基于頻域反射法的便攜式土壤水分檢測儀研制*

江朝暉，檀春節，支孝勤，王春生，馬友華

(1.安徽農業大學 農業信息學安徽省重點實驗室，安徽 合肥230036;2.安徽農業大學 資源環境與信息技術研究所，安徽 合肥230036)

0 引 言

土壤的水分含量、耕作特性等對農作物的產量影響很大，因此，在每年的春播、秋種時節要及時、準確地獲得土壤墑情，以便合理安排灌溉。土壤含水量是土壤墑情的重要指標，土壤含水量的準確、實時檢測是現代農業面臨的課題之一［1］，既要求對土壤濕度的準確性、均勻性、波動性進行客觀的計量檢測，同時又有快速、方便、規范化等要求［2］。土壤水分測量經歷了一個漫長的發展過程［3］:傳統的人工測量不僅要耗費大量的人力、物力，而且時效性較差;各種機械式濕度記錄儀或巡檢儀體積龐大、精度低、響應時間長，且容易出現故障;采用高分子濕敏電容器或濕敏電阻器作為濕度傳感器，雖然提高了測量的精度，但是測量電路復雜，給應用帶來了諸多不便。目前，新的水分檢測原理研究和新型土壤水分傳感器設計取得了長足的進展，在此基礎上應用現代電子、計算機和通信技術設計研制了各種高性能的土壤水分檢測裝備［4～8］。

盡管固定式墑情監測系統具有精度高、功能齊全、監測面廣等優勢，但其主要不足在于從固定點采集的墑情信息不能良好地反映耕地的正常使用狀況。而手持式土壤水分測量儀則克服了這一缺點，且性價比高，方便農技、科研人員使用和推廣，具有廣泛的市場需求和廣闊的應用前景。但是現有的便攜式土壤水分測量儀器大都具有以下特點:測量數據先保存在存儲器或SD 卡中，測量結束后將數據導入計算機進行后續處理，不僅易發生數據丟失，而且測量數據不能及時應用;缺乏測量位置、實時時間等輔助信息的自動獲取，測量時由人工或其他設備記錄測量位置，根據人工或測量儀器時鐘獲得測量時間，容易引起數據錯亂和誤差，不利于與GIS 系統自動結合;另外，在傳感器選用、測量結果校正等方面也存在不足。本文基于頻域反射(FDR)原理、采用GPS/GPRS/GSM 技術、結合標準的實驗校正方法，研制一種新型的便攜式土壤水分檢測儀。

1 總體架構與功能

便攜式土壤水分檢測儀由土壤水分傳感器、GPS 信息接收模塊、微處理控制器模塊、鍵盤/顯示模塊、GPRS/GSM通信模塊、可充電電源模塊和相應軟件組成，如圖1 所示。

圖1 土壤水分檢測儀總體結構Fig 1 Overall structure of soil moisture detector

土壤水分傳感器輸出模擬的相對濕度信號，經A/D 轉換輸入到微處理控制器;GPS 接收模塊通過串口連接微處理控制器，獲取經度、維度和實時時間;LCD 屏顯示容積含水量、檢測點位置、檢測時間以及其他操作、提示信息;GPRS/GSM 模塊通過串口與微處理控制器相連，發送數據報或短信;微處理控制器統籌上述各模塊工作，并負責原始水分數據的校正處理、GPS 信息解析、數據打包和通信聯絡;電源模塊給上述各模塊供電，外接充電器。

有2 種信息傳輸模式供選擇:通過GPRS 模式可將所有信息實時傳輸給遠程數據中心，由數據中心進行進一步的處理和應用;通過GSM 模式可將所有信息發送給多個手機用戶，便于責任人及時了解墑情動態。

2 功能模塊設計

2.1 土壤水分傳感器

基于介電法原理的土壤水分測量主要有時域反射(time domain reflectometry，TDR)測量法、頻域反射(frequency domain reflectometry，FDR)測量法。與 TDR 相比，FDR 在電極幾何形狀設計和工作頻率選取上有更大的自由度，校準和自動連續監測更容易，測量精度較高，因此，采用FDR原理的土壤水分傳感器更適合實際生產的需求。FDR 是根據電磁波在介質中傳播頻率來測量土壤的表觀介電常數ε，從而得到土壤容積含水量θV。傳感器簡化模型如圖2 所示。FDR 探針等效為一個電容器，其間的土壤充當電介質，電容器和振蕩器組成一個調諧電路。高頻振蕩電路產生幾十至幾百兆赫的正弦信號，通過同軸電纜傳輸線傳送到探頭，根據掃頻電路檢測共振頻率［9～11］。

