本發(fā)明屬于網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種農(nóng)業(yè)墑情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

隨著無線通信、集成電路、傳感器以及微機(jī)電系統(tǒng)等技術(shù)的飛速發(fā)展和日益成熟，成本低、功能多、功耗低的小型傳感器就可能被大量生產(chǎn)，給無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的形成提供了必要條件，而無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由于其通過無線連接的特點(diǎn)，在信息采集中則顯出其獨(dú)有的優(yōu)勢(shì)。

目前農(nóng)業(yè)灌溉墑情監(jiān)測(cè)中，傳統(tǒng)的有線網(wǎng)絡(luò)信息采集由于布線困難、易故障等因素已經(jīng)不適合未來信息采集的發(fā)展趨勢(shì)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種農(nóng)業(yè)墑情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，旨在解決傳統(tǒng)的有線網(wǎng)絡(luò)信息采集由于布線困難、易故障等因素不適用于農(nóng)業(yè)墑情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的問題。

本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的，一種農(nóng)業(yè)墑情監(jiān)測(cè)方法，所述農(nóng)業(yè)墑情監(jiān)測(cè)方法包括：

現(xiàn)場(chǎng)墑情數(shù)據(jù)的收集；

對(duì)采集的墑情數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、分析，并以圖形、數(shù)顯或聲音方式對(duì)外發(fā)布和展示，同時(shí)，對(duì)遠(yuǎn)程終端發(fā)布控制指令，通過建立水分的貝葉斯分布模型，利用土壤水分的邊界條件，為土壤墑情預(yù)報(bào)提供高精度的基礎(chǔ)參數(shù)。

進(jìn)一步，所述貝葉斯分布模型為：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個(gè)土壤水分運(yùn)動(dòng)參數(shù)，逆方差為τ的正態(tài)分布，即εk,i～n(0,τ)，自回歸相關(guān)系數(shù)記為。

進(jìn)一步，所述貝葉斯分布模型的構(gòu)建方法包括：

用向量θ表示待率定的20個(gè)土壤水分運(yùn)動(dòng)參數(shù)，向量wk＝(wk,i,i＝1,2,…,n)^t表示第k個(gè)觀測(cè)點(diǎn)的土壤含水率測(cè)量數(shù)據(jù)，其中：i表示觀測(cè)時(shí)段，n為時(shí)段長(zhǎng)，t為轉(zhuǎn)置符，hydrus-1d模型模擬的第k個(gè)觀測(cè)點(diǎn)土壤含水率，mk(θ)，與相應(yīng)觀測(cè)數(shù)據(jù)的殘差向量，εk＝wk-mk(θ)，服從均值為0，逆方差為τ的正態(tài)分布，即εk,i～n(0,τ)。相鄰時(shí)段殘差之間的自相關(guān)性由一階自回歸模型ar(1)來描述，自回歸相關(guān)系數(shù)記為ρ，根據(jù)貝葉斯定理，未知變量θ、ρ和τ的聯(lián)合概率分布為：

f(θ,ρ,τ|w)∞f(w|θ,ρ,τ)f(θ)f(ρ)f(τ)；

其中：f表示概率密度函數(shù)；w表示所有觀測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)；公式左邊是各未知變量在給定數(shù)據(jù)w時(shí)的聯(lián)合后驗(yàn)分布；右邊第一項(xiàng)是給定數(shù)據(jù)時(shí)未知變量的似然函數(shù)，后三項(xiàng)是各未知變量的先驗(yàn)分布；

似然函數(shù)是給定參數(shù)θ時(shí)數(shù)據(jù)w被觀測(cè)到的概率，根據(jù)正態(tài)性可知其為聯(lián)合正態(tài)分布，對(duì)應(yīng)于觀測(cè)點(diǎn)k的土壤含水率數(shù)據(jù)wk，似然函數(shù)為：

其中：σ是殘差εk的協(xié)方差矩陣，r是殘差的相關(guān)系數(shù)矩陣，τ∑＝r。根據(jù)ar(1)模型，r由ρ唯一確定；

未知變量θ、ρ和τ的先驗(yàn)分布根據(jù)其特點(diǎn)分別構(gòu)造，土壤水分運(yùn)動(dòng)參數(shù)θ的先驗(yàn)分布構(gòu)造為均勻分布；θ中a和ks以其對(duì)數(shù)形式進(jìn)行反演，自相關(guān)系數(shù)θ的先驗(yàn)分布為[0,0.99]區(qū)間的均勻分布，殘差逆方差τ的先驗(yàn)分布構(gòu)造為形狀參數(shù)和逆尺度參數(shù)均為0.001的無信息伽瑪分布。

進(jìn)一步，所述貝葉斯分布模型的求解方法包括：

基于各未知變量的條件后驗(yàn)分布，通過em方法對(duì)貝葉斯聯(lián)合概率分布進(jìn)行估計(jì)，聯(lián)合后驗(yàn)分布求得某一未知變量在給定其它所有未知變量時(shí)的概率密度函數(shù)，即為條件后驗(yàn)分布，土壤水分運(yùn)動(dòng)參數(shù)θ的條件后驗(yàn)分布為：

f(θ|·)∞f(w|θ,ρ,τ)f(θ)；

特別地，變量τ的條件后驗(yàn)分布仍是伽瑪分布：

其中：γ()表示伽瑪分布，m為觀測(cè)點(diǎn)個(gè)數(shù)。

本發(fā)明的另一目的在于提供一種所述農(nóng)業(yè)墑情監(jiān)測(cè)方法的農(nóng)業(yè)墑情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，所述農(nóng)業(yè)墑情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)撲包括：

現(xiàn)場(chǎng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，用于進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)墑情數(shù)據(jù)的收集；

遠(yuǎn)端管理中心，通過zigbee無線網(wǎng)關(guān)、gprs或互聯(lián)網(wǎng)與現(xiàn)場(chǎng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)連接，用于對(duì)采集的墑情數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、分析，并以圖形、數(shù)顯或聲音方式對(duì)外發(fā)布和展示，同時(shí)，對(duì)遠(yuǎn)程終端發(fā)布控制指令，通過建立水分的貝葉斯分布模型，利用土壤水分的邊界條件，為土壤墑情預(yù)報(bào)提供高精度的基礎(chǔ)參數(shù)。

