基于頻域反射法的便攜式土壤水分檢測儀研制*

江朝暉，檀春節(jié)，支孝勤，王春生，馬友華

(1.安徽農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)業(yè)信息學(xué)安徽省重點實驗室，安徽 合肥230036;2.安徽農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源環(huán)境與信息技術(shù)研究所，安徽 合肥230036)

0 引 言

土壤的水分含量、耕作特性等對農(nóng)作物的產(chǎn)量影響很大，因此，在每年的春播、秋種時節(jié)要及時、準(zhǔn)確地獲得土壤墑情，以便合理安排灌溉。土壤含水量是土壤墑情的重要指標(biāo)，土壤含水量的準(zhǔn)確、實時檢測是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)面臨的課題之一［1］，既要求對土壤濕度的準(zhǔn)確性、均勻性、波動性進行客觀的計量檢測，同時又有快速、方便、規(guī)范化等要求［2］。土壤水分測量經(jīng)歷了一個漫長的發(fā)展過程［3］:傳統(tǒng)的人工測量不僅要耗費大量的人力、物力，而且時效性較差;各種機械式濕度記錄儀或巡檢儀體積龐大、精度低、響應(yīng)時間長，且容易出現(xiàn)故障;采用高分子濕敏電容器或濕敏電阻器作為濕度傳感器，雖然提高了測量的精度，但是測量電路復(fù)雜，給應(yīng)用帶來了諸多不便。目前，新的水分檢測原理研究和新型土壤水分傳感器設(shè)計取得了長足的進展，在此基礎(chǔ)上應(yīng)用現(xiàn)代電子、計算機和通信技術(shù)設(shè)計研制了各種高性能的土壤水分檢測裝備［4～8］。

盡管固定式墑情監(jiān)測系統(tǒng)具有精度高、功能齊全、監(jiān)測面廣等優(yōu)勢，但其主要不足在于從固定點采集的墑情信息不能良好地反映耕地的正常使用狀況。而手持式土壤水分測量儀則克服了這一缺點，且性價比高，方便農(nóng)技、科研人員使用和推廣，具有廣泛的市場需求和廣闊的應(yīng)用前景。但是現(xiàn)有的便攜式土壤水分測量儀器大都具有以下特點:測量數(shù)據(jù)先保存在存儲器或SD 卡中，測量結(jié)束后將數(shù)據(jù)導(dǎo)入計算機進行后續(xù)處理，不僅易發(fā)生數(shù)據(jù)丟失，而且測量數(shù)據(jù)不能及時應(yīng)用;缺乏測量位置、實時時間等輔助信息的自動獲取，測量時由人工或其他設(shè)備記錄測量位置，根據(jù)人工或測量儀器時鐘獲得測量時間，容易引起數(shù)據(jù)錯亂和誤差，不利于與GIS 系統(tǒng)自動結(jié)合;另外，在傳感器選用、測量結(jié)果校正等方面也存在不足。本文基于頻域反射(FDR)原理、采用GPS/GPRS/GSM 技術(shù)、結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)的實驗校正方法，研制一種新型的便攜式土壤水分檢測儀。

1 總體架構(gòu)與功能

便攜式土壤水分檢測儀由土壤水分傳感器、GPS 信息接收模塊、微處理控制器模塊、鍵盤/顯示模塊、GPRS/GSM通信模塊、可充電電源模塊和相應(yīng)軟件組成，如圖1 所示。

圖1 土壤水分檢測儀總體結(jié)構(gòu)Fig 1 Overall structure of soil moisture detector

土壤水分傳感器輸出模擬的相對濕度信號，經(jīng)A/D 轉(zhuǎn)換輸入到微處理控制器;GPS 接收模塊通過串口連接微處理控制器，獲取經(jīng)度、維度和實時時間;LCD 屏顯示容積含水量、檢測點位置、檢測時間以及其他操作、提示信息;GPRS/GSM 模塊通過串口與微處理控制器相連，發(fā)送數(shù)據(jù)報或短信;微處理控制器統(tǒng)籌上述各模塊工作，并負責(zé)原始水分?jǐn)?shù)據(jù)的校正處理、GPS 信息解析、數(shù)據(jù)打包和通信聯(lián)絡(luò);電源模塊給上述各模塊供電，外接充電器。

