基于GPRS技术的农田土壤水分检测校正系统.pdf

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1、基 于 G PR S 技 术 的 农 田 土 壤水 分 检 测 校 正 系统张磊1，2(1.河南城建学院 电气与电子工程系，河南 平顶山467036;2.江苏大学 电气学院，江苏 镇江212013)摘要:农田土壤水分的远程监控对农业 生产至关重要，因此设计并实现了基于G P R S远程通信的土壤水分检测校正系统，系统的采集节点以 C 8051F340单片机和 M C 55 模块为核心实地测试表明，该系统实现了采集节点和远程主机的无缝连接，使得大范围内实时精确地采集土壤水含量成为现实，同时满足了监控终端的可移动要求，并通过软件编程成功地解决了数据拥堵问题，重新连网的时间缩短到3 4s 关键词:单

2、片机;土壤水分含量;E C-5 传感器;农田土壤中图分类号:TP393文献标识码:A文章编号:1 003-1 88X(2 01 2)09-01 2 4-030引言在大范围的农业生产中，实时准确地采集土壤水分信息，不仅对节水灌溉和提高农作物产量至关重要，而且能够大量地减少人力和物力的投入而根据电磁学原理设计的 E C-5传感器可在较高精度下快速测量土壤水分，价格较低1-4;但它易受到盐分等因素的影响，因此需要获取土壤水分信息 补偿信息和为作物的生长创造最有利的条件近年来，在 G SM 系统上发展起来的基于通用分组无线业务的 G P R S(G eneralP ack et Radio Se r

3、vice)技术在远程控制与通信中得到了广泛应用5-6G P RS具有实时在线 登陆快速 费用低廉和传输速率高的优点，并且支持 I nt ernet上应用最广泛的 T CP/I P 协议该协议通过为监控终端分配的动态 I P 地址和 G G SN接入 I nt e r net，能够有效地保证信息采集终端与远程主机之间信息传递的可靠性和实时性要求随着监控要求的日益多样化，监控中心的随时移动开始受到人们的关注同时，在 G P RS 数据传输中可能会出现网络掉线和数据拥堵现象，而本文通过硬件设计和软件编程相结合来解决这些问题为此，本文设计并实现了基于 G P R S 的土壤水分远程检测校正系统，节点集

4、采集 控制 通信于一体，体积小，功能强通过 C80 51F340 单片机控制自带T CP/I P 协议的 M C55 模块，能够将数据实时 精确地传输到远程计算机通过实际测试和上位机数据收稿日期:20 11-12-22基金项目:国家863高技术研究发展计划项目(20 0 6AA10 Z2)作者简介:张磊(1979-)，男，河南平顶山人，河南城建学院讲师，江苏大学博士研究生，(E-mail)20 0 8_zhang_l e i 处理，得到了基于最小二乘支持向量机的土壤水分含量盐分校正模型，实现了监控终端的随时移动，证明了该系统的可行性1水分检测校正系统的组成该系统主要由采集节点 G P R S

5、网络 I nt e r ne t网络和远程终端控制 4部分组成(如图 1 所示)G G SN 网关是 I nt e r ne t网络和 G P R S 之间的桥梁在监控端，在没有公网 W e b服务器接收数据的情况下，只需将一张普通的 SI M 卡(具有 G P R S 功能)插入 P DA，就可以在任何覆盖有 G P R S 网络的地方接收数据，而不需要购买专线卡，既能降低成本又能增强通用性因此，该系统具有结构简单 易于实现 传输可靠的特点图 1系统组成图硬件设计主要包括节点控制模块 M C55模块，以及远程控制模块，采集节点包括控制模块和 M C 55 模块两部分(见图 2)控制模块的核心

6、是 C 80 51F340单片机，首先将各传感器采集到的模拟信号经 A/D 子系统转换成数字信号，并存储;然后将 AT参数命令以ASCI I码形式通过 U AR T 1 发送给 M C55 模块，最后将存储数据经 M C55 模块传输到 G P R S 网络节点电源选则电压为3.7V，充电限压为 4.2V，容量大于80 0mA的任意手机电池即可M C55 模块(西门子公司生产)是当今市场上尺寸最小的三频(数据传输频率是 850M Hz，1 800M Hz，4212012 年 9 月农 机 化 研 究第 9 期1 900M Hz)模块，且适用于全球 G P R S 网络内嵌有T C P/I P

7、协议，能够直接接入I nt ernet网络，节约开发成本，缩短了开发周期;可以通过 AT指令实现对模块的控制，极大降低了软件设计的难度图2系统硬件设计结构图(说明细线是命令，粗线是数据)远程控制模块既可以使用具有固定 I P 地址的W eb 服务器作为中转站，也可以使用 G P R S 网络上网卡动态接收数据，从而使得控制中心可移动在控制终端，将接收到的数据存入数据库，然后利用基于M at L AB 的最小二乘支持向量机建立土壤水分检测盐分补偿模型2软件设计分析2.1数据的采集与传输数据采集与传输的总程序设计流程，如图3 所示采集信息包括水分 盐分和位置信息，经滤波和放大后，由 C80 51F

