多通道土壤风蚀数据自动采集处理系统

李 卓，陈 智，刘海洋，宣传忠，麻 乾

(内蒙古农业大学机电工程学院，内蒙古呼和浩特 010018)

0 引言

土壤风蚀是发生在北方干旱半干旱地区及半湿润地区的重要生态过程，也是导致这些地区生态系统退化的重要原因[1-2]。长期以来，由于自然和人为因素，加之干旱与多强风的气候致使农田与草地土壤表层疏松干燥，土地退化与土壤风蚀处于相互促进的恶性循环状态中，导致了这些地区以风蚀为主要标志的土地退化格局。目前，内蒙古地区因风蚀造成农田退化的面积占该地区农田总面积的46.9%，草地退化面积占草地总面积的70%以上[1]，不仅成为制约该地区农牧业可持续发展突出的环境问题，而且严重威胁着内蒙古自治区这道生态防线的功能。因此，研究农田和草地土壤风蚀的任务十分紧迫。

开展土壤风蚀研究必须借助于必要的监测手段和方法，以获得不同区域在不同时间大量而精确的风蚀数据，建立土壤风蚀野外观测的专业观测站及其基于无线传感网络的土壤风蚀监测系统实现风蚀数据的实时采集与处理[3]。

随着电子技术、计算机技术、传感器技术的迅速发展，设计了一种以STC12C2052AD单片机、UTC4452B无线数据传输模块和LabVIEW2010为平台的无线多通道土壤数据自动采集处理系统。该系统集成多种传感器于一体，实现了每1 s最多10路土壤风蚀数据(空气温度、湿度、大气压力、风速、风蚀量等)的循环采集、无线传输和实时处理，并绘制出地表风速廓线图、平均风速变化图、近地表粗糙度变化图等，为建立专业观测站和大面积区域监测网奠定基础。

1 系统总体设计

该系统主要由数据采集模块、单片机控制模块、无线数据传输模块和数据处理模块4部分组成。

数据采集模块由温湿度传感器、大气压力传感器、热膜式风速传感器和集沙仪组成，完成对空气温湿度、大气压力、风速、风蚀量等环境参数的采集。单片机控制系统负责对传感器组的数据进行定时读取、处理、打包、并将数据包通过串口发送给无线数据传输模块。无线数据传输模块包括与PC机相连的接收部分和与单片机相连的发送部分，主要完成与单片机的数据通信、载波监听和数据收发等功能；后者主要完成数据包的接收并将数据包通过串口发送给上位机软件等任务。数据处理模块完成数据包的读取、处理、显示和存储等功能。系统总体结构图如图1所示。

图1 系统总体结构图

2 发送节点软硬件设计

2．1硬件部分设计

发送器硬件电路原理图如图2所示。该硬件部分主要由单片机控制器、无线数据传输模块和传感器组组成。核心控制器STC12C2052AD单片机的速度比普通8051快12倍，片内集成了256 字节RAM、2 K的ROM、2路16位定时器、1个异步串行通信UART、1个同步串行通信接口SPI、1个8通道高精度8位ADC、1个硬件乘法器和硬件除法器等[4-5]。无线数据传输模块UTC4432B模块集成了高性能低功耗的STM8L101处理器，采用最新一代高性能射频芯片SI4432-B1，有正常模式、唤醒模式、省电模式和休眠模式4种工作模式，具有自动实现CRC校验、多频道选择、包长度设定、包完整检测和载波监听等功能。温湿度传感器P1和大气压力传感器P2是双总线数字型传感器，风速传感器和集沙量传感器是模拟信号传感器，输出电压为0～5 V．

图2 发送器硬件电路原理图

另外，系统中的数据接收器采用PC-RS-4432模块，该模块是一款USB接口的串口无线数据传输模块，直接与PC机的串口相连，完成数据的收发功能。

2．2软件部分设计

软件部分程序设计采用集成开发环境Keil-μV4，主要包括系统主控程序、传感器驱动程序、数据处理程序以及串口通信程序等。软件程序流程图如图3所示。

发送节点上电启动后，单片机首先初始化内部寄存器和外部电路，设置SETA和SETB引脚为低电平，使UTC4432B模块工作在数据收发模式下，等待单片机传送数据包；同时置AUX为高电压，单片机对各传感器进行数据采集。单片机采集完一组数据后，将其按照表1所示的数据包格式[6]进行打包并通过串口发送给UTC4432B模块。在UTC4432B模块收到一个完整的数据包后，将AUX端口置为低电平，并进入到射频发送状态，开始检测信道是否有载波存在；若有，则延时发送数据，当检测到信道内没有载波时，将数据包发送给接收机，并置高AUX.单片机在检测到AUX为低电压的过程中，一直处于等待状态，只有AUX被置为高电压后，才进行下一次数据采集和发送过程，如此循环下去。

