0 引言

    近年來，在全球變暖的背景下，每年的干旱災(zāi)害發(fā)生面積不斷擴(kuò)大，隨著社會現(xiàn)代化的發(fā)展，因干旱造成的經(jīng)濟(jì)損失逐年增多^[1，2]。1990年以后,美國農(nóng)業(yè)部聯(lián)合NOAA和NDMC研發(fā)出對一周之內(nèi)的旱情進(jìn)行全面監(jiān)測的產(chǎn)品DM，可提供全美國干旱現(xiàn)狀的總體評估^[3，4]。近幾年，我國的抗旱工作不斷深入，國家逐步加大旱情監(jiān)測系統(tǒng)在全國普及的投入，目前國家防汛抗旱指揮系統(tǒng)二期工程正在建設(shè)中，意義重大^[5，6]。

    旱情監(jiān)測工作的特點(diǎn)決定了旱情監(jiān)測站點(diǎn)數(shù)量多、位置分散、數(shù)據(jù)采集難度大且效率不高而成本卻很大。本文結(jié)合旱情信息采集技術(shù)與無線通信數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，研制了基于STM32的旱情信息采集和數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸?shù)倪b測終端機(jī)?？蓪?shí)現(xiàn)對土壤含水率、蒸發(fā)量、降雨量和溫度的實(shí)時數(shù)據(jù)采集，并將采集的數(shù)據(jù)通過GPRS無線網(wǎng)絡(luò)上報(bào)給中心站；通過中心站基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的旱情等級預(yù)測模型，實(shí)時對遙測終端機(jī)上報(bào)的旱情參量數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合評估，實(shí)現(xiàn)了旱情等級的預(yù)測、預(yù)報(bào)，為當(dāng)?shù)乜购挡扇〖皶r有效的防治措施提供依據(jù)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

    依據(jù)旱情監(jiān)測的特點(diǎn)，本設(shè)計(jì)的土壤旱情監(jiān)測系統(tǒng)由監(jiān)測站和中心站兩部分組成，監(jiān)測站負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集，中心站主要對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析評估。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)如圖1所示。

    監(jiān)測站的設(shè)計(jì)是該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的下位機(jī)部分，它主要包括傳感器采集、遙測終端機(jī)、通信模塊和電源供電4個模塊。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

    按照遙測終端機(jī)的功能設(shè)計(jì)，其硬件電路主要分為主控制器最小系統(tǒng)模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、顯示模塊、通信模塊和系統(tǒng)電源模塊六部分。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

    數(shù)據(jù)采集模塊主要包含土壤含水率采集、蒸發(fā)量采集、降雨量采集和溫度采集4個模塊，通信模塊主要包括無線通信（GPRS通信）模塊和有線通信（RS485通信）模塊。

2.1 主控制器最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)

    MCU最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要參考STM32F103x數(shù)據(jù)手冊設(shè)計(jì)，其中使用外部振蕩源產(chǎn)生的高速外部用戶時鐘的外部晶振選用其典型的8 MHz配置，負(fù)載電容選用15 pF，與晶振構(gòu)成諧振器；使用外部振蕩源產(chǎn)生的低速外部用戶時鐘的外部晶振選用其典型的32.768 kHz配置，負(fù)載電容配置10 pF，與晶振構(gòu)成諧振器。此外，本系統(tǒng)采用從內(nèi)置SRAM啟動，設(shè)計(jì)中BOOT1和BOOT0引腳直接置高電平。具體電路設(shè)計(jì)如圖3所示。

2.2 數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計(jì)

2.2.1 土壤含水率和蒸發(fā)量傳感器接口設(shè)計(jì)

    本系統(tǒng)中土壤含水率和蒸發(fā)量都以4～20 mA模擬信號輸入，電路接口選用CD4051芯片設(shè)計(jì)出對這兩路模擬量采集的選通電路。為了使系統(tǒng)具有一定的拓展性，本系統(tǒng)還多設(shè)計(jì)一路模擬量接口。CD4051芯片電路設(shè)計(jì)如圖4所示。

2.2.2 溫度傳感器電路設(shè)計(jì)

    本系統(tǒng)溫度采集主要使用DS18B20數(shù)字溫度傳感器，它使用單總線通信，加上電源與地一共3個管腳，操作也很簡單。溫度采集電路如圖5所示。

2.3 通信模塊設(shè)計(jì)

