基于光電池的坡面土壤侵蝕量監(jiān)測系統(tǒng)設計

鄭亞紅，孫志鋒，張新星

(浙江大學電氣工程學院，浙江杭州310027)

0 引言

土壤侵蝕具有破壞土地、吞食農田、降低土壤肥力、加劇干旱發(fā)展、淤積抬高河床、加劇洪澇災害等危害。同時，土壤侵蝕是制約扇區(qū)、丘陵區(qū)和風沙區(qū)經濟發(fā)展的重要因素，也是國內外水土保持工作者和科學研究人員普遍關注的生態(tài)環(huán)境問題［1］。水土流失在我國范圍內均有分布，其侵蝕速率的變化情況反映區(qū)域水土流失特征，是水土保持防護措施設計的重要依據，土壤侵蝕量的獲取也是國家制定宏觀政策的重要依據，所以，土壤侵蝕量的監(jiān)測顯得尤為重要。

自20世紀70年代后期起，國外遙感技術引入我國，RS＆GIS觀測法使土壤侵蝕的檢測和預報進入到一個新的信息技術階段，國內外學者對此進行了研究［2］。但是，這種觀測方法適合觀測大面積區(qū)域，且需要航空設備，耗資巨大，且觀測精度低，無法實時準確獲知小范圍區(qū)域的水土流失情況，無法定性定量地評價。而現(xiàn)存的簡易鋼釬測量法，即在坡面土壤侵蝕觀測時，將測釬埋入觀測坡面中，記錄初次埋設測釬時各測釬地表出露長度。經過一段時間后，土壤遭受侵蝕，測釬周邊一定厚度的土壤發(fā)生流失，測釬地表出露長度增加，通過記錄測釬2次出露長度的變化情況和土壤容重，計算土壤侵蝕強度。這種傳統(tǒng)的測量方法要求:量測時水土保持監(jiān)測人員通常半蹲在觀測坡面上直接使用卷尺進行量測。然而，當坡面坡度較大或地表組成物質較為疏松以及測釬尺寸外形不夠規(guī)整時，觀測人員無法保證長度測量工具能夠與測釬保持平行，讀數(shù)時半蹲的觀測姿勢無法保證人眼視線與測量工具垂直，不僅給測量人員造成不便，而且嚴重影響觀測數(shù)據精度，降低了觀測的工作效率。

1 系統(tǒng)總體設計方案

整個系統(tǒng)由數(shù)據采集終端、本地監(jiān)控中心和遠程監(jiān)控終端四部分組成，系統(tǒng)的總體結構如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)架構圖Fig 1 Diagram of system architecture

為了達到測量數(shù)據的準確性，各個監(jiān)測點安放多個數(shù)量的區(qū)域控制模塊，各區(qū)域控制模塊與本地監(jiān)控中心采用現(xiàn)場總線連接。當系統(tǒng)啟動后，系統(tǒng)各設備初始化，并點亮運行指示燈，各環(huán)境參數(shù)監(jiān)測點開始采集土壤環(huán)境參數(shù)(土壤的溫度和侵蝕量等參數(shù))，并在接收到發(fā)送數(shù)據命令后將數(shù)據傳送給區(qū)域控制模塊，若區(qū)域控制模塊接收到數(shù)據，則點亮通信指示燈，并控制報警器等相關設備。

Modbus協(xié)議是一個廣泛應用的工業(yè)通信協(xié)議，它是一種串行、非同步的通信協(xié)議，此協(xié)議不需要特別的接口，典型的物理接口是RS—485，主要應用于工業(yè)現(xiàn)場各種數(shù)據采集和過程監(jiān)控。各個區(qū)域控制模塊與本地監(jiān)控中心采用現(xiàn)場總線進行通信。區(qū)域控制模塊采集到土壤環(huán)境參數(shù)和侵蝕量，并做出相應控制動作后，將數(shù)據打包通過Modbus網絡發(fā)送至本地監(jiān)控中心;若本地監(jiān)控中心收到區(qū)域控制模塊的報警信號，根據報警的類型對該區(qū)域控制模塊進行相應的控制，并對工作人員提出警報提示。

遠程監(jiān)控終端通過桌面客戶端的顯示程序顯示本地監(jiān)控中心發(fā)送的土壤環(huán)境參數(shù)，并將參數(shù)保存在服務器，以實現(xiàn)歷史數(shù)據的存儲，根據用戶設置的土壤參數(shù)和預報模型，對該地土壤侵蝕情況進行評估，并對短時期內該地的土壤侵蝕狀況進行預報。

2 系統(tǒng)硬件設計

整個系統(tǒng)硬件部分包括由各數(shù)據采集模塊組成的數(shù)據采集終端、本地監(jiān)控中心的中控機及遠程監(jiān)控終端。其中關鍵部分為數(shù)據采集終端和區(qū)域控制模塊，本文將對該部分進行重點介紹。

