李 卓，陳 智，劉海洋，宣傳忠，麻 乾

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院，內(nèi)蒙古呼和浩特 010018)

0 引言

土壤風(fēng)蝕是發(fā)生在北方干旱半干旱地區(qū)及半濕潤地區(qū)的重要生態(tài)過程，也是導(dǎo)致這些地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)退化的重要原因[1-2]。長期以來，由于自然和人為因素，加之干旱與多強風(fēng)的氣候致使農(nóng)田與草地土壤表層疏松干燥，土地退化與土壤風(fēng)蝕處于相互促進(jìn)的惡性循環(huán)狀態(tài)中，導(dǎo)致了這些地區(qū)以風(fēng)蝕為主要標(biāo)志的土地退化格局。目前，內(nèi)蒙古地區(qū)因風(fēng)蝕造成農(nóng)田退化的面積占該地區(qū)農(nóng)田總面積的46.9%，草地退化面積占草地總面積的70%以上[1]，不僅成為制約該地區(qū)農(nóng)牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展突出的環(huán)境問題，而且嚴(yán)重威脅著內(nèi)蒙古自治區(qū)這道生態(tài)防線的功能。因此，研究農(nóng)田和草地土壤風(fēng)蝕的任務(wù)十分緊迫。

開展土壤風(fēng)蝕研究必須借助于必要的監(jiān)測手段和方法，以獲得不同區(qū)域在不同時間大量而精確的風(fēng)蝕數(shù)據(jù)，建立土壤風(fēng)蝕野外觀測的專業(yè)觀測站及其基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的土壤風(fēng)蝕監(jiān)測系統(tǒng)實現(xiàn)風(fēng)蝕數(shù)據(jù)的實時采集與處理[3]。

隨著電子技術(shù)、計算機技術(shù)、傳感器技術(shù)的迅速發(fā)展，設(shè)計了一種以STC12C2052AD單片機、UTC4452B無線數(shù)據(jù)傳輸模塊和LabVIEW2010為平臺的無線多通道土壤數(shù)據(jù)自動采集處理系統(tǒng)。該系統(tǒng)集成多種傳感器于一體，實現(xiàn)了每1 s最多10路土壤風(fēng)蝕數(shù)據(jù)(空氣溫度、濕度、大氣壓力、風(fēng)速、風(fēng)蝕量等)的循環(huán)采集、無線傳輸和實時處理，并繪制出地表風(fēng)速廓線圖、平均風(fēng)速變化圖、近地表粗糙度變化圖等，為建立專業(yè)觀測站和大面積區(qū)域監(jiān)測網(wǎng)奠定基礎(chǔ)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

該系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集模塊、單片機控制模塊、無線數(shù)據(jù)傳輸模塊和數(shù)據(jù)處理模塊4部分組成。

數(shù)據(jù)采集模塊由溫濕度傳感器、大氣壓力傳感器、熱膜式風(fēng)速傳感器和集沙儀組成，完成對空氣溫濕度、大氣壓力、風(fēng)速、風(fēng)蝕量等環(huán)境參數(shù)的采集。單片機控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)對傳感器組的數(shù)據(jù)進(jìn)行定時讀取、處理、打包、并將數(shù)據(jù)包通過串口發(fā)送給無線數(shù)據(jù)傳輸模塊。無線數(shù)據(jù)傳輸模塊包括與PC機相連的接收部分和與單片機相連的發(fā)送部分，主要完成與單片機的數(shù)據(jù)通信、載波監(jiān)聽和數(shù)據(jù)收發(fā)等功能；后者主要完成數(shù)據(jù)包的接收并將數(shù)據(jù)包通過串口發(fā)送給上位機軟件等任務(wù)。數(shù)據(jù)處理模塊完成數(shù)據(jù)包的讀取、處理、顯示和存儲等功能。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

