基于高頻電容原理的土壤剖面水分傳感器研究*

王新忠，劉 飛，由 婷

(1.江蘇大學(xué)江蘇省農(nóng)業(yè)裝備與智能化高技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇鎮(zhèn)江212013;2.上海理工大學(xué)光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，上海200093)

0 引言

通過(guò)獲取土壤水分信息能及時(shí)了解土壤墑情，對(duì)節(jié)水灌溉起著重要的前導(dǎo)性作用，是現(xiàn)代精細(xì)農(nóng)業(yè)技術(shù)的重要基礎(chǔ)［1，2］。而土壤含水量隨時(shí)間而變化，實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確測(cè)量土壤剖面水分含量和空間立體分布對(duì)研究土壤水分運(yùn)動(dòng)規(guī)律、作物需水規(guī)律，精確控制灌溉和排水有著重要的意義。在諸多領(lǐng)域，如研究降雨在農(nóng)田環(huán)境下的運(yùn)移過(guò)程［3］，理解田間土壤剖面中農(nóng)用化學(xué)物質(zhì)的遷移特征［4］;掌握灌溉后的土壤水分空間立體分布情況，及時(shí)了解作物根系區(qū)域水分有效吸收情況、淋溶作用，優(yōu)選作物最佳灌溉時(shí)機(jī)和閾值［5］;測(cè)量森林中樹木根系土壤含水量［6，7］等，都迫切需要進(jìn)行土壤剖面不同深度的水分測(cè)量。現(xiàn)行土壤水分傳感器大多數(shù)局限于探針式結(jié)構(gòu)，探針長(zhǎng)度有限，只能進(jìn)行土壤表層含水量測(cè)量。若要實(shí)現(xiàn)土壤剖面水分測(cè)量，不僅需多個(gè)傳感器穿插于土層，布設(shè)困難、費(fèi)時(shí)費(fèi)力，前期工作量相當(dāng)大，而且長(zhǎng)期連續(xù)測(cè)量，探針容易腐蝕，影響測(cè)量精度。土壤剖面多個(gè)傳感器穿插，同時(shí)工作也會(huì)導(dǎo)致功耗較大。對(duì)于面向土壤剖面水分的傳感測(cè)量，國(guó)外已開始開展相關(guān)研究并形成了相關(guān)產(chǎn)品，而國(guó)內(nèi)在這方面的研究剛剛起步。

為此，本文基于高頻電容原理，研制一種土壤剖面水分傳感器，主要對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)、數(shù)據(jù)采集及處理模塊的硬件電路進(jìn)行設(shè)計(jì)以及傳感器軟件設(shè)計(jì)，形成一種低成本、低功耗，可自動(dòng)、連續(xù)監(jiān)測(cè)土壤剖面動(dòng)態(tài)含水量的傳感器。

1 土壤水分傳感器測(cè)量原理

傳感器的測(cè)量原理就是基于高頻電磁邊緣場(chǎng)效應(yīng)，傳感器探頭充當(dāng)高頻振蕩器并聯(lián)LC諧振回路的電容元件，周圍土壤為其電介質(zhì)，它所表征的介電常數(shù)主要依賴于土壤含水量［8］。當(dāng)土壤含水量發(fā)生變化時(shí)，即土壤表征的介電常數(shù)發(fā)生變化時(shí)，探頭感知的等效電容發(fā)生變化，繼而高頻振蕩器的輸出頻率也發(fā)生變化，經(jīng)信號(hào)調(diào)理后傳感器輸出的直流電壓信號(hào)也發(fā)生了改變，變化的直流電壓信號(hào)即可反演出土壤含水量。

外接并聯(lián)LC諧振回路的高頻振蕩器輸出頻率為

式中 L和C0分別為諧振回路中固定電感與電容;Cp為寄生電容;Cs為基于高頻電磁邊緣場(chǎng)效應(yīng)，傳感器探頭所感知的土壤等效電容，其容量與探頭周圍的土壤及探頭本身的寄生電容有關(guān)［9］，亦即