2.1 區(qū)域控制模塊

區(qū)域控制模塊選用STM32F105RCT6為控制核心，它是采用ARM Cortex-M3為內核的32位高性能嵌入式微處理器。它片上集成了256 kB的Flash存儲器，擁有2個12位的μs級的A/D轉換器(16通道)，5個USART接口，多個快速I/O端口［3］。模塊的其他外設包括用于顯示當前環(huán)境參數(shù)的點陣液晶，用于實現(xiàn)基本控制功能的按鍵等。區(qū)域控制模塊的硬件框圖如圖2所示。

圖2 區(qū)域控制模塊Fig 2 Regional control module

2.2 數(shù)據采集終端

利用硅光電池的感光性，采用新型的光電測尺作為土壤侵蝕量的測量傳感器。硅光電池是一種直接把光能轉換成電能的半導體器件。它的結構很簡單，核心部分是一個大面積的PN結，當受到光照時，光電池的兩極會出現(xiàn)微弱的電壓信號。

如圖3所示，以規(guī)則的矩形微型光電池作為測量單位，一個微型光電池相當于常用尺子的“1 mm”，將一列光電池線型排列起來做成一把光電測尺，將光電測尺(光電池陣列一端)直接埋在土中后，每侵蝕掉1個單位尺寸厚的土壤后，相應位置的光電池感光，光電池發(fā)出的微弱信號通過信號處理電路，進行放大和濾波，再將得到的電壓值送入區(qū)域控制模塊的A/D采樣口，區(qū)域控制模塊通過讀取A/D口采樣的值，記錄相應土壤的厚度。經過一次侵蝕后，重新測量時，重新記錄土壤的厚度，比較2次土壤厚度的差值，計算2次觀測時段內采集點的土壤侵蝕量。

圖3 土壤侵蝕采集模塊Fig 3 Soil erosion acquisition module

溫度采集模塊采用DS18B20數(shù)字實時溫度傳感器，封裝后的探頭可防水，可用于如電纜溝測溫、高爐水循環(huán)測溫、鍋爐測溫、機房測溫、農業(yè)大棚測溫、潔凈室測溫、彈藥庫測溫等各種非極限溫度場合。工作電壓為3～5 VDC，測量溫度范圍為-55～+125℃，精度為±0.5℃，測量結果以9～12位數(shù)字量方式串行傳送，采用單線方式與微控制器實現(xiàn)雙向通信。

3 系統(tǒng)軟件設計

由于區(qū)域控制模塊在測量土壤環(huán)境參數(shù)和控制相應設施方面對實時性、穩(wěn)定性的要求，區(qū)域控制模塊選擇μC/OS-Ⅱ管理任務。μC/OS-Ⅱ是一個專為嵌入式應用設計，基于優(yōu)先級調度的搶占式實時操作系統(tǒng)內核，它包含了任務調度、任務管理、時間管理/任務間通信與同步等功能。各任務之間通過信號量、郵箱和消息隊列實現(xiàn)相互間的數(shù)據交換和同步［4］。

依據區(qū)域控制模塊在系統(tǒng)中的作用，嵌入式操作系統(tǒng)中應實現(xiàn)多個不同優(yōu)先級的控制任務。這些任務根據優(yōu)先級從高到低分別為:接收本地監(jiān)控中心調度;接收按鍵控制;采集土壤環(huán)境參數(shù);控制相應設備;LCD顯示;發(fā)送數(shù)據到本地監(jiān)控中心。對于區(qū)域控制模塊來說，本地監(jiān)控中心的調度命令決定著系統(tǒng)的開啟和關閉等操作，因此，應把調度命令分配到相對最高的優(yōu)先級，其他任務依據其重要性和操作順序，分配相應的優(yōu)先級。系統(tǒng)啟用流程圖如4所示。

圖4 系統(tǒng)啟動流程圖Fig 4 Flow chart of system starting

硬件初始化包括端口、A/D轉換、I/O配置、控制寄存器、中斷時間、LCD、Modbus模塊等的初始化。Modbus模塊的初始化包括波特率、Modbus協(xié)議的初始化。操作系統(tǒng)初始化負責初始化任務的空閑鏈表和使用鏈表、時鐘管理等。系統(tǒng)在啟動任務調度之前，需要使用OSTaskCreate()函數(shù)創(chuàng)建各個任務，設置不同的堆棧和優(yōu)先級。之后，使用OSStart()函數(shù)開始任務調度，并且，需要創(chuàng)建一塊共享內存以供多個任務之間數(shù)據通信［5］。

