FDR土壤濕度傳感器的溫度補(bǔ)償模型研究

張　健，謝守勇，劉　軍，陳　翀，趙　鐳

(西南大學(xué) 工程技術(shù)學(xué)院，重慶　400716)

0　引言

隨著現(xiàn)代農(nóng)業(yè)特別是精細(xì)農(nóng)業(yè)的發(fā)展，土壤信息的獲取與收集在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中顯得格外重要[1]。土壤含水率是土壤信息中最重要和最常用的參數(shù)之一，對(duì)土壤中各類養(yǎng)分的溶解和微生物活性有重要影響[2]?？焖佟?zhǔn)確測(cè)定土壤含水率信息，可及時(shí)了解農(nóng)田旱情、澇情的發(fā)生，并做出有效評(píng)估，制定合理有效的抗旱、抗?jié)硾Q策，適時(shí)排水灌溉，對(duì)于指導(dǎo)農(nóng)耕作業(yè)具有重要意義[3-6]。

土壤含水率的測(cè)量方法有很多，利用FDR(Frequency Domain Reflectometry)技術(shù)的土壤濕度傳感器測(cè)量法，具有連續(xù)性、易操作、便捷性、自動(dòng)化程度高和對(duì)土壤擾動(dòng)小等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用在土壤含水率檢測(cè)上[7-8]。但從已有的研究[9-11]來看，大多數(shù)研究成果忽視了溫度對(duì)FDR傳感器測(cè)量土壤含水率的影響；而在溫差較大的土壤環(huán)境下，溫度導(dǎo)致的測(cè)量誤差不容忽視。因此，本文將采用多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)、二元回歸分析法和最小二乘法，建立FDR土壤濕度傳感器的溫度補(bǔ)償模型，并將該模型應(yīng)用在設(shè)計(jì)的溫濕度測(cè)量系統(tǒng)中進(jìn)行測(cè)試，從而驗(yàn)證該模型對(duì)FDR土壤濕度傳感器在不同土壤溫度下的測(cè)量誤差具有良好的補(bǔ)償效果。

0002)

1　選材與處理

實(shí)驗(yàn)選用的土壤為農(nóng)田耕層土壤，將取回的土壤用細(xì)紗布濾除較大的石子顆粒和雜質(zhì)，放在105℃的恒溫箱內(nèi)進(jìn)行烘干至恒定質(zhì)量。實(shí)驗(yàn)前的準(zhǔn)備：采用精度為0.1g的電子秤稱取17份300g的烘干土壤和不同質(zhì)量的純凈水配制成的17種不同含水率土壤樣本。每種土壤樣本均放置在可密封的鋁盒內(nèi)，以防止水分蒸發(fā)，靜置24h，以便均勻混合。實(shí)驗(yàn)時(shí)，首先對(duì)配置的每種土壤樣本各稱取100g，采用烘干法獲取全部土壤樣本的真實(shí)含水率，并作為參考標(biāo)準(zhǔn)；其次，根據(jù)土壤樣本的真實(shí)含水率，按8:3:6的比例將土壤樣本選擇性的分成A、B、C等3組，并將這3組樣本分別用于土壤濕度傳感器的標(biāo)定實(shí)驗(yàn)、土壤濕度傳感器的穩(wěn)定性與準(zhǔn)確性校驗(yàn)實(shí)驗(yàn)，以及系統(tǒng)對(duì)土壤溫濕度數(shù)據(jù)的采集與驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。

2　搭建系統(tǒng)測(cè)量平臺(tái)

2.1總體結(jié)構(gòu)

土壤溫濕度測(cè)量系統(tǒng)由處理器模塊、土壤含水率信號(hào)采集模塊、土壤溫度信號(hào)采集模塊、電源模塊、觸摸屏模塊和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊組成，可實(shí)現(xiàn)對(duì)土壤含水率和土壤溫度信息的采集、顯示及存儲(chǔ)。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖和實(shí)物圖如圖1和圖2所示。

處理器模塊采用ST公司的STM32F103RBT6芯片，用于數(shù)據(jù)的分析與處理。該芯片具有體積小、功耗低、性能高等優(yōu)點(diǎn)[12]，可以滿足本系統(tǒng)所要完成的功能。信號(hào)調(diào)理電路的主要作用是：將土壤溫度傳感器輸出的信號(hào)轉(zhuǎn)換為處理器中ADC模塊能夠采樣的電壓信號(hào)。擴(kuò)展接口為預(yù)留接口，如采用無線模塊對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)展，將數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機(jī)，以便對(duì)數(shù)據(jù)的分析和長(zhǎng)期存儲(chǔ)。

