一种农业墒情监测系统的制作方法

本发明属于网络构建技术领域，尤其涉及一种农业墒情监测系统。

背景技术：

随着无线通信、集成电路、传感器以及微机电系统等技术的飞速发展和日益成熟，成本低、功能多、功耗低的小型传感器就可能被大量生产，给无线传感器网络的形成提供了必要条件，而无线传感器网络由于其通过无线连接的特点，在信息采集中则显出其独有的优势。

目前农业灌溉墒情监测中，传统的有线网络信息采集由于布线困难、易故障等因素已经不适合未来信息采集的发展趋势。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种农业墒情监测系统，旨在解决传统的有线网络信息采集由于布线困难、易故障等因素不适用于农业墒情监测系统的问题。

本发明是这样实现的，一种农业墒情监测方法，所述农业墒情监测方法包括：

现场墒情数据的收集；

对采集的墒情数据进行处理、分析，并以图形、数显或声音方式对外发布和展示，同时，对远程终端发布控制指令，通过建立水分的贝叶斯分布模型，利用土壤水分的边界条件，为土壤墒情预报提供高精度的基础参数。

进一步，所述贝叶斯分布模型为：f(θ,ρ,τ|w)∞f(w|θ,ρ,τ)f(θ)f(ρ)f(τ)；

用向量θ表示待率定的20个土壤水分运动参数，逆方差为τ的正态分布，即εk,i～n(0,τ)，自回归相关系数记为。

进一步，所述贝叶斯分布模型的构建方法包括：

用向量θ表示待率定的20个土壤水分运动参数，向量wk＝(wk,i,i＝1,2,…,n)^t表示第k个观测点的土壤含水率测量数据，其中：i表示观测时段，n为时段长，t为转置符，hydrus-1d模型模拟的第k个观测点土壤含水率，mk(θ)，与相应观测数据的残差向量，εk＝wk-mk(θ)，服从均值为0，逆方差为τ的正态分布，即εk,i～n(0,τ)。相邻时段残差之间的自相关性由一阶自回归模型ar(1)来描述，自回归相关系数记为ρ，根据贝叶斯定理，未知变量θ、ρ和τ的联合概率分布为：

f(θ,ρ,τ|w)∞f(w|θ,ρ,τ)f(θ)f(ρ)f(τ)；

其中：f表示概率密度函数；w表示所有观测点的数据；公式左边是各未知变量在给定数据w时的联合后验分布；右边第一项是给定数据时未知变量的似然函数，后三项是各未知变量的先验分布；

似然函数是给定参数θ时数据w被观测到的概率，根据正态性可知其为联合正态分布，对应于观测点k的土壤含水率数据wk，似然函数为：

其中：σ是残差εk的协方差矩阵，r是残差的相关系数矩阵，τ∑＝r。根据ar(1)模型，r由ρ唯一确定；

未知变量θ、ρ和τ的先验分布根据其特点分别构造，土壤水分运动参数θ的先验分布构造为均匀分布；θ中a和ks以其对数形式进行反演，自相关系数θ的先验分布为[0,0.99]区间的均匀分布，残差逆方差τ的先验分布构造为形状参数和逆尺度参数均为0.001的无信息伽玛分布。

进一步，所述贝叶斯分布模型的求解方法包括：

基于各未知变量的条件后验分布，通过em方法对贝叶斯联合概率分布进行估计，联合后验分布求得某一未知变量在给定其它所有未知变量时的概率密度函数，即为条件后验分布，土壤水分运动参数θ的条件后验分布为：

f(θ|·)∞f(w|θ,ρ,τ)f(θ)；

特别地，变量τ的条件后验分布仍是伽玛分布：

其中：γ()表示伽玛分布，m为观测点个数。

本发明的另一目的在于提供一种所述农业墒情监测方法的农业墒情监测系统，所述农业墒情监测系统扑包括：

现场无线传感器网络，用于进行现场墒情数据的收集；

远端管理中心，通过zigbee无线网关、gprs或互联网与现场无线传感器网络连接，用于对采集的墒情数据进行处理、分析，并以图形、数显或声音方式对外发布和展示，同时，对远程终端发布控制指令，通过建立水分的贝叶斯分布模型，利用土壤水分的边界条件，为土壤墒情预报提供高精度的基础参数。