進(jìn)一步，所述現(xiàn)場(chǎng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由zigbee無線網(wǎng)關(guān)、zigbee路由器、無線傳感器節(jié)點(diǎn)、無線執(zhí)行器控制節(jié)點(diǎn)、土壤濕度傳感器組成。

zigbee無線網(wǎng)關(guān)，用于管理田地群的無線網(wǎng)絡(luò)，負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的建立和維護(hù)，接收各田地各塊田地中的zigbee路由器的傳感器數(shù)據(jù)以及設(shè)備狀態(tài)信息，同時(shí)發(fā)送控制命令給各塊田地中的zigbee路由器；

zigbee路由器，用于對(duì)本田地內(nèi)傳感器數(shù)據(jù)處理并發(fā)送給zigbee無線網(wǎng)關(guān)，同時(shí)為其他田地控制器發(fā)送數(shù)據(jù)提供路由服務(wù)；

無線傳感器節(jié)點(diǎn)，用于連接無線執(zhí)行器控制節(jié)點(diǎn)和土壤濕度傳感器。

進(jìn)一步，所述zigbee無線網(wǎng)關(guān)或zigbee路由器包括arm核心處理器，arm核心處理器分別連接gprs模塊、flash模塊、cc2530模塊、rtl8019as模塊、電源模塊和串行接口模塊。

本發(fā)明提供的農(nóng)業(yè)墑情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，結(jié)合土壤的空間異質(zhì)性以及該異質(zhì)性導(dǎo)致反演維數(shù)升高問題，提出了基于zigbee技術(shù)的農(nóng)田土壤剖面的含水量的采集方法，為土壤墑情預(yù)報(bào)提供高精度的基礎(chǔ)參數(shù)；系統(tǒng)方便靈活；zigbee網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)方便，一個(gè)zigbee設(shè)備可以根據(jù)農(nóng)田的大小和農(nóng)田內(nèi)部的布局不同而執(zhí)行不同的任務(wù)，可以采集數(shù)據(jù)也可以路由數(shù)據(jù)，在已有無線傳感器網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上新增設(shè)備加入原網(wǎng)絡(luò)也方便；三聯(lián)自動(dòng)控制，實(shí)時(shí)檢測(cè)土壤墑情，實(shí)現(xiàn)土壤水分運(yùn)動(dòng)的識(shí)別以及預(yù)測(cè)，進(jìn)行最佳灌溉量的估算，將作物根部土壤的含水率長(zhǎng)期控制在適合其生長(zhǎng)的設(shè)定值，具有自動(dòng)控制和手動(dòng)控制兩種工作模式；適應(yīng)性強(qiáng)，使用壽命長(zhǎng)，系統(tǒng)采用高可靠性元器件，適應(yīng)溫度為-40～80℃、有凝結(jié)的極端環(huán)境，并且防潮、防水、防塵，使用壽命超過10萬次；遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸。利用gprs技術(shù)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)置、遠(yuǎn)程通訊和控制。

本發(fā)明在田間具有多個(gè)墑情采集點(diǎn)的情況下，提出了田間采用zigbee節(jié)點(diǎn)部署的方案，設(shè)計(jì)了嵌入式平臺(tái)下zigbee和gprs通信網(wǎng)關(guān)，解決了zigbee不能進(jìn)行超遠(yuǎn)距離通信的問題，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)遙控采集工作，整個(gè)系統(tǒng)只有網(wǎng)關(guān)使用收費(fèi)網(wǎng)絡(luò)，極大程度地降低了通訊費(fèi)用；整個(gè)系統(tǒng)可以分散部署，突破了空間限制，為大型灌區(qū)多點(diǎn)實(shí)時(shí)聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)提供了可靠保障。

本發(fā)明提出了灌溉土壤剖面的含水率貝葉斯推斷模型，針對(duì)土壤水分模型參數(shù)的不確定性、輸入不確定性以及殘差不確定性提出了相應(yīng)的表征參數(shù)，基于貝葉斯理論建立了統(tǒng)計(jì)推斷模型，基于一階自回歸模型推導(dǎo)了似然函數(shù)，估計(jì)了各變量的先驗(yàn)分布，從而完整地建立了土壤剖面的含水率的貝葉斯推斷模型。

本發(fā)明提出了土壤水分運(yùn)動(dòng)參數(shù)的em估計(jì)方法，通過土壤墑情傳感器獲取土壤在多個(gè)位置和多個(gè)時(shí)刻的土壤含水率觀測(cè)數(shù)據(jù)，選擇極大似然估計(jì)算法，利用原位多點(diǎn)土壤含水率觀測(cè)數(shù)據(jù)反演多層土壤持水和導(dǎo)水特征參數(shù)的貝葉斯方法，有效地估計(jì)了天然動(dòng)態(tài)邊界條件下的田間尺度土壤水分運(yùn)動(dòng)參數(shù)。參數(shù)后驗(yàn)估計(jì)結(jié)果與室內(nèi)試驗(yàn)值具有較好的一致性，成功地解決了土壤的高維貝葉斯聯(lián)合概率分布采樣問題，得到了參數(shù)的后驗(yàn)邊緣分布。

本發(fā)明為高精度墑情預(yù)測(cè)提供了基礎(chǔ)參數(shù)，土壤水勢(shì)等觀測(cè)數(shù)據(jù)與土壤含水率觀測(cè)數(shù)據(jù)同時(shí)用于參數(shù)反演，以期進(jìn)一步降低土壤水分運(yùn)動(dòng)參數(shù)的不確定性。參數(shù)后驗(yàn)估計(jì)結(jié)果用于模擬土壤水分運(yùn)動(dòng)具有較高的精度，可作為高精度土壤墑情預(yù)報(bào)的基礎(chǔ)參數(shù)。

本發(fā)明為專家知識(shí)決策提供了基礎(chǔ)參數(shù)，墑情監(jiān)控決策支持中常用的農(nóng)田水量平衡方程所需的作物蒸發(fā)蒸騰量、深層滲漏量、地面徑流量、土壤有效儲(chǔ)水量等，提出的灌溉計(jì)劃策略和實(shí)時(shí)灌溉策略采用獲取相對(duì)較為容易的作物生育期和不同生育期土壤含水量閾值作為專家知識(shí)，并根據(jù)墑情監(jiān)測(cè)進(jìn)行灌溉決策，對(duì)于測(cè)墑灌溉具有一定的參考價(jià)值。

