基于SWR傳感器的耕地土壤水分檢測(cè)系統(tǒng)

何曉文

(淮南聯(lián)合大學(xué) 科研處，安徽 淮南 232038)

耕地土壤的濕度既能影響土壤通氣性，也能影響土壤中養(yǎng)分的分解速率，對(duì)濕度的檢測(cè)能夠?yàn)橥寥拦喔确绞胶凸喔攘康脑O(shè)計(jì)提供參考[1]。早期的耕地土壤常采用人工取樣烘干的方法進(jìn)行水分檢測(cè)，隨著傳感技術(shù)與計(jì)算機(jī)通信技術(shù)的發(fā)展，基于傳感器技術(shù)的耕地土壤水分檢測(cè)技術(shù)成為了土壤墑情檢測(cè)的發(fā)展趨勢(shì)[2]。耕地土壤水分檢測(cè)的傳感器法是采用傳感器提取土壤的水分含量信息，將攜帶水分含量信息的電信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)傳輸至計(jì)算機(jī)，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)土壤水分的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)分析[3]。此次研究以傳感器技術(shù)為基礎(chǔ)，對(duì)耕地土壤水分的檢測(cè)技術(shù)展開研究，旨在促進(jìn)土壤水分檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展。

1 耕地土壤水分傳感器檢測(cè)

1.1 土壤介電特性

所有的非金屬物質(zhì)與部分金屬物質(zhì)均屬于電介質(zhì)，因此包含礦物質(zhì)、有機(jī)物、微生物、水、空氣等成分的土壤也屬于電介質(zhì)。土壤電介質(zhì)的絕緣能力由土壤的相對(duì)介電常數(shù)來表示[4]。外界電場(chǎng)使土壤電介質(zhì)發(fā)生電感現(xiàn)象，電感現(xiàn)象會(huì)減小土壤原有的電場(chǎng)，外界電場(chǎng)與減小后土壤電介質(zhì)電場(chǎng)的比值即為土壤的相對(duì)介電常數(shù)εr[5]。將土壤等效為一個(gè)并聯(lián)的阻容電路，分別測(cè)量真空電容器兩端的介電常數(shù)ε0和電容器中加入土壤后電容器兩端介電常數(shù)εx，則土壤的相對(duì)介電常數(shù)εr可由式(1)求得。

(1)

為測(cè)量電容器兩側(cè)的介電常數(shù)，使用交流信號(hào)源產(chǎn)生電流i，測(cè)量電容器的相位α和電壓u，計(jì)算出土壤等效并聯(lián)阻容電路的導(dǎo)納Y，利用式2得出電介質(zhì)的電容值C。

(2)

此時(shí)，若k為電容器的幾何系數(shù)，則有式3成立。

(3)

由于土壤成分較為復(fù)雜，將土壤分為固液氣三相，則可以將土壤的相對(duì)介電常數(shù)εr表達(dá)為式(4)。其中ω表示相組分的比例系數(shù)，ωgas+ωliquid+ωsolid=1。

εr=ωgasεgas+ωliquidεliquid+ωsolidεsolid

(4)

在1000Hz～100MHz下進(jìn)行介電常數(shù)測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明在不同測(cè)試頻率下，以液體形態(tài)存在的水的介電常數(shù)最高，為76.7～78.2C2/N·m2，而包括各類礦物、石材、空氣和氣態(tài)與固態(tài)水等其余物質(zhì)的介電常數(shù)均小于10C2/N·m2?？梢哉J(rèn)為，土壤的介電常數(shù)主要受土壤中液態(tài)水含量的影響。此外，介電常數(shù)測(cè)試的頻率和土壤顆粒質(zhì)地也對(duì)土壤介電常數(shù)具有一定的影響[6]。介電常數(shù)是一個(gè)復(fù)數(shù)，其虛數(shù)部分代表介質(zhì)損耗，實(shí)數(shù)部分代表實(shí)際的相對(duì)介電常數(shù)。電場(chǎng)會(huì)使土壤中的水分產(chǎn)生極化，實(shí)驗(yàn)表明頻率波段在100～300MHz之間時(shí)土壤介電常數(shù)實(shí)數(shù)部分變化較小，而頻率在100～500MHz時(shí)，不同類型土壤介電常數(shù)的實(shí)數(shù)部分相差較小。因此采用100～300MHz進(jìn)行介電常數(shù)測(cè)試能夠有效避免極化現(xiàn)象和土壤顆粒對(duì)土壤介電常數(shù)的測(cè)試造成影響，此時(shí)土壤水分含量與測(cè)得的土壤介電常數(shù)成正比[7]。當(dāng)土壤顆粒較粗，且含水率低于50%時(shí)，Topp經(jīng)驗(yàn)公式能夠較好體現(xiàn)出土壤水分與土壤相對(duì)介電常數(shù)的關(guān)系，如式(5)所示。