2 發(fā)送節(jié)點軟硬件設(shè)計

2．1硬件部分設(shè)計

發(fā)送器硬件電路原理圖如圖2所示。該硬件部分主要由單片機控制器、無線數(shù)據(jù)傳輸模塊和傳感器組組成。核心控制器STC12C2052AD單片機的速度比普通8051快12倍，片內(nèi)集成了256 字節(jié)RAM、2 K的ROM、2路16位定時器、1個異步串行通信UART、1個同步串行通信接口SPI、1個8通道高精度8位ADC、1個硬件乘法器和硬件除法器等[4-5]。無線數(shù)據(jù)傳輸模塊UTC4432B模塊集成了高性能低功耗的STM8L101處理器，采用最新一代高性能射頻芯片SI4432-B1，有正常模式、喚醒模式、省電模式和休眠模式4種工作模式，具有自動實現(xiàn)CRC校驗、多頻道選擇、包長度設(shè)定、包完整檢測和載波監(jiān)聽等功能。溫濕度傳感器P1和大氣壓力傳感器P2是雙總線數(shù)字型傳感器，風(fēng)速傳感器和集沙量傳感器是模擬信號傳感器，輸出電壓為0～5 V．

圖2 發(fā)送器硬件電路原理圖

另外，系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)接收器采用PC-RS-4432模塊，該模塊是一款USB接口的串口無線數(shù)據(jù)傳輸模塊，直接與PC機的串口相連，完成數(shù)據(jù)的收發(fā)功能。

2．2軟件部分設(shè)計

軟件部分程序設(shè)計采用集成開發(fā)環(huán)境Keil-μV4，主要包括系統(tǒng)主控程序、傳感器驅(qū)動程序、數(shù)據(jù)處理程序以及串口通信程序等。軟件程序流程圖如圖3所示。

發(fā)送節(jié)點上電啟動后，單片機首先初始化內(nèi)部寄存器和外部電路，設(shè)置SETA和SETB引腳為低電平，使UTC4432B模塊工作在數(shù)據(jù)收發(fā)模式下，等待單片機傳送數(shù)據(jù)包；同時置AUX為高電壓，單片機對各傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。單片機采集完一組數(shù)據(jù)后，將其按照表1所示的數(shù)據(jù)包格式[6]進(jìn)行打包并通過串口發(fā)送給UTC4432B模塊。在UTC4432B模塊收到一個完整的數(shù)據(jù)包后，將AUX端口置為低電平，并進(jìn)入到射頻發(fā)送狀態(tài)，開始檢測信道是否有載波存在；若有，則延時發(fā)送數(shù)據(jù)，當(dāng)檢測到信道內(nèi)沒有載波時，將數(shù)據(jù)包發(fā)送給接收機，并置高AUX.單片機在檢測到AUX為低電壓的過程中，一直處于等待狀態(tài)，只有AUX被置為高電壓后，才進(jìn)行下一次數(shù)據(jù)采集和發(fā)送過程，如此循環(huán)下去。

表1 數(shù)據(jù)包格式

表1中的第一行為數(shù)據(jù)包的域名，第二行表示該域名所占用的字節(jié)數(shù)。包頭為‘K’，包尾為‘M’，發(fā)送器節(jié)點的地址為1-255，接收器的地址為0，保留域的內(nèi)容默認(rèn)為0。

PC-RS-4432數(shù)據(jù)接收模塊直接通過USB與PC機進(jìn)行通信，一直處于數(shù)據(jù)接收模式下，當(dāng)檢測到信道中有載波時接收數(shù)據(jù)，然后通過CRC校驗和包完整檢測(數(shù)據(jù)包的長度設(shè)定為16字節(jié))，當(dāng)檢測無誤后，將接收到一個完整數(shù)據(jù)包通過USB串口發(fā)送給PC機中的上位機處理軟件進(jìn)行處理。

