便携式土壤水分速测仪的研发背景及软硬件结构及设计
作为土壤水分传感器的应用研究，本文完成了便携式土壤水分速测仪的软硬件设计， 研制开发出系统样机，并通过试验验证其性能，达到了设计要求，实现了GPS数据的接收与处理、土壤水分的采集与存储等功能，并应用GIS软件 ArcView生成土壤水分分布图以监测土壤水分墒情，为变量灌溉的实施提供依据。
由于土壤结构及土壤水分的空间差异性造成了同一地块中土壤含水量的不同，这就需要墒情监测和变量灌溉技术。变量灌溉是当前精准农林业的主要发展方向之一，是实现节水农林业的有力措施。基于变量灌溉的要求，本文设计一种便携式土壤水分速测仪。便携式土壤水分速测仪的应用可分为两部分：(1)在田间采样时，单 片机系统的RS232串行口与GPS接收机的串行口相连接，实现与GPS接收机的通讯。同时，单片机系统的一个模拟信号输入端口与SWR土壤水分传感器探 头相连，测量土壤含水量，然后与GPS接收机发送过来的时间、地理位置数据结合形成一个数据块，存储在单片机系统的RAM中，以便传输到上位机进行数据处 理。(2)在工作室进行数据处理时，单片机系统的RS232串行口与上位机的RS232串行口相连接，将保存在RAM中的数据块传送给上位机，进行一系列 的数据处理，最终生成土壤水分分布图以监测田间土壤墒情，指导变量灌溉。系统主要功能见图1。
图1 便携式土壤水分速测仪的系统功能框图
便携式土壤水分速测仪的系统硬件结构设计根据系统功能要求，相应的硬件必须包括：与GPS及上位机通讯的RS232端口；接收SWR土壤水分传感器信息的功能端口；信息显示部件；程序与数据存储器；功能键盘。
便携式土壤水分速测仪的系统软件设计系统可分为两大部分：一部分为单片机系统，负责控制和数据接收、存储；另一部分为上位机系统，负责数据处理。考虑到两部分的特点及实现功能的差别，选用不同的语言工具来实现。
便携式土壤水分速测仪的单片机系统采用C语言作为编程语言。C语言具有功能强大、移植性好、更易于编程和结构化设计、程序可读性高等优点，并且其编译的代码紧凑，结构优良，运行效率也接近于汇编语言。目前在PC机的Windows平台中较为流行的编程工具有VC、VB、DELPHI等，兼顾到系统上位机 的功能需求和开发时间的限制，系统采用了功能较强、效率较高、开发速度较快的开发工具VB作为上位机的开发平台。
便携式土壤水分速测仪的单片 机系统软件设计：单片机部分的程序可分为4部分：主控制模块(主程序)、事件获取和执行模块、子功能模块(主要是按键功能模块和通讯模块)、显示模块。主程序主程序是整个单片机程序的入口和初始化部分，是程序运行的主体和总控制部分。主程序启动后，通过事件模块循环获取各按键事件状态并执行该按键事件，事件执行模块则调用相应子功能模块来完成用户所需的功能，而显示模块则显示系统运行的状态和数据结果。系统要实时监测地理位置信息(即GPS信息)，所以在系统开始运行时就必须实现与GPS接收机的通讯，同时显示模块要显示地理位置信息。这就要求系统与GPS接收机的通讯和显示GPS信息的工作要在主程序的 初始化阶段完成。单片机系统与GPS的通讯软件设计GPS接收机与单片机系统的通讯是在定时器中断方式下完成一个格式GPS数据的接收，而串行口以查寻方式工作，保证在一次定时中断中完成接收一个格式的GPS全部数据。这样使得程序结构简单、可靠、便于实现。此通讯程序分为三大模块：(1)设置GPS：包 括设置GPS的工作状态、基站点、信标、通讯的波特率9600bps、输出格式等，这一部分采用GPS开发商提供的系统。(2)设置单片机系统的通讯状态：包括设置单片机的波特率为9600bps、定时器定时时间1s、定时中断字等。(3)中断服务模块：包括读取、校验和存储GPS数据。
便携式土壤水分速测仪的单片机系统与上位机的通讯软件设计：单片机系统与上位机的通讯采用点对点的通讯方式，其中，单片机系统是发送者，上位机是接收者。当单片机系统开始发送时，先送一个“S”信号，上位机收到后回答一个“A”，表示同意接收。当单片机收到“A”后，开始发送数据，每发送一次求“校验和”，数据块长度为36个字节，数据缓冲区为buf，数据块发送完后马上发送“校验和”。
