土壤水分管式傳感器硬件系統(tǒng)設(shè)計

郝澤亮　鐘國財　謝東東　潘庭龍

摘 要：目前市場上廣泛應(yīng)用的土壤水分傳感器大多以探針式為主，該類傳感器只能檢測土壤表層水分，且探針要與土壤直接接觸，因此會破壞土壤結(jié)構(gòu)。鑒于此，文中以STM32單片機為核心，基于智能感知、無線傳輸、電子信息等物聯(lián)技術(shù)，研發(fā)一種新型管式傳感器，可以同時測量同一剖面不同深度的土壤參數(shù)，且對土壤環(huán)境無破壞，對于水利、智能灌溉、精準農(nóng)業(yè)等具有重要的現(xiàn)實意義，在我國這樣一個農(nóng)業(yè)大國，具有廣闊的市場前景。

關(guān)鍵詞：管式傳感器；土壤水分測量；邊緣場效；無線傳輸

中圖分類號：TP212；S951.4+1 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2018）03-00-04

0 引 言

我國是一個擁有13億人口的發(fā)展中農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)業(yè)的穩(wěn)定發(fā)展對我國具有十分重要的意義[1]。與發(fā)達國家相比，我國農(nóng)業(yè)用水的利用率還極其低下，農(nóng)業(yè)用水的浪費現(xiàn)象普遍存在。只有大力發(fā)展現(xiàn)代農(nóng)業(yè)，保證農(nóng)產(chǎn)品的充足供應(yīng)，才能確保我國經(jīng)濟持續(xù)快速發(fā)展，實現(xiàn)“兩個一百年”的奮斗目標[2]。 水資源在農(nóng)業(yè)應(yīng)用中起著至關(guān)重要的作用，土壤水分含量是影響農(nóng)作物生長過程的重要物理參數(shù)[3]。 在當前水污染嚴重、淡水資源緊缺的情況下，研究和推廣節(jié)水技術(shù)和設(shè)備、發(fā)展節(jié)水農(nóng)業(yè)是提高水資源利用率的一條重要途徑[4]。 因此，研究開發(fā)土壤墑情傳感器，實現(xiàn)對土壤的實時監(jiān)控對農(nóng)業(yè)的發(fā)展至關(guān)重要[5]。目前，市場上關(guān)于土壤水分的檢測儀器幾乎都以與土壤直接接觸的探針式傳感器為主。若要實現(xiàn)土壤剖面的水分測量，需要沿剖面埋設(shè)探針式傳感器，導(dǎo)致嚴重破壞土壤結(jié)構(gòu)，難以滿足對土壤剖面含水率進行測量的需求[6]。 鑒于此，本文設(shè)計研制了一款管式土壤水分檢測傳感器，能夠在檢測水分的同時檢測溫度，可以連續(xù)實時地對不同深度的水分和溫度進行測量。

土壤主要由固體顆粒、水分、氣體三部分組成。土壤含水率是表示土壤中水分含量的基本概念，一般用土壤質(zhì)量含水率（θm）和土壤體積含水率（θv）兩種基本方法表示。

頻域分解法是1992年荷蘭學(xué)者Hilhorst提出來的。該法利用矢量電壓的測量技術(shù)，通過施加合適的高低頻率將土壤介電常數(shù)的實部與虛部分離開來。其中，由介電常數(shù)的虛部可以推導(dǎo)出土壤含水率，常數(shù)的虛部與土壤的電導(dǎo)率有較強的相關(guān)性，由此即可換算出土壤的鹽分含量。單純從測量土壤水分含量來看，基于頻域分解法的水分檢測儀器不管在研究初期還是批量化生產(chǎn)應(yīng)用的過程都比駐波比法要難，因此只有經(jīng)歷不斷的技術(shù)革新才足以進入市場。

1 土壤水分管式傳感器方案設(shè)計

本文所設(shè)計的是基于電容邊緣場效應(yīng)的土壤水分管式傳感器，該傳感器工作于埋設(shè)在土壤的PVC管體中，需要與專用的采集設(shè)備配套使用[7]，該傳感器的優(yōu)點是測量探頭不與土壤直接接觸，且可以同時測量同一剖面不同深度的水分。探頭采用的核心部件是壓控振蕩芯片MC1648。采集到的數(shù)據(jù)通過GPRS無線通信統(tǒng)一發(fā)送至遠程服務(wù)器，土壤水分管式傳感架構(gòu)框圖如圖1所示。圖中無線傳輸模塊采用SIM900模塊，通過GPRS通信協(xié)議與遠程服務(wù)器進行數(shù)據(jù)傳輸。

