低功耗土壤湿度控制仪设计

孟 强，徐 慧，施山菁

（南京林业大学信息科学技术学院，江苏南京 210037）

0 引言

现代社会中由于环境污染、人为破坏，许多地方面临着严峻的用水问题。农业是第一用水大户，目前，农业用水有效程度依然很低，在现代农业和生态研究中，对土壤湿度的监测与控制已经成为一项基础工作，合理的灌溉有利于作物的生长，同时也是对水资源的一种高效利用。基于上述因素，本文设计出一种能够实时监测土壤湿度，并通过外部执行单元控制灌溉土壤，调节土壤湿度，同时依据监测的土壤实时湿度及时反馈，控制执行单元的工作，从而达到控制土壤湿度的目的。

在超低功耗方面，处理器 MSP430功耗（l．8～3．6 V，0．1 μA/Power-down，0．5A/Standby，250A/MIPS）和口线输人漏电流（最大50 nA）在业界都是最低的，远远低于其他系列产品［1］。

为了满足使用方便的要求，USB接口成为智能仪表的重要部分。多以8/16位单片机为核心，其USB接口设计的过程多是先根据所使用的8/16位单片机，选择合适的USB接口芯片;其次，编写单片机的固件程序;最后，编写USB接口的驱动程序，实现智能仪器和PC机间的高速通信［2］。

1 土壤水分测量原理

系统采用基于频域反射（frequency domain reflectometry，FDR）技术的MP406系列高精度土壤水分传感器，具有分辨率高、线性度好、维护简单、不破坏土层的优点。土壤水分传感器如图1所示。FDR原理［1，2］是利用电磁脉冲原理，根据电磁波在土壤中传播频率来测试土壤的表观介电常数，从而得到土壤容积含水量θv。FDR的探头称为介电传感器（dielectric sensor），主要由一对电极（平行排列的金属棒或圆形金属环）组成一个电容器，其间的土壤充当电介质，电容器与LC振荡器组成一个调谐电路。

图1 MP406系列高精度土壤水分传感器Fig 1 MP406 series high-precision soil moisture sensor

FDR使用扫频频率来检测共振频率（此时振幅最大），不断调整信号电源的频率，使得振荡电路的谐振条件成立，传输线上出现频率相同而传播方向相反的2列相干波叠加，呈行驻波状态，此时，U0的最大值:U0=α（1－ρ），相似地在传输线和传感器结合部的峰值电压:Us=α（1+ρ），2个峰值电压的差值:ΔU=Us－U0=2αρ，其中，α为振荡器输出的电压振幅，ρ为反射系数。由于谐振电路中电容器的电介质为土壤，土壤的水分变化反映在电容C的变化上。此时的信号频率即为谐振电路的固有频率。由于谐振产生的条件为

通过电容与介电常数的关系ε=C/C0，可以求得土壤的相对介电常数，其中，C0为介质为空气时的电容。研究证实土壤介电常数ε与土壤水分含量θv之间具有线性关系为

其中，a，b均为常数，由土壤的类型决定。

2 系统总体设计方案与功能

本文介绍的土壤湿度控制仪主要由前端数据采集部分、控制单元和灌溉执行单元组成，设计框图如图2。

图2 系统总体设计框图Fig 2 Block diagram of system overall design

土壤水分传感器分布于监测区域中，用于采集土壤实时湿度。控制单元以F155单片机为核心，充分利用其片上集成的丰富资源进行硬件电路设计［3～5］。灌溉执行单元设计为继电器控制执行部件的工作状态。由系统的总体框图设计了仪器的主要功能如图3。

3 系统硬件设计

系统由DS1302提供时间信息，通过简单的三线同步串行方式与单片机进行通信，时钟模块配置备用电池，保证时钟走时精准。仪器用液晶显示屏直观地显示出时间信息、土壤湿度值以及系统工作状态。整个系统还包括数据存储模块、USB通信模块以及电源模块。