有2 種信息傳輸模式供選擇:通過GPRS 模式可將所有信息實時傳輸給遠程數(shù)據(jù)中心，由數(shù)據(jù)中心進行進一步的處理和應(yīng)用;通過GSM 模式可將所有信息發(fā)送給多個手機用戶，便于責(zé)任人及時了解墑情動態(tài)。

2 功能模塊設(shè)計

2.1 土壤水分傳感器

基于介電法原理的土壤水分測量主要有時域反射(time domain reflectometry，TDR)測量法、頻域反射(frequency domain reflectometry，F(xiàn)DR)測量法。與 TDR 相比，F(xiàn)DR 在電極幾何形狀設(shè)計和工作頻率選取上有更大的自由度，校準(zhǔn)和自動連續(xù)監(jiān)測更容易，測量精度較高，因此，采用FDR原理的土壤水分傳感器更適合實際生產(chǎn)的需求。FDR 是根據(jù)電磁波在介質(zhì)中傳播頻率來測量土壤的表觀介電常數(shù)ε，從而得到土壤容積含水量θV。傳感器簡化模型如圖2 所示。FDR 探針等效為一個電容器，其間的土壤充當(dāng)電介質(zhì)，電容器和振蕩器組成一個調(diào)諧電路。高頻振蕩電路產(chǎn)生幾十至幾百兆赫的正弦信號，通過同軸電纜傳輸線傳送到探頭，根據(jù)掃頻電路檢測共振頻率［9～11］。

圖2 土壤水分傳感器模型Fig 2 Model of soil moisture sensor

根據(jù)此模型，探針的等效阻抗Z0由式(1)表示，其中，C0為探針在空氣中的等效電容，Zair為探針在空氣中的等效阻抗，ε 為土壤的介電常數(shù)，ω 為角頻率。Zc為同軸電纜傳輸線的阻抗，S11為反射系數(shù)，由式(2)定義，由式(2)可得式(3)，即 Z0與 Zc，S11的關(guān)系。將式(1)和式(3)結(jié)合，并按式(3)形式用空氣中反射系數(shù)S11air表達Zair，則得到式(4)的ε。再根據(jù)式(5)計算土壤容積含水量θV

其中，a 和b 由土壤類型決定。

本設(shè)計采用一種電流輸出型FDR 傳感器，主要技術(shù)指標(biāo)包括:量程為0%～100%，精度為±3%，響應(yīng)時間＜2 s，外接5～12 V 直流電壓，采用電流/電壓轉(zhuǎn)換電路將其輸出電流轉(zhuǎn)換成0～5 V 的電壓信號。

2.2 GPS 接收與 GPRS/GSM 通信

當(dāng)前GPS 接收技術(shù)與GPRS/GSM 通信技術(shù)較為成熟，已廣泛應(yīng)用在各種測量儀器中［5，12，13］。本設(shè)計選用一種集成了GPS/GPRS/GSM 功能的低功耗三合一模塊，其中，GPS芯片是 GS-91，GPRS/GSM 芯片是 SIMCOM 公司的 SIM100，內(nèi)置TCP/IP 協(xié)議，支持AT 指令集。GPS 模塊通過串口將測試點地理位置信息送入微處理控制器，解析出精度、維度和時間，與測量的土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)整合，按照編碼協(xié)議封裝成數(shù)據(jù)幀，再以一定的流程編輯AT 指令，并將指令和數(shù)據(jù)幀發(fā)送至GPRS/ GSM 電路，實現(xiàn) GPRS 與 Internet 的網(wǎng)絡(luò)連接和數(shù)據(jù)傳輸。

考慮到農(nóng)田水分監(jiān)測的特殊性和實用性，短信每次可同時發(fā)送給多個(可設(shè)置)手機用戶，并且在偏遠地區(qū)通信信號質(zhì)量不穩(wěn)定時，通過握手信號建立數(shù)據(jù)重發(fā)機制。

2.3 控制處理模塊

微控制/處理器采用STC12C5A60S2，它是一種高速/低功耗/超強抗干擾的新一代單片機，增強型8051 內(nèi)核，單時鐘/機器周期，8 路10 位高速A/D 轉(zhuǎn)換，程序空間 60 kbyte，片上 1280byteRAM，雙 UART 串口，通用 I/O 口 36 個，4 個16 位定時器，7 路外部中斷，在系統(tǒng)可編程，工作電壓為5.5～3.3 V，工作頻率范圍為0～35 MHz。