进一步，所述现场无线传感器网络由zigbee无线网关、zigbee路由器、无线传感器节点、无线执行器控制节点、土壤湿度传感器组成。

zigbee无线网关，用于管理田地群的无线网络，负责网络的建立和维护，接收各田地各块田地中的zigbee路由器的传感器数据以及设备状态信息，同时发送控制命令给各块田地中的zigbee路由器；

zigbee路由器，用于对本田地内传感器数据处理并发送给zigbee无线网关，同时为其他田地控制器发送数据提供路由服务；

无线传感器节点，用于连接无线执行器控制节点和土壤湿度传感器。

进一步，所述zigbee无线网关或zigbee路由器包括arm核心处理器，arm核心处理器分别连接gprs模块、flash模块、cc2530模块、rtl8019as模块、电源模块和串行接口模块。

本发明提供的农业墒情监测系统，结合土壤的空间异质性以及该异质性导致反演维数升高问题，提出了基于zigbee技术的农田土壤剖面的含水量的采集方法，为土壤墒情预报提供高精度的基础参数；系统方便灵活；zigbee网络组网方便，一个zigbee设备可以根据农田的大小和农田内部的布局不同而执行不同的任务，可以采集数据也可以路由数据，在已有无线传感器网络基础上新增设备加入原网络也方便；三联自动控制，实时检测土壤墒情，实现土壤水分运动的识别以及预测，进行最佳灌溉量的估算，将作物根部土壤的含水率长期控制在适合其生长的设定值，具有自动控制和手动控制两种工作模式；适应性强，使用寿命长，系统采用高可靠性元器件，适应温度为-40～80℃、有凝结的极端环境，并且防潮、防水、防尘，使用寿命超过10万次；远程数据传输。利用gprs技术，实现系统参数的设置、远程通讯和控制。

本发明在田间具有多个墒情采集点的情况下，提出了田间采用zigbee节点部署的方案，设计了嵌入式平台下zigbee和gprs通信网关，解决了zigbee不能进行超远距离通信的问题，实现远距离数据遥控采集工作，整个系统只有网关使用收费网络，极大程度地降低了通讯费用；整个系统可以分散部署，突破了空间限制，为大型灌区多点实时联网监测提供了可靠保障。

本发明提出了灌溉土壤剖面的含水率贝叶斯推断模型，针对土壤水分模型参数的不确定性、输入不确定性以及残差不确定性提出了相应的表征参数，基于贝叶斯理论建立了统计推断模型，基于一阶自回归模型推导了似然函数，估计了各变量的先验分布，从而完整地建立了土壤剖面的含水率的贝叶斯推断模型。

本发明提出了土壤水分运动参数的em估计方法，通过土壤墒情传感器获取土壤在多个位置和多个时刻的土壤含水率观测数据，选择极大似然估计算法，利用原位多点土壤含水率观测数据反演多层土壤持水和导水特征参数的贝叶斯方法，有效地估计了天然动态边界条件下的田间尺度土壤水分运动参数。参数后验估计结果与室内试验值具有较好的一致性，成功地解决了土壤的高维贝叶斯联合概率分布采样问题，得到了参数的后验边缘分布。

本发明为高精度墒情预测提供了基础参数，土壤水势等观测数据与土壤含水率观测数据同时用于参数反演，以期进一步降低土壤水分运动参数的不确定性。参数后验估计结果用于模拟土壤水分运动具有较高的精度，可作为高精度土壤墒情预报的基础参数。

本发明为专家知识决策提供了基础参数，墒情监控决策支持中常用的农田水量平衡方程所需的作物蒸发蒸腾量、深层渗漏量、地面径流量、土壤有效储水量等，提出的灌溉计划策略和实时灌溉策略采用获取相对较为容易的作物生育期和不同生育期土壤含水量阈值作为专家知识，并根据墒情监测进行灌溉决策，对于测墒灌溉具有一定的参考价值。