2 傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計

本文所設(shè)計的是一種新型管式土壤傳感器，PVC套管垂直埋入土壤中，每個套管中嵌有多個探頭節(jié)點，測量深度可通過增減探頭節(jié)點的個數(shù)具體而定。幾何結(jié)構(gòu)如圖2所示。

每個傳感器探頭節(jié)點都由一對形狀大小一致且相對平行的銅環(huán)構(gòu)成。銅環(huán)的外徑為55 mm，內(nèi)徑為53 mm，高度為25 mm，兩個銅環(huán)之間的間距為10 mm，套管采用PVC材質(zhì)，內(nèi)徑為57 mm，厚度大約3 mm左右，節(jié)點之間的距離設(shè)置為10 cm，即可以同時測量同一剖面相隔10 cm的土壤參數(shù)。傳感器設(shè)計時應(yīng)避免銅環(huán)晃動或與PVC套管產(chǎn)生較大摩擦，套管底部應(yīng)做好密封處理，防止水分滲入損壞傳感器。傳感器埋入土壤后沒有特殊情況一般不取出。

采用該結(jié)構(gòu)的傳感器探頭不與土壤直接接觸，不會破壞土壤結(jié)構(gòu)，采集到的數(shù)據(jù)可靠性較好；傳感器采用管式結(jié)構(gòu)，可同時測量同一剖面不同深度的土壤水分及溫度，且測量深度可由具體要求而定。

3 硬件電路設(shè)計

3.1 傳感器探頭電路設(shè)計

土壤水分管式傳感器的探頭電路由振蕩電路、整型電路以及分頻電路三部分組成，具體如圖3所示。一對金屬銅環(huán)充當電容連接入電路與電感L組成LC振蕩電路，選擇合適的電感L值使得諧振頻率位于80～150 MHz，經(jīng)過整形、分頻送往單片機處理。

（1）振蕩電路

該部分電路使用的是壓控振蕩芯片MC1648，與E1648相比其功能沒有太大區(qū)別，只是封裝類型不同。MC1648是SOP-8貼片封裝，E1648是14引腳直插式的。 MC1648的TANK與BIAS引腳與電感L1、銅環(huán)P1相連構(gòu)成振蕩電路。其中，T1為互感線圈，其作用是濾波抑制干擾，信號經(jīng)OUT引腳連接一個電容輸出，振蕩頻率大約為80～150 MHz。土壤濕度發(fā)生改變時，金屬銅環(huán)構(gòu)成的電容P1有效容值也會變化，從而引起輸出頻率的變化。

（2）分頻電路

OUT引腳輸出的是諧振電路產(chǎn)生的高頻正弦波信號，該信號無法直接送至STM32單片機進行處理，因此需要進行分頻處理。本文的設(shè)計是對高頻進行兩次分頻，首次分頻采用MC12080芯片，該芯片具有÷10/÷20/÷40/÷80多種分頻級數(shù)，通過設(shè)置SW1、SW2和SW3的高低電平來確定分頻倍率，12080的最大工作頻率高達1.1 GHz，可以滿足需求。本文將SW1與SW3懸空，置SW2為高電平，將第一級設(shè)置為40分頻。第一級分頻電路如圖5所示。

經(jīng)過第一級分頻后，振蕩頻率大約為3～4 MHz，需進行第二次分頻，此時使用74HC4040作為二級分頻芯片，具體如圖6所示。

（3）整形電路

振蕩電路產(chǎn)生的是正弦波信號，而最后需要測量的是振蕩信號的頻率，因此在第一級分頻電路后加一個比較器LMV7239M7X，將正弦波信號整形為同頻率的方波信號，由1號引腳 Vout輸出。

3.2 主控器設(shè)計

（1）單片機電路設(shè)計

單片機采用的是ST公司基于ARM3設(shè)計的STM32F103系列單片機，該單片機屬于增強型系列，具有多個串口和豐富的外設(shè)資源，足以滿足本設(shè)計的要求?；跁r鐘芯片DS1302Z的實時時鐘電路、晶體振蕩電路以及STM32內(nèi)部的時鐘電路組成了單片機的時鐘方式。根據(jù)硬件連接的不同，分為內(nèi)部時鐘與外部時鐘，依照不同的需求選用時鐘電路。兩個晶體振蕩電路XT1CLK與XT2CLK構(gòu)成單片機的外部時鐘，XT1CLK接32.768 kHz的晶振，與單片機的OSC32引腳相連接，XT2CLK接8 MHz的石英晶體振蕩器，分別與單片機的OSC-IN，OSC-OUT引腳連接。實時時鐘電路如圖8所示。