圖1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

圖2　系統(tǒng)實(shí)物圖

2.2系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.2.1土壤濕度傳感器的標(biāo)定

選取MS-10型的FDR土壤濕度傳感器來測(cè)量實(shí)驗(yàn)樣本的土壤含水率。測(cè)量原理是：利用電磁波在土壤中傳播的頻率測(cè)試土壤的表觀介電常數(shù)，通過土壤的介電常數(shù)對(duì)土壤水分含量的真實(shí)反應(yīng)，從而得到土壤的含水率[13-14]。

采用該傳感器多次測(cè)量某一含水率的土壤樣本，并求取對(duì)應(yīng)輸出的電壓均值作為此含水率水平下的測(cè)量值。按照該方法，測(cè)量多種不同含水率的土壤樣本，并對(duì)最終得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)性分析，從而確定待測(cè)土樣的數(shù)學(xué)函數(shù)關(guān)系。具體實(shí)驗(yàn)操作如下：在室溫為25℃的環(huán)境下，用FDR土壤濕度傳感器分別對(duì)A組的8份樣本在土壤下層30cm處進(jìn)行測(cè)量，每隔10s測(cè)量1次，連續(xù)測(cè)量6次；將每次AD端口采樣的電壓值記錄、保存，并計(jì)算其平均值作為最終測(cè)量結(jié)果，得到的數(shù)據(jù)如表1所示。

表 1　土壤含水率檢測(cè)數(shù)據(jù)

運(yùn)用MatLab軟件對(duì)表1中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，最終得到FDR土壤濕度傳感器在環(huán)境溫度為25℃時(shí)的輸入輸出特性曲線擬合表達(dá)式為

φ=-1.315u02+31.178u0-18.578

(R2=0.9981)

(1)

其中，φ為質(zhì)量含水率；u0為土壤濕度檢測(cè)端測(cè)量的電壓值；R2為可決系數(shù)，越接近1，擬合程度越好。

2.2.2溫度傳感器的調(diào)理電路與標(biāo)定

土壤樣本溫度的測(cè)量選用以鉑(Pt)電阻作為感溫元件的Pt100溫度傳感器。該傳感器具有測(cè)量精度高、性能穩(wěn)定的特點(diǎn)，在溫度變化不大時(shí)，傳感器阻值與溫度變量之間呈優(yōu)異的線性函數(shù)關(guān)系[15]。

在測(cè)定PT100鉑電阻溫度傳感器的溫度系數(shù)時(shí)，設(shè)計(jì)了PT100溫度傳感器的信號(hào)調(diào)理電路，如圖3所示。在信號(hào)調(diào)理電路中，PT100溫度傳感器作為非平衡電橋的一個(gè)橋壁電阻，由于其阻值較小，采用三線制接法來抵消引線電阻帶來的影響，同時(shí)采用雙極運(yùn)算放大電路，放大輸出信號(hào)。

圖3　PT100鉑電阻信號(hào)調(diào)理電路

由于在整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行過程中測(cè)量溫度范圍為0～50℃，故對(duì)PT100鉑電阻溫度傳感器采用線性擬合的方式進(jìn)行標(biāo)定。同時(shí)，為驗(yàn)證在較大范圍內(nèi)溫度檢測(cè)的準(zhǔn)確性，PT100鉑電阻溫度傳感器標(biāo)定實(shí)驗(yàn)將在高低溫恒溫槽中進(jìn)行。在不同環(huán)境溫度下，運(yùn)行系統(tǒng)調(diào)試程序，計(jì)算出處理器AD端所采集到的電壓值，讀取記錄數(shù)據(jù)，如表2所示。

表2　溫度傳感器擬合數(shù)據(jù)

運(yùn)用MatLab軟件，根據(jù)表2數(shù)據(jù)，對(duì)PT100溫度傳感器測(cè)量電壓值與溫度值進(jìn)行擬合，可得到該傳感器的輸入輸出特性曲線擬合表達(dá)式為

T=33.907u1-13.328(R2=0.9975)

(2)

其中，T為測(cè)量溫度值；u1為該溫度檢測(cè)端測(cè)量的電壓值；R2為可決系數(shù)。

2.2.3軟件設(shè)計(jì)