本发明的社会经济效益：

(1)社会效益

1)将极大地提升我国农村水利信息的产业化、规范化、信息化整体管理水平，促进产业结构升级，有助于改善投资环境，扩大对外开放；

2)本发明所采用的产品均属自主研发或者国内生产，可为无线传感器网络应用于农村灌溉行业技术标准参考；

3)本发明完成既定目标后，可对无线传感器网络在其他领域的应用起到示范性作用，推动无线传感器网络产业的应用发展；

4)在本发明的研发过程中，为社会培养高层次的无线传感器网络技术应用人才。

(2)经济效益

1)发明形成的生产能力

发明建成投产后，预计前两年可累计实现销售收入300万元。以下计算按照保守估计，每年仅按销售10套计算。

2)发明盈亏平衡点分析

该发明产品平均不含税单价按每套7.5万元，每套边际成本1万元，产品销售寿命按5年计算，每年的固定成本约为43万元，因此采用量—本—利分析法，计算销售盈亏平衡点：

达到盈亏平衡点时的销量＝年固定成本/[单价-单位边际成本]＝43/[7.5-1.0]＝7套

由此可见，每年销售7套时可实现保本。

3)计算投资回收期分析

按每年销售量10套计算，年销售收入为75万元，总费用成本43+10万＝53万元，可实现毛利润22万。该发明购置及占用的固定资产费用(软硬件)总计40万，按5年的期限摊销，每年折旧8万元。

因此：投资回收期＝投资总额/(年利税+年折旧)＝40/(22+8)＝1.3年

(4)发明收入分析

初步测算，发明建成投产后，年销售为10套计，年销售收入75万，每年实现毛利22万元。

附图说明

图1是本发明实施例提供的农业墒情监测系统结构示意图。

图2是本发明实施例提供的无线网关或路由器结构示意图。

图3是本发明实施例提供的arm核心处理器电路图。

图4是本发明实施例提供的arm核心处理器复位电路图。

图5是本发明实施例提供的系统时钟电路图。

图6是本发明实施例提供的电源原理图。

图7是本发明实施例提供的5v和4v电源原理图。

图8是本发明实施例提供的存储器电路图。

图9是本发明实施例提供的gprs模块原理图。

图10是电源控制电路原理图。

图11是本发明实施例提供的mg2639_v2串口电平转换为3.3v电路示意图。

图12是本发明实施例提供的led指示灯接口电路图。

图13是本发明实施例提供的sim接口电路图。

图14是本发明实施例提供的cc2530应用电路图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。

如图1所示，本发明实施例的农业墒情监测系统拓扑包括现场无线传感器网络和远端管理中心。

现场无线传感器网络：进行现场墒情数据的收集，由zigbee无线网关、zigbee路由器、无线传感器节点、无线执行器控制节点、土壤湿度传感器组成。

zigbee无线网关：充当田地群现场总控制器，管理田地群的无线网络，负责网络的建立和维护，接收各田地各块田地中的zigbee路由器的传感器数据以及设备状态信息等，同时发送控制命令给各块田地中的zigbee路由器。

zigbee路由器：各块田地中的zigbee路由器充当单块田地控制器，对本田地内传感器数据处理并发送给zigbee无线网关，同时为其他田地控制器发送数据提供路由服务。

无线传感器节点即为图中的终端，无线传感器节点连接无线执行器控制节点和土壤湿度传感器。

采集传感器数据并发送给本田地zigbee路由器。

无线执行器控制节点：接收本田地zigbee路由器发来的控制命令驱动控制田地内执行机构。

土壤墒情数据的收集主要由土壤湿度传感器来完成。

现场无线传感器网络通过gprs网络或internet网络，进行墒情数据的传输，将数据传输给管理中心。

远端管理中心对采集的墒情数据进行处理、分析，并以图形、数显或声音等方式对外发布和展示，同时，对远程终端发布控制指令，通过建立水分的贝叶斯分布模型，利用土壤水分的边界条件，为土壤墒情预报提供高精度的基础参数。

本发明实施例的贝叶斯分布模型的构建方法包括：

用向量θ表示待率定的20个土壤水分运动参数。向量wk＝(wk,i,i＝1,2,…,n)^t表示第k个观测点的土壤含水率测量数据，其中：i表示观测时段，n为时段长，t为转置符。假设hydrus-1d模型模拟的第k个观测点土壤含水率，mk(θ)，与相应观测数据的残差向量，εk＝wk-mk(θ)，服从均值为0，逆方差为τ的正态分布，即εk,i～n(0,τ)。相邻时段残差之间的自相关性由一阶自回归模型ar(1)来描述，自回归相关系数记为ρ。根据贝叶斯定理，未知变量θ、ρ和τ的联合概率分布为：

f(θ,ρ,τ|w)∞f(w|θ,ρ,τ)f(θ)f(ρ)f(τ)(6.4)