图3 土壤湿度控制仪的主要功能Fig 3 Main function of soil moisture control apparatus

3．1 前端采集模块

系统对传感器输出的模拟电压信号进行采样，为保证信号的稳定性，加入信号调理电路。采样信号通过MSP430F155单片机片内A/D转换模块转换成数字信号，根据公式将得到的湿度信号换成0%～100%RH范围内变化的相对湿度值，这样设计不增加复杂硬件电路，简化系统电路设计，而且，MSP430单片机的A/D转换模块具有12位精度，测量结果可以达到较高的精度，提高了系统的可靠性。

3．2 数据存储模块

数据的存储采用32 kB串行E2PROM存储芯片AT24C256，用来存储不同时间段土壤湿度上下限值，土壤实时湿度值也将定时存储以作分析等用途。根据存储的时间间隔的不同，可存储的湿度数据量也不同，若每隔30 min存储一组湿度数据，则可存储约16000组湿度数据。

该芯片读写方式为I2C总线读写，MSP430F155内部集成1个硬件I2C控制单元，其速度可支持到400 kbps（快速模式）。硬件I2C接口相较于传统的用软件模拟I2C接口，其程序精简，传输速度快，故障处理易于实现。

3．3 USB通信模块的设计

通信部分选用CH376S接口芯片，实现系统对U盘文件的读写。该芯片支持Host主机方式和Slave设备方式，其内部集成了8位被动并行接口、异步串行接口、SPI设备接口、USB通信协议的基本固件、FAT文件系统管理固件、处理Mass-Storage海量存储设备的专用通信协议的固件，支持常用的USB存储设备［6］。硬件原理图如图4所示。

图4 USB通信模块电路图Fig 4 USB communication module circuit diagram

CH376采用USB-Host方式实现对系统存储模块AT24C256芯片中湿度数据、采集时间等信息的提取，并以TXT文件格式存储到U盘里，脱离了依赖电脑采集和提取数据的约束性，降低了通信的复杂度。CH376具有8位数据总线和读、写、片选控制线以及并口地址输入。考虑到主控芯片MSP430F155的工作电压是+3．3V，因此，CH376芯片采用+3．3 V电压供电，但是供U盘插入的USB通信接口必须采用+5 V电源供电。

4 系统软件设计

系统软件采用TI公司430单片机软件开发工具IAR Embedded Workbench为平台，由C语言编写，通过JTAG接口烧入MSP430单片机，然后进行实际运行。

4．1 整体程序流程

为实现低功耗要求，系统设置休眠模式。当用户不操作系统超过15 s时，系统进入休眠模式，此时MSP430处于低功耗状态，每隔30 s系统退出休眠模式，进行土壤湿度的监测与控制，此后再次进入休眠模式，当用户操作系统时也会自动退出休眠模式。系统在上电和复位时要先执行初始化，LCD显示屏显示开机画面，软件判断是否是首次开机，首次开机需手动完成参数设置，系统自动存储初始工作状态。系统非首次启动，则自动调用已存储的工作状态。主程序流程框架图如图5所示。

系统主程序实现的功能主要有按键处理功能、执行单元控制功能以及系统数据存储和USB通信功能。系统有按键按下时进入按键处理子程序，进行时钟设置，植物生长周期设置并设置不同生长时期的土壤湿度上下限值，实现植物生长不同时期对土壤湿度值不同要求的人性化理念;当检测到土壤湿度值小于所设定的下限值时，输出控制部分分别输出打开电磁阀和水泵的控制信号，为防止水管压力过大，两信号输出设置5 s的间隔时间;若检测到土壤湿度值大于所设定的上限值时，输出控制部分分别间隔输出关闭水泵和电磁阀的控制信号。有U盘插入系统时，E2PROM中存储的采集时间和湿度信息被自动写入U盘中，写入完成后依据显示屏上的提示拔去U盘，此时系统将自动清除E2PROM存储的部分信息，恢复初始存储空间状态。

