高精度土壤濕度在線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用

王艷霞 唐忠林

摘 要 設(shè)計一種低成本水力發(fā)電、在線監(jiān)測土壤濕度的智能噴灌系統(tǒng)。系統(tǒng)以低功耗單片機MSP430作為主控芯片，基于水動力轉(zhuǎn)換實現(xiàn)能量的穩(wěn)定收集、存儲和再利用。土壤濕度傳感器采用叉指電極結(jié)構(gòu)型電容器，通過高精度數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片PCAP01實現(xiàn)對土壤濕度實時在線監(jiān)測的功能。實驗驗證結(jié)果表明，該土壤監(jiān)測系統(tǒng)濕度測量值與標(biāo)準(zhǔn)值的相對誤差均小于1%，測量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠，實時性好，抗干擾能力強，完成了智能噴灌系統(tǒng)中對關(guān)鍵參數(shù)的高精度監(jiān)測技術(shù)研究與實現(xiàn)。

關(guān)鍵詞 智能噴灌系統(tǒng);土壤濕度監(jiān)測;PCAP01;叉指電極;傳感器

中圖分類號：S24 文獻標(biāo)志碼：B DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2022.15.043

我國是一個農(nóng)業(yè)大國，用世界約7%的耕地養(yǎng)活了世界20%的人口，人均擁水量只有世界平均水平的1/4，水資源不足問題已經(jīng)成為嚴(yán)重制約我國社會經(jīng)濟快速發(fā)展和農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要因素。因此研究有效可行的節(jié)水灌溉方案具有緊迫的現(xiàn)實意義[1-2]。

土壤濕度代表土壤含水量，是土壤重要的物理性質(zhì)之一[3-4]。實時、在線的土壤濕度監(jiān)測，是現(xiàn)代集約化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中實現(xiàn)自動精確灌溉的必要技術(shù)手段，在節(jié)約農(nóng)業(yè)用水、優(yōu)化作物生長等方面發(fā)揮著重要作用。

1 ?土壤濕度監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

為滿足智能農(nóng)業(yè)的節(jié)水灌溉需要，土壤濕度在線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計為多節(jié)點監(jiān)測模式[5]。各監(jiān)測節(jié)點按照星型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，通過無線通訊方式與控制中心交互數(shù)據(jù)及指令，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意見圖1。

以單節(jié)點為例進行說明，智能噴灌系統(tǒng)主要由控制中心模塊、單片機主控模塊、水動力供電模塊、微電容采集模塊和無線傳輸模塊組成，組成結(jié)構(gòu)如圖2所示。

其中，控制中心和單片機主控模塊作為單節(jié)點的上位機和下位機[6]。上位機主要采用Labview軟件進行編程和界面設(shè)計[7]，完成數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換及工作狀態(tài)等信息的存儲和顯示功能。下位機以單片機為控制核心，通過SPI總線實現(xiàn)與微電容測量芯片的信息交互，通過叉指電極結(jié)構(gòu)的電容傳感器實現(xiàn)對土壤濕度的采集功能 [8-9]。

2 ?PCAP01工作原理

系統(tǒng)采用高精度電容數(shù)字測量芯片PCAP01AD實現(xiàn)對土壤濕度傳感器輸出微電容的測量[10]。在10 pF基準(zhǔn)電容且測量速率為5 Hz時，該芯片的精度可以達到6 aF。

電容芯片測量原理如圖3所示。PCAP01內(nèi)部通過充放電原理實現(xiàn)對微電容的測量。在測量過程中，一個傳感器的電容和一個參考電容被連接到同一個放電電阻，組成一個Low-pass低通濾波。

電路上電時，基準(zhǔn)電容Cref會充電至電源電壓，充電完成后，再通過內(nèi)部選定的放電電阻R1進行放電，放電閾值電壓為Vth。PCAP01內(nèi)部高精度時間數(shù)字轉(zhuǎn)換器TDC會記錄整個放電過程，得到一個放電時間常數(shù)τref。當(dāng)對待測電容CN執(zhí)行相同的充放電過程時，同樣可得到被測電容的放電時間常數(shù)τN[11]，充放電時序如圖4所示。

如公式（1）所示，放電時間比等于被測電容CN與基準(zhǔn)電容Cref之比。

[τNτref=CNCref] ?（1）

被測電容的取值一般應(yīng)盡量接近基準(zhǔn)電容，以降低增益偏移。本電路適用于測量0～3.5 nF的電容，如需測量更高的電容值，可通過在外部連接一個小電阻Rdisch_ext來實現(xiàn)。