其中：f表示概率密度函数；w表示所有观测点的数据；公式左边是各未知变量在给定数据w时的联合后验分布；右边第一项是给定数据时未知变量的似然函数，后三项是各未知变量的先验分布。

似然函数是给定参数θ时数据w被观测到的概率，根据正态性假设可知其为联合正态分布。对应于观测点k的土壤含水率数据wk，似然函数为：

其中：σ是残差εk的协方差矩阵，r是残差的相关系数矩阵，τ∑＝r。根据ar(1)模型，r由ρ唯一确定。假设各观测点的数据相互独立，则所有数据对应的似然函数是各观测点数据对应的似然函数的乘积。由于土壤含水率的变化很平稳，模型残差的自相关性很强；而边界条件和土壤水观测数据的系统误差也导致了模型残差的强自相关性，所以在此将ar(1)模型的时段长取为30天来削弱这种自相关性，避免出现ρ趋近于1时数值计算的不稳定性。

未知变量θ、ρ和τ的先验分布根据其特点分别构造。土壤水分运动参数θ的先验分布构造为均匀分布，取值范围根据经验并参考相关文献给出；由于参数后验分布接近正态分布便于估计，所以θ中a和ks以其对数形式进行反演。自相关系数θ的先验分布为[0,0.99]区间的均匀分布。残差逆方差τ的先验分布构造为形状参数和逆尺度参数均为0.001的无信息伽玛分布。

贝叶斯分布模型的求解

基于各未知变量的条件后验分布，通过em方法对贝叶斯联合概率分布进行估计。联合后验分布求得某一未知变量在给定其它所有未知变量时的概率密度函数，即为条件后验分布。土壤水分运动参数θ的条件后验分布为：

f(θ|·)∞f(w|θ,ρ,τ)f(θ)(6.6)

特别地，变量τ的条件后验分布仍是伽玛分布：

其中：γ()表示伽玛分布，m为观测点个数。

数据服务器负责数据存储和管理，为确保数据的安全，数据服务器配置冗余磁盘阵列。数据服务器的设置使数据能集中存储和处理，便于系统维护，也提高了系统的可靠性。数据服务器中墒情数据库主要分为两种：一种为存储原始数据的数据库，用于存储从现场设备层传输来的数据，并且通过软件进行数据分析、数据建模以及预测；另一种为终端数据库，原始数据经处理建模后，再由数据处理和分类软件自动分类存储于终端数据库中，通过web服务器，可以将终端数据库中的数据以图表的方式发布在互联网上。

如图2所示，zigbee无线网关或zigbee路由器包括arm核心处理器1，arm核心处理器1分别连接gprs模块2、flash模块3、cc2530模块4、rtl8019as模块5、电源模块6、串行接口模块7。

主控系统以微处理器stm32f103为核心部件，设计了电源供电模块、时钟晶振电路模块、脉冲信号检测、两路光耦合开关接口电路、基于modbus通信协议的4～20ma通用通信接口、标准的rs485工业通信接口、gprs通信模块、存储系统模块等外围电路。cpu核心电路如图3所示。

stm32f103vet6处理器是arm结构，采用lqfp100封装，基于cortex-m3内核的32位嵌入式高速处理器，哈佛总线结构，90dmips运行速度，72mhz主频运行的cpu，有连接到两条apb总线的外设。

系统复位电路主要功能是在系统上电时提供复位信号，当系统电源稳定后，复位电路复位信号撤销。芯片在上电之后，运行情况并不明确，很容易造成程序跑飞和系统死机的情况，为了防止这种不稳定的状态，所有的微控制器都需要一个复位逻辑将处理器芯片进行初始化为一个特定的状态。为了达到稳定可靠复位，复位电路都采取一小段延时后复位信号才撤销，以防止电源开关过程中产生的抖动影响复位效果。stm32f103的系统复位电路如图4所示。

