基于SDI—12总线的土壤多参数检测仪设计与实现

2018-05-08徐一清周益民

科技创新与应用 2018年12期

徐一清周益民

摘要：研发了一种基于SDI-12总线的土壤多参数检测仪。该检测仪以单片机为核心控制单元，结合5TE三合一土壤传感器，设计了传感器接口电路、通信时序控制、数据存储电路及显示电路等；将传感器技术、数据通信技术和微计算机技术相结合，在实验室初步实现对土壤水分、电导率和温度等数据的实时采集与传输。检测仪性能试验表明测量参数精度较高，能够满足土壤检测要求。

关鍵词：土壤；多参数；检测仪；单片机；数据采集；SDI-12总线

中图分类号：S151.9 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）12-0101-03

Abstract： This paper proposes and develops a soil multi-parameter detector based on SDI-12 bus. The instrument uses single-chip microcomputer as the core control unit， and in combination with 5TE three-in-one soil sensor， this paper designs a sensor interface circuit， communication timing control， data storage circuit and display circuit. The sensor technology， data communication technology and microcomputer technology are combined to realize the real-time collection and transmission of soil moisture， conductivity and temperature in the laboratory. The performance test of the tester shows that the precision of the measurement parameters is high and can meet the requirements of soil detection.

Keywords： soil； multi-parameter； detector； single-chip microcomputer； data collection； SDI-12 bus

土壤墑情（含水率、电导率及表层温度等）是重要的土壤信息，是农作物和树木生长的重要生态因素，进行土壤墒情的测定，掌握土壤墒情变化的规律，对作物生态状况的监测和预报具有重要意义。目前，土壤含水率、电导率和温度的测量方法国内外有很多种[1-4]，但这些系统的设计功能单一、集成度不高，同时在成本、功耗以及传输速率上不是太理想，系统一般采用RS232、RS485、RS422和CAN等接口标准，不利于在农业生产中进行推广。相比而言，SDI-12（Serial Digital Interface at 1200 Baud）总线不仅规定了硬件电气接口协议，同时也规定了通信协议，这使得该总线在生态水文土壤传感器网络等应用场合中更具有优势[5]。本文设计了一种土壤多参数检测仪，该检测仪以单片机为核心控制单元，采用具有SDI-12接口的5TE三合一土壤传感器，实现了土壤水分、电导率和温度等数据的实时采集与传输，提高了土壤参数测量的效率和精度，有利于对土壤进行全面综合分析，从而能更好地指导农业生产。

1 设计原理

土壤传感器选用的是美国DECAGON公司的5TE三合一传感器，5TE是DECAGON新推出的革命性ECH2O传感器，可以同时测量土壤水分含量，电导率（EC）和温度。其运行频率是70MHz，对EC的变化不敏感，因此特别适用于温室或盐碱土环境，其激发电压范围为3-15 VDC，采用SDI-12协议输出信号。该传感器使用70MHz振荡器测量土壤的介电常数，确定水分含量。在测量矿质土壤含水率时采用著名的T opp方程来计算体积含水率VWC：

（1）

式（1）中？着a为土壤介电常数。当5TE恰当安置于一般的矿质土壤中时（土壤饱和浸出液电导率<10dS/m），式（1）得到的VWC精度可达±3%。

与传感器热力接触的热敏电阻测量温度，同时传感器表面的金丝组成了四点阵列来测量电导率。其工作原理如下：测量土壤含水率时，传感器向传感器分枝提供70MHz的振荡波，传感器分枝按照材料的电介质充电。存储的电荷与土壤电介质和土壤容积水分含量成比例。5TE微处理器测量传感器的电荷并输出一个值，这个值与水分含量相关；测量电导率（EC）时给2个外部电极施加交变电流，测量2个内部电极之间的电压来得到电导率（EC）。电压和电流都用于计算导度。电压和导度与单元常数（电极的距离与它们的面积的比）相乘得到电导率。5TE使用Wenner矩阵来测量EC。Wenner矩阵分布在2个5TE分枝的四条金带上。5TE在传感器表面安装了热敏电阻来获取温度读数，热敏电阻与传感器的一个分枝热力接触，读取分枝表面的平均温度。