图5 主程序流程图Fig 5 Main program flow chart

4．2 USB 通信模块

USB总线通用接口芯片CH376具有省事的内置固件和灵活的外置固件2种模式，在内置固件模式下不需要本地端（智能仪表）的微控制器作任何处理，从而简化了微处理器的固件编程，为快速开发产品提供了保证，因此，CH376用于智能仪表的通信接口，是低成本且高效的解决途径。CH376芯片可以自动检测USB设备的连接和断开，提供设备连接和断开的事件通知。U盘通信部分的流程图如图6所示。

图6 USB通信流程图Fig 6 USB communication flow chart

5 抗干扰设计

工作现场的环境复杂，各种干扰通过不同的耦合方式进入到测试系统中，而且湿度传感器输出信号较小，这些干扰有可能使系统误差加大，程序运行失常。因此，在进行智能仪表可靠性设计时，要特别重视抗干扰设计。

5．1 硬件抗干扰

系统的干扰很大一部分是从电源进入的，电网电压的波动、尖脉冲干扰、瞬间断电等能对系统的工作造成干扰。因此，需考虑电源净化问题，系统在开关电源前增加电源滤波模块，以滤去电网中各种大功率设备产生的尖峰脉冲干扰，尽可能得到“纯净”的电源。

在设计电路板方面，晶振和单片机的连线要短;模拟地和数字地要分开;电源线和地线要做加粗处理;PCB下方也要进行覆铜，使电源和信号传输稳定。

5．2 软件抗干扰

通过软件滤波的方法可以进一步降低噪声。软件设计在湿度传感器输出信号的A/D转换中，采用了限幅滤波和均值滤波，取得了较好的效果。

限幅滤波即对数据最大、最小范围进行限定，超过这个范围的数据被认为是错误的数据，并且此次数据由前一次数据代替。均值滤波则是采集16个数据求出平均值，用这种方法降低了随机噪声，提高了数据采集的稳定性。

6 测试结果分析

在实验基地内，仪器运行情况稳定，液晶屏可以观测到当前土壤相对湿度值，仪器面板上的按键可以设置系统参数、修改时钟时间，各部分均能正常工作。

表1为土壤相对湿度测试值与实际值的比较，测试结果表明:系统绝对误差为±2%RH，精度较为理想。误差的产生主要在于传感器在制造时由于工艺限制导致的一定误差，仪器标定时也可能产生人为误差。

表1 土壤相对湿度测试结果Tab 1 Test results of soil relative humidity

仪器自动工作一段时间后，用U盘提取存储的湿度数据，经分析后得出仪器整体工作情况，图7所示为7 d的湿度数据曲线。

图7 土壤相对湿度变化Fig 7 Change of soil relative humidity

图中虚线分别表示当时仪器设定的土壤相对湿度上下限值，由曲线可看出:土壤相对湿度值保持在限值内，仪器工作稳定，执行部件等均能正常工作。

7 结束语

本文介绍了以低功耗MSP430单片机为主控单元的土壤湿度控制系统。经过模块化的电路测试、软件调试和系统组装证明:该系统可以准确测量土壤湿度，绝对误差为±2%RH，精度较为理想。正确控制执行部件工作，能使土壤湿度保持在要求的范围内。系统可以将采集的数据通过USB接口传到PC机上处理，在实际应用中能够独立工作，脱离了PC机的约束，具有较高的实用价值。

［1］ 沈建华．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．

［2］ 李 萍，单葆悦，刘晓东，等．USB芯片CH376在智能仪器仪表中的应用［J］．计量与测试技术，2011，38（2）:9 －14．

［3］ 黄飞龙，黄宏智．基于频域反射的土壤水分探测传感器设计［J］．传感技术学报，2011，24（9）:1367 －1370．

［4］ 赵思涵，杨 锴．基于ARM的草坪土壤水分监测系统设计［J］．湖南农业科学2011（1）:142－144．

［5］ Texas Instruments Incorporated．Msp430x1xx Family User’s Guide［EB/OL］．2009—10—01．http:∥www．msp430．com．

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［8］ 罗俊华，周作春，李华春，等．电力电缆线路运行温度在线检测技术应用研究［J］．高电压技术，2007（1）:169－172．