信息采集軟件開發(fā)平臺(tái)使用美國(guó)Keil軟件公司出品的uVision4開發(fā)平臺(tái)，通過采用C語言編程，進(jìn)行土壤溫度和土壤濕度信息的采集、處理和傳輸控制等操作[16]。程序設(shè)計(jì)分模塊進(jìn)行，主要包括數(shù)據(jù)采集與處理模塊、液晶屏顯示模塊、時(shí)鐘芯片初始化模塊、看門狗復(fù)位模塊等。系統(tǒng)上電復(fù)位后，進(jìn)行初始化操作，然后等待LCD液晶屏觸發(fā)采集信號(hào)；一旦系統(tǒng)收到采集指令，將開啟對(duì)土壤濕度傳感器、PT00溫度傳感器輸出信號(hào)的采集。由于外界干擾或某些不可預(yù)知的因素，如果模擬量受到干擾，則經(jīng)A/D 轉(zhuǎn)換后的結(jié)果會(huì)偏離真實(shí)值，可能會(huì)出現(xiàn)一些隨機(jī)的誤差。本系統(tǒng)中采用去極值均值濾波法，先進(jìn)行循環(huán)采樣，每隔10ms采集1次，總共采集10次；將每次采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，得到一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)序列；然后進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析和處理，去掉極值，并將剩余數(shù)據(jù)求取平均值，發(fā)送至液晶屏上進(jìn)行數(shù)據(jù)的顯示。本設(shè)計(jì)的重點(diǎn)內(nèi)容是數(shù)據(jù)采集及處理模塊，系統(tǒng)流程如圖4所示。

2.3系統(tǒng)性能測(cè)試

為檢測(cè)系統(tǒng)的誤差和穩(wěn)定性，分別對(duì)系統(tǒng)的兩種傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集和分析。首先，用系統(tǒng)的FDR土壤濕度傳感器在25℃恒溫環(huán)境下測(cè)量B組3份土壤樣本的含水率；其次，在10、20、30℃的恒溫環(huán)境下，用系統(tǒng)的Pt100溫度傳感器測(cè)量該環(huán)境的溫度信息。在上述測(cè)量過程中，同一測(cè)試環(huán)境下，重復(fù)測(cè)試6次，通過觀察和記錄到的顯示屏上的數(shù)據(jù)信息如表3所示。

圖4　系統(tǒng)流程圖

數(shù)值土壤含水率/%環(huán)境溫度/℃多次試驗(yàn)測(cè)量值9．739．499．019．749．898．9215．8315．7116．1915．8615．6116．3221．4121．1821．5320．9621．6421．3610．319．869．939．729．629．7119．9220．5120．4519．7220．0220．2430．1229．5729．2630．1529．6829．37實(shí)際值9．2416．2321．8410．0020．0030．00δ2．461．912．241．420．721．03x-9．4615．9221．359．8620．1429．69s0．410．280．250．250．310．37

3　建模與分析

3.1數(shù)據(jù)采集

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建完成后，使用溫濕度測(cè)量系統(tǒng)，在不同環(huán)境溫度條件下分別對(duì)C組的6個(gè)土壤樣本進(jìn)行土壤溫濕度電壓輸出信號(hào)的采集。為能夠控制環(huán)境溫度，該實(shí)驗(yàn)在溫控室內(nèi)進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)開始前，連接好FDR土壤水分傳感器和鉑電阻溫度傳感器；實(shí)驗(yàn)進(jìn)行時(shí)，分別記錄溫濕度采集系統(tǒng)液晶屏上輸出的電壓值；實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，整理得到的數(shù)據(jù)如表4所示。

表4　土壤溫濕度傳感器在不同溫度下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

表4中的數(shù)據(jù)是對(duì)6個(gè)不同含水率的土壤樣本在不同環(huán)境溫度環(huán)境下測(cè)量到的土壤溫濕度的采樣電壓值。其中，Uφ為FDR土壤濕度傳感器輸出的采樣電壓值；UT為鉑電阻傳感器輸出的采樣電壓值。由表4可以看出：土壤含水率相同的情況下，F(xiàn)DR土壤濕度傳感器輸出的采樣電壓值隨土壤溫度的變化而變化。

