基于高頻電容原理的土壤剖面水分傳感器研究*

王新忠，劉 飛，由 婷

(1.江蘇大學江蘇省農業裝備與智能化高技術研究重點實驗室，江蘇鎮江212013;2.上海理工大學光電信息與計算機工程學院，上海200093)

0 引言

通過獲取土壤水分信息能及時了解土壤墑情，對節水灌溉起著重要的前導性作用，是現代精細農業技術的重要基礎［1，2］。而土壤含水量隨時間而變化，實時、準確測量土壤剖面水分含量和空間立體分布對研究土壤水分運動規律、作物需水規律，精確控制灌溉和排水有著重要的意義。在諸多領域，如研究降雨在農田環境下的運移過程［3］，理解田間土壤剖面中農用化學物質的遷移特征［4］;掌握灌溉后的土壤水分空間立體分布情況，及時了解作物根系區域水分有效吸收情況、淋溶作用，優選作物最佳灌溉時機和閾值［5］;測量森林中樹木根系土壤含水量［6，7］等，都迫切需要進行土壤剖面不同深度的水分測量?，F行土壤水分傳感器大多數局限于探針式結構，探針長度有限，只能進行土壤表層含水量測量。若要實現土壤剖面水分測量，不僅需多個傳感器穿插于土層，布設困難、費時費力，前期工作量相當大，而且長期連續測量，探針容易腐蝕，影響測量精度。土壤剖面多個傳感器穿插，同時工作也會導致功耗較大。對于面向土壤剖面水分的傳感測量，國外已開始開展相關研究并形成了相關產品，而國內在這方面的研究剛剛起步。

為此，本文基于高頻電容原理，研制一種土壤剖面水分傳感器，主要對傳感器節點、數據采集及處理模塊的硬件電路進行設計以及傳感器軟件設計，形成一種低成本、低功耗，可自動、連續監測土壤剖面動態含水量的傳感器。

1 土壤水分傳感器測量原理

傳感器的測量原理就是基于高頻電磁邊緣場效應，傳感器探頭充當高頻振蕩器并聯LC諧振回路的電容元件，周圍土壤為其電介質，它所表征的介電常數主要依賴于土壤含水量［8］。當土壤含水量發生變化時，即土壤表征的介電常數發生變化時，探頭感知的等效電容發生變化，繼而高頻振蕩器的輸出頻率也發生變化，經信號調理后傳感器輸出的直流電壓信號也發生了改變，變化的直流電壓信號即可反演出土壤含水量。

外接并聯LC諧振回路的高頻振蕩器輸出頻率為

式中 L和C0分別為諧振回路中固定電感與電容;Cp為寄生電容;Cs為基于高頻電磁邊緣場效應，傳感器探頭所感知的土壤等效電容，其容量與探頭周圍的土壤及探頭本身的寄生電容有關［9］，亦即

式中 g與探頭的幾何結構(電極面積、電極間距等)有關;ε為土壤介電常數，考慮到不同土壤類型會給水分測量帶來影響，由 Herkelrath 經驗公式［10］，即

式中 θv為土壤體積含水量，a0與a1是與土壤類型相關常數。

高頻振蕩器輸出的頻率f經過信號調理后可轉換成直流電壓信號，即有

式中 k為正比例常數，可根據后級電路進行適當調整，前提是確保信號不失調。

聯立式(1)，式(2)，式(3)，式(4)可得

由此可知，通過測量傳感器的輸出電壓即可反演計算得到土壤的體積含水量。

2 土壤剖面水分傳感器設計

2.1 土壤剖面水分傳感器結構設計

水分傳感器整體結構如圖1所示，根據實際土壤水分的具體測量深度要求，首先將單個或多個傳感器節點以10 cm長的倍數作為彼此間隔組合裝配卡嵌于PVC絕緣棒構成單桿多節“竹”形結構，數據采集與處理模塊內嵌于絕緣棒最上端，然后將裝配好節點的絕緣棒放入事先埋入土壤的PVC套管中，分別將套管的最上端和最下端通過密封頂蓋和圓錐堵頭進行密封裝配。