晶振时钟电路：nrst引脚是stm32f103芯片的复位引脚端，在电路设计当中，采用了电阻和电容，当按下电源按钮后，电容放电回路形成了rc复位电路。在处理器运行的时候，手动按下复位按钮，reset信号变成低电平，可以使处理器发生复位。系统上电的时候，电源电压有瞬间的下降时期，这个时候电容迅速充电，也能在同时产生一定宽度的电源毛刺保证系统的复位功能。目前，所有的芯片处理器电路都属于时序电路，需要一个时钟信号才能使得芯片正常地工作，stm32f103芯片使用的是外部的晶振或外部的时钟源，芯片内部具有pll电路，可以具体调节整个系统的时钟信号，使得芯片运行速度更加快速，可以将时钟频率倍频至最大120mhz。stm32f103系统时钟电路如图5所示。

系统中外部时钟信号连接引脚为osc_in和osc_out，连接的是25mhz的外部晶振。stm32f103芯片还有一个lse时钟电路，它是一个实时时钟电路，即为osc32_in和osc32_out引脚所连接的晶振电路，它能为其他的定时功能提供一个精确的、低功耗的时钟源信号。这个时钟电路外接的是一个32.768khz的外部时钟源。

电源电路设计：一个完整的系统是否能够正常的工作，电源供电模块是必不可少的部分。而系统能否稳定地运行，电源供应是否稳定可靠是其首要的关键因素。在设计电源模块的时候，不仅要考虑电源模块的电气参数特征，还必须要考虑到电源模块的稳定性特征和安全性特征，如电源的安全性能设计、电磁兼容特性、工作温度范围、耐压值范围等各种因素。如果任意一个因素发生了错误或者是故障，都会导致整个系统不能正常稳定地工作，甚至造成不可预计的系统伤害和损失。

本发明采用了一个输出12v的电源输出模块，直接由市电220v通过这个电源输出模块而得到±12v电源，作为总的电源模块中的原始电源。由于信号调理电路中运算放大器的工作电压为12v，因此12v电源供给信号调理电路。stm32f103芯片的工作电压都是+3.3v，可由+12v电源经过一个可调试稳压芯片lm2576-5转化为5v电压。5v电源转换为3.3v电路如图6所示，本发明为小电流供电电路，如需要大电流供电，电容c7、c9采用100μf/16v电容即可。

在模拟量调理模块还有一个电源基准电路产生一个1.23v的基准电压，使用+12v电源通过高精度基准可调电源芯片lm2576adj获得。各部分工作电源结构如图7。

存储接口设计：w25x32芯片简介；存储器flash采用华邦公司生产的w25x32型号的芯片。w25x32的flash存储器(32m比特/4m字节)可以为存储解决方案，具有“pcb板占用空间少”、“引脚数量少”、“功耗低”等特点。与普通串行flash相比，使用更灵活，性能更出色。它非常适合做代码下载应用，例如存储声音，文本和数据。工作电压在2.7v～3.6v之间，正常工作状态下电流消耗0.5毫安，掉电状态下电流消耗1微安。所有的封装都是“节省空间”型的。w25x32支持标准的sip接口，传输速率最大75mhz。四线制。

另外，芯片还具有保持引脚(hold)、写保护引脚(wp)、可编程写保护位(位于状态寄存器bit1)、顶部和底部块的控制等特征，使得控制芯片具有灵活性。w25x16工作电压是3.3v，串行flash存储特征为32m比特(bit)/4m字节(byte)。每页256字节统一的4k字节扇区(sectors)和64k字节块区(blocks)，数据传输速率最大150m比特每秒，通过双输入/输出口功能可以使传输速率有效的提高至300mbps。最大10万次擦写次数，20年存储。正常工作状态下为0.5毫安，掉电状态下为1微安，工作温度范围是-40℃～+85℃。

存储器电路设计：w25x32第一引脚/cs为芯片的选择与主控微处理器flash_nss引脚连接，完成片选信号。当cs为高电平时，芯片被禁能，器件功耗将处于待机水平，当cs为低电平时，使能芯片，此时功耗增加到激活水平，就可以进行芯片的读写操作了。上电之后，执行一条新命令之前必须使cs引脚先有一个下降沿。cs引脚可以根据需要加上拉电阻。flash_clk为spi时钟的引脚，为输入输出提供时序。mosi引脚数据输入与控微处理器flash_mosi连接完成数据的输入，数据，地址和命令从mosi引脚送到芯片内部，在clk引脚的上升沿捕获。miso引脚为数据输出与主控微处理器flash_miso连接完成数据的输出，下降沿为输出数据。保持引脚/hold，当cs为低电平，且hold为低电平时，flash_mosi引脚处于高阻抗状态，而且也会忽略flash_miso和clk引脚上的信号。把hold引脚拉高，器件恢复正常工作。