2 系统硬件设计

本基于SDI-12总线的土壤多参数检测仪由5TE三合一土壤传感器、SDI-12接口转换电路、中心控制单元、OLED显示屏、控制按键和数据存储单元等组成，系统硬件组成框图如图2所示，系统硬件电路图如图3所示，系统结构示意图如图4所示。土壤传感器通过绝缘塑料电缆和手持式数据采集显示器连接，手持式数据采集显示器面板上设置有OLED显示屏和操作按键，一台手持式数据采集显示器配有5个接口，可同时检测交替显示5路传感信号。土壤传感器将采集到的信号经接口转换电路转换格式后输入主控制电路，主控制电路将采集到的数字信号进行数据处理后实时存储于数据存储电路中，然后在按键控制电路控制下通过显示电路显示相应传感数据。仪器留有接口可与计算机通讯，便于数据提取和后续升级应用。

2.1 数据存储和液晶显示电路

主机中的数据存储电路实现对测量数据做定时存储，以便对测量点进行跟踪观测。系统采用美国ATMEL公司的低功耗CMOS串行EEPROM产品AT24C16，存储容量为16 K，通过I2C总线接口进行操作，具有写保护功能，数据可在断电情况下保存40天。显示电路选用OLED屏。OLED屏是利用有机发光材料受激辐射发光原理，因此无需背光、亮度高、功耗低，最符合系统需要。在实验室环境下测得土壤体积含水率（单位：%）、电导率（单位：dS/m）、温度（单位：℃）在OLED屏的显示结果如图5所示。

2.2 传感器接口电路

SDI-12采用串行数据接口，使用的波特率是1200 baud。SDI-12通信协议采用三线制，包括+12V电源线、数据线和地线。图6是SDI-12接口电路[6]，接口电路中增加了必要的电源电路等，以便和单片机连接形成数据采集控制系统，同时该电路带传输保护，可将多个传感器连接使用。SDI-12的数据结构为1位起始位、7位数据位（低位在前）、1位偶校验位、1位停止位[7]。图7表示SDI-12的命令及响应的时序，所有计时的允差为0.4ms。

2.3 控制电路

主控制电路采用STC12LE5A60S2单片机作为核心处理器。该系列单片机是宏晶科技生产的单时钟/机器周期（1T）的单片机，是高速/低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051，但速度快8-12倍，采用低压3.3V供电， 56 K Flash存储空间、1280 B静态存取内存、1 K可编程只读存储器，能够满足数据采集存储显示等工作，为系统的功能实现提供了基础和保障。

3 系统软件设计

系统软件采用模块化程序设计思想[8]，用C语言编写，程序主流程图和显示界面流程图分别见图8和图9，主要包括主程序模块、土壤传感器数据采集模块、SD1-12数据接口转换、核心数据运算控制、人机接口模块等模块构成等。子模块各司其能，有主程序统筹协调各模块依存关系，以期达到操作界面友好，数据采集效果理想，系统高度稳定的目标。

4 仪器试验

选取一块长方形连续地块作为研究区域，通过基于SDI-12总线的土壤多参数检测仪对采样点土壤剖面水分，电导率和温度进行测量，同时采用TDR100便携式土壤水分仪和电导率仪测定数据作为标准值，得到测量数据如表1所示，测量结果精度较高。

5 结束语

本文设计了一种基于SDI-12总线的土壤多参数检测仪，将传感器技术、数据通信技术和微计算机技术相结合，在实验室初步实现对土壤水分、电导率和温度等数据的实时采集与传输，具有集成成本低、可连接多个传感器和仪器、通信功耗低、速率高等优点。

参考文献：

[1]韩涛.基于无线传感器网络的农田土壤温湿度采集系统的研究与设计[D].山东：山东科技大学，2012.

[2]徐坤，张西良，李萍萍，等.便携式无土栽培基质多参数无线检测仪[J].农业机械学报，2015，46（3）：302-309.

[3]卢超.无线多点土壤电阻率测量系统设计与测试[J].农业工程学报，2013，29（16）：142-150.

[4]赵燕东，李宁，皮婷婷.土壤多参数复合测试系统研究[J].农业机械学报，2015，46（8）：289-298.

[5]摆玉龙，董存辉，单吉明，等.基于SDI-12总线的生态水文数据采集系统设计与实现[J].遥感技术与应用，2013，28（3）：453-458.

[6]王艇，李博.基于SDI-12总线的地下水监测系统设计[J].河南科技，2017（15）：36-38.

[7]程序，陈向飞.基于SDI-12的智能温湿度传感器系统设计[J].电子元器件应用，2009（12）：23-25.