摘 要： 針對高緯度低海拔地區(qū)的特殊地理環(huán)境，為了降低凍土對管道的危害，設計了由監(jiān)測終端和上位機監(jiān)控軟件組成的低功耗低成本的土壤監(jiān)測系統。該系統可以監(jiān)測土壤溫度、濕度及位移參數，測試精度為溫度0.1℃，濕度3%RH，位移3 mm。監(jiān)測終端可對自身工作狀況進行查詢和檢測，方便與計算機連接，可以現場調試、檢測和查詢，具有U盤存儲功能；通過GPRS模塊將監(jiān)測參數上傳到上位機進行遠程監(jiān)控。上位機具備電源管理功能，尤其是指示剩余電量；查詢結果可以用數據表格及圖形表示，報表可打??；能夠監(jiān)測記錄終端工作的狀況，人機界面友好，操作簡便。
關鍵詞： 低成本；低功耗；監(jiān)測系統；GPRS；遠程監(jiān)控
在0℃或0℃以下的環(huán)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(tài)，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(qū)及長白山、東北的大興安嶺及內蒙古的部分山區(qū)。據有關資料[1]表明，在新疆地區(qū)冬季凍土層最深達2.53 m，黑龍江地區(qū)冬季凍土層最深達2.94 m，內蒙古滿洲里地區(qū)冬季凍土層深達3.92 m。這種地區(qū)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(jié)周期較長的寒冷地區(qū)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(jiān)測系統設計
土壤監(jiān)測系統采用MSP430作為監(jiān)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(yè)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(jiān)測系統框架圖1所示。
1.1 監(jiān)測終端設計
監(jiān)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(huán)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(jiān)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(jiān)測點的數據。顯示部分只在現場調試中應用，正常工作狀態(tài)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(huán)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(jiān)測終端系統方案框圖如圖2所示。
1.2 上位機遠程軟件設計
上位機遠程監(jiān)控軟件采用C++Bulding[7]開發(fā)，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(jiān)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(fā)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。
2 監(jiān)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(jié)，電源由5 V精確穩(wěn)壓電路提供。
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(fā)送和接收數據，一個字節(jié)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(tài)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。
每個狀態(tài)信息采用2 B表示，高字節(jié)的高4 bit為符號位，低4 bit表示整數部分，低字節(jié)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(jié)，高字節(jié)的高4 bit非零表示100%，其他與土壤的狀態(tài)信息一樣。
2.3 GPRS模塊
數據收發(fā)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(yè)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(fā)送命令，以使GPRS處于接收數據狀態(tài)。同時，打開上位機遠程監(jiān)控軟件，等待GPRS數據的發(fā)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(fā)送給GPRS模塊，GPRS在接收到數據后，直接發(fā)送給上位機遠程監(jiān)控軟件。
3 上位機遠程監(jiān)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(jiān)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(huán)境（溫度和電池電荷剩余量），實時監(jiān)測。根據用戶需求不同，監(jiān)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(jiān)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。
根據方差和數據分析可知，在高緯度低海拔的環(huán)境中，土壤監(jiān)測系統的穩(wěn)定性和可靠性可以滿足一定用戶對監(jiān)測土壤參數信息的需求。
該系統實現對土壤變化的實時監(jiān)控，動態(tài)地監(jiān)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(jiān)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(jiān)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(jiān)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(huán)境提供了依據。土壤監(jiān)測系統的設計讓人們看到了日趨智能化的生活更加簡便。
參考文獻
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