下图8为w25x32芯片电路连接图：

gprs模块设计：gprs系统数据传输速率高，覆盖范围广，而且能够方便地实现与internet无缝连接，是性价比很高的通信方式。一般有两种方式接入gprs/gsm网络：第一种是使用gprs外置modem的方式，这种方式一般由gprs模块、sim卡、电源变换、rs232接口及简单的控制电路几部分组成；第二种是使用gprs无线收发模块，这种方式只需要根据模块的接口方式来设计相应的接口电路，微控制器发送采集终端测报信息的ip包到无线收发模块，经相应处理之后再转发，或是基站传来的分组数据由无线收发模块接受，再交给微控制器处理。由于该采集终端在野外环境使用，在只有太阳能蓄电池供电情况下，若采用外置modem方式，本发明的电源管理能力不足。所以设计采用嵌入式无线通信模块的方式，这种方式提高了设备终端的整体性，稳定性，也有效利用了电源供应。

本发明选用中兴公司生产的mg2639_v2模块，该模块工作频率为gsm850/egsm900/dcs1800/pcs1900四频工业。mg2639_v2模块对外采用的是28pin邮票孔的方式与外部连接，可以内置到机顶盒、车载台等物联网应用中，随时随地收发email、浏览网页、高速下载等。在具有gsm网络覆盖的地方，可以随时随地连接互联网，还具有收发短信息(sms)、语音通话等功能，在移动数据通信领域，为用户提供了高度自由、方便快捷的解决方案，真正实现移动办公的梦想。

mg2639_v2模块集成了高性能的gsm/gprs基带处理，无线频率电路包括功率放大器和天线接口。存储包括flash和ram两部分，其中静态ram用于存储gprs连接软件，软件可通过at指令可以控制gprs模块工作。电源方面，mg2639_v2模块本身可以通过锂电池供电，也可通过本发明的受控电源部分供电。是一个低能耗的模块，非常适合农业墒情监测系统，该模块最小电流仅为3ma，不需要工作的时候可以自动进入节电模式，需要的时候可以唤醒，工作时功率消耗在1w到2w之间。工作环境温度满足设计要求，在-20℃和+55℃之间，即使超过该温度范围，系统也会自动关机，增加了可靠性mg2639_v2内嵌了tcp/ip协议栈，可由at指令驱动，便于连接internet。该模块与其他同类型的模块相比更加稳定可靠，性价比也较高，其技术性能完全适应农业墒情监测系统的野外环境，符合的设计要求。

模块电路设计：gprs模块主要包含串口接口、电源控制接口、指示灯接口以及sim接口，具体的gprs模块接口图如图9所示。

电源控制接口：电源控制电路如图10所示，模块在正常上电后处于关机状态。给on/off管脚一个持续时间2s～5s的低电平脉冲模块即可开机。如在pwrkey_n管脚对地接1k电阻，则上电后可以自动开机。使用at指令“at+zpwroff”关机，或给模块on/off管脚一个持续时间2s～5s的低电平脉冲关机。

(1)要求对电源和地做相应的滤波处理，电源纹波控制在50mv左右，且该电源不要给系统中的其他部分供电，否则将可能影响射频性能。

(2)布线时电源线要大于80mil，并保证地线的完整性。

(3)最大输入电流要求比较大，务必保证瞬态最大输出电流>2a。

串口电平兼容设计：mg2639_v2模块提供一个完整全双工uart1接口(以下简称uart串口)和一个辅路uart2接口，最大波特率为115200bps，对外接口为2.8vcmos电平信号，符合rs-232接口协议中的规定。完整全双工uart1串口可作为串行数据接口，通常用于at指令、数据业务、升级模块软件等。辅路uart2接口可以作为软件调试应用。注意：客户在使用模块做整机设计时需引出uart1，用于模块软件升级。模块输出i/o电平为2.8v，与标准3.3v或5v逻辑电路连接时(如mcu或rs232驱动芯片max3238等)，需经电平转换，常见的做法是采用三极管实现电平转换，图11所示为mg2639_v2串口电平转换为3.3v电路示意图。