    本系統(tǒng)通信模塊由兩部分構(gòu)成。一部分是在終端機(jī)主板上設(shè)計(jì)SIM卡座電路、標(biāo)準(zhǔn)模塊接口和模塊電源控制電路。另一部分是標(biāo)準(zhǔn)的DTU模塊（GPRS模塊或者CDMA模塊），本設(shè)計(jì)選用SIMCOM公司提供的SIM900A實(shí)現(xiàn)GPRS通信和SIM2000C實(shí)現(xiàn)CDMA通信。具體電路設(shè)計(jì)如圖6所示。

3 旱情等級預(yù)測模型設(shè)計(jì)

3.1 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法原理

    目前，可以使用線性回歸、灰色預(yù)測、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法等方法建立預(yù)報(bào)模型。線性回歸方法不能反映事物的內(nèi)在聯(lián)系，常數(shù)的選擇對數(shù)據(jù)修勻程度影響較大；灰色預(yù)測只適合指數(shù)增長的預(yù)測；遺傳算法的實(shí)現(xiàn)有許多參數(shù)，目前這些參數(shù)的選擇大部分依靠經(jīng)驗(yàn)，它也不能及時利用網(wǎng)絡(luò)的反饋信息。通過比較各種方法的優(yōu)缺點(diǎn)，由于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有自學(xué)習(xí)功能^[7]，可以不斷對其進(jìn)行實(shí)時修正，當(dāng)訓(xùn)練好網(wǎng)絡(luò)后，網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算則是相當(dāng)容易而快捷的，這對于解決實(shí)時調(diào)度問題具有很大的好處。因此，選用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)旱情預(yù)測是合理的。

3.2 旱情等級預(yù)測模型的具體構(gòu)建步驟

    BP算法實(shí)現(xiàn)的步驟如下：

    (1)將樣本進(jìn)行歸一化處理。

    (2)初始化連接權(quán)值、學(xué)習(xí)速率、閾值，隱節(jié)點(diǎn)設(shè)置為較小的隨機(jī)數(shù)。

    (3)導(dǎo)入輸入矢量X=[x₁，x₂，…，x_n]及期望輸出Y=[y₁，y₂，…，y_n]。

    (4)開始從第一個隱含層逐步計(jì)算每個單元的靜輸入值s_j：

式中，H代表輸出函數(shù)。

    (7)計(jì)算連接權(quán)的矯正值ΔW_ij。

    (8)再次執(zhí)行步驟(4)～(7)，直到均方差達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

    根據(jù)以上步驟將歸一化后的樣本導(dǎo)入BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行訓(xùn)練，使用MATLAB仿真軟件進(jìn)行BP網(wǎng)絡(luò)模型的訓(xùn)練。根據(jù)圖7所示，模型訓(xùn)練最大迭代次數(shù)為5 000次，在訓(xùn)練次數(shù)后停止訓(xùn)練。模型的初始均方差為1.32，目標(biāo)均方差為0.001，達(dá)到0.000 999時模型停止訓(xùn)練，最終訓(xùn)練誤差為0.000 999。訓(xùn)練過程如圖7所示。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

    對旱情的監(jiān)測主要是對土壤含水率的采集，本設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)在河南鄭州一農(nóng)田對土壤含水率進(jìn)行，步驟如下：

    (1)選擇地面平坦、土壤較均勻、遠(yuǎn)離溝壑或明顯比周圍土壤潮濕或干燥的地點(diǎn)作為測試點(diǎn)，再垂直挖一0.5 m左右的土坑，在坑壁土壤密實(shí)的地方分別選10 cm、20 cm和40 cm不同深度安裝土壤水分傳感器。同時，用環(huán)刀在每個插入傳感器的水平層上采集3個測試土樣，倒入鋁盒中并做好標(biāo)記。

    (2)將土壤水分傳感器分別與已設(shè)置好參數(shù)的RTU連接，將采集的土樣用0.1g精度的天平稱取土樣的重量，記作土樣的濕重M。在105 ℃的烘箱內(nèi)將土樣烘6～8 h至恒重，然后測定干土質(zhì)量，記作土樣的干重Ms。