8、340进行 A/D 转换;然后通过串行异步收发器控制 M C55 进行数据传输，波特率为 9600 bps，8 位数据位，1 位停止位，无奇偶校验位图 3数据采集与 G P R S 网络通信总的软件设计流程需要注意的是，若请求连网不成功，应先通过 AT SI SC=1 命令关闭当前连接，然后重新请求连网，否则M C55可能进入死机状态若发送 AT/r模块没有回应，则模块死机需要复位系统一般情况下在连网后，数据发送出去后应收到正确的回复信息，假如不正确，说明本次网络连接已无法正常通信，应该判断M C55是否死机，并重新请求连网当数据发送结束后，应该通过 AT指令使得 M C 55 进入休眠状态，

9、等待下一次数据传输，节约电池电量2.2 数据的接收与处理用 V isualC+c 软件编写 T CP 协议的服务端程序，界面如图 5 所示，并将所有数据存入数据库然后用基于 M at L AB 的最小二乘支持向量机建立土壤水分盐分补偿模型 7-8，其中 E C-5 的输出和盐分作为向量机的输入信号，T D R-3 和 E C-5 输出地差值作为输出信号，并采用交叉验证法得到最佳正规化参数和R BF 函数的参数3系统测试结果和分析3.1 G PR S通信过程中问题的解决3.1.1 监控中心的随时移动在以往的 G P RS 通信设计中，均用 I P 地址进行通信，均需要申请特定的 AP N 专卡而

10、在本设计 中，监控 中心可 以在任意 覆盖有G P R S 网络的地点，若该地有公网服务器，可将公网端口映射到 P D A上;若没有可以使用普通的中国电信G P R S 卡插入 P D A中，而这时每次通过该卡上网时，I P地址是变化的，因此每次连接都要通知采集节点更换I P 地址，增加了编程的难度而动态域名指向服务软件 花生壳 可以解决这个问题，只需在网上下载该软件，安装后在花生壳网站申请一个免费域名，这样每次通信时，只需运行花生壳客户端，并输入申请的用花名，花生壳就会把请求连接到 P D A的动态 I P 上编写程序时只需通过 sock e t连接申请的域名即可3.1.2数据拥堵在实际通信

11、过程中，由于网络限制流量 数据传输间隔短等因素，会出现数据拥堵现象，即模块发送的数据不能及时传送到远程终端，而是堆积在网络上，从而引起接收端数据延时或者接收不到数据本文采用软件编程的方法(如图 4 所示)成功地解决了该问题，如数据传输流程图所示，在发送数据前应根据调试经验设置合适的定时时间(本测试确定为 3s)，发送完数据后，立即进入接收中断同时开启定时器，如果在定时时间内接收到正确的反馈信息，则发送下一组数据;否则，定时时间到后，则关闭当前连接，重新请求连网经测试，该方法能够解决数据拥堵问5212012 年 9 月农 机 化 研 究第 9 期题，且重新连网的时间达到 3 4s(如图 5 所示

12、)，有 3次连网出现，且数据是连续的图 4G P R S 数据传输详细流程3.2土壤水分含量盐分补偿结果采集节点的数据经 G P R S 网络传送到上位机后，经 M at l AB 7.0处理后，得到的土壤水分含量盐分补偿前后效如图6 所示未补偿时，由于土壤盐分 T的影响，E C-5高估实际水含量，且偏差 E随 S的增大而增大;越大时，相同的 S引起的误差较大，最大误差为 0.0 98 4cm3 cm-3经过 补偿后，精度 可达0.15%，越大补偿精度越高(M SEm in=0.091 1)，因此选择合适的 L S-SV M训练参数，可以得到较高的训练精度图 5土壤水分 盐分 位置信息采集的

13、G P R S 通信测试结果注:+表示 E C-5的测量值 ，+表示烘干法得到的水分真实值 图 6E C-5土壤水分测试盐分补偿前后实验图4结论实地测试结果表明，基于 G P R S 技术的农田土壤水分检测校正系统能够实时 精确地远程采集水分含量，基于支持向量机的盐分补偿模型能够有效地提高水分检测精度因此，该系统在农业信息采集和补偿方面是安全可靠的参考文献:1吴涛，张荣标，冯友兵.土壤水分含量测定方法研究 J.农机化研究，20 07(12):213-216.2C o r w in D L，L es ch S M.Appa r ents o ilel ectr icalconductivi-t

14、y measur ement s in ag r icul t ur e J.Computer s and E l ect r on-ics in Ag r icul t ur e，20 05(4 6):11-43.3 Bog ena H R，Huis man J A，V er eecken H.E val uation ofal ow-costs oilw at er cont entsensorf o r w ir el es s net w or kappl i-cat ions J.Jour nalo fHydr ol og y，20 07(34 4):32-42.4 刘卉，汪懋华，王