（2）喚醒電路

由于土壤傳感器可能埋設(shè)在距離監(jiān)控中心較遠的地點，除了后面所要提及的采用特殊供電方式，設(shè)備也應(yīng)盡量減少電能的消耗。由于土壤水分含量是一個漸變過程，相鄰兩個測量時間間隔一般比較長，因此除了測量時間，其余空閑時間應(yīng)使單片機處于休眠或待機狀態(tài)。但出于現(xiàn)實意義考慮，需要外加一個按鍵，在單片機的休眠期間按下按鍵能夠?qū)崿F(xiàn)即時測量，具體電路如圖9所示。

圖9中，1，2號引腳接指示燈，3，4號引腳接外部按鍵。若需要即時測量則按下按鍵，此時3，4號引腳接通，松開按鍵后，STM32喚醒，引腳PA0上出現(xiàn)一個上升沿將單片機喚醒，STM32開始采集數(shù)據(jù)，同時單片機的PA1引腳置予短時間的高電平。將三極管Q13導(dǎo)通，1，2號引腳間的指示燈亮起，指示操作完成。

（3）電源監(jiān)測電路

土壤傳感器須長時間安置在農(nóng)田中，距離控制中心較遠，這就給傳感器的維護帶來不便。本設(shè)計采用光伏蓄電池互補供電模式，為了增強供電的可靠性，需要對穩(wěn)壓后的太陽能光伏電壓以及蓄電池電壓進行監(jiān)測。

ADS1115是一個具有16位分辨率的高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器，能夠以高達每秒860個采樣數(shù)據(jù)的速率執(zhí)行轉(zhuǎn)換操作，ADS115具有一個多路復(fù)用器，可提供2個差分輸入或4個單端輸入。利用A/D轉(zhuǎn)換芯片ADS1115對光伏電壓及蓄電池電壓進行單端采集，電路如圖10所示，其中PV+，P-分別是太陽能光伏的正負極，BAT+，B-分別是蓄電池的正負極。ADS11115的工作范圍是2～5.5 V，為了確保輸入電壓不超過測量范圍需預(yù)先做分壓處理。

3.3 電源模塊設(shè)計

為了不破壞土壤結(jié)構(gòu)，傳感器一經(jīng)安裝完成，應(yīng)盡可能少拆除。因此供電問題是首要考慮的問題，為了解決遠距離供電問題，采用光伏+儲能蓄電池互補的供電方式，太陽能給系統(tǒng)供電的同時給儲能電池充電，在沒有光照的時候儲能電池供電。為了延長供電時間，除了方案所提及的采用光伏蓄電池互補供電模式，在傳感器探頭測量模塊與中心處理器數(shù)據(jù)處理模塊應(yīng)盡量降低功耗，如多探頭輪流供電。當需要進行數(shù)據(jù)采集時進行供電，其余空閑時間使該模塊進入休眠狀態(tài)或停止供電，盡量減少電能的消耗。電源模塊整體架構(gòu)如圖11所示。

本文所采用的太陽能光伏陣列輸出的是穩(wěn)定的6 V電壓，而傳感器系統(tǒng)大多數(shù)芯片的工作電壓為3.3V，因此需做降壓處理。芯片工作所需的5 V電源由3.3 V升壓得到。

（1）蓄電池充電管理電路

太陽能光伏降壓后除了直接給傳感器系統(tǒng)測量供電，同時也給儲能蓄電池充電，整體架構(gòu)如圖12所示。主控芯片采用MM3077FNRE，開關(guān)器件1和開關(guān)器件2均為P溝道MOSFET，太陽能光伏與蓄電池共正極，通過開關(guān)器件1和開關(guān)器件2來控制兩者的負極是否連接在一起，MM3077FNRE通過采集到的蓄電池電量來決定引腳DO，CO輸出的高低電平，從而控制開關(guān)器件的通斷。當蓄電池充電飽和時，開關(guān)器件1斷開，蓄電池不再充電。在沒有光照的條件下，由蓄電池給系統(tǒng)供電。為了防止電池過放，當檢測到電池電量低于某個閾值時，開關(guān)器件2斷開，蓄電池停止供電，由此實現(xiàn)了光伏+蓄電池互補供電。