3.2建立補(bǔ)償模型

FDR土壤濕度傳感器在理想情況下應(yīng)該是一個(gè)單輸入單輸出系統(tǒng)[17]，而實(shí)際情況下用FDR土壤濕度傳感器測(cè)量土壤濕度時(shí)受到土壤溫度變化的影響明顯，并不是一個(gè)單輸入單輸出系統(tǒng)。因此，本文采用數(shù)據(jù)融合技術(shù)，建立FDR土壤濕度傳感器與PT100鉑電阻溫度傳感器的數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)。兩傳感器的數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)框圖如圖5所示。

圖5　數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)框圖

數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)中，信號(hào)源來自于兩個(gè)檢測(cè)傳感器：T為被測(cè)土壤樣本的溫度值；φ為被測(cè)土壤樣本的真實(shí)濕度值。表4中：在某一溫度下，用溫濕度測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量某一份土壤樣本，獲取的該份樣本土壤含水率的采樣電壓值為Uφ，土壤溫度的采樣電壓值為UT，則經(jīng)過數(shù)據(jù)融合后的土壤含水率參量R可表示為

R=f(Uφ,UT)

(3)

由二維坐標(biāo)(Uφj，UTj〗)決定R在一個(gè)平面上，j是實(shí)驗(yàn)樣本數(shù)。所以，可以利用二元回歸方程表示，即

(4)

其中，k0～k5為常系數(shù)；ε為高階無窮小。通過求出式中各項(xiàng)的常系數(shù)，就可得到土壤濕度傳感器與土壤溫度之間的輸入-輸出關(guān)系。常系數(shù)的確定采用最小二乘法原理[18-19],尋找最優(yōu)的二次擬合曲線方程。M為土壤樣本濕度真實(shí)值與計(jì)算值的均方差，則

M(k0,k1,k2,k3,k4,k5)

(5)

其中，s為實(shí)驗(yàn)樣本總數(shù)；φj為第j個(gè)樣本土壤真實(shí)濕度值；n為二元方程式的項(xiàng)數(shù)。求取最優(yōu)解，則是對(duì)上述多元函數(shù)求極值。令偏導(dǎo)數(shù)為零，則

由方程組可得到如下關(guān)系式，即

(7)

根據(jù)線性代數(shù)知識(shí)，可寫為

K·H·HT=O·HT

(8)

進(jìn)行變換可求得最小二乘最優(yōu)解的求解式為

K=O·HT(H·HT)-1

(9)

用MatLab進(jìn)行矩陣運(yùn)算，將表4中的數(shù)據(jù)代入到矩陣方程，則可以得到二元回歸方程的各項(xiàng)系數(shù)為k0=-13.7892，k1=27.2859，k2=0.8983，k3=2.2254，k4=-4.0547，k5=-0.9127。所以，經(jīng)溫度補(bǔ)償后的二元回歸方程為

R=-13.7892+27.2859Uφ+0.8983UT+

(10)

3.3補(bǔ)償驗(yàn)證

將上述采用二元回歸分析法得到的補(bǔ)償模型應(yīng)用在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建的溫濕度測(cè)量系統(tǒng)中，通過該系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)償模型的驗(yàn)證試驗(yàn)。試驗(yàn)中，選取C組中土壤含水率為8.312%、15.231%、19.321%、24.323%的土壤樣本，在不同溫度環(huán)境下測(cè)量土壤含水率，繪制出土壤實(shí)際含水率曲線及溫度補(bǔ)償前后的曲線，如圖6～圖9所示。

由圖6～圖9可以看出：在土壤溫度為15～40℃條件下，測(cè)量含水率為8.312%、15.231%、19.321%和24.323%的土壤樣本時(shí)，采用未加入補(bǔ)償模型的系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量結(jié)果容易受到土壤溫度的影響，且土壤溫度變化越大，受到的影響也越大；將補(bǔ)償模型應(yīng)用到測(cè)量系統(tǒng)后，系統(tǒng)的測(cè)量偏差減小，測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性得到提高。