式中 g與探頭的幾何結(jié)構(gòu)(電極面積、電極間距等)有關(guān);ε為土壤介電常數(shù)，考慮到不同土壤類型會(huì)給水分測(cè)量帶來(lái)影響，由 Herkelrath 經(jīng)驗(yàn)公式［10］，即

式中 θv為土壤體積含水量，a0與a1是與土壤類型相關(guān)常數(shù)。

高頻振蕩器輸出的頻率f經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理后可轉(zhuǎn)換成直流電壓信號(hào)，即有

式中 k為正比例常數(shù)，可根據(jù)后級(jí)電路進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，前提是確保信號(hào)不失調(diào)。

聯(lián)立式(1)，式(2)，式(3)，式(4)可得

由此可知，通過(guò)測(cè)量傳感器的輸出電壓即可反演計(jì)算得到土壤的體積含水量。

2 土壤剖面水分傳感器設(shè)計(jì)

2.1 土壤剖面水分傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

水分傳感器整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，根據(jù)實(shí)際土壤水分的具體測(cè)量深度要求，首先將單個(gè)或多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)以10 cm長(zhǎng)的倍數(shù)作為彼此間隔組合裝配卡嵌于PVC絕緣棒構(gòu)成單桿多節(jié)“竹”形結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)采集與處理模塊內(nèi)嵌于絕緣棒最上端，然后將裝配好節(jié)點(diǎn)的絕緣棒放入事先埋入土壤的PVC套管中，分別將套管的最上端和最下端通過(guò)密封頂蓋和圓錐堵頭進(jìn)行密封裝配。

圖1 土壤剖面水分傳感器結(jié)構(gòu)示意圖Fig 1 Structure diagram of soil profile moisture sensor

2.2 土壤剖面水分傳感器硬件設(shè)計(jì)

2.2.1 總體設(shè)計(jì)

如圖2所示，傳感器主要由若干傳感器節(jié)點(diǎn)、數(shù)據(jù)采集及處理模塊等組成。傳感器節(jié)點(diǎn)將土壤含水量轉(zhuǎn)換成直流電壓信號(hào);數(shù)據(jù)采集與處理模塊包括單片機(jī)、多路開關(guān)、電源模塊、存儲(chǔ)模塊、接口電路、備用端口等，其根據(jù)設(shè)定指令程序由單片機(jī)“喚醒”傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行土壤水分測(cè)量，將所采集測(cè)量數(shù)據(jù)分析處理并存儲(chǔ)。

圖2 土壤剖面水分傳感器硬件電路框圖Fig 2 Hardware circuit block diagram of soil profile moisture sensor

