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《南京信息工程大学》 2012年
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土壤温度、水分梯度测量的网络节点设计

陈啸晓  
【摘要】:土壤的温度与水分是影响农作物生长的重要因素,是农业气象观测的主要要素。对土壤的温度和水分进行实时观测,对农业生产决策具有重要意义。土壤温度和水分的观测需要在野外无人值守条件下完成,多数情况下需要进行多点观测,因此要求系统具有体积小、功耗低的特点,同时能通过一定的通信网络对观测结果进行传输与管理。由于土壤温度和水分在不同深度差别较大,因此在农业气象上需要观测土壤温度和水分的垂直梯度分布情况。近年来我国气象部门逐步在全国进行土壤温度和水分观测网点的布设。 论文设计了一种能对土壤梯度温度和水分进行实时观测并进行数据通信的系统。系统能够实现8路温度和8路水分测量,可以布设在土壤的垂直深度上,对土壤的温度和水分梯度进行测量;系统采用低功耗设计,可以电池供电;具有实钟日历功能,可以记录土壤参数对应的日期和时间;系统具有flash存储功能,在掉电时仍可以保存以前测量数据;系统具有多种有线和无线通信功能,可以满足不同条件下的通信要求,实现多点测量与数据管理。 系统硬件设计上采用数字与模拟,低频与高频分开的方式,包括数字控制板、模拟信号板以及射频通信板。数字控制板采用TI公司的超低功耗微控制器MSP430F149作为主控芯片,8路温度和水分信号通过2片24位A-Σ型AD转换器ADS1256完成信号的数字量转换。由于土壤温度和水分变化较为缓慢,各负载工作时间错开,设计PMOS开关控制负载供电,减少了系统功耗。外置的DS1302实时时钟以及8Mbit的flash存储器SST25VF080能在系统掉电时保存整点测量数据。控制器自带串口通过电平转换芯片MAX3232和SN6517B实现了RS232以及RS485通信功能,同时系统还利用CAN控制器和收发器扩展了抗干扰能力更强的CAN通信功能。系统设计了低电压的液晶显示模块,用于现场测量时的数据观测;模拟信号板上的测温电路是利用MAX494集成运放生成两路对地小恒流,并作用于三线制PT100以及对比电阻,通过测两者对地电压差变化来获取温度信号。测水分电路则是将水分传感器输出的信号进行合理分压缓冲后送给AD进行数字转换;射频通信板围绕ZigBee控制器CC2430设计了外围电路,并根据射频信号匹配原理利用LC元件搭建了CC2430与天线之间的Balun转换电路,实现了系统无线通信功能。 系统软件主要设计了各个功能模块的驱动程序,并为系统移植了μCIOS-Ⅱ实时内核用以管理各驱动程序,同时利用Z-Stack实现了系统的无线ZigBee组网通信功能。最后,还为本系统设计了配套的上位机观测界面。
【学位授予单位】:南京信息工程大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2012
【分类号】:S152;S126

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