引言

干旱缺水是全球性的环境问题，我国作为世界上水资源严重缺乏的国家之一，人均水资源占有量不足世界平均水平的１／３。尤其是近年来，随着我国旱灾受灾面积的不断扩大，干旱缺水已成为制约粮食增产、农业持续发展的重要制约因素。因此，实施土壤墒情自动远程监测，及时掌握土壤墒情变化情况，对农业抗旱保墒、推广节水灌溉技术、保障国家粮食安全有重要指导意义。本文针对农田墒情信息采集的需要，设计了一款具有自动采集、存储和远程传输土壤墒情、农田气象信息的低功耗远程自动墒情监测设备。

１系统总体结构

远程墒情监测系统由采集器、太阳能供电系统等组成，可以采集４层深度的土壤温度、４层深度的土壤湿度、空气温湿度、风速风向和降雨量、太阳辐射和紫外线强度等信息，能够自动按照设定间隔存储墒情数据，并可以使用短信和ＧＰＲＳ两种通讯方式按设定时间间隔发送数据信息至中心服务器，也可以使用Ｕ盘导出历史数据，使获取墒情数据灵活、方便。图１为墒情监测站的总体结构图。

２系统硬件设计

远程墒情监测系统的硬件部分采用模块化设计，由控制处理模块，信息采集模块，无线传输模块，数据存储模块，电源模块和用户交互模块组成。控制处理模块是系统的核心组件，与其他模块协同完成墒情信息的采集、处理和收发；信息采集模块完成墒情数据的采集转换；无线传输模块进行数据包的收发；存储模块完成历史数据的记录；电源模块为整个系统提供电力支持；而用户交互模块则实现数据显示和系统设置操作。系统原理图如图２所示。

２．１控制处理模块控制处理模块使用的是基于Ｃ８０５１Ｆ０４０单片机的嵌入式系统，此单片机具有２５６字节的内部ＲＡＭ，３２Ｋｂ的ＦＬＡＳＨ存储器，１２８字节ＳＦＲ地址空间，１个１２位多通道ＡＤＣ，２个１２位的ＤＡＣ，５个１６位的计数／定时器，２个全双工的ＵＡＲＴ串行接口和８个８位宽的Ｉ／Ｏ端口。其中Ｐ７口和液晶屏的８路数据口相连，Ｐ６．３－Ｐ６．７与液晶屏控制口连接，液晶屏将逐个显示采集到的土壤墒情和气象数据；ＴＤＩ、ＴＤＯ口完成系统的程序烧写和在线升级；Ｐ５．０－Ｐ５．４连接５个按键，通过其实现时间、通讯方式等参数的设置；单片机Ｐ２．４－Ｐ２．７口作为电源控制引脚，可以控制不同要求的电压输出；Ｐ０．０、Ｐ０．１负责ＵＳＢ接口读写，在设备出现故障时，方便将设备存储器中所有数据导出。为了增加信息存储量，系统使用了大容量的ＦＬＡＳＨ存储芯片进行存储扩充，扩展后信息存储量达１２８Ｍ以上。这里使用的存储器是威凯特公司生产的型号为Ｗ２５Ｑ６４的串行闪存，容量为６４Ｍ。这种类型存储器不仅用微处理器的管脚数目少，而且使ＰＣＢ更小，更简单。

２．２信息采集模块在无人看守情况下，信息采集模块对土壤水分和气象状况进行监测，采集的信息包括模拟信号（电流、电压信号）和开关量信号（降雨），信息采集结构如图３所示。其中为了给控制终端提供稳定可靠的Ａ／Ｄ输入模拟信号，设计了保护电路和转换电路对采集到的模拟信号进行处理；另外对于采集到的开关量信号，首先由低通滤波回路去掉毛刺干扰，然后为了使输入电平与单片机引脚电平匹配，这里使用７４ＶＨＣ２４５芯片与单片机连接，该芯片具有电平转换的功能，起到保护的作用。

２．３无线传输模块本系统使用的ＧＳＭ／ＧＰＲＳ模块是ＳＩＭ９００Ａ无线传输模块，支持ＥＧＳＭ９００ＭＨｚ和ＤＣＳ１８００ＭＨｚ两个工作频段。该模块内嵌有ＴＣＰ／ＩＰ协议，采用３．６～４．８Ｖ电压供电，对外可提供天线接口、异步串行接口和ＳＩＭ卡接口等。具有语音通话、短信服务、网络通讯等功能，设计中主要使用的是短信收发功能和ＧＰＲＳ上网功能。模块的串行接口与主控制芯片的ＵＡＲＴ１连接通讯，同时外接ＳＩＭ卡电路，最终实现墒情数据的无线传输。硬件接口功能框图如图４所示。