圖6　土壤含水率8.312%溫度曲線

圖7　土壤含水率15.231%溫度曲線

圖8　土壤含水率19.321%溫度曲線

圖9　土壤含水率24.323%溫度曲線

4　結(jié)論

本文為補(bǔ)償土壤溫度變化對(duì)FDR土壤濕度傳感器測(cè)量值產(chǎn)生的誤差，搭建了土壤溫濕度系統(tǒng)測(cè)量平臺(tái)，并對(duì)搭建的系統(tǒng)測(cè)量平臺(tái)進(jìn)行了準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性分析。運(yùn)用該系統(tǒng)平臺(tái)測(cè)試了不同溫度環(huán)境下的土壤樣本獲取樣本數(shù)據(jù)，通過對(duì)采集到的樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，建立了用于FDR土壤濕度傳感器的溫度補(bǔ)償模型。將該模型應(yīng)用到測(cè)量系統(tǒng)平臺(tái)中進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果表明：經(jīng)補(bǔ)償后的測(cè)量系統(tǒng)平臺(tái)，在不同的土壤溫度環(huán)境下測(cè)量的土壤含水率偏差能夠控制在±2%以內(nèi)，測(cè)量結(jié)果更接近于真實(shí)值。由此說明，該補(bǔ)償模型對(duì)土壤溫度所引起的FDR土壤濕度傳感器的測(cè)量誤差具有很好的補(bǔ)償效果。

參考文獻(xiàn)：

[1]裘正軍.基于GPS、GIS及虛擬儀器的精細(xì)農(nóng)業(yè)信息采集與處理技術(shù)的研究[D].杭州：浙江大學(xué), 2003.

[2]郭占軍,秦文虎,項(xiàng)學(xué)海.便攜式土壤水分測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].測(cè)控技術(shù),2009,28(12):1-5.

[3]楊衛(wèi)中,王一鳴,石慶蘭,等.吉林市土壤含水率監(jiān)測(cè)系統(tǒng)開發(fā)及利用[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2010, 26(S2):177-181.

[4]楊海天,于婷婷, 李春勝,等.基于GPRS的土壤含水率遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[J].農(nóng)業(yè)工程, 2016, 6(1):32-36.

[5]彭勝民, 周修理, 程雪,等.基于ARM的土壤含水率無線傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào), 2009, 40(s1):241-243.

[6]樊志平,洪添勝,劉志壯,等.柑橘園土壤含水率遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2010, 26(8):205-210.

[7]高磊,施斌,唐朝生,等.溫度對(duì)FDR測(cè)量土壤體積含水量的影響[J].冰川凍土, 2010, 32(5):964-969.

[8]Kizito F,Campbell C S,Campbell G S,et al. Frequency,electrical conductivity and temperature analysis of a low-cost capacitance soil moisture sensor [J]. Journal of Hydrology, 2008, 352(3-4):367-378.

[9]張憲, 姜晶,王勁松.基于FDR技術(shù)的土壤水分傳感器設(shè)計(jì)[J].自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用,2011,30(11):61-65.

[10]唐玉邦,何志剛,虞利俊,等.土壤水分傳感器(FDR)在作物精準(zhǔn)灌溉中的標(biāo)定與應(yīng)用[J].江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué), 2014,42(4):343-344.

[11]張瑞卿,戈振揚(yáng),單偉,等.基于FDR原理的自動(dòng)灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].傳感器與微系統(tǒng), 2014, 33(2):80-82.

[12]丁力,宋志平,徐萌萌,等.基于STM32的嵌入式測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].中南大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版, 2013(s1):260-265.

[13]Topp G C, Davis J L, Annan A P. Electromagnetic determination of soil water content: Measurements in coaxial transmission lines[J]. Water Resources Research, 1980, 16(3):574-582.

[14]Skaling W, Skaling P E. Probe for measuring moisture in soil and other mediums:America,US5420517[P]. 1995-05-30.

[15]郝桂青,李健飛.鉑電阻溫度傳感器實(shí)現(xiàn)線性測(cè)溫方案的研究[J].自動(dòng)化儀表, 2011,32(11):84-86.

[16]黃志平,唐亞純.Keil μVision 4在C8051F321仿真調(diào)試中的應(yīng)用[J].電腦知識(shí)與技術(shù),2009, 36(5):10308-10309.

[17]曹美,徐曉輝,蘇彥莽,等.溫度對(duì) FDR土壤濕度傳感器的影響研究[J].節(jié)水灌溉, 2015(1):17-19.

[18]Liu J, Li R, Chang H. Multi-sensor data fusion based on correlation function and least square[J]. Control & Decision, 2006, 21(6)：714-716.

[19]都強(qiáng),杭柏林.最小二乘法在多傳感器測(cè)量標(biāo)定中的應(yīng)用[J].傳感技術(shù)學(xué)報(bào), 2005,18(2):244-246.

ID:1003-188X(2018)04-0177-EA