圖1 土壤剖面水分傳感器結構示意圖Fig 1 Structure diagram of soil profile moisture sensor

2.2 土壤剖面水分傳感器硬件設計

2.2.1 總體設計

如圖2所示，傳感器主要由若干傳感器節點、數據采集及處理模塊等組成。傳感器節點將土壤含水量轉換成直流電壓信號;數據采集與處理模塊包括單片機、多路開關、電源模塊、存儲模塊、接口電路、備用端口等，其根據設定指令程序由單片機“喚醒”傳感器節點進行土壤水分測量，將所采集測量數據分析處理并存儲。

圖2 土壤剖面水分傳感器硬件電路框圖Fig 2 Hardware circuit block diagram of soil profile moisture sensor

2.2.2 水分傳感器節點設計

傳感器節點硬件電路主要由探頭、高頻振蕩電路、小信號放大電路、整形/分頻電路、F/V電路等組成，如圖3。

探頭采用圓環結構，2個圓環電極上下正對嵌套于PVC絕緣棒。環狀電極材質選用紫銅，外徑25 mm，內徑23 mm，軸向長度為20 mm，2個電極軸向間距為10 mm。電極外部涂覆有絕緣層，防止探頭被氧化，影響測量精度。探頭由50—3高密編帶屏蔽同軸電纜線引出連接PCB電路板，電纜線內嵌于絕緣棒中。高頻振蕩電路主要由MC1648P組成。MC1648P是集成差分對管振蕩器，采用ECL工藝，最高工作頻率可達225 MHz，該集成器件利用對管的對稱性減少了高次諧波的影響，內部集成的AGC電路使得輸出信號幅度的平坦度較好。在MC1648P的12腳(Tank)和10腳(Bias)之間外接并聯LC諧振回路，即構成了低失真的高頻振蕩電路。這其中，探頭J1基于高頻電磁邊緣場效應感知土壤充當諧振回路的可變電容器。考慮到頻率越高傳感器受土壤電導的影響越小，但是頻率過高會受到外界電磁干擾，趨膚效應越明顯、檢測電路設計越困難［1］，綜合分析后設定諧振回路起振頻率為115 MHz，并將PCB電路板給予金屬屏蔽。小信號放大電路即為由高頻低噪晶體管2SC3355等組成的共射極放大電路，實現前級高頻小信號幅值放大。整形/分頻電路利用MB504和SN74HC393N的典型電路應用，進行高頻正弦波信號的64×16×16=16384分頻，同時將其整形為方波信號。F/V電路基于LM331N的典型F/V轉換應用，將前級低頻頻率信號轉換成直流電壓，即作為傳感器節點的輸出信號。

圖3 水分傳感器節點硬件電路設計框圖Fig 3 Hardware circuit design block diagram of moisture sensor node

2.2.3 數據采集與處理模塊設計

1)單片機選擇:單片機選用ATMEL公司AVR系列的Atmega128L。該芯片基于AVR內核，是一種采用RISC結構的8位低功耗CMOS微處理器，運行速度快，內部集成有8路10位逐次逼近型A/D轉換器、128kB可編程Flash，4kB的EEPROM，4kB的SRAM，4個定時器/計數器、32個通用工作寄存器、實時時鐘、2個通用異步串行接口、1個串行外圍接口等。芯片硬件結構簡單，體積較小;工作電壓為3.3 V，正常最大耗電為5 mA，空閑模式最大耗電為4 mA。

2)多路開關設計:多路開關選用CD4051，它是由數字信號控制的多路調制/選擇模擬開關即為8選1模擬開關，3個二進制輸入信號控制端A，B，C接受單片機控制選擇8個模擬通道中的任一個進行開關狀態，從而實現傳感器節點的選擇。工作時具有低導通電阻和很低的關態漏電流，很寬的數字控制與傳輸模擬信號電壓范圍:數字0～15 V。