微控制/處理器統(tǒng)籌儀器的采集、處理、顯示和遠程傳輸。通過內(nèi)置的A/D 轉(zhuǎn)換器將土壤水分傳感器送來的模擬電壓信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并按照預(yù)先設(shè)計的校正函數(shù)進行修正，通過串口1 讀取GPS 信息，并解析出經(jīng)度、緯度和時間，將含水量、經(jīng)度、緯度和時間信息在LCD 上顯示，根據(jù)按鍵選擇信息發(fā)送模式，按通信協(xié)議將含水量、經(jīng)度、緯度和時間信息打包，通過串口2 以GPRS 或GSM 模式進行通信聯(lián)絡(luò)和數(shù)據(jù)傳輸。主程序與GPS 接收、GPRS 聯(lián)絡(luò)中斷服務(wù)程序流程如圖3 所示。

圖3 軟件流程圖Fig 3 Software flow chart

2.4 電源模塊

電源模塊設(shè)計是便攜式儀器的核心內(nèi)容之一，需要綜合考慮功耗、效率、重量/體積、成本以及使用方便性。本檢測儀需要3 路不同的電壓和帶載能力，其中土壤水分傳感器需要5～12 V 供電，單片機和 LCD 需要5 V 供壓，GPS/GPRS/GSM 模塊需要5～9 V 供電，且電流較大，在發(fā)送數(shù)據(jù)時大于1 A。電源模塊框圖見圖4，選用一種5500 mAh 可充電的鋰電池組作為供電電源，其電壓范圍較寬，達到4.5～8 V。設(shè)計2 路穩(wěn)壓電路，一路通過LM2577 升壓作為GPS/GPRS/GSM 模塊的電源，可獲得較大電流，降低功耗;另一路采用LM2577 升壓和LM1117 穩(wěn)壓，分別供給水分傳感器和單片機/LCD 模塊。LM2577 效率高，外圍器件較少，設(shè)計方便。

圖4 電源模塊框圖Fig 4 Block diagram of power supply module

3 校正與測試

3.1 實驗校正

采用標(biāo)準(zhǔn)的烘干稱重法進行儀器校正［2］。在實驗室中配置不同含水量梯度的原狀土土壤樣品，分別用研制的水分檢測儀和烘干稱重法對每份樣品進行測量和測定，每份樣品各進行3 次。

對上述實驗獲得的數(shù)據(jù)，用Matlab 軟件進行曲線擬合［8］，如圖5 所示。經(jīng)過反復(fù)實驗和比較，獲得式(6)的校正函數(shù)，固化在微處理程序中。

圖5 實驗校正曲線Fig 5 Experimental calibration curve

需要特別指出的是，現(xiàn)有的土壤水分傳感器只能測量土壤的容積含水量，而土壤墑情監(jiān)測和決策需要獲知土壤的質(zhì)量含水量，兩者之間的關(guān)系見式(7)

土壤容重與土壤的類型、性狀密切相關(guān)，不同地域的差異較大。因此，為了保證水分檢測儀具有普遍適用性，容積含水量與質(zhì)量含水量的換算放在數(shù)據(jù)中心(后臺)進行，按照檢測儀結(jié)果和測試點典型土壤容重自動換算。

3.2 實地測試

研制了一批便攜式土壤水分檢測儀樣機，分別編號，在安徽省明光市進行了實地測試，部分結(jié)果見表1，結(jié)果表明:土壤容積含水量測量誤差小于3 %，GPS 信息接收和GPRS/GSM 通信正常，檢測儀充電一次可連續(xù)工作30 d 以上。目前，該檢測儀已在明光市下屬8 個鄉(xiāng)鎮(zhèn)農(nóng)技站試用。

4 結(jié)束語

針對我國土壤墑情監(jiān)測的現(xiàn)實需求和現(xiàn)有土壤水分檢測儀器存在的局限，本文研制了一種多功能、便攜式土壤水分檢測儀，該多功能便攜式土壤水分檢測儀為墑情監(jiān)測決策系統(tǒng)提供了實時、準(zhǔn)確、廣泛的數(shù)據(jù)來源，提高了墑情監(jiān)測、決策的自動化和智能化水平，有利于防災(zāi)減災(zāi)，提高水資源利用率，促進糧食高產(chǎn)，具有較好的應(yīng)用前景。

表1 安徽省明光市測試結(jié)果Tab 1 Test results

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