本發(fā)明的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益：

(1)社會(huì)效益

1)將極大地提升我國(guó)農(nóng)村水利信息的產(chǎn)業(yè)化、規(guī)范化、信息化整體管理水平，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)升級(jí)，有助于改善投資環(huán)境，擴(kuò)大對(duì)外開放；

2)本發(fā)明所采用的產(chǎn)品均屬自主研發(fā)或者國(guó)內(nèi)生產(chǎn)，可為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于農(nóng)村灌溉行業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)參考；

3)本發(fā)明完成既定目標(biāo)后，可對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在其他領(lǐng)域的應(yīng)用起到示范性作用，推動(dòng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)業(yè)的應(yīng)用發(fā)展；

4)在本發(fā)明的研發(fā)過程中，為社會(huì)培養(yǎng)高層次的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用人才。

(2)經(jīng)濟(jì)效益

1)發(fā)明形成的生產(chǎn)能力

發(fā)明建成投產(chǎn)后，預(yù)計(jì)前兩年可累計(jì)實(shí)現(xiàn)銷售收入300萬元。以下計(jì)算按照保守估計(jì)，每年僅按銷售10套計(jì)算。

2)發(fā)明盈虧平衡點(diǎn)分析

該發(fā)明產(chǎn)品平均不含稅單價(jià)按每套7.5萬元，每套邊際成本1萬元，產(chǎn)品銷售壽命按5年計(jì)算，每年的固定成本約為43萬元，因此采用量—本—利分析法，計(jì)算銷售盈虧平衡點(diǎn)：

達(dá)到盈虧平衡點(diǎn)時(shí)的銷量＝年固定成本/[單價(jià)-單位邊際成本]＝43/[7.5-1.0]＝7套

由此可見，每年銷售7套時(shí)可實(shí)現(xiàn)保本。

3)計(jì)算投資回收期分析

按每年銷售量10套計(jì)算，年銷售收入為75萬元，總費(fèi)用成本43+10萬＝53萬元，可實(shí)現(xiàn)毛利潤(rùn)22萬。該發(fā)明購(gòu)置及占用的固定資產(chǎn)費(fèi)用(軟硬件)總計(jì)40萬，按5年的期限攤銷，每年折舊8萬元。

因此：投資回收期＝投資總額/(年利稅+年折舊)＝40/(22+8)＝1.3年

(4)發(fā)明收入分析

初步測(cè)算，發(fā)明建成投產(chǎn)后，年銷售為10套計(jì)，年銷售收入75萬，每年實(shí)現(xiàn)毛利22萬元。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實(shí)施例提供的農(nóng)業(yè)墑情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是本發(fā)明實(shí)施例提供的無線網(wǎng)關(guān)或路由器結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3是本發(fā)明實(shí)施例提供的arm核心處理器電路圖。

圖4是本發(fā)明實(shí)施例提供的arm核心處理器復(fù)位電路圖。

圖5是本發(fā)明實(shí)施例提供的系統(tǒng)時(shí)鐘電路圖。

圖6是本發(fā)明實(shí)施例提供的電源原理圖。

圖7是本發(fā)明實(shí)施例提供的5v和4v電源原理圖。

圖8是本發(fā)明實(shí)施例提供的存儲(chǔ)器電路圖。

圖9是本發(fā)明實(shí)施例提供的gprs模塊原理圖。

圖10是電源控制電路原理圖。

圖11是本發(fā)明實(shí)施例提供的mg2639_v2串口電平轉(zhuǎn)換為3.3v電路示意圖。

圖12是本發(fā)明實(shí)施例提供的led指示燈接口電路圖。

圖13是本發(fā)明實(shí)施例提供的sim接口電路圖。

圖14是本發(fā)明實(shí)施例提供的cc2530應(yīng)用電路圖。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的應(yīng)用原理作詳細(xì)的描述。

如圖1所示，本發(fā)明實(shí)施例的農(nóng)業(yè)墑情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)拓?fù)浒ìF(xiàn)場(chǎng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和遠(yuǎn)端管理中心。

現(xiàn)場(chǎng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)：進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)墑情數(shù)據(jù)的收集，由zigbee無線網(wǎng)關(guān)、zigbee路由器、無線傳感器節(jié)點(diǎn)、無線執(zhí)行器控制節(jié)點(diǎn)、土壤濕度傳感器組成。

zigbee無線網(wǎng)關(guān)：充當(dāng)田地群現(xiàn)場(chǎng)總控制器，管理田地群的無線網(wǎng)絡(luò)，負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的建立和維護(hù)，接收各田地各塊田地中的zigbee路由器的傳感器數(shù)據(jù)以及設(shè)備狀態(tài)信息等，同時(shí)發(fā)送控制命令給各塊田地中的zigbee路由器。

zigbee路由器：各塊田地中的zigbee路由器充當(dāng)單塊田地控制器，對(duì)本田地內(nèi)傳感器數(shù)據(jù)處理并發(fā)送給zigbee無線網(wǎng)關(guān)，同時(shí)為其他田地控制器發(fā)送數(shù)據(jù)提供路由服務(wù)。

無線傳感器節(jié)點(diǎn)即為圖中的終端，無線傳感器節(jié)點(diǎn)連接無線執(zhí)行器控制節(jié)點(diǎn)和土壤濕度傳感器。

采集傳感器數(shù)據(jù)并發(fā)送給本田地zigbee路由器。

無線執(zhí)行器控制節(jié)點(diǎn)：接收本田地zigbee路由器發(fā)來的控制命令驅(qū)動(dòng)控制田地內(nèi)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

土壤墑情數(shù)據(jù)的收集主要由土壤濕度傳感器來完成。

現(xiàn)場(chǎng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通過gprs網(wǎng)絡(luò)或internet網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行墑情數(shù)據(jù)的傳輸，將數(shù)據(jù)傳輸給管理中心。

遠(yuǎn)端管理中心對(duì)采集的墑情數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、分析，并以圖形、數(shù)顯或聲音等方式對(duì)外發(fā)布和展示，同時(shí)，對(duì)遠(yuǎn)程終端發(fā)布控制指令，通過建立水分的貝葉斯分布模型，利用土壤水分的邊界條件，為土壤墑情預(yù)報(bào)提供高精度的基礎(chǔ)參數(shù)。