θ=-5.3×10-2+2.92×10-2εr-5.5×10-4εr2+4.3×10-6εr3

(5)

式5中θ為單位體積土壤水分含量。對(duì)于含水率高于50%的土壤，一般采用Roth公式進(jìn)行計(jì)算，如式6所示。其中為β為電介質(zhì)幾何方向系數(shù)，n為孔隙率。

(6)

1.2 傳感器及其適用性分析

使用傳感器對(duì)土壤水分含量的測(cè)量本質(zhì)都是對(duì)土壤介電常數(shù)的測(cè)量。常用的土壤水分傳感器依據(jù)不同的測(cè)量原理分為TDR(Time Domain Reflectometry)法、FD(Frequency Decomposition)法、SWR(Standing wave-ratio)法等[8]。TDR法依據(jù)電磁波在介電常數(shù)不同的介質(zhì)中的傳輸速度差異進(jìn)行土壤介電常數(shù)測(cè)量[9]。如圖1所示，TDR傳感器主要結(jié)構(gòu)包含脈沖器、同軸線、探頭、示波器等。脈沖發(fā)生器信號(hào)傳輸至探針時(shí)，部分電磁波立即反射，部分電磁波在探針異側(cè)反射，入射和兩次反射即為TDR信號(hào)。反射時(shí)間差為電磁波從探針一端到另一端所需時(shí)間的兩倍，如式(7)所示。

(7)

式7中兩次反射時(shí)間差為Δt，土壤介質(zhì)中電磁波傳播速度為v，探測(cè)器長(zhǎng)度為L(zhǎng)，c是真空中的光速。此時(shí)，土壤介電常數(shù)的計(jì)算式見式(8)。

(8)

圖1 TDR傳感器示意圖

FD傳感器包括正弦波源和由阻抗相位變換電路構(gòu)成的檢測(cè)電路[10]。將相同的正弦信號(hào)作為信號(hào)源和參比，信號(hào)源進(jìn)入阻抗生成電流，將探針介入阻抗后即可將其等效為相位為α的并聯(lián)容導(dǎo)電路。信號(hào)源在參比中也會(huì)形成電流，經(jīng)過相位變化后相位為β。若參比電壓最值確定，則輸出電壓直流分量為相位α與參比電壓幅度的函數(shù)。改變?chǔ)录纯蓪?duì)輸出電壓進(jìn)行調(diào)整。結(jié)合式(2)可算出探針阻抗的等效容導(dǎo)，最終獲得土壤介電常數(shù)。SWR法的核心是對(duì)土壤介電常數(shù)變化引起的駐波比變化進(jìn)行測(cè)量，采用類似TDR法的兩次反射駐波比進(jìn)行介電常數(shù)計(jì)算。

圖2 TDR、FD與SWR傳感器適用性測(cè)試結(jié)果

由于三種傳感器測(cè)量原理不同，其精度與測(cè)量值也會(huì)產(chǎn)生一定的差異，因此在檢測(cè)前對(duì)三種傳感器進(jìn)行適用性測(cè)試，傳感器型號(hào)分別為Trim pico32 TDR傳感器、Decagon GS3 FD傳感器與BD-II SWR傳感器。首先在室內(nèi)采用標(biāo)準(zhǔn)水分法對(duì)傳感器進(jìn)行標(biāo)定，然后在室外降雨情況下進(jìn)行耕地土壤水分測(cè)試，結(jié)果如圖2所示，可以看出三種傳感器測(cè)試準(zhǔn)確度均較高。測(cè)試結(jié)果表明三種傳感器穩(wěn)定性均大于99.8%，TDR、FD與SWR傳感器測(cè)量準(zhǔn)確率分別為96%、88%和90%。采用一元方差分析法對(duì)圖2中測(cè)量準(zhǔn)確率差異進(jìn)行顯著性分析，結(jié)果表明顯著性水平為0.05時(shí)，利用方差分析法分析F(兩個(gè)均方的比值分布)，F(xiàn)=1.33

1.3 耕地土壤水分檢測(cè)系統(tǒng)