    (3)由式(4)、(5)計(jì)算得土壤容積含水量：

式中：θ_V為土壤容積含水量(%)，V_W為土壤水容積，V_S為土壤總?cè)莘e(本實(shí)驗(yàn)中該容積為環(huán)刀體積)，M為土樣的濕重，M_S為土樣的干重，ρ_水為常溫下水的密度(1 g/cm³)。

    依據(jù)數(shù)據(jù)記錄，選定9月28日9點(diǎn)～9月29日9點(diǎn)各個站點(diǎn)上報(bào)數(shù)據(jù)，分別對10 cm、20 cm、40 cm處數(shù)據(jù)計(jì)算得各土層的土壤含水率平均值，對各土層的樣本烘干法獲得的數(shù)據(jù)記錄也作平均值計(jì)算。最后分別算出各土層的絕對誤差和相對誤差值。

    (4)最后對測量數(shù)據(jù)分別繪制折線圖，分析比較田間實(shí)測值和樣本測量值的擬合度，如圖8～圖10所示。

    如圖8所示，10 cm處各站點(diǎn)土壤含水率均在51%～53.5%之間，該層所測量的為田間表層土壤含水率，由圖可看出，該層土壤含水率較高。

    如圖9所示，20 cm處各站點(diǎn)土壤含水率均在17.5%～19.5%之間，該層所測量的為田間中層土壤含水率，由圖可看出，該層土壤含水率偏低。

    如圖10所示，40 cm處各站點(diǎn)土壤含水率均在27.5%～29%之間，該層所測量的為田間下層土壤含水率，由圖可看出，該層土壤含水率適中。

    通過實(shí)驗(yàn)對比發(fā)現(xiàn)，10 cm和40 cm處土壤含水率平均值比20 cm處土壤含水率平均值大，符合田間土層含水率規(guī)律；各個土層田間測量值最大值和最小值偏差量在一定范圍內(nèi)變化，這與不同監(jiān)測站點(diǎn)土層水分分布有關(guān)，但整體土層的土壤含水率在一定范圍內(nèi)；每個站點(diǎn)田間實(shí)測值和烘干法測量值偏差不大，田間測量值基本跟隨烘干法測量值。

    圖11所示是不同土層中田間測量值與樣本烘干法測量值對比相對誤差折線圖，從圖中可觀察到不同土層相對誤差在一定范圍內(nèi)變化不大，總體分析各土層相對誤差都在2%以下，符合系統(tǒng)土壤含水率測量要求。

5 結(jié)論

    本文在硬件電路的基礎(chǔ)上對土壤旱情監(jiān)測中最重要的參量土壤含水率進(jìn)行了田間試驗(yàn)，通過對取樣進(jìn)行烘干法操作，得到樣本的土壤含水率值，再與實(shí)測上報(bào)值進(jìn)行對比分析。結(jié)果表明，監(jiān)測系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)與樣本烘干法得到的數(shù)據(jù)誤差在設(shè)計(jì)允許范圍內(nèi)，符合設(shè)計(jì)要求。

參考文獻(xiàn)

[1] 鄭遠(yuǎn)長.全球自然災(zāi)害概述[J].中國減災(zāi)，2000，10(1)：14-19.

[2] 張俊，陳桂亞，楊文發(fā).國內(nèi)外干旱研究進(jìn)展綜述[J].人民長江，2011，42(10)：65-69.

[3] MARK S.The drought monitor[J].Bull Amer Meteor Soc，2002(83)：1181-1190.

[4] 孫麗，陳煥偉，趙立軍，等.遙感監(jiān)測旱情的研究進(jìn)展[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2014(1)：202-206.

[5] NFCS-ICS-PD-02.國家防汛抗旱指揮系統(tǒng)一期工程旱情分中心初步設(shè)計(jì)指導(dǎo)書[S].北京：水利部國家防汛抗旱指揮系統(tǒng)工程項(xiàng)目建設(shè)辦公室，2003.

[6] 國務(wù)院水利部.國家防汛抗旱指揮系統(tǒng)二期工程初步設(shè)計(jì)工作正式啟動[EB/OL].(2010-10-21)[2014-09-10].http：//www.mwr.gov.cn/ztpd/2014ztbd/.

[7] 王樹森，趙冬玲.一種基于附加動量法的改進(jìn)BP算法[J].濟(jì)源職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2012(3)：9-13.