高緯度低海拔土壤監測系統研究*

周艷娥 ，葛海波 ，林 界 ，柯奎雄

（1.西安郵電大學 電子工程學院，陜西 西安 710061；2.西安郵電大學 通信與信息工程學院，陜西 西安 710061；3.華為技術有限公司西研所，陜西 西安 710077）

在0℃或0℃以下的環境中，含水的松散巖石或土壤膠結了松散的固體顆?；蜣D變成結晶狀態，通常稱為凍土。我國的常年凍土主要分布在帕米爾高原、青藏高原，祁連山、天山等西部高山地區及長白山、東北的大興安嶺及內蒙古的部分山區。據有關資料[1]表明，在新疆地區冬季凍土層最深達2.53 m，黑龍江地區冬季凍土層最深達2.94 m，內蒙古滿洲里地區冬季凍土層深達3.92 m。這種地區凍土現象對長輸管道存在明顯的影響[2]，處理不好會產生嚴重的惡果，在工程項目施工中應引起高度注意。近幾年，我國長輸管道施工項目較多，管道需穿越不同的地段和地域。本文設計的土壤檢測系統適應多年或冬季季節周期較長的寒冷地區的凍土地段。為了更好地了解凍土對管道的影響，必須了解凍土的溫度、濕度和凍土在0℃左右融化時的基本信息。

1 土壤監測系統設計

土壤監測系統采用MSP430作為監測終端的微控制器（MCU），PC作為服務器，數據傳輸通過 GPRS的 SIM卡借用移動網絡。數據傳輸有兩種方案，一是SIM[3-4]卡通過運營商提供的短信方式傳輸數據，另一種是采用運營商的數據業務上網計流量方式傳輸數據。綜合考慮到傳輸數據產生的通信費用，本設計不采用短信形式，而采用移動數據計流量的方式傳輸數據。土壤監測系統框架圖1所示。

圖1 土壤監測系統框架圖

1.1 監測終端設計

監測終端采用MSP430F2619[5-6]微控制器為核心控制芯片。GPRS模塊采用SIM300，將信息上傳到Internet，供管理人員遠程實時查詢。恒溫箱里溫度采集采用18B20，根據恒溫箱里溫度實測情況控制加熱裝置，以便在恒溫箱不能正常工作時，維持終端設備工作環境的恒定。與PC通信采用串口RS-232/RS-485，方便現場調試、檢測和查詢各個監測點的土壤信息?？紤]到低溫-40℃時LCD不能正常顯示，終端顯示采用點陣數碼管，通過按鍵切換顯示各個監測點的數據。顯示部分只在現場調試中應用，正常工作狀態不帶顯示，以降低功耗。溫度、濕度和位移各10路模擬信號分別通過電子開關CD4067在MCU的控制下循環送入MSP430F2619內置的12 bit ADC進行模數轉換。同時，核心控制芯片采集電源基本信息，包括電壓、電流和電池剩余電量。通過MSP430F2619進行數據處理，將各種數據封裝好送到GPRS模塊連入Internet。監測終端系統方案框圖如圖2所示。

圖2 監測終端系統方案框圖

1.2 上位機遠程軟件設計

上位機遠程監控軟件采用C++Bulding[7]開發，需要管道公司在通信運營商申請一個固定IP作為服務器的IP。服務器通過IP對各個終端的數據進行TCP/IP[8]解析，將監測信息顯示在屏幕上。根據需求可以將信息數據存入數據庫，本設計采用Office自帶的Access數據庫。網絡模型為C/S[9]模型，考慮到手機上網成為趨勢，隨著技術的發展，該網絡結構也可以支持手機訪問，但目前能實現的是PC訪問。結構框架如圖3所示。

圖3 網絡結構模型圖

2 監測終端的實現

2.1 傳感器及其信號調理

溫度、濕度和位移均采用電阻值或電容值成線性變化的傳感器，采用電橋法調理電路采集微弱的電變化信息，最后線性放大到MSP430F2619內置12 bit A/D轉換器的電壓范圍之內（0～3.3 V）。例如，鉑電阻隨溫度變化的阻值經直流雙臂電橋轉化為微弱的電壓信號，一路經儀表運放AD620AN放大約20倍后單端輸入到MCU ADC0口，一路直接雙端輸入到 MCU ADC1口，由 MCU內部自帶放大電路放大20倍。另外，ADC2口接內部溫度傳感器，為室溫測量提供選擇。具體電路如圖4所示。其中，滑動變阻器用于電橋平衡調節，電源由5 V精確穩壓電路提供。

圖4 溫度傳感器及信號調理電路

運放 AD620AN放大倍數 Av=19.3，R為 Pt100的電阻值，D為模擬電壓經過MCU 12 bit ADC轉換后采集的數值。經查表可知，Pt100的電阻值與溫度有關，計算出它們的對應關系為：

2.2 通信協議——終端數據封裝格式

所有傳輸數據采用BCD碼發送和接收數據，一個字節的高4 bit和低4 bit分別采用BCD[10]的一位十進制數。信息包括MCU采集的土壤狀態信息 （10路溫度信息，10路濕度信息和10路位移信息）、電源信息（剩余電池量）、恒溫箱信息（溫度）以及采集信息的時間（年月日時分秒），具體幀格式如圖5所示。