基于傳感器的耕地土壤水分檢測(cè)系統(tǒng)應(yīng)具備數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與查詢、數(shù)據(jù)分析與管理、數(shù)據(jù)輸出與打印等功能。結(jié)合以上功能需求，基于傳感器技術(shù)的耕地土壤水分檢測(cè)系統(tǒng)應(yīng)包含遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)中心、數(shù)據(jù)傳輸介質(zhì)和土壤檢測(cè)站。當(dāng)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)中心對(duì)檢測(cè)站點(diǎn)發(fā)出土壤水分檢測(cè)指令后，土壤檢測(cè)站點(diǎn)接受具體位置信息，進(jìn)行土壤水分測(cè)試與信息采集，然后將測(cè)試數(shù)據(jù)發(fā)送到遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)中心[11]。土壤水分信息的數(shù)據(jù)處理、編輯、管理等功能均在遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)中心實(shí)現(xiàn)。遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)中心包含服務(wù)器、個(gè)人計(jì)算機(jī)、打印機(jī)、電源、數(shù)據(jù)庫(kù)、監(jiān)測(cè)軟件等硬件與軟件。對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)接收、顯示、存儲(chǔ)、處理等功能均由監(jiān)測(cè)軟件完成。遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)中心與土壤檢測(cè)站之間的數(shù)據(jù)傳輸介質(zhì)為GPRS(General Packet Radio Service)無線網(wǎng)絡(luò)。

表1 傳感器標(biāo)定參數(shù)

土壤檢測(cè)站包含太陽能電源、土壤水分傳感器、數(shù)據(jù)采集器、避雷針、GPRS無線終端等設(shè)備。土壤水分傳感器定時(shí)對(duì)不同深度、不同土層的耕地土壤進(jìn)行水分檢測(cè)，數(shù)據(jù)采集器將檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換與編碼、加密。加密后的數(shù)據(jù)流通過RS232串口傳輸至GPRS終端，并被打包發(fā)送到GPRS網(wǎng)絡(luò)，最終被遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)中心接受。由于三種傳感器對(duì)土壤水分的檢測(cè)性能不具備顯著性分析，因此采用成本最低的SWR傳感器進(jìn)行設(shè)計(jì)布點(diǎn)。選用BD-II型SWR傳感器作為土壤水分傳感器，數(shù)據(jù)采集裝置使用ATmegal28單片機(jī)，GPRS無線傳輸裝置選用AL-GPRS-5100。首先，為建立能夠測(cè)量8層土壤的水分檢測(cè)系統(tǒng)，需要對(duì)SWR傳感器進(jìn)行標(biāo)定。將8支SWR傳感器分別插入已配好的具有一定單位體積含水率的土壤進(jìn)行重復(fù)測(cè)量，通過數(shù)據(jù)采集裝置獲取傳感器測(cè)得的電壓值。以烘干法對(duì)測(cè)試土壤含水率進(jìn)行計(jì)算，并以最小二乘法對(duì)測(cè)得電壓值與土壤含水率進(jìn)行線性擬合。設(shè)擬合出的標(biāo)定方程為θ=k×ΔU-b，其中k、b為擬合參數(shù)，ΔU為傳感器測(cè)得電壓值。8支SWR傳感器標(biāo)定參數(shù)如表1所示，可以看出8支傳感器標(biāo)定擬合程度均滿足要求。

在進(jìn)行標(biāo)定后，對(duì)土壤水分傳感器進(jìn)行耕地土壤實(shí)地安裝。在需要進(jìn)行土壤水分檢測(cè)的點(diǎn)位挖掘深度為5m的井，將垂直井整理平整。采用圖3所示的安裝方法將8支傳感器分別垂直安裝在深度為0.2m、0.5m、0.8m、1m、2m、3m、4m、5m處后回填，安裝時(shí)需保證只有連接線露在土壤外。將所有傳感器與數(shù)據(jù)采集裝置連接，將寫入IP信息的GPRS模塊與數(shù)據(jù)采集裝置連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集與傳輸。

2 土壤水分分析檢測(cè)

在2018年10月8日和2020年6月1日分別進(jìn)行耕地土壤水分檢測(cè)，每十分鐘采集一次數(shù)據(jù)，共獲得87 696條數(shù)據(jù)，剔除7 261條受到網(wǎng)絡(luò)影響導(dǎo)致無效的數(shù)據(jù)，共80 435條有效數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)有效率為91.72%。分別將不同土壤深度下兩次系統(tǒng)測(cè)得的土壤體積含水量與采用烘干法測(cè)得的土壤水分含量與進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖4所示，其中圖4(a)為2018年10月8日測(cè)得數(shù)據(jù)，圖4(b)為2020年6月1日測(cè)得數(shù)據(jù)。

