文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.2015.08.008
中文引用格式: 溫宗周,,李瑛. 土壤旱情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用,,2015,41(8):30-33.
英文引用格式: Wen Zongzhou,,Li Ying. Design of soil drought monitoring system[J].Application of Electronic Technique,,2015,41(8):30-33.
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(huì)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(duì)一周之內(nèi)的旱情進(jìn)行全面監(jiān)測(cè)的產(chǎn)品DM,,可提供全美國干旱現(xiàn)狀的總體評(píng)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(cè)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(cè)工作的特點(diǎn)決定了旱情監(jiān)測(cè)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(cè)終端機(jī)??蓪?shí)現(xiàn)對(duì)土壤含水率,、蒸發(fā)量、降雨量和溫度的實(shí)時(shí)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(jí)預(yù)測(cè)模型,實(shí)時(shí)對(duì)遙測(cè)終端機(jī)上報(bào)的旱情參量數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合評(píng)估,,實(shí)現(xiàn)了旱情等級(jí)的預(yù)測(cè),、預(yù)報(bào),為當(dāng)?shù)乜购挡扇〖皶r(shí)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(cè)的特點(diǎn),,本設(shè)計(jì)的土壤旱情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由監(jiān)測(cè)站和中心站兩部分組成,,監(jiān)測(cè)站負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集,中心站主要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析評(píng)估,。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)如圖1所示,。
監(jiān)測(cè)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(cè)終端機(jī),、通信模塊和電源供電4個(gè)模塊。
2 硬件電路設(shè)計(jì)
按照遙測(cè)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(chǔ)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(gè)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(cè)設(shè)計(jì),其中使用外部振蕩源產(chǎn)生的高速外部用戶時(shí)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(shí)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(dòng),,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(hào)輸入,,電路接口選用CD4051芯片設(shè)計(jì)出對(duì)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(gè)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(jí)預(yù)測(cè)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(cè),、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(duì)數(shù)據(jù)修勻程度影響較大;灰色預(yù)測(cè)只適合指數(shù)增長的預(yù)測(cè),;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(shí)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(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)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(duì)于解決實(shí)時(shí)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(cè)是合理的。
3.2 旱情等級(jí)預(yù)測(cè)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,,…,,xn]及期望輸出Y=[y1,y2,,…,,yn]。
(4)開始從第一個(gè)隱含層逐步計(jì)算每個(gè)單元的靜輸入值sj:
式中,H代表輸出函數(shù),。
(7)計(jì)算連接權(quán)的矯正值ΔWij,。
(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(shí)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(duì)旱情的監(jiān)測(cè)主要是對(duì)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(duì)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(cè)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(shí),,用環(huán)刀在每個(gè)插入傳感器的水平層上采集3個(gè)測(cè)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(cè)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:θV為土壤容積含水量(%),VW為土壤水容積,,VS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,MS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(gè)站點(diǎn)上報(bào)數(shù)據(jù),分別對(duì)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(duì)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(duì)誤差和相對(duì)誤差值,。
(4)最后對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)分別繪制折線圖,分析比較田間實(shí)測(cè)值和樣本測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(duì)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(gè)土層田間測(cè)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(cè)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(gè)站點(diǎn)田間實(shí)測(cè)值和烘干法測(cè)量值偏差不大,,田間測(cè)量值基本跟隨烘干法測(cè)量值,。
圖11所示是不同土層中田間測(cè)量值與樣本烘干法測(cè)量值對(duì)比相對(duì)誤差折線圖,從圖中可觀察到不同土層相對(duì)誤差在一定范圍內(nèi)變化不大,,總體分析各土層相對(duì)誤差都在2%以下,,符合系統(tǒng)土壤含水率測(cè)量要求。
5 結(jié)論
本文在硬件電路的基礎(chǔ)上對(duì)土壤旱情監(jiān)測(cè)中最重要的參量土壤含水率進(jìn)行了田間試驗(yàn),,通過對(duì)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(cè)上報(bào)值進(jìn)行對(duì)比分析。結(jié)果表明,,監(jiān)測(cè)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(cè)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(dòng)[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(dòng)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.