本發(fā)明實(shí)施例的貝葉斯分布模型的構(gòu)建方法包括：

用向量θ表示待率定的20個(gè)土壤水分運(yùn)動(dòng)參數(shù)。向量wk＝(wk,i,i＝1,2,…,n)^t表示第k個(gè)觀測(cè)點(diǎn)的土壤含水率測(cè)量數(shù)據(jù)，其中：i表示觀測(cè)時(shí)段，n為時(shí)段長(zhǎng)，t為轉(zhuǎn)置符。假設(shè)hydrus-1d模型模擬的第k個(gè)觀測(cè)點(diǎn)土壤含水率，mk(θ)，與相應(yīng)觀測(cè)數(shù)據(jù)的殘差向量，εk＝wk-mk(θ)，服從均值為0，逆方差為τ的正態(tài)分布，即εk,i～n(0,τ)。相鄰時(shí)段殘差之間的自相關(guān)性由一階自回歸模型ar(1)來描述，自回歸相關(guān)系數(shù)記為ρ。根據(jù)貝葉斯定理，未知變量θ、ρ和τ的聯(lián)合概率分布為：

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

其中：f表示概率密度函數(shù)；w表示所有觀測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)；公式左邊是各未知變量在給定數(shù)據(jù)w時(shí)的聯(lián)合后驗(yàn)分布；右邊第一項(xiàng)是給定數(shù)據(jù)時(shí)未知變量的似然函數(shù)，后三項(xiàng)是各未知變量的先驗(yàn)分布。

似然函數(shù)是給定參數(shù)θ時(shí)數(shù)據(jù)w被觀測(cè)到的概率，根據(jù)正態(tài)性假設(shè)可知其為聯(lián)合正態(tài)分布。對(duì)應(yīng)于觀測(cè)點(diǎn)k的土壤含水率數(shù)據(jù)wk，似然函數(shù)為：

其中：σ是殘差εk的協(xié)方差矩陣，r是殘差的相關(guān)系數(shù)矩陣，τ∑＝r。根據(jù)ar(1)模型，r由ρ唯一確定。假設(shè)各觀測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)相互獨(dú)立，則所有數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的似然函數(shù)是各觀測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的似然函數(shù)的乘積。由于土壤含水率的變化很平穩(wěn)，模型殘差的自相關(guān)性很強(qiáng)；而邊界條件和土壤水觀測(cè)數(shù)據(jù)的系統(tǒng)誤差也導(dǎo)致了模型殘差的強(qiáng)自相關(guān)性，所以在此將ar(1)模型的時(shí)段長(zhǎng)取為30天來削弱這種自相關(guān)性，避免出現(xiàn)ρ趨近于1時(shí)數(shù)值計(jì)算的不穩(wěn)定性。

未知變量θ、ρ和τ的先驗(yàn)分布根據(jù)其特點(diǎn)分別構(gòu)造。土壤水分運(yùn)動(dòng)參數(shù)θ的先驗(yàn)分布構(gòu)造為均勻分布，取值范圍根據(jù)經(jīng)驗(yàn)并參考相關(guān)文獻(xiàn)給出；由于參數(shù)后驗(yàn)分布接近正態(tài)分布便于估計(jì)，所以θ中a和ks以其對(duì)數(shù)形式進(jìn)行反演。自相關(guān)系數(shù)θ的先驗(yàn)分布為[0,0.99]區(qū)間的均勻分布。殘差逆方差τ的先驗(yàn)分布構(gòu)造為形狀參數(shù)和逆尺度參數(shù)均為0.001的無信息伽瑪分布。

貝葉斯分布模型的求解

基于各未知變量的條件后驗(yàn)分布，通過em方法對(duì)貝葉斯聯(lián)合概率分布進(jìn)行估計(jì)。聯(lián)合后驗(yàn)分布求得某一未知變量在給定其它所有未知變量時(shí)的概率密度函數(shù)，即為條件后驗(yàn)分布。土壤水分運(yùn)動(dòng)參數(shù)θ的條件后驗(yàn)分布為：

f(θ|·)∞f(w|θ,ρ,τ)f(θ)(6.6)

特別地，變量τ的條件后驗(yàn)分布仍是伽瑪分布：

其中：γ()表示伽瑪分布，m為觀測(cè)點(diǎn)個(gè)數(shù)。

數(shù)據(jù)服務(wù)器負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和管理，為確保數(shù)據(jù)的安全，數(shù)據(jù)服務(wù)器配置冗余磁盤陣列。數(shù)據(jù)服務(wù)器的設(shè)置使數(shù)據(jù)能集中存儲(chǔ)和處理，便于系統(tǒng)維護(hù)，也提高了系統(tǒng)的可靠性。數(shù)據(jù)服務(wù)器中墑情數(shù)據(jù)庫(kù)主要分為兩種：一種為存儲(chǔ)原始數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫(kù)，用于存儲(chǔ)從現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層傳輸來的數(shù)據(jù)，并且通過軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)建模以及預(yù)測(cè)；另一種為終端數(shù)據(jù)庫(kù)，原始數(shù)據(jù)經(jīng)處理建模后，再由數(shù)據(jù)處理和分類軟件自動(dòng)分類存儲(chǔ)于終端數(shù)據(jù)庫(kù)中，通過web服務(wù)器，可以將終端數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)以圖表的方式發(fā)布在互聯(lián)網(wǎng)上。

如圖2所示，zigbee無線網(wǎng)關(guān)或zigbee路由器包括arm核心處理器1，arm核心處理器1分別連接gprs模塊2、flash模塊3、cc2530模塊4、rtl8019as模塊5、電源模塊6、串行接口模塊7。

主控系統(tǒng)以微處理器stm32f103為核心部件，設(shè)計(jì)了電源供電模塊、時(shí)鐘晶振電路模塊、脈沖信號(hào)檢測(cè)、兩路光耦合開關(guān)接口電路、基于modbus通信協(xié)議的4～20ma通用通信接口、標(biāo)準(zhǔn)的rs485工業(yè)通信接口、gprs通信模塊、存儲(chǔ)系統(tǒng)模塊等外圍電路。cpu核心電路如圖3所示。

stm32f103vet6處理器是arm結(jié)構(gòu)，采用lqfp100封裝，基于cortex-m3內(nèi)核的32位嵌入式高速處理器，哈佛總線結(jié)構(gòu)，90dmips運(yùn)行速度，72mhz主頻運(yùn)行的cpu，有連接到兩條apb總線的外設(shè)。