2.2.2 水分傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

傳感器節(jié)點(diǎn)硬件電路主要由探頭、高頻振蕩電路、小信號(hào)放大電路、整形/分頻電路、F/V電路等組成，如圖3。

探頭采用圓環(huán)結(jié)構(gòu)，2個(gè)圓環(huán)電極上下正對(duì)嵌套于PVC絕緣棒。環(huán)狀電極材質(zhì)選用紫銅，外徑25 mm，內(nèi)徑23 mm，軸向長(zhǎng)度為20 mm，2個(gè)電極軸向間距為10 mm。電極外部涂覆有絕緣層，防止探頭被氧化，影響測(cè)量精度。探頭由50—3高密編帶屏蔽同軸電纜線引出連接PCB電路板，電纜線內(nèi)嵌于絕緣棒中。高頻振蕩電路主要由MC1648P組成。MC1648P是集成差分對(duì)管振蕩器，采用ECL工藝，最高工作頻率可達(dá)225 MHz，該集成器件利用對(duì)管的對(duì)稱性減少了高次諧波的影響，內(nèi)部集成的AGC電路使得輸出信號(hào)幅度的平坦度較好。在MC1648P的12腳(Tank)和10腳(Bias)之間外接并聯(lián)LC諧振回路，即構(gòu)成了低失真的高頻振蕩電路。這其中，探頭J1基于高頻電磁邊緣場(chǎng)效應(yīng)感知土壤充當(dāng)諧振回路的可變電容器?？紤]到頻率越高傳感器受土壤電導(dǎo)的影響越小，但是頻率過(guò)高會(huì)受到外界電磁干擾，趨膚效應(yīng)越明顯、檢測(cè)電路設(shè)計(jì)越困難［1］，綜合分析后設(shè)定諧振回路起振頻率為115 MHz，并將PCB電路板給予金屬屏蔽。小信號(hào)放大電路即為由高頻低噪晶體管2SC3355等組成的共射極放大電路，實(shí)現(xiàn)前級(jí)高頻小信號(hào)幅值放大。整形/分頻電路利用MB504和SN74HC393N的典型電路應(yīng)用，進(jìn)行高頻正弦波信號(hào)的64×16×16=16384分頻，同時(shí)將其整形為方波信號(hào)。F/V電路基于LM331N的典型F/V轉(zhuǎn)換應(yīng)用，將前級(jí)低頻頻率信號(hào)轉(zhuǎn)換成直流電壓，即作為傳感器節(jié)點(diǎn)的輸出信號(hào)。

圖3 水分傳感器節(jié)點(diǎn)硬件電路設(shè)計(jì)框圖Fig 3 Hardware circuit design block diagram of moisture sensor node

2.2.3 數(shù)據(jù)采集與處理模塊設(shè)計(jì)

1)單片機(jī)選擇:單片機(jī)選用ATMEL公司AVR系列的Atmega128L。該芯片基于AVR內(nèi)核，是一種采用RISC結(jié)構(gòu)的8位低功耗CMOS微處理器，運(yùn)行速度快，內(nèi)部集成有8路10位逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器、128kB可編程Flash，4kB的EEPROM，4kB的SRAM，4個(gè)定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、32個(gè)通用工作寄存器、實(shí)時(shí)時(shí)鐘、2個(gè)通用異步串行接口、1個(gè)串行外圍接口等。芯片硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積較小;工作電壓為3.3 V，正常最大耗電為5 mA，空閑模式最大耗電為4 mA。

2)多路開關(guān)設(shè)計(jì):多路開關(guān)選用CD4051，它是由數(shù)字信號(hào)控制的多路調(diào)制/選擇模擬開關(guān)即為8選1模擬開關(guān)，3個(gè)二進(jìn)制輸入信號(hào)控制端A，B，C接受單片機(jī)控制選擇8個(gè)模擬通道中的任一個(gè)進(jìn)行開關(guān)狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)的選擇。工作時(shí)具有低導(dǎo)通電阻和很低的關(guān)態(tài)漏電流，很寬的數(shù)字控制與傳輸模擬信號(hào)電壓范圍:數(shù)字0～15 V。

3)存儲(chǔ)模塊設(shè)計(jì):由于單片機(jī)內(nèi)部自帶的4 kB EEPROM不能滿足數(shù)據(jù)存儲(chǔ)要求，所以，選用存儲(chǔ)容量為64kB的AT24C64作為擴(kuò)展EEPROM。AT24C系列EEPROM是ATMEL公司的I2C總線串行CMOS型EEPROM。為減小體積，采用AT24C64的8腳TSSOP封裝。A0，A1，A2為芯片地址輸入腳;WP為寫保護(hù)，高電平時(shí)芯片只能讀而不能改寫;SDA為串行數(shù)據(jù)/地址的輸入/輸出，SCL為串行時(shí)鐘輸入。由于Atmega128L內(nèi)置TWI總線完全兼容I2C總線，所以，直接把SDA和SCL與單片機(jī)的TWI總線的SDA和SCL相連。