led指示灯接口设计：设计了2路的指示系统，一路使用绿色发光二极管用于指示gprs开关机状态，另外一路使用红色发光二极管指示数据的传输状态。具体的原理图如12所示。

sim接口设计：mg2639_v2模块的连接器和外部的sim卡固定器之间需要布线，连接器中有六个引脚用于sim的接口。sim电路接口电路设计如图13所示，六个引脚的功能如下所述：

ccgnd：sim卡的独立地，可提高emc性能；

ccio：输入/输出的串行数据线；

ccclk：sim卡时钟，时钟频率可设置ccvcc：mg2639_v2电源模块引脚，为sim卡提供电源；

ccrst：sim卡的重启信号；

ccin：输入，用于是否有sim卡插入的判断；该引脚是gsm11.11强制要求的，目的是保障运行中移除sim卡时的安全性。

mg2639_v2模块的连接器和外部的sim卡固定器的连接需注意：

(1)sim卡电路pcb布线尽可能靠近模块。

(2)建议vsim、clk、data、rst信号走线都包地，同时在靠近sim卡座的位置clk、data和rst信号走线上保留33pf电容的位置，电容的位置是加在靠近sim卡座的位置，防止其他干扰源干扰sim卡的读写操作。

(3)esd器件的位置靠近sim卡卡座，建议在4路sim卡信号上都加tvs器件，同时进行layout时信号线需先经过tvs器件，再进入模块的基带处理器，防止损坏模块。

(4)vsim电源的走线线宽最少要在6mil以上(建议采用8mil)。

(5)vsim电源走线滤波电容采用的是1μf(封装为0402，该值不能大于10μf，也不能小于1μf)再并上0.1μf电容。

gprs天线接口：mg2639_v2模块天线部分应采取必要措施避免有用频段干扰信号，在外部天线和射频连接之间要有良好的屏蔽，而且，要使外部的射频缆线远离所有的干扰源，特别是高速数字信号及开关电源等。mg2639_v2模块所用天线按照移动设备标准，驻波比应在1.1～1.5之间，输入阻抗50ω。使用环境不同，对天线的增益要求也不同，一般情况下，带内增益越大，带外增益越小，天线的性能越好。当使用多端口天线时，各个端口之间的隔离度应大于30db。如双极化天线的两个不同极化端口，双频天线的两个不同频段端口之间，以及双频双极化天线的四个端口之间，隔离度应大于30db。mg2639_v2模块提供两种对外天线接口，客户可以根据自身产品的形态进行合理的选择，从而达到bom成本最优。

使用射频测试作为天线反馈点的时候，需要把pin2与所在的主板断开，并且要保证pin2下面以及周边有一定的净空区域，具体做法是pin2表层需要和gnd保持2mm的间距，pin2正下方，需要挖空处理。不允许在使用射频测试座的时候同时使用pin2的兼容设计。

zigbee通信接口：处理器模块是传感器节点的核心部件，节点的功能实现、任务调度、通信状态、工作状态、数据处理融合、通信协议、路由协议、应用层协议等都由处理器模块实现，所以处理器芯片的选择在节点的硬件设计中非常重要。

zigbee芯片cc2530带有射频收发前端，属于高频电路，在pcb的设计上需要特别注意，首先，高频的pcb板材不同于普通板材，且价格较高，其次，将高频与低频数字、模拟系统设计在一起容易引起相互间的干扰，产生严重的emi，影响系统稳定性，因此本系统将其进行了模块化设计。

cc2530的应用比较简单，只需要外接少数的电路即可实现。因为cc2530本身带有射频的功能，一般对于小功率网络节点的设计不需要外加额外的射频芯片，cc2530外加一些简单电路即可实现射频功能。图14为cc2530的外接电路。