(a)發(fā)送器的工作流程圖

(b)接收器的工作流程圖

3 LabVIEW軟件系統(tǒng)設(shè)計

上位機軟件程序采用虛擬儀器軟件開發(fā)平臺LabVIEW2010設(shè)計，采用模塊化設(shè)計方法，各模塊的編寫互相獨立[7-8]，實現(xiàn)了串口數(shù)據(jù)讀取、分析、處理、顯示，風(fēng)速廓線計算與圖形繪制，地表粗糙度計算與圖形繪制，ACCESS數(shù)據(jù)庫存儲和風(fēng)速校正等主要功能。程序主界面如圖4所示。

圖4 程序主界面

3．1風(fēng)速廓線程序設(shè)計

風(fēng)速廓線是風(fēng)速隨高度的變化曲線，它可以估計出風(fēng)速垂直變化的強度，也可以估計出其他層的風(fēng)速大小。在保護(hù)性耕作和草原草場恢復(fù)中，由于地表存在大量殘茬和枯草，使近地表風(fēng)速為零的速度面不在地表，被抬高到一個高度H[1，9]。因此，在保護(hù)性耕作和草原草場恢復(fù)中研究風(fēng)速變化曲線可以有效的尋找到在不同風(fēng)速、不同留茬高度下風(fēng)速為零的速度面，為留茬高度提供科學(xué)的依據(jù)。

研究表明，近地表風(fēng)速隨高度變化較顯著，主要有兩種表現(xiàn)形式，一種是按照邊界層理論得出的對數(shù)風(fēng)速剖面，另一種是通過大量實測結(jié)果推得的指數(shù)風(fēng)速剖面[1]。

(1)對數(shù)規(guī)律風(fēng)速廓線方程為：

(1)

式中：u為高度z處的平均風(fēng)速；u*為摩擦流速；k為卡曼常數(shù)，常取0.4；z為距地表的高度；z0為空氣動力學(xué)地表粗糙度。

(2)指數(shù)風(fēng)速廓線方程為：

(2)

式中：u為距地面垂直高度z處的平均風(fēng)速；ur為風(fēng)速廓線上參考點r處的風(fēng)速；z為距地表的高度；zr為風(fēng)速廓線上的參考點r距地表的高度；α為地表粗糙度系數(shù)，α=0.12z0+0.18。

3．2地表粗糙度程序設(shè)計

空氣動力學(xué)地表粗糙度z0是地表上平均風(fēng)速減小到零的高度，也就是水平風(fēng)速為零的高度，可以反映地表對風(fēng)速的減弱作用和對風(fēng)沙流的影響[1，9]。

在土壤風(fēng)蝕和土地荒漠化領(lǐng)域，地表空氣動力學(xué)地表粗糙度大致可分為下面3種情況：

(1)定床地表粗糙度曲線為：

(3)

式中：z1、z2和v1、v2分別為同一地點處的兩個不同高度及其相應(yīng)的風(fēng)速。

(2)動床地表粗糙度曲線為：

(4)

式中：z1、z2和v1、v2分別為同一地點處的兩個不同高度及其相應(yīng)的風(fēng)速；vt為顆粒臨界啟動風(fēng)速。

(3)植被地表粗糙度曲線為：

vz=a+blnz

(5)

令vz=0即得：

z0=exp(-a/b)

(6)

式中：a和b分別為回歸系數(shù)。

3．3LabVIEW軟件系統(tǒng)工作流程

該LabVIEW軟件系統(tǒng)有兩個工作模式：測量模式和仿真模式。仿真模式是對測量模式下存入數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取仿真的過程，不需要硬件系統(tǒng)的參與。