系統(tǒng)復(fù)位電路主要功能是在系統(tǒng)上電時(shí)提供復(fù)位信號(hào)，當(dāng)系統(tǒng)電源穩(wěn)定后，復(fù)位電路復(fù)位信號(hào)撤銷。芯片在上電之后，運(yùn)行情況并不明確，很容易造成程序跑飛和系統(tǒng)死機(jī)的情況，為了防止這種不穩(wěn)定的狀態(tài)，所有的微控制器都需要一個(gè)復(fù)位邏輯將處理器芯片進(jìn)行初始化為一個(gè)特定的狀態(tài)。為了達(dá)到穩(wěn)定可靠復(fù)位，復(fù)位電路都采取一小段延時(shí)后復(fù)位信號(hào)才撤銷，以防止電源開關(guān)過程中產(chǎn)生的抖動(dòng)影響復(fù)位效果。stm32f103的系統(tǒng)復(fù)位電路如圖4所示。

晶振時(shí)鐘電路：nrst引腳是stm32f103芯片的復(fù)位引腳端，在電路設(shè)計(jì)當(dāng)中，采用了電阻和電容，當(dāng)按下電源按鈕后，電容放電回路形成了rc復(fù)位電路。在處理器運(yùn)行的時(shí)候，手動(dòng)按下復(fù)位按鈕，reset信號(hào)變成低電平，可以使處理器發(fā)生復(fù)位。系統(tǒng)上電的時(shí)候，電源電壓有瞬間的下降時(shí)期，這個(gè)時(shí)候電容迅速充電，也能在同時(shí)產(chǎn)生一定寬度的電源毛刺保證系統(tǒng)的復(fù)位功能。目前，所有的芯片處理器電路都屬于時(shí)序電路，需要一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)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時(shí)鐘源，芯片內(nèi)部具有pll電路，可以具體調(diào)節(jié)整個(gè)系統(tǒng)的時(shí)鐘信號(hào)，使得芯片運(yùn)行速度更加快速，可以將時(shí)鐘頻率倍頻至最大120mhz。stm32f103系統(tǒng)時(shí)鐘電路如圖5所示。

系統(tǒng)中外部時(shí)鐘信號(hào)連接引腳為osc_in和osc_out，連接的是25mhz的外部晶振。stm32f103芯片還有一個(gè)lse時(shí)鐘電路，它是一個(gè)實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路，即為osc32_in和osc32_out引腳所連接的晶振電路，它能為其他的定時(shí)功能提供一個(gè)精確的、低功耗的時(shí)鐘源信號(hào)。這個(gè)時(shí)鐘電路外接的是一個(gè)32.768khz的外部時(shí)鐘源。

電源電路設(shè)計(jì)：一個(gè)完整的系統(tǒng)是否能夠正常的工作，電源供電模塊是必不可少的部分。而系統(tǒng)能否穩(wěn)定地運(yùn)行，電源供應(yīng)是否穩(wěn)定可靠是其首要的關(guān)鍵因素。在設(shè)計(jì)電源模塊的時(shí)候，不僅要考慮電源模塊的電氣參數(shù)特征，還必須要考慮到電源模塊的穩(wěn)定性特征和安全性特征，如電源的安全性能設(shè)計(jì)、電磁兼容特性、工作溫度范圍、耐壓值范圍等各種因素。如果任意一個(gè)因素發(fā)生了錯(cuò)誤或者是故障，都會(huì)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)不能正常穩(wěn)定地工作，甚至造成不可預(yù)計(jì)的系統(tǒng)傷害和損失。

本發(fā)明采用了一個(gè)輸出12v的電源輸出模塊，直接由市電220v通過這個(gè)電源輸出模塊而得到±12v電源，作為總的電源模塊中的原始電源。由于信號(hào)調(diào)理電路中運(yùn)算放大器的工作電壓為12v，因此12v電源供給信號(hào)調(diào)理電路。stm32f103芯片的工作電壓都是+3.3v，可由+12v電源經(jīng)過一個(gè)可調(diào)試穩(wěn)壓芯片lm2576-5轉(zhuǎn)化為5v電壓。5v電源轉(zhuǎn)換為3.3v電路如圖6所示，本發(fā)明為小電流供電電路，如需要大電流供電，電容c7、c9采用100μf/16v電容即可。

在模擬量調(diào)理模塊還有一個(gè)電源基準(zhǔn)電路產(chǎn)生一個(gè)1.23v的基準(zhǔn)電壓，使用+12v電源通過高精度基準(zhǔn)可調(diào)電源芯片lm2576adj獲得。各部分工作電源結(jié)構(gòu)如圖7。

存儲(chǔ)接口設(shè)計(jì)：w25x32芯片簡(jiǎn)介；存儲(chǔ)器flash采用華邦公司生產(chǎn)的w25x32型號(hào)的芯片。w25x32的flash存儲(chǔ)器(32m比特/4m字節(jié))可以為存儲(chǔ)解決方案，具有“pcb板占用空間少”、“引腳數(shù)量少”、“功耗低”等特點(diǎn)。與普通串行flash相比，使用更靈活，性能更出色。它非常適合做代碼下載應(yīng)用，例如存儲(chǔ)聲音，文本和數(shù)據(jù)。工作電壓在2.7v～3.6v之間，正常工作狀態(tài)下電流消耗0.5毫安，掉電狀態(tài)下電流消耗1微安。所有的封裝都是“節(jié)省空間”型的。w25x32支持標(biāo)準(zhǔn)的sip接口，傳輸速率最大75mhz。四線制。

另外，芯片還具有保持引腳(hold)、寫保護(hù)引腳(wp)、可編程寫保護(hù)位(位于狀態(tài)寄存器bit1)、頂部和底部塊的控制等特征，使得控制芯片具有靈活性。w25x16工作電壓是3.3v，串行flash存儲(chǔ)特征為32m比特(bit)/4m字節(jié)(byte)。每頁(yè)256字節(jié)統(tǒng)一的4k字節(jié)扇區(qū)(sectors)和64k字節(jié)塊區(qū)(blocks)，數(shù)據(jù)傳輸速率最大150m比特每秒，通過雙輸入/輸出口功能可以使傳輸速率有效的提高至300mbps。最大10萬次擦寫次數(shù)，20年存儲(chǔ)。正常工作狀態(tài)下為0.5毫安，掉電狀態(tài)下為1微安，工作溫度范圍是-40℃～+85℃。