3 ?系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)充分利用噴灌系統(tǒng)的水動力，綜合運用鋰電池儲能技術(shù)與智能電源管理技術(shù)，實現(xiàn)持續(xù)穩(wěn)定的能量收集、存儲與供應(yīng)。通過叉指電容技術(shù)與微電容采集芯片相互配合的模式，實現(xiàn)對土壤濕度的在線監(jiān)測功能。

整個系統(tǒng)硬件設(shè)計主要包括參數(shù)采集與控制模塊、能量采集與管理模塊、土壤濕度在線采集模塊及無線傳輸模塊。

3.1 ?能量采集與管理模塊

系統(tǒng)基于水力發(fā)電和電源管理技術(shù)，有效克服有源電網(wǎng)和太陽能發(fā)電的缺點，實現(xiàn)噴灌作業(yè)的智能化充放電管理，根據(jù)剩余電量和土壤水消耗速度，自動調(diào)節(jié)用電策略，保證系統(tǒng)全程自主供電模式。

3.2 ?參數(shù)采集與控制模塊

本模塊以低功耗單片機MSP430作為主控芯片，合理設(shè)置工作和休眠策略，使一次噴灌后的鋰電池能量儲備可以支持一個水消耗周期。設(shè)計空氣濕度、環(huán)境溫度和光照度等環(huán)境參數(shù)檢測電路，結(jié)合叉指電容土壤濕度傳感器在線監(jiān)測數(shù)據(jù)和作物的生長特性[12-13]，自適應(yīng)計算或根據(jù)控制中心指令調(diào)節(jié)伺服閥的啟停與開度，同時統(tǒng)計每次的噴灌用水量和間隔時間信息。該模塊可與無線傳輸模塊交換數(shù)據(jù)，接受控制中心的無線指令并執(zhí)行相應(yīng)動作，或根據(jù)指令要求上傳數(shù)據(jù)。

3.3 ?土壤濕度在線采集模塊

本系統(tǒng)主要通過PCAP01芯片完成對土壤濕度傳感器電容值的在線采集和轉(zhuǎn)換功能，測量電路圖見圖5。本電路采用單個傳感器接地的連接方式，其中C0為基準(zhǔn)電容，C1為被測電容（土壤濕度監(jiān)測傳感器輸出電容）。為減少寄生電容對測量結(jié)果的影響，驗證電路板中電容接口模塊的走線盡可能短。

ACAM公司為PCAP01提供了標(biāo)準(zhǔn)固件03.01.xx，通過SPI或者I2C總線下載到芯片中，并合理配置內(nèi)部寄存器的參數(shù)，實現(xiàn)對被測電容的高精度測量。

土壤濕度傳感器采用叉指電極結(jié)構(gòu)和雙面PCB工藝，每塊PCB采用雙層板結(jié)構(gòu)，板厚1.6 mm，電極寬度W與電極間隔G均為0.5 mm，電極占空比為50%[14]。叉指電容傳感器實物如圖6所示。

3.4 ?無線傳輸模塊

本系統(tǒng)中自動灌溉網(wǎng)絡(luò)采用星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，各節(jié)點與控制中心建立無線雙工通訊，節(jié)點之間不進行數(shù)據(jù)交互[15]。無線傳輸模塊采用2.4 GHz低功耗nRF24L01芯片[16]，在噴灌節(jié)點端采用TTL串口轉(zhuǎn)無線模式與單片機交互，在控制中心采用USB轉(zhuǎn)串口模式與計算機交互，實現(xiàn)單網(wǎng)模式即可覆蓋一個小型種植園的土壤濕度監(jiān)測與自動灌溉需求。

4 ?系統(tǒng)軟件設(shè)計

4.1 ?主程序設(shè)計

軟件程序主要用于實時監(jiān)測灌溉節(jié)點處的土壤濕度、空氣濕度、空氣溫度、光照度等種植環(huán)境參數(shù)，并根據(jù)種植環(huán)境參數(shù)智能計算，自動控制噴灌作業(yè)，包括噴灌的啟停和噴灌水量的伺服閥PID調(diào)節(jié)。以一個澆灌周期為例，圖7給出了主程序流程設(shè)計圖。