系統(tǒng)在正常情況下工作在測量模式下，被測點將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送給軟件系統(tǒng)后，LabVIEW數(shù)據(jù)處理軟件首先將數(shù)據(jù)包存儲到ACCESS2007數(shù)據(jù)庫中，然后按照表1所示的數(shù)據(jù)包格式進(jìn)行分解，最后將溫度、濕度、大氣壓力和瞬時風(fēng)速按照傳感器的地址碼分別實時顯示到相應(yīng)的數(shù)據(jù)域內(nèi)，同時將風(fēng)速和集沙量存儲到瞬時風(fēng)速緩沖區(qū)和集沙量緩沖區(qū)中(每個緩沖區(qū)大小為10字節(jié)，每個發(fā)送器均有一組瞬時風(fēng)速緩沖區(qū)和集沙量緩沖)，當(dāng)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)填滿時，將10個瞬時風(fēng)速和集沙量進(jìn)行平均值計算，然后顯示到平均風(fēng)速域中，并將集沙量傳送給相應(yīng)數(shù)據(jù)處理部分。當(dāng)利用該系統(tǒng)進(jìn)行近地表風(fēng)速廓線繪制時，10個數(shù)據(jù)發(fā)送器的位置應(yīng)設(shè)置為在同一點的不同高度上，每得到10組平均風(fēng)速和平均集沙量后，將平均風(fēng)速進(jìn)行曲線擬合，得到近地表風(fēng)速廓線圖，此時得到的地表粗糙度數(shù)據(jù)被忽略；當(dāng)利用該系統(tǒng)進(jìn)行地表粗糙度計算時，10個數(shù)據(jù)發(fā)送器被分成5組，分別安裝在5個地點的不同高度上，再將10組平均風(fēng)速按每組發(fā)送器的地址碼進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理，得到地表粗糙度數(shù)據(jù)，此時得到的近地表風(fēng)速廓線圖被忽略。另外，系統(tǒng)還將10組平均集沙量發(fā)送給數(shù)據(jù)處理部分進(jìn)行集沙量曲線擬合與總集沙量計算。

該LabVIEW軟件系統(tǒng)具有風(fēng)速傳感器校正功能，利用在風(fēng)洞實驗條件下將不同風(fēng)速下熱膜風(fēng)速儀采集到的風(fēng)速數(shù)據(jù)和實際設(shè)定的風(fēng)速數(shù)據(jù)輸入到風(fēng)速校正界面相應(yīng)的位置，點擊保存數(shù)據(jù)后即可完成風(fēng)速儀的校正和配置文件中校正參數(shù)的修改，系統(tǒng)采用最小二乘法對兩組數(shù)據(jù)進(jìn)行多項式擬合，擬合次數(shù)為3次[1，10]。系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)包中的風(fēng)速數(shù)據(jù)會首先經(jīng)過該校正系統(tǒng)，然后才被傳遞給其他部分進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理。

4 試驗分析與數(shù)據(jù)處理

測試過程中，系統(tǒng)的數(shù)據(jù)接收器和10個數(shù)據(jù)發(fā)送器均使用8.5 cm的膠棒天線，模塊配置參數(shù)均為：433.9 MHz，空中速率1 kbit/s，串口波特率9 600 bit/s，數(shù)據(jù)包長度為16字節(jié)，開啟包完整檢測和載波監(jiān)聽功能。接收器離地面高1 m，本機地址和目標(biāo)地址均配置成“0”；接收器的本機地址依次配置為“1”到“10”目標(biāo)地址全部配置為“0”。

在同一地點上按照距地面高度為2 cm、6 cm、12 cm、18 cm、24 cm、30 cm、40 cm、50 cm、60 cm、70 cm安裝發(fā)送器，移動接收器，使其在距離發(fā)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的位置上進(jìn)行穩(wěn)定性測試。試驗表明：系統(tǒng)在1 000 m范圍內(nèi)可以順利完成組網(wǎng)、工作穩(wěn)定，丟包率和誤碼率幾乎為0，可以實時顯示各個測點處的溫度、濕度、風(fēng)速和大氣壓力數(shù)據(jù)，并可以根據(jù)計算出風(fēng)速的風(fēng)速平均值繪制出近地表指數(shù)風(fēng)速廓線圖和平均風(fēng)速曲線圖，試驗結(jié)果如圖4所示。