存儲(chǔ)器電路設(shè)計(jì)：w25x32第一引腳/cs為芯片的選擇與主控微處理器flash_nss引腳連接，完成片選信號(hào)。當(dāng)cs為高電平時(shí)，芯片被禁能，器件功耗將處于待機(jī)水平，當(dāng)cs為低電平時(shí)，使能芯片，此時(shí)功耗增加到激活水平，就可以進(jìn)行芯片的讀寫操作了。上電之后，執(zhí)行一條新命令之前必須使cs引腳先有一個(gè)下降沿。cs引腳可以根據(jù)需要加上拉電阻。flash_clk為spi時(shí)鐘的引腳，為輸入輸出提供時(shí)序。mosi引腳數(shù)據(jù)輸入與控微處理器flash_mosi連接完成數(shù)據(jù)的輸入，數(shù)據(jù)，地址和命令從mosi引腳送到芯片內(nèi)部，在clk引腳的上升沿捕獲。miso引腳為數(shù)據(jù)輸出與主控微處理器flash_miso連接完成數(shù)據(jù)的輸出，下降沿為輸出數(shù)據(jù)。保持引腳/hold，當(dāng)cs為低電平，且hold為低電平時(shí)，flash_mosi引腳處于高阻抗?fàn)顟B(tài)，而且也會(huì)忽略flash_miso和clk引腳上的信號(hào)。把hold引腳拉高，器件恢復(fù)正常工作。

下圖8為w25x32芯片電路連接圖：

gprs模塊設(shè)計(jì)：gprs系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸速率高，覆蓋范圍廣，而且能夠方便地實(shí)現(xiàn)與internet無縫連接，是性價(jià)比很高的通信方式。一般有兩種方式接入gprs/gsm網(wǎng)絡(luò)：第一種是使用gprs外置modem的方式，這種方式一般由gprs模塊、sim卡、電源變換、rs232接口及簡(jiǎn)單的控制電路幾部分組成；第二種是使用gprs無線收發(fā)模塊，這種方式只需要根據(jù)模塊的接口方式來設(shè)計(jì)相應(yīng)的接口電路，微控制器發(fā)送采集終端測(cè)報(bào)信息的ip包到無線收發(fā)模塊，經(jīng)相應(yīng)處理之后再轉(zhuǎn)發(fā)，或是基站傳來的分組數(shù)據(jù)由無線收發(fā)模塊接受，再交給微控制器處理。由于該采集終端在野外環(huán)境使用，在只有太陽(yáng)能蓄電池供電情況下，若采用外置modem方式，本發(fā)明的電源管理能力不足。所以設(shè)計(jì)采用嵌入式無線通信模塊的方式，這種方式提高了設(shè)備終端的整體性，穩(wěn)定性，也有效利用了電源供應(yīng)。

本發(fā)明選用中興公司生產(chǎn)的mg2639_v2模塊，該模塊工作頻率為gsm850/egsm900/dcs1800/pcs1900四頻工業(yè)。mg2639_v2模塊對(duì)外采用的是28pin郵票孔的方式與外部連接，可以內(nèi)置到機(jī)頂盒、車載臺(tái)等物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中，隨時(shí)隨地收發(fā)email、瀏覽網(wǎng)頁(yè)、高速下載等。在具有g(shù)sm網(wǎng)絡(luò)覆蓋的地方，可以隨時(shí)隨地連接互聯(lián)網(wǎng)，還具有收發(fā)短信息(sms)、語音通話等功能，在移動(dòng)數(shù)據(jù)通信領(lǐng)域，為用戶提供了高度自由、方便快捷的解決方案，真正實(shí)現(xiàn)移動(dòng)辦公的夢(mèng)想。

mg2639_v2模塊集成了高性能的gsm/gprs基帶處理，無線頻率電路包括功率放大器和天線接口。存儲(chǔ)包括flash和ram兩部分，其中靜態(tài)ram用于存儲(chǔ)gprs連接軟件，軟件可通過at指令可以控制gprs模塊工作。電源方面，mg2639_v2模塊本身可以通過鋰電池供電，也可通過本發(fā)明的受控電源部分供電。是一個(gè)低能耗的模塊，非常適合農(nóng)業(yè)墑情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該模塊最小電流僅為3ma，不需要工作的時(shí)候可以自動(dòng)進(jìn)入節(jié)電模式，需要的時(shí)候可以喚醒，工作時(shí)功率消耗在1w到2w之間。工作環(huán)境溫度滿足設(shè)計(jì)要求，在-20℃和+55℃之間，即使超過該溫度范圍，系統(tǒng)也會(huì)自動(dòng)關(guān)機(jī)，增加了可靠性mg2639_v2內(nèi)嵌了tcp/ip協(xié)議棧，可由at指令驅(qū)動(dòng)，便于連接internet。該模塊與其他同類型的模塊相比更加穩(wěn)定可靠，性價(jià)比也較高，其技術(shù)性能完全適應(yīng)農(nóng)業(yè)墑情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的野外環(huán)境，符合的設(shè)計(jì)要求。

模塊電路設(shè)計(jì)：gprs模塊主要包含串口接口、電源控制接口、指示燈接口以及sim接口，具體的gprs模塊接口圖如圖9所示。

電源控制接口：電源控制電路如圖10所示，模塊在正常上電后處于關(guān)機(jī)狀態(tài)。給on/off管腳一個(gè)持續(xù)時(shí)間2s～5s的低電平脈沖模塊即可開機(jī)。如在pwrkey_n管腳對(duì)地接1k電阻，則上電后可以自動(dòng)開機(jī)。使用at指令“at+zpwroff”關(guān)機(jī)，或給模塊on/off管腳一個(gè)持續(xù)時(shí)間2s～5s的低電平脈沖關(guān)機(jī)。