4)接口電路設(shè)計(jì):由于Atmega128L的I/O引腳PE1，PE0和上位機(jī)PC基于RS—232C總線協(xié)議進(jìn)行全雙工的串行異步通信，本文采用MAX3232芯片完成電平轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)PC和單片機(jī)的通信。MAX3232與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn) MAX242和MAX232都兼容，帶有2路接收器和2路驅(qū)動(dòng)器，關(guān)斷模式下，接收器保持有效狀態(tài)，對(duì)外部設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測(cè)，僅消耗1μA電源電流，大大降低了功耗。

2.3 土壤剖面水分傳感器軟件設(shè)計(jì)

傳感器軟件設(shè)計(jì)主要包括初始化程序、數(shù)據(jù)采集程序、數(shù)據(jù)處理程序、串口通信程序等。主程序流程圖如圖4所示，電路上電復(fù)位后，首先進(jìn)行單片機(jī)的相關(guān)配置和初始化，接著進(jìn)行外圍器件初始化、單片機(jī)自檢，然后進(jìn)入低功耗待機(jī)模式。由外部中斷單片機(jī)發(fā)出測(cè)量指令，傳感器節(jié)點(diǎn)響應(yīng)工作請(qǐng)求進(jìn)行土壤水分信息采集并返回測(cè)量數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)經(jīng)單片機(jī)處理分析后存儲(chǔ)，根據(jù)指令可將歷史數(shù)據(jù)串行通信至上位機(jī)。

圖4 水分傳感器主程序流程圖Fig 4 Main program flow chart of moisture sensor

3 傳感器實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

3.1 水分傳感器標(biāo)定實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下，采用鎮(zhèn)江地區(qū)典型土壤黃棕壤，取容重1.35 g/cm3，配制8種不同體積含水量的土樣。采用傳感器多次測(cè)量土樣取平均電壓值，結(jié)合烘干法測(cè)量土樣實(shí)際含水量。由于傳感器節(jié)點(diǎn)之間一致性和相關(guān)性較好，這里只給出其中一個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的標(biāo)定結(jié)果，如圖5所示，傳感器的輸出電壓隨著土壤體積含水量的增加而減小，這與理論分析相吻合。通過(guò)二次曲線擬合，擬合多項(xiàng)式為y=1.2269 x2－0.8832x+3.0989，它表示傳感器輸出電壓 V 與土壤體積含水量θv之間的關(guān)系，相關(guān)系數(shù)R2=0.9744。

3.2 土壤剖面水分測(cè)量實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下，取土壤容重1.35 g/cm3，配制3種不同體積含水量的土樣:0.09，0.18，0.27 m3/m3按每種含水量土樣10cm的高度依次放入塑料桶中，形成具有不同水分層的土柱。取3個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)彼此間隔10 cm組合裝配成土壤剖面水分傳感器，對(duì)土柱進(jìn)行測(cè)量。如圖6所示，土壤剖面不同深度水分梯度變化明顯，進(jìn)行重復(fù)性實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析實(shí)際值與測(cè)量值，相關(guān)系數(shù)R2=0.968 2，最大絕對(duì)誤差為－5.10%，在測(cè)量誤差允許范圍之內(nèi)。

圖5 土壤水分傳感器標(biāo)定結(jié)果Fig 5 Calibration result of soil moisture sensor

圖6 土壤剖面水分測(cè)量結(jié)果Fig 6 Result of soil profile moisture measurement

4 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)土壤剖面水分測(cè)量，研究設(shè)計(jì)了一種高頻電容式土壤水分傳感器，按照低成本、低功耗的要求，主要對(duì)傳感器硬件電路和軟件測(cè)量部分進(jìn)行了設(shè)計(jì)，土壤水分測(cè)量試驗(yàn)表明:研制的水分傳感器最大絕對(duì)誤差為－5.10%。傳感器測(cè)量水分梯度變化明顯，可用于土壤剖面水分測(cè)量，適合我國(guó)農(nóng)林業(yè)生產(chǎn)需要。

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