表1 数据包格式

表1中的第一行为数据包的域名，第二行表示该域名所占用的字节数。包头为‘K’，包尾为‘M’，发送器节点的地址为1-255，接收器的地址为0，保留域的内容默认为0。

PC-RS-4432数据接收模块直接通过USB与PC机进行通信，一直处于数据接收模式下，当检测到信道中有载波时接收数据，然后通过CRC校验和包完整检测(数据包的长度设定为16字节)，当检测无误后，将接收到一个完整数据包通过USB串口发送给PC机中的上位机处理软件进行处理。

(a)发送器的工作流程图

(b)接收器的工作流程图

3 LabVIEW软件系统设计

上位机软件程序采用虚拟仪器软件开发平台LabVIEW2010设计，采用模块化设计方法，各模块的编写互相独立[7-8]，实现了串口数据读取、分析、处理、显示，风速廓线计算与图形绘制，地表粗糙度计算与图形绘制，ACCESS数据库存储和风速校正等主要功能。程序主界面如图4所示。

图4 程序主界面

3．1风速廓线程序设计

风速廓线是风速随高度的变化曲线，它可以估计出风速垂直变化的强度，也可以估计出其他层的风速大小。在保护性耕作和草原草场恢复中，由于地表存在大量残茬和枯草，使近地表风速为零的速度面不在地表，被抬高到一个高度H[1，9]。因此，在保护性耕作和草原草场恢复中研究风速变化曲线可以有效的寻找到在不同风速、不同留茬高度下风速为零的速度面，为留茬高度提供科学的依据。

研究表明，近地表风速随高度变化较显著，主要有两种表现形式，一种是按照边界层理论得出的对数风速剖面，另一种是通过大量实测结果推得的指数风速剖面[1]。

(1)对数规律风速廓线方程为：

(1)

式中：u为高度z处的平均风速；u*为摩擦流速；k为卡曼常数，常取0.4；z为距地表的高度；z0为空气动力学地表粗糙度。

(2)指数风速廓线方程为：

(2)

式中：u为距地面垂直高度z处的平均风速；ur为风速廓线上参考点r处的风速；z为距地表的高度；zr为风速廓线上的参考点r距地表的高度；α为地表粗糙度系数，α=0.12z0+0.18。

3．2地表粗糙度程序设计

空气动力学地表粗糙度z0是地表上平均风速减小到零的高度，也就是水平风速为零的高度，可以反映地表对风速的减弱作用和对风沙流的影响[1，9]。

在土壤风蚀和土地荒漠化领域，地表空气动力学地表粗糙度大致可分为下面3种情况：

(1)定床地表粗糙度曲线为：

(3)

式中：z1、z2和v1、v2分别为同一地点处的两个不同高度及其相应的风速。

(2)动床地表粗糙度曲线为：

(4)

式中：z1、z2和v1、v2分别为同一地点处的两个不同高度及其相应的风速；vt为颗粒临界启动风速。

(3)植被地表粗糙度曲线为：

vz=a+blnz

(5)

令vz=0即得：

z0=exp(-a/b)

(6)

式中：a和b分别为回归系数。

3．3LabVIEW软件系统工作流程

该LabVIEW软件系统有两个工作模式：测量模式和仿真模式。仿真模式是对测量模式下存入数据库中的数据进行读取仿真的过程，不需要硬件系统的参与。

系统在正常情况下工作在测量模式下，被测点将采集到的数据发送给软件系统后，LabVIEW数据处理软件首先将数据包存储到ACCESS2007数据库中，然后按照表1所示的数据包格式进行分解，最后将温度、湿度、大气压力和瞬时风速按照传感器的地址码分别实时显示到相应的数据域内，同时将风速和集沙量存储到瞬时风速缓冲区和集沙量缓冲区中(每个缓冲区大小为10字节，每个发送器均有一组瞬时风速缓冲区和集沙量缓冲)，当数据缓冲区填满时，将10个瞬时风速和集沙量进行平均值计算，然后显示到平均风速域中，并将集沙量传送给相应数据处理部分。当利用该系统进行近地表风速廓线绘制时，10个数据发送器的位置应设置为在同一点的不同高度上，每得到10组平均风速和平均集沙量后，将平均风速进行曲线拟合，得到近地表风速廓线图，此时得到的地表粗糙度数据被忽略；当利用该系统进行地表粗糙度计算时，10个数据发送器被分成5组，分别安装在5个地点的不同高度上，再将10组平均风速按每组发送器的地址码进行相应的数据处理，得到地表粗糙度数据，此时得到的近地表风速廓线图被忽略。另外，系统还将10组平均集沙量发送给数据处理部分进行集沙量曲线拟合与总集沙量计算。