（2）傳感器探頭供電設(shè)計

由于遠距離供電帶來設(shè)備維護的困難，降低設(shè)備能耗，延長工作時長就尤為重要，因此除了供電模式的特殊設(shè)計外，對傳感器本身的工作模式也應(yīng)做出優(yōu)化。探頭的供電模式設(shè)計如圖13所示， 5 V電源不直接給傳感器探頭供電，而是通過開關(guān)器件MOSFET控制電源的接通關(guān)斷。使能端EN與單片機相連，探頭采集數(shù)據(jù)時，使EN輸出低電平，穩(wěn)壓二極管D1被擊穿，Q1導(dǎo)通，在其余空閑時間內(nèi)使Q1關(guān)斷，切斷電源。

3.4 抗干擾性和低功耗設(shè)計

（1）抗干擾設(shè)計

硬件電路在設(shè)計之初就應(yīng)考慮到各種抗干擾措施，特別是本文的高頻信號電路。因此，從元器件布局到焊接，均應(yīng)遵守電磁場兼容理論。本文針對抗干擾采取了以下措施：在每個芯片的VCC引腳均接有去耦電容，提高對低頻噪聲信號的抑制能力；PCB板上的線粗細合適，距離盡量短，布局緊湊，盡量降低信號傳輸過程中的損耗，空白處大面積敷銅；模擬電路部分與數(shù)字電路部分盡量分開，數(shù)字地與模擬地通過電感連接。

（2）低功耗設(shè)計

本文所設(shè)計的土壤水分傳感器主要應(yīng)用于農(nóng)田，供電方式采用太陽能光伏+儲能蓄電池互補供電模式，為解決低功耗問題，特采取以下幾項措施：除測量時間外，在其余時間傳感器探頭停止供電，微處理器與其他芯片處于休眠或關(guān)閉狀態(tài)，從而大大降低能量損耗。

在選擇電路器件時，盡量采用低功耗設(shè)計的芯片，如芯片不采用直插封裝而選擇功耗相對較低的貼片封裝等。

4 結(jié) 語

本文旨在研究一種非接觸式土壤水分傳感器，該傳感器主要應(yīng)用于農(nóng)田水分測量系統(tǒng)，主要由水分傳感器探頭、主板控制器、PVC套管等組成。其主要特色在于：（1）采用管式測量方法，克服了傳統(tǒng)針式傳感器只能測量表層水分的缺點。本項目的土壤水分傳感器為管式傳感器，相對于傳統(tǒng)的針式探頭結(jié)構(gòu)有很大的優(yōu)勢。從設(shè)備的使用壽命上來說，管式傳感器外面是PVC套筒，不易腐蝕；從測量的準確性上來說，針式傳感器在測量特定深度土壤的水分時需要把土壤挖開，把傳感器埋在特定的點，這樣不能保證挖開之后的土壤水分含量與挖開之前相同。而管式傳感器只需要把套管插入土中，就能一次性測得同一個剖面不同深度的土壤水分含量，并且不影響土壤水分自由交換；從對土壤的保護方面來說，使用管式傳感器不涉及挖開土壤，實現(xiàn)了對土壤最大程度的保護。（2）光儲互補供電方式適合傳感器長期野外作業(yè)，某些傳感器所安裝的農(nóng)田位置距離遠程控制中心較遠，且已安裝完成的設(shè)備不適宜經(jīng)常性地拔出更換蓄電池，否則會對農(nóng)作物生產(chǎn)環(huán)境造成擾動。本項目采取的光伏蓄電池互補供電模式能夠盡可能降低傳感器功耗，為其長時間野外作業(yè)提供條件，提高了遠程數(shù)據(jù)采集的穩(wěn)定性及持續(xù)性。（3）采用GPRS無線傳輸技術(shù)實現(xiàn)傳感器遠程數(shù)據(jù)采集。所謂精確農(nóng)業(yè)是指由信息技術(shù)支持，根據(jù)空間變異定位、定時、定量實施的一整套現(xiàn)代化農(nóng)事操作技術(shù)與管理系統(tǒng)。信息傳輸無疑是這一系統(tǒng)重要的組成部分，將采集到的土壤參數(shù)及時傳輸?shù)竭h程服務(wù)器，供決策人員查看，為作物的最佳灌溉時機和灌溉量的選擇提供參考，實現(xiàn)智能精確灌溉控制，極大地提高了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效益。

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