圖5 終端數據封裝格式

每個狀態信息采用2 B表示，高字節的高4 bit為符號位，低4 bit表示整數部分，低字節低4 bit表示小數。電源剩余電量用百分比表示，同樣采用兩個無符號字節，高字節的高4 bit非零表示100%，其他與土壤的狀態信息一樣。

2.3 GPRS模塊

數據收發器采用SIMCOM公司的SIM300 GPRS模塊。該產品具有標準的AT命令借口，可以提供GSM語音、短消息和GPRS上網等業務。首先，由MSP430控制并啟動GPRS模塊，啟動之后開始尋找信號，LED燈快速閃爍約20 s，LED燈閃爍頻率降低，表明信號已找到，此時，MSP430通過UATR1串口1向 GPRS發送命令，以使GPRS處于接收數據狀態。同時，打開上位機遠程監控軟件，等待GPRS數據的發送。當30路模擬信號經過MSP430 A/D轉換后，通過UART2串口2，MSP430將數據發送給GPRS模塊，GPRS在接收到數據后，直接發送給上位機遠程監控軟件。

2.4監測終端軟件設計

MCU一直處于掃描系統時鐘的狀態，每隔半小時采集一次數據，數據采集完啟動GPRS模塊，將數據發送給上位機，同時也將數據寫入SD卡中。MCU中內置URAT工作在SPI模式下驅動SD卡。由于實際工作中時間間隔過大，在測試土壤檢測系統時，時間間隔為1 min。具體流程圖如圖6所示。

圖6 監測終端軟件流程圖

3 上位機遠程監控軟件的實現

上位機人機交互界面用C++Building 5.0實現，可以檢測30個終端，可以設置用戶權限，有普通用戶和高級用戶，普通用戶只有查看權，高級用戶有修改數據的權利。在上位機上還可以設置各路信息的報警上下限，實現更人性化的管理。監測信息包括土壤信息10個點（每個點包括溫度、位移和濕度3路信息），檢測終端電路板的工作環境（溫度和電池電荷剩余量），實時監測。根據用戶需求不同，監測信息可以以表格的形式保存、打印。構建網絡C/S模型，外部可以上網的PC可以通過Web訪問和查看監測信息。

4 系統測試數據

對MCU內的12 bit ADC進行測試，參考電壓3.36 V，溫、濕度和位移測量曲線圖如圖7所示。即每個模擬值進行10次測量的平均值對應的理論模擬電壓值。

圖7 溫、濕度和位移測量曲線

經過數據分析可得方差和標準差,結果為：方差S2=[（x1-x）2+（x2-x）2+…+（xn-x）2]=2.103 687 36， 標 準差

根據方差和數據分析可知，在高緯度低海拔的環境中，土壤監測系統的穩定性和可靠性可以滿足一定用戶對監測土壤參數信息的需求。

該系統實現對土壤變化的實時監控，動態地監測數據并反饋到上位機，以便遠程查詢。經過需求分析，選取合適的傳感器同時搭建所需要的硬件電路以滿足精度要求。焊接電路之后進行調試，調通GPRS模塊后進行上位機和監測終端的融合，完成整個系統的設計。

本設計很好地解決了遠程監控溫度、濕度、位移及其他線性參數的問題。該設計不僅僅是針對土壤，也可以將其推廣到其他方面。近年興起的智能建筑也是以此為基礎，對建筑內的溫度或者濕度變化進行實時的監測，對建筑內的能耗系統了如指掌，為人們營造一個更加舒適的居住環境提供了依據。土壤監測系統的設計讓人們看到了日趨智能化的生活更加簡便。

[1]董長江，管楓車.土的凍脹與建筑物凍害防治[M].北京：水利水電工業出版社，1985.

[2]王洪彬，李軍，李燕.淺談凍土地段對管道敷設的影響及防治措施[J].天然氣與石油，2006（5）：1-3.

[3]SIMCOM公司.IM300V1.5開發板使用說明書[Z].

[4]SIMCOM公司.IM300_HD_V1.06 SIM300硬件說明書[Z].2005.

[5]謝興紅，林凡強，吳雄英.MSP430單片機基礎與實踐[M].北京：北京航空航天大學出版社，2008.

[6]洪利，章揚，李世寶.MSP430單片機原理與應用實例詳解[M].北京：北京航空航天大學出版，2010.

[7]LIPPMAN S B， LAJOIEJ，MOO B E.C++Primer中文版（第 4版）[M].李師賢，蔣愛軍，梅曉勇，等，譯.北京：人民郵電出版社，2008.

[8]FOROUZAN B A.世界著名計算機教材精選：TCP/IP協議族（第 4 版）[M].王海，張娟，朱曉陽，等，譯.北京：清華大學出版社，2011.

[9]TANENBAUM A S，WETHERALL D J.世界著名計算機教材精選：計算機網絡（第 5版）[M].嚴偉，潘愛民，譯.北京：清華大學出版社，2012.

[10]馮桂，林其偉，陳東華.信息論與編碼技術（第2版）[M].北京：清華大學出版社，2011.