(1)晶振输入源

对于晶振的计算：y2的大小为32mhz，其和c231、c221一起组成32mhz晶振源。32mhz的晶振源是一个典型值，对于不同的晶振值可通过如下计算得出：

其中c231和c221取值通常相同，cparasitic为误差值。

cy1的大小为32.768khz，其和c331、c321一起组成一个可选择加入的32.768khz晶体振荡器。这组晶振主要用于唤醒睡眠模式，电容值具体计算如下：

其中c331和c321取值通常相同，cparasitic为误差值。

(2)天线部分设计

天线作为无线通信不可缺少的一部分，其基木功能是辐射和接收无线电波，因此可以将天线看成是无线电磁波的出口和入口，是一种导行波与自由空间波之间的转换器件。对于发射机，高频电流经过馈线送到发射天线，发射天线将高频电流变换成电磁波，向规定的方向发射出去；对于接收机，则是将来自一定方向的电磁波转换为高频电流，通过馈线送入接收机的输入回路。对于zigbee模块，要求天线的辐射方向图为全向的，一般使用偶极子天线。

在使用cc2530芯片进行无线网络开发时，由于该芯片本身的发射功率很小(其发射功率最大为4.5dbm)，且它的接收灵敏度也固定在某一水平，这就限制了该无线网络的通信距离，一般它的传输距离仅为几百米，远满足不了实际工程的应用，这就使得在使用cc2530芯片时，还要结合射频芯片(功放芯片)cc2590或cc2591。本发明采用的是ti公司生产的2.4ghz的射频前端芯片cc2591，它不仅可以提高发射功率，还能够改善接收机的灵敏度，从而延长其通信距离。

通信接口设计：max485接口芯片是maxim公司的一种rs-485芯片。max485是用于rs-485与rs-422通信的低功耗收发器，每个器件中都具有一个驱动器和一个接收器。max485的驱动器转换速率不受限制，可以实现最高2.5mbps的传输速率。这些收发器在驱动器禁用空载或满载状态下，吸取的电源电流在120μa至500μa之间。另外，器件都工作在5v单电源下。采用单一电源+5v工作，额定电流为300μa，采用半双工通信方式。它完成将ttl电平转换为rs-485电平的功能。max485芯片的结构和引脚都非常简单，内部含有一个驱动器和接收器。ro和di端分别为接收器的输出和驱动器的输入端，与单片机连接时只需分别与单片机的rxd和txd相连即可；/re和de端分别为接收和发送的使能端，当/re为逻辑0时，器件处于接收状态；当de为逻辑1时，器件处于发送状态，因为max485工作在半双工状态，所以只需用单片机的一个管脚控制这两个引脚即可；a端和b端分别为接收和发送的差分信号端，当a引脚的电平高于b时，代表发送的数据为1；当a的电平低于b端时，代表发送的数据为0。在与单片机连接时接线非常简单。只需要一个信号控制max485的接收和发送即可。同时将a和b端之间加匹配电阻，一般可选100ω的电阻。

通信管理机的主要功能是实现上位机与下位机之间的可靠通信，因此通信单元的设计为设计的重点。本发明的通信接口设计中包括了rs485接口，方便完善软件，从而优化通信管理机的性能。

stm32内置专门的同步/异步收发器通信模块，通过至少两个引脚与收发器相连：接收数据串行输入(rx)、发送数据串行输出(tx)。

usart模块支持半双工通信和全双工通信。本发明中采用半双工的rs485通信方式。

因此，在已有的两个数据收发引脚之外还需要定义一个gpio口为方向控制管脚，通过在gpio口上输出控制信号，用于控制rs485通信数据传输的方向。

本发明的优点如下：

(l)结合土壤的空间异质性以及该异质性导致反演维数升高问题，提出了基于zigbee技术的农田土壤剖面的含水量的采集方法，为土壤墒情预报提供高精度的基础参数。

(2)系统方便灵活。zigbee网络组网方便，一个zigbee设备可以根据农田的大小和农田内部的布局不同而执行不同的任务，可以采集数据也可以路由数据。在已有无线传感器网络基础上新增设备加入原网络也方便。

(3)三联自动控制。实时检测土壤墒情，实现土壤水分运动的识别以及预测，进行最佳灌溉量的估算，将作物根部土壤的含水率长期控制在适合其生长的设定值，具有自动控制和手动控制两种工作模式。

(4)适应性强，使用寿命长。该系统采用高可靠性元器件，适应温度为-40～80℃、有凝结的极端环境，并且防潮、防水、防尘，使用寿命超过10万次。

(5)远程数据传输。利用gprs技术，实现系统参数的设置、远程通讯和控制。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。