環(huán)境參數(shù)采集任務和控制設備任務中Modbus協(xié)議的通信格式采用RTU格式，RTU格式因其傳輸效率高而被廣泛采用，波特率為9600波特。在網絡通信時，使用主/從技術，本地監(jiān)控中心為主設備，區(qū)域控制模塊為從設備，每個從設備都有唯一的設備地址。1個主設備最多可掛接247個從設備，主設備與各個從設備采用單獨通信，主設備發(fā)出數(shù)據請求消息，從設備做出相應回應，發(fā)送數(shù)據。Modbus RTU的消息幀包括1個字節(jié)的地址碼;1個字節(jié)的功能碼，0～256字節(jié)的數(shù)據區(qū)，2字節(jié)的錯誤校驗碼。地址碼主要用于指示從機的地址，功能碼用于主機告訴從機執(zhí)行什么動作。從機響應時，發(fā)送相同的功能碼，表明從機已響應主機進行操作。數(shù)據區(qū)包含需要從機執(zhí)行什么動作或從機采集的返回信息。錯誤校驗碼可供主機或從機判別接收信息是否出錯。具體編程實現(xiàn)見文獻［6］。

接收本地監(jiān)制中心調度任務和按鍵控制任務在創(chuàng)建后，通過調用OSTaskSuspend()函數(shù)進入掛起狀態(tài)，當接收到調度命令或按鍵觸發(fā)中斷后，通過調用OSTaskResume()函數(shù)恢復任務，實現(xiàn)任務的執(zhí)行。

采集土壤環(huán)境參數(shù)任務中，數(shù)據的采集選用微控制器的中斷方式，系統(tǒng)初始化時，已經開啟外部中斷。該任務在被創(chuàng)建后，先初始化變量，通過調用OSTaskSuspend()函數(shù)進入掛起狀態(tài)，當外部中斷被觸發(fā)時，通過調用OSTaskResume()函數(shù)恢復任務，實現(xiàn)數(shù)據采集任務的執(zhí)行。土壤環(huán)境參數(shù)采集任務流程圖如圖5所示。

圖5 土壤環(huán)境參數(shù)采集任務流程圖Fig 5 Flow chart of soil environmental parameters acquisition task

在采集土壤環(huán)境參數(shù)任務掛起后，運行控制設備任務，該任務先訪問內存的環(huán)境參數(shù)，根據設定的閾值判斷是否對設備動作。結束后，調用OSTimeDLY()函數(shù)掛起自己以實現(xiàn)下一級優(yōu)先級任務的運行。LCD顯示任務用于顯示此時土壤侵蝕量數(shù)據，主要用于現(xiàn)場對系統(tǒng)進行調試，緊接在控制設備任務后。任務結束后，亦需要用OSTimeDLY()函數(shù)掛起自己。最后是發(fā)送數(shù)據到本地監(jiān)控中心。

4 系統(tǒng)功能測試

為了驗證研究方案的正確性與可行性，針對系統(tǒng)的各項功能進行了測試，測試內容為本地監(jiān)控中心的土壤侵蝕量。本實例中采用了8mm的光電測尺，采用8路12位A/D進行數(shù)據采集，基準電壓為5 V，實驗坡度為21°，坡長為100 cm，露天環(huán)境。現(xiàn)場安裝情況如圖6所示。測試點從左到右，依次標號為1，2，3，數(shù)據分析以測試點1為例。

實驗中，利用Modbus掃描軟件觀察區(qū)域控制模塊與本地監(jiān)控中心的通信，本地監(jiān)控中心通過Modbus協(xié)議與區(qū)域

圖6 現(xiàn)場安裝情況Fig 6 The scene installation

表1 寄存器設置Tab 1 Register settings

實驗中，2次數(shù)據采集的間隔時間為15 d，監(jiān)測結果數(shù)據如表2所示，監(jiān)測時間為早晨，閾值為90。表2中，第一次數(shù)據采集后，寄存器40006～40008中的數(shù)據大于90，后5路小于90，則光電測尺裸露在空氣中的長度為3 mm。土壤經過15d的侵蝕之后，第二次數(shù)據采集后，寄存器40006～40009的數(shù)據大于90，后4路小于90，則光電測尺裸露在空氣中的長度為4 mm。由此得出結論:經過15 d的侵蝕后，該點的土壤侵蝕量為1 mm。

表2 監(jiān)測結果數(shù)據表Tab 2 Monitoring results data table

5 結論

本文將嵌入式技術應用到土壤侵蝕量檢測的開發(fā)中，取代了手動測量的傳統(tǒng)方法，實現(xiàn)了自動監(jiān)測的目的。引入光電池作為土壤侵蝕的傳感器，完成了系統(tǒng)的硬件和軟件設計，針對系統(tǒng)的實時性要求，區(qū)域控制模塊引入高性能嵌入式微處理器和μC/OS-Ⅱ嵌入式實時操作系統(tǒng)，管理多個測量和控制任務，實現(xiàn)數(shù)據的實時采集和系統(tǒng)實時控制，并通過實際實驗，對系統(tǒng)的功能進行了測試。結果表明:該方案是一種切實可行的坡面土壤侵蝕量監(jiān)測系統(tǒng)實現(xiàn)方案，為坡面土壤侵蝕量監(jiān)測提供了可借鑒的嵌入式解決方案

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