3)存儲模塊設計:由于單片機內部自帶的4 kB EEPROM不能滿足數據存儲要求，所以，選用存儲容量為64kB的AT24C64作為擴展EEPROM。AT24C系列EEPROM是ATMEL公司的I2C總線串行CMOS型EEPROM。為減小體積，采用AT24C64的8腳TSSOP封裝。A0，A1，A2為芯片地址輸入腳;WP為寫保護，高電平時芯片只能讀而不能改寫;SDA為串行數據/地址的輸入/輸出，SCL為串行時鐘輸入。由于Atmega128L內置TWI總線完全兼容I2C總線，所以，直接把SDA和SCL與單片機的TWI總線的SDA和SCL相連。

4)接口電路設計:由于Atmega128L的I/O引腳PE1，PE0和上位機PC基于RS—232C總線協議進行全雙工的串行異步通信，本文采用MAX3232芯片完成電平轉換，實現PC和單片機的通信。MAX3232與工業標準 MAX242和MAX232都兼容，帶有2路接收器和2路驅動器，關斷模式下，接收器保持有效狀態，對外部設備進行監測，僅消耗1μA電源電流，大大降低了功耗。

2.3 土壤剖面水分傳感器軟件設計

傳感器軟件設計主要包括初始化程序、數據采集程序、數據處理程序、串口通信程序等。主程序流程圖如圖4所示，電路上電復位后，首先進行單片機的相關配置和初始化，接著進行外圍器件初始化、單片機自檢，然后進入低功耗待機模式。由外部中斷單片機發出測量指令，傳感器節點響應工作請求進行土壤水分信息采集并返回測量數據，數據經單片機處理分析后存儲，根據指令可將歷史數據串行通信至上位機。

圖4 水分傳感器主程序流程圖Fig 4 Main program flow chart of moisture sensor

3 傳感器實驗與結果分析

3.1 水分傳感器標定實驗

實驗室環境下，采用鎮江地區典型土壤黃棕壤，取容重1.35 g/cm3，配制8種不同體積含水量的土樣。采用傳感器多次測量土樣取平均電壓值，結合烘干法測量土樣實際含水量。由于傳感器節點之間一致性和相關性較好，這里只給出其中一個傳感器節點的標定結果，如圖5所示，傳感器的輸出電壓隨著土壤體積含水量的增加而減小，這與理論分析相吻合。通過二次曲線擬合，擬合多項式為y=1.2269 x2－0.8832x+3.0989，它表示傳感器輸出電壓 V 與土壤體積含水量θv之間的關系，相關系數R2=0.9744。

3.2 土壤剖面水分測量實驗

實驗室環境下，取土壤容重1.35 g/cm3，配制3種不同體積含水量的土樣:0.09，0.18，0.27 m3/m3按每種含水量土樣10cm的高度依次放入塑料桶中，形成具有不同水分層的土柱。取3個傳感器節點彼此間隔10 cm組合裝配成土壤剖面水分傳感器，對土柱進行測量。如圖6所示，土壤剖面不同深度水分梯度變化明顯，進行重復性實驗對比分析實際值與測量值，相關系數R2=0.968 2，最大絕對誤差為－5.10%，在測量誤差允許范圍之內。

圖5 土壤水分傳感器標定結果Fig 5 Calibration result of soil moisture sensor

圖6 土壤剖面水分測量結果Fig 6 Result of soil profile moisture measurement

4 結束語

本文針對土壤剖面水分測量，研究設計了一種高頻電容式土壤水分傳感器，按照低成本、低功耗的要求，主要對傳感器硬件電路和軟件測量部分進行了設計，土壤水分測量試驗表明:研制的水分傳感器最大絕對誤差為－5.10%。傳感器測量水分梯度變化明顯，可用于土壤剖面水分測量，適合我國農林業生產需要。

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