圖2 土壤水分傳感器模型Fig 2 Model of soil moisture sensor

根據此模型，探針的等效阻抗Z0由式(1)表示，其中，C0為探針在空氣中的等效電容，Zair為探針在空氣中的等效阻抗，ε 為土壤的介電常數，ω 為角頻率。Zc為同軸電纜傳輸線的阻抗，S11為反射系數，由式(2)定義，由式(2)可得式(3)，即 Z0與 Zc，S11的關系。將式(1)和式(3)結合，并按式(3)形式用空氣中反射系數S11air表達Zair，則得到式(4)的ε。再根據式(5)計算土壤容積含水量θV

其中，a 和b 由土壤類型決定。

本設計采用一種電流輸出型FDR 傳感器，主要技術指標包括:量程為0%～100%，精度為±3%，響應時間＜2 s，外接5～12 V 直流電壓，采用電流/電壓轉換電路將其輸出電流轉換成0～5 V 的電壓信號。

2.2 GPS 接收與 GPRS/GSM 通信

當前GPS 接收技術與GPRS/GSM 通信技術較為成熟，已廣泛應用在各種測量儀器中［5，12，13］。本設計選用一種集成了GPS/GPRS/GSM 功能的低功耗三合一模塊，其中，GPS芯片是 GS-91，GPRS/GSM 芯片是 SIMCOM 公司的 SIM100，內置TCP/IP 協議，支持AT 指令集。GPS 模塊通過串口將測試點地理位置信息送入微處理控制器，解析出精度、維度和時間，與測量的土壤水分數據整合，按照編碼協議封裝成數據幀，再以一定的流程編輯AT 指令，并將指令和數據幀發送至GPRS/ GSM 電路，實現 GPRS 與 Internet 的網絡連接和數據傳輸。

考慮到農田水分監測的特殊性和實用性，短信每次可同時發送給多個(可設置)手機用戶，并且在偏遠地區通信信號質量不穩定時，通過握手信號建立數據重發機制。

2.3 控制處理模塊

微控制/處理器采用STC12C5A60S2，它是一種高速/低功耗/超強抗干擾的新一代單片機，增強型8051 內核，單時鐘/機器周期，8 路10 位高速A/D 轉換，程序空間 60 kbyte，片上 1280byteRAM，雙 UART 串口，通用 I/O 口 36 個，4 個16 位定時器，7 路外部中斷，在系統可編程，工作電壓為5.5～3.3 V，工作頻率范圍為0～35 MHz。

微控制/處理器統籌儀器的采集、處理、顯示和遠程傳輸。通過內置的A/D 轉換器將土壤水分傳感器送來的模擬電壓信號轉換為數字信號，并按照預先設計的校正函數進行修正，通過串口1 讀取GPS 信息，并解析出經度、緯度和時間，將含水量、經度、緯度和時間信息在LCD 上顯示，根據按鍵選擇信息發送模式，按通信協議將含水量、經度、緯度和時間信息打包，通過串口2 以GPRS 或GSM 模式進行通信聯絡和數據傳輸。主程序與GPS 接收、GPRS 聯絡中斷服務程序流程如圖3 所示。

圖3 軟件流程圖Fig 3 Software flow chart

2.4 電源模塊

電源模塊設計是便攜式儀器的核心內容之一，需要綜合考慮功耗、效率、重量/體積、成本以及使用方便性。本檢測儀需要3 路不同的電壓和帶載能力，其中土壤水分傳感器需要5～12 V 供電，單片機和 LCD 需要5 V 供壓，GPS/GPRS/GSM 模塊需要5～9 V 供電，且電流較大，在發送數據時大于1 A。電源模塊框圖見圖4，選用一種5500 mAh 可充電的鋰電池組作為供電電源，其電壓范圍較寬，達到4.5～8 V。設計2 路穩壓電路，一路通過LM2577 升壓作為GPS/GPRS/GSM 模塊的電源，可獲得較大電流，降低功耗;另一路采用LM2577 升壓和LM1117 穩壓，分別供給水分傳感器和單片機/LCD 模塊。LM2577 效率高，外圍器件較少，設計方便。