將LabVIEW軟件設(shè)置成“測量模式”，接收器的高度依次設(shè)定成傳感器的高度。系統(tǒng)啟動后，軟件自動將接收的各測點處的數(shù)據(jù)存入ACCESS2007數(shù)據(jù)庫中，并將風(fēng)蝕量數(shù)據(jù)分離出來并傳送給集沙量計算數(shù)據(jù)處理部分。該部分對10個風(fēng)蝕量數(shù)據(jù)進(jìn)行“多項式”和“指數(shù)”擬合并計算總風(fēng)蝕量。集沙量計算數(shù)據(jù)處理部分軟件界面如圖5所示，圖中顯示的是“多項式”擬合后的曲線及計算結(jié)果。

在地表覆蓋度為70%的保護(hù)性地表在挾沙風(fēng)情況下，利用LabVIEW系統(tǒng)對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后的結(jié)果與用傳統(tǒng)儀器采集到的數(shù)據(jù)在MATLAB中處理的結(jié)果的對比如表2所示。

表2 數(shù)據(jù)處理結(jié)果對照表

圖5 集沙量計算數(shù)據(jù)處理部分軟件界面

從表2可以看出，利用該系統(tǒng)測得的數(shù)據(jù)和處理后的結(jié)果基本符合實際，曲線擬合度與集沙量的誤差分別在0.55%和1%。

5 結(jié)束語

該系統(tǒng)具有自組網(wǎng)能力，功耗低，傳輸距離遠(yuǎn)，無需布線等優(yōu)點，降低了設(shè)計成本和系統(tǒng)的復(fù)雜性，將其應(yīng)用到土壤風(fēng)蝕的研究中，代替有線數(shù)據(jù)傳輸，可減少環(huán)境因素對測量所帶來的困難和對結(jié)果的影響，能夠穩(wěn)定的用于移動式風(fēng)洞中和野外風(fēng)蝕環(huán)境的數(shù)據(jù)采集，為土壤風(fēng)蝕的分析提供一個可信、完整的數(shù)據(jù)庫，為下一步對土壤風(fēng)蝕的分析，預(yù)測其變化規(guī)律以及建立區(qū)域無線網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測系統(tǒng)提供理論依據(jù)，具有很好的應(yīng)用價值。

參考文獻(xiàn)：

[1]麻碩士，陳智．土壤風(fēng)蝕測試與控制技術(shù)．北京：科學(xué)出版社，2010：59-61．

[2]董治寶，陳渭南，董光榮，等．植被對風(fēng)沙土風(fēng)蝕作用的影響．環(huán)境科學(xué)學(xué)報，1996(4)：437-443．

[3]宣傳忠，陳智，武佩，等．北方草原風(fēng)電場土壤風(fēng)蝕無線監(jiān)測系統(tǒng)的研究.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報，2013，18(4)：196-201.

[4]宏晶科技．STC12C2052AD系列單片機數(shù)據(jù)手冊[EB/OL]．(2005-10-04)[2013-08-28]．www．MCU-Memory．com．

[5]郭陽，杜捷．室內(nèi)照明用節(jié)能環(huán)保型LED電源的研究．電源技術(shù)應(yīng)用，2012(11)：142-144．

[6]張超，游林儒．多通道虛擬示波器伺服電機調(diào)試系統(tǒng)．儀表技術(shù)與傳感器，2012(5)：58-59．

[7]陳樹學(xué)，劉萱．LabVIEW寶典．北京：電子工業(yè)出版社，2011．

[8]李穎，藺韜，楊永亮，等．基于LabVIEW的PMSM伺服控制器測試系統(tǒng)設(shè)計．微電機，2012(9)：79-81．

[9]江沖亞，方紅亮，魏珊珊．地表粗糙度參數(shù)化研究綜述．地球科學(xué)進(jìn)展，2012，27(3)：292-303．

[10]曹淳，陳波，趙不賄．基于LabVIEW的超高壓自增強測試系統(tǒng)設(shè)計．儀表技術(shù)與傳感器，2011(11)：34-36．

作者簡介：李卓(1985-)，碩士研究生，主要從事環(huán)境控制與技術(shù)裝備等方面的研究。E-mail：lizhuo565956@sina．com