(1)要求對(duì)電源和地做相應(yīng)的濾波處理，電源紋波控制在50mv左右，且該電源不要給系統(tǒng)中的其他部分供電，否則將可能影響射頻性能。

(2)布線時(shí)電源線要大于80mil，并保證地線的完整性。

(3)最大輸入電流要求比較大，務(wù)必保證瞬態(tài)最大輸出電流>2a。

串口電平兼容設(shè)計(jì)：mg2639_v2模塊提供一個(gè)完整全雙工uart1接口(以下簡(jiǎn)稱uart串口)和一個(gè)輔路uart2接口，最大波特率為115200bps，對(duì)外接口為2.8vcmos電平信號(hào)，符合rs-232接口協(xié)議中的規(guī)定。完整全雙工uart1串口可作為串行數(shù)據(jù)接口，通常用于at指令、數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)、升級(jí)模塊軟件等。輔路uart2接口可以作為軟件調(diào)試應(yīng)用。注意：客戶在使用模塊做整機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)需引出uart1，用于模塊軟件升級(jí)。模塊輸出i/o電平為2.8v，與標(biāo)準(zhǔn)3.3v或5v邏輯電路連接時(shí)(如mcu或rs232驅(qū)動(dòng)芯片max3238等)，需經(jīng)電平轉(zhuǎn)換，常見的做法是采用三極管實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換，圖11所示為mg2639_v2串口電平轉(zhuǎn)換為3.3v電路示意圖。

led指示燈接口設(shè)計(jì)：設(shè)計(jì)了2路的指示系統(tǒng)，一路使用綠色發(fā)光二極管用于指示gprs開關(guān)機(jī)狀態(tài)，另外一路使用紅色發(fā)光二極管指示數(shù)據(jù)的傳輸狀態(tài)。具體的原理圖如12所示。

sim接口設(shè)計(jì)：mg2639_v2模塊的連接器和外部的sim卡固定器之間需要布線，連接器中有六個(gè)引腳用于sim的接口。sim電路接口電路設(shè)計(jì)如圖13所示，六個(gè)引腳的功能如下所述：

ccgnd：sim卡的獨(dú)立地，可提高emc性能；

ccio：輸入/輸出的串行數(shù)據(jù)線；

ccclk：sim卡時(shí)鐘，時(shí)鐘頻率可設(shè)置ccvcc：mg2639_v2電源模塊引腳，為sim卡提供電源；

ccrst：sim卡的重啟信號(hào)；

ccin：輸入，用于是否有sim卡插入的判斷；該引腳是gsm11.11強(qiáng)制要求的，目的是保障運(yùn)行中移除sim卡時(shí)的安全性。

mg2639_v2模塊的連接器和外部的sim卡固定器的連接需注意：

(1)sim卡電路pcb布線盡可能靠近模塊。

(2)建議vsim、clk、data、rst信號(hào)走線都包地，同時(shí)在靠近sim卡座的位置clk、data和rst信號(hào)走線上保留33pf電容的位置，電容的位置是加在靠近sim卡座的位置，防止其他干擾源干擾sim卡的讀寫操作。

(3)esd器件的位置靠近sim卡卡座，建議在4路sim卡信號(hào)上都加tvs器件，同時(shí)進(jìn)行l(wèi)ayout時(shí)信號(hào)線需先經(jīng)過tvs器件，再進(jìn)入模塊的基帶處理器，防止損壞模塊。

(4)vsim電源的走線線寬最少要在6mil以上(建議采用8mil)。

(5)vsim電源走線濾波電容采用的是1μf(封裝為0402，該值不能大于10μf，也不能小于1μf)再并上0.1μf電容。

gprs天線接口：mg2639_v2模塊天線部分應(yīng)采取必要措施避免有用頻段干擾信號(hào)，在外部天線和射頻連接之間要有良好的屏蔽，而且，要使外部的射頻纜線遠(yuǎn)離所有的干擾源，特別是高速數(shù)字信號(hào)及開關(guān)電源等。mg2639_v2模塊所用天線按照移動(dòng)設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)，駐波比應(yīng)在1.1～1.5之間，輸入阻抗50ω。使用環(huán)境不同，對(duì)天線的增益要求也不同，一般情況下，帶內(nèi)增益越大，帶外增益越小，天線的性能越好。當(dāng)使用多端口天線時(shí)，各個(gè)端口之間的隔離度應(yīng)大于30db。如雙極化天線的兩個(gè)不同極化端口，雙頻天線的兩個(gè)不同頻段端口之間，以及雙頻雙極化天線的四個(gè)端口之間，隔離度應(yīng)大于30db。mg2639_v2模塊提供兩種對(duì)外天線接口，客戶可以根據(jù)自身產(chǎn)品的形態(tài)進(jìn)行合理的選擇，從而達(dá)到bom成本最優(yōu)。

使用射頻測(cè)試作為天線反饋點(diǎn)的時(shí)候，需要把pin2與所在的主板斷開，并且要保證pin2下面以及周邊有一定的凈空區(qū)域，具體做法是pin2表層需要和gnd保持2mm的間距，pin2正下方，需要挖空處理。不允許在使用射頻測(cè)試座的時(shí)候同時(shí)使用pin2的兼容設(shè)計(jì)。

zigbee通信接口：處理器模塊是傳感器節(jié)點(diǎn)的核心部件，節(jié)點(diǎn)的功能實(shí)現(xiàn)、任務(wù)調(diào)度、通信狀態(tài)、工作狀態(tài)、數(shù)據(jù)處理融合、通信協(xié)議、路由協(xié)議、應(yīng)用層協(xié)議等都由處理器模塊實(shí)現(xiàn)，所以處理器芯片的選擇在節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)中非常重要。

zigbee芯片cc2530帶有射頻收發(fā)前端，屬于高頻電路，在pcb的設(shè)計(jì)上需要特別注意，首先，高頻的pcb板材不同于普通板材，且價(jià)格較高，其次，將高頻與低頻數(shù)字、模擬系統(tǒng)設(shè)計(jì)在一起容易引起相互間的干擾，產(chǎn)生嚴(yán)重的emi，影響系統(tǒng)穩(wěn)定性，因此本系統(tǒng)將其進(jìn)行了模塊化設(shè)計(jì)。

cc2530的應(yīng)用比較簡(jiǎn)單，只需要外接少數(shù)的電路即可實(shí)現(xiàn)。因?yàn)閏c2530本身帶有射頻的功能，一般對(duì)于小功率網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)不需要外加額外的射頻芯片，cc2530外加一些簡(jiǎn)單電路即可實(shí)現(xiàn)射頻功能。圖14為cc2530的外接電路。

(1)晶振輸入源

對(duì)于晶振的計(jì)算：y2的大小為32mhz，其和c231、c221一起組成32mhz晶振源。32mhz的晶振源是一個(gè)典型值，對(duì)于不同的晶振值可通過如下計(jì)算得出：

其中c231和c221取值通常相同，cparasitic為誤差值。

cy1的大小為32.768khz，其和c331、c321一起組成一個(gè)可選擇加入的32.768khz晶體振蕩器。這組晶振主要用于喚醒睡眠模式，電容值具體計(jì)算如下：