２．４电源模块本模块采用太阳能蓄电池供电，为系统提供可靠稳定的１２Ｖ直流电源。但由于每种外设所使用的电压值不同，例如土壤温度和土壤湿度传感器工作电压为１２Ｖ，无线传输模块的工作电压为５Ｖ，辐射强度和紫外线强度传感器的工作电压为３Ｖ，所以电压模块要进行变压处理。首先电源电路的输入端与蓄电池相连，然后有两种降压方案：①经过ＭＩＣ２９３０２ＷＴ稳压变压模块，将１２Ｖ电压降至４．２Ｖ，供无线传输模块使用；②经过ＭＡＸ１６２７降压稳压器、ＣＥＭ９４３５Ａ变压器及外围电路的作用，将１２Ｖ的蓄电池电压降为３Ｖ稳定电源，为辐射强度、紫外线强度传感器和主板电路提供工作电压。其中ＣＥＭ９４３５Ａ是一个ＰＭＯＳ晶体管，它有多个Ｓ级和Ｄ级，可提供较大的电流输出能力。另外在电源模块中使用一种限压型的过压保护器件ＴＶＳ，这种瞬态抑制二极管可以以ｐＳ级的速度把过高的电压限制在安全范围之内。同时为提高抗干扰能力，在电路中增加滤波电容。图５是电源电路的结构框图。

３系统软件设计

系统软件采用模块化的Ｃ语言编写，在Ｋｅｉｌ环境下进行编译，主要包括数据处理模块、参数设定模块、显示模块和数据传输模块，实现了对土壤温湿度和气象的实时数据监测。图６是系统软件的主程序流程图。系统上电后，首先完成系统初始化，然后进入墒情数据显示界面，液晶屏将自动逐个显示墒情数据，也可通过按键手动切换显示内容。如若设定时间内无操作，屏幕将自动关闭。屏幕关闭状态下按“显示”按钮屏幕将重新打开。同时系统周期采集和保存墒情信息，然后周期性地对外发送数据包。其中采集周期、发送周期和发送方式等都可通过系统的参数设置功能进行设置。数据传输模块设计主要基于串口通讯程序、ＡＴ指令收发协调程序、与ＳＩＭ９００通讯程序以及网络传输程序，有ＧＰＲＳ发送和短信发送两种方式。ＧＰＲＳ发送方式使用ＴＣＰ进行数据传输，采用“连接－＞发送－＞断开”的短连接方式，其程序流程设计思路如下。（１）网络初始化，首先发送ＡＴ＋ＣＩＰＭＵＸ＝０＜ＣＲ＞，启动多ＩＰ单路连接模式，然后选择ＴＣＰ／ＩＰ的非透明模式，使用ＩＰ访问，发送ＡＴ＋ＣＩＰＭＯＤＥ＝０＜ＣＲ＞。（２）建立ＴＣＰ连接，发送ＡＴ＋ＣＩＰＳＴＡＲＴ＝“ＴＣＰ”，“＊．＊．＊．＊”，５５５５＜ＣＲ＞，然后等待连接成功应答，这里＊．＊．＊．＊为服务器ＩＰ地址，５５５５为端口号。（３）当ＧＰＲＳ与Ｉｎｔｅｒｎｅｔ网络连接成功后１ｍｉｎ之内，使用ＡＴ＋ＣＩＰＳＥＮＤ＝“监测数据”＜ＣＲ＞发送长度可变化的数据，否则服务器将断开该设备连接。（４）待发送成功后服务器不进行数据应答，此时发送ＡＴ＋ＣＩＰＣＬＯＳＥ＝１＜ＣＲ＞断开连接。另外短信和ＧＰＲＳ使用相同的数据格式如表１所示组建数据包，其中监测数据共包括１７个量，各量之间用逗号分割，各量长度可变，但不要超过最大长度１８０字符，没有的量相应区域传输０即可。

４低功耗设计与分析

低功耗远程墒情自动监测站设计时，考虑到野外不能与市电连接和农田环境中有充足的太阳能资源，设计采用了太阳能电池为系统提供能源。根据实际需求，本文从硬件和软件两方面来降低系统工作电流，设计有效的协议和电源管理策略，降低功耗，减少电池的充放电次数，延长工作站使用寿命。硬件部分一方面选用低功耗、低电压器件，如控制终端选择整体功耗偏低的Ｃ８０５１Ｆ０４０单片机；另一方面采用分时供电技术，对功耗大、周期性工作的组件，如ＧＳＭ／ＧＰＲＳ模块，单片机利用“开关”引脚控制供电单元，当其不工作时关闭电源，工作时才打开。软件方面设置节电模式，利用硬件提供的支持，分时关闭暂时不使用的组件电源，如传感器、ＵＳＢ等，采用中断驱动技术，按照协议工作周期，当保存和发送数据的设定时间到，打开电源开始采集数据，处理完成后进入空闲模式，从而有效地降低了系统功耗。系统设计完成后，对监测站的工作电流进行了实际测试，监测站每１ｈ完成一次数据采集，每４ｈ发送一次数据，结果如表２所示。从表２中可以看出低功耗模式时，最大工作电流仅为５．３ｍＡ，达到了低功耗的效果。

５总结

本文提出了一种以Ｃ８０５１Ｆ０４０单片机为核心，基于ＳＩＭ９００Ａ无线传输模块的低功耗远程墒情监测系统，实现了土壤墒情和气象的实时监测和远程传输，以短信和ＧＰＲＳ为传输手段，在很大程度上解决了野外布线不便问题，增强了系统的稳定性、灵活性和时效性，提高了对农业土壤墒情的监控能力，为收集、评估和预测土壤墒情变化提供了的基础和前提。目前，该墒情监测站已被试用于北京小汤山国家农业研究示范基地以及上海、四川等地，如图７所示，对当地的农业生产起到了一定的指导作用，尤其是科学灌溉方面，达到了实时监测农田墒情的目的。

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