进了Flash型程序存储器和JTAG技术支持C语言开发，缩短了开发时间也保证了程序的可移植性，并实现了在线编程。如果MCLK发生故障，DCO会自动启动，以保证系统正常工作，如果程序跑飞可以通过设置看门狗，在看门狗溢出的情况下产生复位，使系统重新启动，从而保证系统运行的稳定性[8]。

3.2 超声波传感器的选择

NJ2000MH-A超声波传感器：传感器的选择要求为精度比较高，低功耗，本传感器采用模拟量输出4～20 mA，精度±0.3%×最大量程，功耗＜1.5 W，最小分辨率为1 mm。在工作中自动关闭显示，以节省整机耗电，满足基本要求。而且在工作中可以自动关闭显示，以节省整机耗电。

3.3 土壤水分传感器

DBT-1型土壤水分传感器是一款高精度、高灵敏度的测量土壤水分的传感器。体积设计小巧携带方便，响应时间＜1秒，而且数据传输效率高。

NJ2000 MH-A超声波传感器与DBT-1土壤水分传感器通过P口与MSP430F149单片机相连，串行数据口用于接收和输出数据，串行时钟SCK用于NJ2000 MH-A超声波传感器与DBT-1土壤水分传感器和430单片机之间通讯。数据在时钟下降沿到来之后改变状态，在时钟的上升沿才有效。所以可以在时钟处于高电平时读取数据，在向NJ2000 MH-A超声波传感器与DBT-1土壤水分传感器发送数据时，在时钟的下降沿到来之后才改变状态，而且要保证数据口的状态在SCK处于高电平时保持稳定。

3.4 SRWF-SmartRF无线模块

SRWF-SmartRF无线传输模块（RS232）是上海桑锐电子公司为了方便客户设计的一块数传电台，能适应任何标准或非标准的用户协议；抗干扰能力强，传输距离远，模块可工作在403/433/470/868/915MHz，多种接口波特率，采用单片射频集成电路及单片MCU，体积小，方便的USB接口5 V电压供电。

可靠传输距离300～2 500m取决于天线类型和数据波特率；本设计波特率采用9 600 bps；MSP430与上位机通过串口232与SRWF-SmartRF无线传输模块（RS232）进行数据通讯。在发送模式中SRWFSmartRF无线传输模块（RS232）接受经过单片机A/D转换并调理的数据，数据经过编码器转换成串行信号送入发射模块，由天线发射出去，在接收模式中，无线模块将接收到的信号进行解调然后送入解码器解码并输出[9]。

3.5 泵

泵采用普通的离心电机就能满足抽水的要求。电机电源线路与接继电器的一对常开触点串联，继电器的电源接地端通过放大电路接到430单片机的P2.3端口，由P2.3输出的高低电平来控制抽水泵的闭或开的状态。

4 程序设计

渗透仪软件用C语言编程，主要有主程序初始化模块，1302时钟模块，无线模块，数据采集模块。

程序流程图如图4所示：

图4 程序流程图Fig.4 Programme flow chart

单片机从液位传感器采集到数据，在液晶上显示实时液位值，当液位低于某值时430对其进行判断，并控制供水电机的工作状态对渗桶及时供水。把采集来的液位初值保存到数组里，并用1 302开始定时，定时到23 h 59 min把此时刻采集到的数据和初始值做差并乘以桶的面积得到一天的渗透量（cm3），实时值和初始值做差得到实时渗透量值，把每天的渗透量相加得到渗透量累计值。在旱田可以根据土壤水分值来控制供水泵来测量达到一定湿度的渗透量。把数据通过无线模块传输到上位机。