光电池的监测系统设计探索

系统硬件设计

整个系统硬件部分包括由各数据采集模块组成的数据采集终端、本地监控中心的中控机及远程监控终端。其中关键部分为数据采集终端和区域控制模块，本文将对该部分进行重点介绍。区域控制模块区域控制模块选用STM32F105RCT6为控制核心，它是采用ARMCortex-M3为内核的32位高性能嵌入式微处理器。它片上集成了256kB的Flash存储器，拥有2个12位的μs级的A/D转换器(16通道)，5个USART接口，多个快速I/O端口［3］。模块的其他外设包括用于显示当前环境参数的点阵液晶，用于实现基本控制功能的按键等。数据采集终端利用硅光电池的感光性，采用新型的光电测尺作为土壤侵蚀量的测量传感器。硅光电池是一种直接把光能转换成电能的半导体器件。它的结构很简单，核心部分是一个大面积的PN结，当受到光照时，光电池的两极会出现微弱的电压信号。以规则的矩形微型光电池作为测量单位，一个微型光电池相当于常用尺子的“1mm”，将一列光电池线型排列起来做成一把光电测尺，将光电测尺(光电池阵列一端)直接埋在土中后，每侵蚀掉1个单位尺寸厚的土壤后，相应位置的光电池感光，光电池发出的微弱信号通过信号处理电路，进行放大和滤波，再将得到的电压值送入区域控制模块的A/D采样口，区域控制模块通过读取A/D口采样的值，记录相应土壤的厚度。经过一次侵蚀后，重新测量时，重新记录土壤的厚度，比较2次土壤厚度的差值，计算2次观测时段内采集点的土壤侵蚀量。温度采集模块采用DS18B20数字实时温度传感器，封装后的探头可防水，可用于如电缆沟测温、高炉水循环测温、锅炉测温、机房测温、农业大棚测温、洁净室测温、弹药库测温等各种非极限温度场合。工作电压为3～5VDC，测量温度范围为－55～+125℃，精度为±0．5℃，测量结果以9～12位数字量方式串行传送，采用单线方式与微控制器实现双向通信。

系统软件设计

在网络通信时，使用主/从技术，本地监控中心为主设备，区域控制模块为从设备，每个从设备都有唯一的设备地址。1个主设备最多可挂接247个从设备，主设备与各个从设备采用单独通信，主设备发出数据请求消息，从设备做出相应回应，发送数据。busRTU的消息帧包括1个字节的地址码;1个字节的功能码，0～256字节的数据区，2字节的错误校验码。地址码主要用于指示从机的地址，功能码用于主机告诉从机执行什么动作。从机响应时，发送相同的功能码，表明从机已响应主机进行操作。数据区包含需要从机执行什么动作或从机采集的返回信息。错误校验码可供主机或从机判别接收信息是否出错。具体编程实现见文献［6］。接收本地监制中心调度任务和按键控制任务在创建后，通过调用OSTaskSuspend()函数进入挂起状态，当接收到调度命令或按键触发中断后，通过调用OSTaskResume()函数恢复任务，实现任务的执行。采集土壤环境参数任务中，数据的采集选用微控制器的中断方式，系统初始化时，已经开启外部中断。该任务在被创建后，先初始化变量，通过调用OSTaskSuspend()函数进入挂起状态，当外部中断被触发时，通过调用OSTaskRe-sume()函数恢复任务，实现数据采集任务的执行。在采集土壤环境参数任务挂起后，运行控制设备任务，该任务先访问内存的环境参数，根据设定的阈值判断是否对设备动作。结束后，调用OSTimeDLY()函数挂起自己以实现下一级优先级任务的运行。LCD显示任务用于显示此时土壤侵蚀量数据，主要用于现场对系统进行调试，紧接在控制设备任务后。任务结束后，亦需要用OSTimeDLY()函数挂起自己。最后是发送数据到本地监控中心。

系统功能测试

为了验证研究方案的正确性与可行性，针对系统的各项功能进行了测试，测试内容为本地监控中心的土壤侵蚀量。本实例中采用了8mm的光电测尺，采用8路12位A/D进行数据采集，基准电压为5V，实验坡度为21°，坡长为100cm，露天环境。现场安装情况如。测试点从左到右，依次标号为1，2，3，数据分析以测试点1为例。实验中，利用Modbus扫描软件观察区域控制模块与本地监控中心的通信，本地监控中心通过Modbus协议与区域Fig6Thesceneinstallation控制模块进行通信，并读取区域控制模块共享内存中的数据，本实例中采用了8mm的光电测尺，寄存器起始地址是40001，长20，各寄存器的设置如表1所示，寄存器40005～40019为数据共享内存区，在数据区的开始(40005)和结束(40019)写入00000作为标记，以便于阅读和分析。本实例中仅用了8路A/D，则真实数据存储区为寄存器40006～40013，在不同环境下还可扩展至13路A/D，则真实数据存储区为寄存器40006～40018，以准确反映土壤侵蚀量的真实情况。其中，由于对采样精度的要求，仅用微控制器A/D采样的高8位来采集土壤侵蚀量数据，所以，每路A/D采集的数据范围为0～255。经过观察得到，当中午强光照射时，被土壤覆盖的光电测尺部分，A/D采集到的电压数据小于120;未被覆盖的部分，采集到的电压数据大于120，所以，选择120为阈值。当早晨、傍晚或光线微弱时，阈值为90。根据阈值数据，可得到哪部分被土壤覆盖，哪部分未被土壤覆盖，即土壤的厚度。实验中，2次数据采集的间隔时间为15d，监测结果数据，监测时间为早晨，阈值为90。表2中，第一次数据采集后，寄存器40006～40008中的数据大于90，后5路小于90，则光电测尺在空气中的长度为3mm。土壤经过15d的侵蚀之后，第二次数据采集后，寄存器40006～40009的数据大于90，后4路小于90，则光电测尺在空气中的长度为4mm。由此得出结论:经过15d的侵蚀后，该点的土壤侵蚀量为1mm。

结论

本文将嵌入式技术应用到土壤侵蚀量检测的开发中，取代了手动测量的传统方法，实现了自动监测的目的。引入光电池作为土壤侵蚀的传感器，完成了系统的硬件和软件设计，针对系统的实时性要求，区域控制模块引入高性能嵌入式微处理器和μC/OS-Ⅱ嵌入式实时操作系统，管理多个测量和控制任务，实现数据的实时采集和系统实时控制，并通过实际实验，对系统的功能进行了测试。结果表明:该方案是一种切实可行的坡面土壤侵蚀量监测系统实现方案，为坡面土壤侵蚀量监测提供了可借鉴的嵌入式解决方案。

作者：郑亚红 孙志锋 张新星 单位：浙江大学电气工程学院