该LabVIEW软件系统具有风速传感器校正功能，利用在风洞实验条件下将不同风速下热膜风速仪采集到的风速数据和实际设定的风速数据输入到风速校正界面相应的位置，点击保存数据后即可完成风速仪的校正和配置文件中校正参数的修改，系统采用最小二乘法对两组数据进行多项式拟合，拟合次数为3次[1，10]。系统采集到的数据包中的风速数据会首先经过该校正系统，然后才被传递给其他部分进行相应的数据处理。

4 试验分析与数据处理

测试过程中，系统的数据接收器和10个数据发送器均使用8.5 cm的胶棒天线，模块配置参数均为：433.9 MHz，空中速率1 kbit/s，串口波特率9 600 bit/s，数据包长度为16字节，开启包完整检测和载波监听功能。接收器离地面高1 m，本机地址和目标地址均配置成“0”；接收器的本机地址依次配置为“1”到“10”目标地址全部配置为“0”。

在同一地点上按照距地面高度为2 cm、6 cm、12 cm、18 cm、24 cm、30 cm、40 cm、50 cm、60 cm、70 cm安装发送器，移动接收器，使其在距离发送器50 m、100 m、200 m 、300 m 、400 m 、600 m、800 m、1 000 m、1 200 m、1 500 m的位置上进行稳定性测试。试验表明：系统在1 000 m范围内可以顺利完成组网、工作稳定，丢包率和误码率几乎为0，可以实时显示各个测点处的温度、湿度、风速和大气压力数据，并可以根据计算出风速的风速平均值绘制出近地表指数风速廓线图和平均风速曲线图，试验结果如图4所示。

将LabVIEW软件设置成“测量模式”，接收器的高度依次设定成传感器的高度。系统启动后，软件自动将接收的各测点处的数据存入ACCESS2007数据库中，并将风蚀量数据分离出来并传送给集沙量计算数据处理部分。该部分对10个风蚀量数据进行“多项式”和“指数”拟合并计算总风蚀量。集沙量计算数据处理部分软件界面如图5所示，图中显示的是“多项式”拟合后的曲线及计算结果。

在地表覆盖度为70%的保护性地表在挟沙风情况下，利用LabVIEW系统对采集到的数据进行处理后的结果与用传统仪器采集到的数据在MATLAB中处理的结果的对比如表2所示。

表2 数据处理结果对照表

图5 集沙量计算数据处理部分软件界面

从表2可以看出，利用该系统测得的数据和处理后的结果基本符合实际，曲线拟合度与集沙量的误差分别在0.55%和1%。

5 结束语

该系统具有自组网能力，功耗低，传输距离远，无需布线等优点，降低了设计成本和系统的复杂性，将其应用到土壤风蚀的研究中，代替有线数据传输，可减少环境因素对测量所带来的困难和对结果的影响，能够稳定的用于移动式风洞中和野外风蚀环境的数据采集，为土壤风蚀的分析提供一个可信、完整的数据库，为下一步对土壤风蚀的分析，预测其变化规律以及建立区域无线网络监测系统提供理论依据，具有很好的应用价值。

参考文献：

[1]麻硕士，陈智．土壤风蚀测试与控制技术．北京：科学出版社，2010：59-61．

[2]董治宝，陈渭南，董光荣，等．植被对风沙土风蚀作用的影响．环境科学学报，1996(4)：437-443．

[3]宣传忠，陈智，武佩，等．北方草原风电场土壤风蚀无线监测系统的研究.中国农业大学学报，2013，18(4)：196-201.

[4]宏晶科技．STC12C2052AD系列单片机数据手册[EB/OL]．(2005-10-04)[2013-08-28]．www．MCU-Memory．com．

[5]郭阳，杜捷．室内照明用节能环保型LED电源的研究．电源技术应用，2012(11)：142-144．

[6]张超，游林儒．多通道虚拟示波器伺服电机调试系统．仪表技术与传感器，2012(5)：58-59．

[7]陈树学，刘萱．LabVIEW宝典．北京：电子工业出版社，2011．

[8]李颖，蔺韬，杨永亮，等．基于LabVIEW的PMSM伺服控制器测试系统设计．微电机，2012(9)：79-81．

[9]江冲亚，方红亮，魏珊珊．地表粗糙度参数化研究综述．地球科学进展，2012，27(3)：292-303．

[10]曹淳，陈波，赵不贿．基于LabVIEW的超高压自增强测试系统设计．仪表技术与传感器，2011(11)：34-36．

作者简介：李卓(1985-)，硕士研究生，主要从事环境控制与技术装备等方面的研究。E-mail：lizhuo565956@sina．com