其中c331和c321取值通常相同，cparasitic為誤差值。

(2)天線部分設(shè)計(jì)

天線作為無線通信不可缺少的一部分，其基木功能是輻射和接收無線電波，因此可以將天線看成是無線電磁波的出口和入口，是一種導(dǎo)行波與自由空間波之間的轉(zhuǎn)換器件。對(duì)于發(fā)射機(jī)，高頻電流經(jīng)過饋線送到發(fā)射天線，發(fā)射天線將高頻電流變換成電磁波，向規(guī)定的方向發(fā)射出去；對(duì)于接收機(jī)，則是將來自一定方向的電磁波轉(zhuǎn)換為高頻電流，通過饋線送入接收機(jī)的輸入回路。對(duì)于zigbee模塊，要求天線的輻射方向圖為全向的，一般使用偶極子天線。

在使用cc2530芯片進(jìn)行無線網(wǎng)絡(luò)開發(fā)時(shí)，由于該芯片本身的發(fā)射功率很小(其發(fā)射功率最大為4.5dbm)，且它的接收靈敏度也固定在某一水平，這就限制了該無線網(wǎng)絡(luò)的通信距離，一般它的傳輸距離僅為幾百米，遠(yuǎn)滿足不了實(shí)際工程的應(yīng)用，這就使得在使用cc2530芯片時(shí)，還要結(jié)合射頻芯片(功放芯片)cc2590或cc2591。本發(fā)明采用的是ti公司生產(chǎn)的2.4ghz的射頻前端芯片cc2591，它不僅可以提高發(fā)射功率，還能夠改善接收機(jī)的靈敏度，從而延長(zhǎng)其通信距離。

通信接口設(shè)計(jì)：max485接口芯片是maxim公司的一種rs-485芯片。max485是用于rs-485與rs-422通信的低功耗收發(fā)器，每個(gè)器件中都具有一個(gè)驅(qū)動(dòng)器和一個(gè)接收器。max485的驅(qū)動(dòng)器轉(zhuǎn)換速率不受限制，可以實(shí)現(xiàn)最高2.5mbps的傳輸速率。這些收發(fā)器在驅(qū)動(dòng)器禁用空載或滿載狀態(tài)下，吸取的電源電流在120μa至500μa之間。另外，器件都工作在5v單電源下。采用單一電源+5v工作，額定電流為300μa，采用半雙工通信方式。它完成將ttl電平轉(zhuǎn)換為rs-485電平的功能。max485芯片的結(jié)構(gòu)和引腳都非常簡(jiǎn)單，內(nèi)部含有一個(gè)驅(qū)動(dòng)器和接收器。ro和di端分別為接收器的輸出和驅(qū)動(dòng)器的輸入端，與單片機(jī)連接時(shí)只需分別與單片機(jī)的rxd和txd相連即可；/re和de端分別為接收和發(fā)送的使能端，當(dāng)/re為邏輯0時(shí)，器件處于接收狀態(tài)；當(dāng)de為邏輯1時(shí)，器件處于發(fā)送狀態(tài)，因?yàn)閙ax485工作在半雙工狀態(tài)，所以只需用單片機(jī)的一個(gè)管腳控制這兩個(gè)引腳即可；a端和b端分別為接收和發(fā)送的差分信號(hào)端，當(dāng)a引腳的電平高于b時(shí)，代表發(fā)送的數(shù)據(jù)為1；當(dāng)a的電平低于b端時(shí)，代表發(fā)送的數(shù)據(jù)為0。在與單片機(jī)連接時(shí)接線非常簡(jiǎn)單。只需要一個(gè)信號(hào)控制max485的接收和發(fā)送即可。同時(shí)將a和b端之間加匹配電阻，一般可選100ω的電阻。

通信管理機(jī)的主要功能是實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與下位機(jī)之間的可靠通信，因此通信單元的設(shè)計(jì)為設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。本發(fā)明的通信接口設(shè)計(jì)中包括了rs485接口，方便完善軟件，從而優(yōu)化通信管理機(jī)的性能。

stm32內(nèi)置專門的同步/異步收發(fā)器通信模塊，通過至少兩個(gè)引腳與收發(fā)器相連：接收數(shù)據(jù)串行輸入(rx)、發(fā)送數(shù)據(jù)串行輸出(tx)。

usart模塊支持半雙工通信和全雙工通信。本發(fā)明中采用半雙工的rs485通信方式。

因此，在已有的兩個(gè)數(shù)據(jù)收發(fā)引腳之外還需要定義一個(gè)gpio口為方向控制管腳，通過在gpio口上輸出控制信號(hào)，用于控制rs485通信數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆较颉?/p>

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)如下：

(l)結(jié)合土壤的空間異質(zhì)性以及該異質(zhì)性導(dǎo)致反演維數(shù)升高問題，提出了基于zigbee技術(shù)的農(nóng)田土壤剖面的含水量的采集方法，為土壤墑情預(yù)報(bào)提供高精度的基礎(chǔ)參數(shù)。

(2)系統(tǒng)方便靈活。zigbee網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)方便，一個(gè)zigbee設(shè)備可以根據(jù)農(nóng)田的大小和農(nóng)田內(nèi)部的布局不同而執(zhí)行不同的任務(wù)，可以采集數(shù)據(jù)也可以路由數(shù)據(jù)。在已有無線傳感器網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上新增設(shè)備加入原網(wǎng)絡(luò)也方便。

(3)三聯(lián)自動(dòng)控制。實(shí)時(shí)檢測(cè)土壤墑情，實(shí)現(xiàn)土壤水分運(yùn)動(dòng)的識(shí)別以及預(yù)測(cè)，進(jìn)行最佳灌溉量的估算，將作物根部土壤的含水率長(zhǎng)期控制在適合其生長(zhǎng)的設(shè)定值，具有自動(dòng)控制和手動(dòng)控制兩種工作模式。

(4)適應(yīng)性強(qiáng)，使用壽命長(zhǎng)。該系統(tǒng)采用高可靠性元器件，適應(yīng)溫度為-40～80℃、有凝結(jié)的極端環(huán)境，并且防潮、防水、防塵，使用壽命超過10萬次。

(5)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸。利用gprs技術(shù)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)置、遠(yuǎn)程通訊和控制。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。