4.2 ?PCAP01配置

PCAP01在使用前需完成相關(guān)配置工作[17]，SPI通訊測試正常后，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)固件下載模式，按照圖8所示的流程圖進行該模塊的配置。

其中928字節(jié)固件的配置代碼如下：

void Firmware_down（void）

{ ?uchar addr2=0x00; ?//起始地址00H

uchar addr1=0x90; ?//SRAM寫指令定義

int i;

for（i=1;i<=925;i++）

{ ?P5OUT &= 0xFE; //MOSI置低

delay （10）;

spiSendByte（addr1）; //SPI寫操作

spiSendByte（addr2++）;

spiSendByte（fw[k++]）; //發(fā)送固件內(nèi)容

P5OUT |= 0x01; ?//MOSI拉高

delay （10）;

if（addr2 == 0xFF） ?// 3次進位

{ ?P5OUT &= 0xFE; // MOSI置低

delay （10）;

spiSendByte（addr1）;

spiSendByte（addr2++）;

spiSendByte（fw[k++]）;//發(fā)送固件

P5OUT |= 0x01; ?//MOSI拉高

delay （10）;

addr1++;

}

}

}

5 ?實驗分析

根據(jù)測試需求，搭建系統(tǒng)實驗驗證平臺，進行軟硬件聯(lián)合調(diào)試，實驗測試場景如圖9所示。

為合理地進行基準(zhǔn)電容匹配，實驗中，將傳感器置于一定濕度的土壤中，采用精密LCR數(shù)字電橋預(yù)先測試傳感器的初始電容值，多次反復(fù)測量表明，電容值基本穩(wěn)定在220～235 pF之間，如圖10所示。故本次實驗選擇標(biāo)稱值為220 pF的基準(zhǔn)電容。

程序通過讀取Res 0和Res 1寄存器的內(nèi)容，得到C0 LSB及C1/C0（ratio）的值。其中C1/C0值以24 bit數(shù)字量信號輸出，高3位為整數(shù)，最大值為7，低21位為小數(shù)，最大值為0.999 999 5。其轉(zhuǎn)換公式依據(jù)二進制與十進制的轉(zhuǎn)換方法實現(xiàn)：

[a2a1a0a-1…an=a2×22+a1×21+a0×20+a-1×2-1+…+a×2-21] ? （2）

（2）式中，an（n=-21、-20……1、2）為Res 1寄存器讀取到的二進制數(shù)，最終通過數(shù)制轉(zhuǎn)換實現(xiàn)對傳感器C1的采集及顯示功能。

實驗中，提取不同濕度的土壤樣本進行對比分析和測試，每次增加土壤濕度，分別測試不同濕度對應(yīng)的電容值，得到PCAP01的實測值C1及由精密LCR數(shù)字電橋測試的標(biāo)準(zhǔn)值Cst，如表1所示。

將不同土壤濕度環(huán)境下的采集數(shù)據(jù)通過無線通訊方式傳輸至上位機，采用Labview軟件進行數(shù)據(jù)的實時顯示及監(jiān)控，界面設(shè)計如圖11所示。

通過以上實驗數(shù)據(jù)分析及對比圖可知，隨著土壤濕度的增加，叉指電容傳感器的電容值不斷升高，實驗所測數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)值之間的相對誤差均小于1%。可見，基于PCAP01的電容采集與轉(zhuǎn)換模塊抗干擾性強，精度高，能夠可靠地跟蹤土壤濕度環(huán)境，實現(xiàn)噴灌作業(yè)的智能化控制與長期數(shù)據(jù)采集。

6 ?結(jié)論

本文采用叉指電極結(jié)構(gòu)型電容器，通過高精度數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片PCAP01實現(xiàn)對土壤濕度實時在線監(jiān)測的功能，實驗研究結(jié)果表明，該土壤濕度在線監(jiān)測系統(tǒng)的測試精度高，穩(wěn)定性好，效率高，實時性強，在灌溉期間能夠快速檢測土壤水是否達到田間持水量，在消耗期間能夠精確檢測土壤水是否降到作物凋萎系數(shù)，為灌溉時機提供科學(xué)有效的決策。該類設(shè)計在位置測試、壓力監(jiān)測及MEMS等領(lǐng)域同樣具有廣闊的應(yīng)用和發(fā)展前景。

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（責(zé)任編輯：易 ?婧）