圖4 烘干法與傳感器法測(cè)試的土壤含水量

從圖4可以看出，烘干法測(cè)得數(shù)據(jù)總是低于傳感器測(cè)得數(shù)據(jù)，但兩種數(shù)據(jù)的變化趨勢(shì)一致。對(duì)于兩次實(shí)驗(yàn)，在深度為3處采用不同方法測(cè)得數(shù)據(jù)差值最大，分別為4.80%與4.42%。在地下較深處誤差較大的原因可能是因?yàn)閭鞲衅鳂?biāo)定所用土壤的性質(zhì)較為均一，與實(shí)際土壤土層存在較小的差異。為分析降雨前后土壤水分變化情況，在2019年5月24日至6月1日9天內(nèi)對(duì)深度為0.2m、0.5m和0.8m處土壤含水量進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試間隔為10分鐘，每2小時(shí)對(duì)時(shí)段內(nèi)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行平均處理。測(cè)量時(shí)間內(nèi)未生成地表水流。同時(shí)，每2小時(shí)對(duì)降雨量和蒸發(fā)量進(jìn)行測(cè)試。匯總得到的土壤含水量、降雨量、蒸發(fā)量如圖5所示。

圖5 降雨和蒸發(fā)情況及其對(duì)應(yīng)土壤含水量

從圖5中可以看出，在深度為0.2m時(shí)土壤含水量隨降雨和蒸發(fā)變化明顯。兩次持續(xù)降雨使0.2m處土壤含水量提升明顯且迅速，而當(dāng)降雨停止，蒸發(fā)持續(xù)時(shí)，土壤含水量緩慢線性下降。在0.5m處，土壤含水量提升具有較強(qiáng)的滯后性，在第一次降雨后土壤含水量未出現(xiàn)明顯提升，直至第二次降雨結(jié)束后約12小時(shí)候才開始出現(xiàn)降雨量的提升，而在觀測(cè)時(shí)間內(nèi)，即降水結(jié)束后約100小時(shí)內(nèi)，土壤含水量未隨蒸發(fā)現(xiàn)象而降低，這是因?yàn)橛晁疂B入極為緩慢，而該深度水分難以蒸發(fā)。而深度為0.8m處，土壤含水量幾乎不受降雨和蒸發(fā)的影響，這是由于該深度水分已難以滲入?？梢哉J(rèn)為，降雨與蒸發(fā)對(duì)淺表層土壤水分影響較大，降雨依然能夠提升中層土壤水分，但提升存在一定的滯后性，蒸發(fā)對(duì)中層土壤影響較小。降雨和蒸發(fā)對(duì)較深的土壤水分幾乎沒有影響。

圖6 不同深度土壤水分變化

為進(jìn)一步分析不同深度耕地土壤水分含量變化活躍程度，從2018年12月1日到2019年11月26日中每日對(duì)一系列深度的土壤水分進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量結(jié)果如圖6所示。依據(jù)圖6中土壤水分的變化活躍程度，將土壤深度分為活躍層(0.2m)、次活躍層(0.5m)、過渡層(0.8m、1m與2m)、相對(duì)穩(wěn)定層(3m、4m與5m)?；钴S層土壤水分在一年中變化幅度較大，受降水、蒸發(fā)等因素綜合影響，含水率變化幅度為18.4%，平均含水量為14.5%。次活躍層變化幅度為9.5%，平均值為21.78%。過渡層和相對(duì)穩(wěn)定層的變化幅度分別為1.2%～3.5%和1%以內(nèi)?？梢哉J(rèn)為，相對(duì)穩(wěn)定層的水分含量幾乎不受降雨和蒸發(fā)的影響，降雨的影響深度應(yīng)在2～3m之間。

3 結(jié)論

土壤墑情是科學(xué)種植灌溉的基礎(chǔ)。傳統(tǒng)的人工水分測(cè)量法費(fèi)時(shí)費(fèi)力，為探尋便捷高效的檢測(cè)方式，此次研究以傳感器技術(shù)為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了SWR耕地土壤水分檢測(cè)系統(tǒng)。將傳感器檢測(cè)結(jié)果與烘干法進(jìn)行對(duì)比，其差值不超過4.4%。在降雨情況下對(duì)0.2m、0.5m和0.8m處土壤含水量進(jìn)行測(cè)試，0.2m水分受降雨和蒸發(fā)影響顯著，0.5m受降雨影響較為滯后，且在一定程度上蒸發(fā)影響，0.8m處幾乎不受降雨和蒸發(fā)影響。在一年內(nèi)對(duì)深度為0.2m至5m的土壤水分進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果表明土壤深度為0.2m時(shí)水分變化活躍，0.5m為次活躍，0.8m、1m與2m為過渡層，而3m、4m與5m為相對(duì)穩(wěn)定層。活躍層、次活躍層、過渡層和相對(duì)穩(wěn)定層土壤水分在一年中含水率變化幅度分別為18.4%、9.5%、1.2%～3.5%和1%以內(nèi)，且降雨的影響深度應(yīng)在2～3m之間。此次研究?jī)H對(duì)土壤水分檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了硬件設(shè)計(jì)，在今后的工作中可以對(duì)土壤水分信息進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘，對(duì)差異化的灌溉方式進(jìn)行探究。