圖4 電源模塊框圖Fig 4 Block diagram of power supply module

3 校正與測試

3.1 實驗校正

采用標準的烘干稱重法進行儀器校正［2］。在實驗室中配置不同含水量梯度的原狀土土壤樣品，分別用研制的水分檢測儀和烘干稱重法對每份樣品進行測量和測定，每份樣品各進行3 次。

對上述實驗獲得的數據，用Matlab 軟件進行曲線擬合［8］，如圖5 所示。經過反復實驗和比較，獲得式(6)的校正函數，固化在微處理程序中。

圖5 實驗校正曲線Fig 5 Experimental calibration curve

需要特別指出的是，現有的土壤水分傳感器只能測量土壤的容積含水量，而土壤墑情監測和決策需要獲知土壤的質量含水量，兩者之間的關系見式(7)

土壤容重與土壤的類型、性狀密切相關，不同地域的差異較大。因此，為了保證水分檢測儀具有普遍適用性，容積含水量與質量含水量的換算放在數據中心(后臺)進行，按照檢測儀結果和測試點典型土壤容重自動換算。

3.2 實地測試

研制了一批便攜式土壤水分檢測儀樣機，分別編號，在安徽省明光市進行了實地測試，部分結果見表1，結果表明:土壤容積含水量測量誤差小于3 %，GPS 信息接收和GPRS/GSM 通信正常，檢測儀充電一次可連續工作30 d 以上。目前，該檢測儀已在明光市下屬8 個鄉鎮農技站試用。

4 結束語

針對我國土壤墑情監測的現實需求和現有土壤水分檢測儀器存在的局限，本文研制了一種多功能、便攜式土壤水分檢測儀，該多功能便攜式土壤水分檢測儀為墑情監測決策系統提供了實時、準確、廣泛的數據來源，提高了墑情監測、決策的自動化和智能化水平，有利于防災減災，提高水資源利用率，促進糧食高產，具有較好的應用前景。

表1 安徽省明光市測試結果Tab 1 Test results

［1］ 羅錫文，臧 英，周志艷.精細農業中農情信息采集技術的研究進展［J］.農業工程學報，2006，22(1):l67 －173.

［2］ SL 364-2006 土壤墑情監測規范［S］.北京:中國水利水電出版社，2006.

［3］ 鄧英春，許永輝.土壤水分測量方法研究綜述［J］.水文，2007，27(4):20 － 24.

［4］ Yunseop K，vans R G，Iversen W M.Remote sensing and control of an irrigation system using a distributed wireless sensor network［J］.IEEE Trans on Instrumentation and Measurement，2008，57(7):1379 －1387.

［5］ 李 楠，劉成良，李彥明，等.基于3S 技術聯合的農田墑情遠程監測系統開發［J］.農業工程學報，2010，26(4):169 －174.

［6］ 魏景斌.便攜式土壤濕度檢測儀的研究與設計［D］.保定:河北農業大學，2010，6.

［7］ 李加念，洪添勝，馮瑞玨，等.橘園無線土壤水分傳感器的設計與實現［J］.傳感器與微系統，2011，30(7):146 －148，152.

［8］ 王新忠，劉 飛，由 婷.基于高頻電容原理的土壤剖面水分傳感器研究［J］.傳感器與微系統，2012，31(10):12 －15.

［9］ Gaskin G J，Miller J D.Measurement of soil water content using a simplified impedance measuring technique［J］.Journal of Agricultural Engineering Research，1996，63:153 －160.

［10］ Wojciech S，Andrzej W.A FDR sensor for measuring complex soil dielectric permittivity in the 10 － 500 MHz frequency range［J］.Sensors，2010，10:3314 － 3329.

［11］ 黃飛龍，黃宏智，李昕娣，等.基于頻域反射的土壤水分探測傳感器設計［J］.傳感技術學報，2011，24(9):1367 －1370.

［12］ 郭在華，李良福，覃彬全，等.網絡化土壤電阻率參數采集系統研制［J］.電子測量與儀器學報，2009，23(5):103 －108.

［13］ 王 擘，汪文勇，楊 挺，等.基于6LoWPAN 的無線農田信息監測系統［J］.傳感器與微系統，2011，30(4):149 －152.