15、跃宣，等.基于无线传感器网络的农田土壤温湿度监测系统的设计与开发 J.吉林大学学报:工学版，200 8(3):60 4-608.5 Kr ishnaS Nemal i，Fr ancescoM ontesano，SueK.D ove，etal.Cal ib r ation and per f or-mance ofmo istur e s ensor s in soill esssub s t r at es:E CH2O a nd T het a pr ob es J.Scient ia Hor t icul-t ur a e，2007(112)227-234.(下转第130页)6212012

16、 年 9 月农 机 化 研 究第 9 期:用现代化设计方法开发出了新型母猪精确饲喂设备本设备解决了以往设备下料控制不精确 称重结构不合理和使用寿命短等问题，进一步体现了现代化养殖理念其推广可以有效促进养殖业发展，提高养殖者的收益，具有重要的社会意义和经济价值参考文献:1王国跃，宋维龙.国内外畜牧业机械化发展的现状及趋势研究 J.农机化研究，20 08(5):233-235.2韦秀丽，高立洪，徐进，等.规模化养猪室内设备及其发展趋势 J.南方农业，2008，2(11):92-94.3 朱军.种猪数字化养殖平台的系统集成与应用研究 D.呼和浩特:内蒙古农业大学，2010.4 倪志江，高振江.智能化

17、个体奶牛精确饲喂机设计与实验 J.农业机械学报，2009，39(4):38-39.5 麦永强.用热镀锌工艺提高养猪设备的耐腐蚀性 J.广东农机，20 01(1):12.T S D O P F S S FangD ong yang1，YangYongk ang2，Zhao Feng xia1，L iu W uf a1(1.C ol l e g e ofM echanicalE ng ine ering，Zhe ng zhou Unive r sit y，Zheng zhou 450 0 01，C hina;2.He nan Heshun Aut omat ionE q uipme ntCO.LT

18、 D，Zhengzhou 450 0 02，China)A :I n orde rt o f ul f il lf e eding sowj ust if ie d，base d on modul arde sig n，t he st ruct ur e ofpr e cise f ee ding syst em f orsowis devel oped.T he cr it icalpar t s oft his de vice incl udes t he me chanism and cont r ol l ing sy st em ofin-door and out-door，t he

19、 f acil it y ofaccur at e me asuring in conve ying f ood and it s cont r ol l ing mechanism，t he st r uct ur e and mat erialoft horoughf ar e f rame off e edingde vice，and t he me chanism f orw e ig hing.Appl icat ion show s t hatt he precision oft r anspor-t ingf ee d is r aised.T he resist ance of

20、shock s ofin-door and out-dooris increased，and corr osion r e sist ance has be en e n-hance d.T here has be en a big ge rimprovementon ove r al lpe r f or mance oft he de vice.K :sow;precise f e eding;w eig hing(上接第 126 页)6Kel l ener s TJ，Soppe R WO，R ob ins on D A，et al.C al i-b r ation ofCapa cit

21、ance P r ob e Sens o r s using E l ect r ic Cir cuitT h eor y J.SoilScience Society ofAmer ica，20 04，68:430-439.7 M ag nus P er s son，Cint ia B er tacchi U vo.E s t imat ing soilsol u-t ion el ect r ical conduct ivit yf r om t ime domain r ef l ect ometr ymeas ur ements usingneur alnet w or ks J.Jo

22、ur nalofHydr ol o-g y，200 3，273:249-256.8M ar co Bit tel l i，Fior enzoSal vat or el l i，P aol a R oss iP isa.C or-r ect ion ofT D R-ba s ed soilw at er content meas ur ements inconductive s o il s J.G eoder ma，20 08，14 3:133-14 2.A ID:1003-188X(2012)09-0124-EAS W D C S B GPR S T Zhang L ei1，2(1.D e

23、part mentofE l ect r ical&E l e ct ronic E ng ine ering，He nan U nive r sit y ofU r ban C onst r uct ion，P ing ding shan 46700 0，China;2.Jiang su ofE l ect r icai E nginee r ing，Jiang su U nive r sit y，Zhe nj iang2120 13，China)A :T he r e mot e monit oringofsoilw at er f orag ricul t ur alpr oduct i

24、on is impor t ant，so t his pape rde signs and real ize sr e mot e communicat ion base d on G P RS ofsoilmoist ure de t ect ion cal ibrat ion syst e m，t he sy st em ofcol l e ct ing node t oC8051F340 sing l e-chip micr ocomput e rand M C55 modul e as t he cor e.Fie l d t e st show s t hatt his sy st

25、em can acq uisit ionnodes and r e mot e hostofseaml e ss conne ct ion，mak e t he scope ofr e al-t ime accurat e l y g at heringsoilw at e rcont e ntt o be-come a real it y，w hil e me e t ing t he monit oringt erminaloft he mobil e r e q uir e me nt s，and t hrough t he sof t w ar e pr og rammingsuccessf ul l y sol ve d t he dat a t raf f ic conge st ion，t o shor t e n t he t ime r e q uir e d t o t hree ofne t w or k ing-4 seconds.K :comput e r appl icat ion;f uzzy supportvect or;t heor e t icalr e sear ch;mul t i-cl ass;gr e enhouse pl ant disease;l and soil0312012 年 9 月农 机 化 研 究第 9 期