土壤墑情信息采集終端設(shè)計(jì)研究

鐘健波

摘 要：基于頻域反射FDR原理監(jiān)測(cè)土壤含水率，設(shè)計(jì)研究在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。RTU終端可設(shè)采樣周期和時(shí)間，根據(jù)需要召測(cè)采樣。采用標(biāo)準(zhǔn)的烘干稱重實(shí)驗(yàn)對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行標(biāo)定擬合。實(shí)現(xiàn)對(duì)土壤墑情實(shí)時(shí)連續(xù)檢測(cè)，對(duì)智能決策具有重要現(xiàn)實(shí)意義。

關(guān)鍵詞：FDR；在線監(jiān)測(cè)；標(biāo)定擬合

前言

將土壤中的監(jiān)測(cè)探頭所測(cè)得的值叫做絕對(duì)含水率，土壤的絕對(duì)含水率通常有兩種表示方法：重量含水率與容積含水率，這里傳感器探測(cè)的是重量含水率。它的計(jì)算公式為：重量含水率=水分重/烘干土重×100%。重量含水率=容積含水率×土壤容重。可以根據(jù)這些關(guān)系來(lái)來(lái)轉(zhuǎn)換成所需要的物理量。土壤墑情監(jiān)測(cè)是指定點(diǎn)定時(shí)對(duì)土壤含水量及水勢(shì)進(jìn)行測(cè)定預(yù)測(cè)，及時(shí)了解土壤水分過多、適宜、缺少與嚴(yán)重缺乏等情況的一項(xiàng)經(jīng)常性的農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)工作。做到連續(xù)檢測(cè)土壤含水量的變化，較好的反映土壤水分的變化趨勢(shì)[1]。適時(shí)掌握土壤墑情，對(duì)于合理灌溉、節(jié)約用水、抗旱保收具有重要的指導(dǎo)意義。在我國(guó)大部分地區(qū)粘壤的飽和含水量不會(huì)大于35%，壤土飽和含水量在31%左右，砂壤的飽和含水量不會(huì)超過30%。

1 結(jié)構(gòu)框圖

監(jiān)測(cè)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由土壤墑情、雨量、蒸發(fā)量、溫濕度等前端探頭，電源部分，通訊模塊，微處理器以及相關(guān)接口組成。采集探頭可根據(jù)實(shí)際需要選擇。

圖1 結(jié)構(gòu)框圖

2 墑情采集

頻域反射法（Frequency Domain Reflectometry），簡(jiǎn)稱FDR法，是通過測(cè)量傳感器在土壤中因土壤介電常數(shù)的變化而引起頻率的變化來(lái)測(cè)量土壤的水分含量[2]。

FDR測(cè)量土壤含水量的原理：FDR的探針主要由一對(duì)電極組成一個(gè)電容，其間的土壤充當(dāng)電介質(zhì)，電容和振蕩器組成一個(gè)調(diào)諧電路。FDR用100MHz正弦曲線信號(hào)，通過特殊設(shè)計(jì)的傳輸線傳到FDR探頭，F(xiàn)DR探頭的阻抗依賴于土壤介質(zhì)的介電常數(shù)。振幅最大時(shí)，F(xiàn)DR使用掃頻頻率來(lái)檢測(cè)共振頻率，土壤含水量不同，發(fā)生共振的頻率不同。測(cè)量這種振幅，通過振幅和土壤含水率的函數(shù)關(guān)系，然后利用函數(shù)關(guān)系進(jìn)行土壤含水率推算。這些關(guān)系轉(zhuǎn)變?yōu)榕c土壤含水量對(duì)應(yīng)成為三次多項(xiàng)式關(guān)系的電壓信號(hào)。同軸傳輸線的阻抗決定于它的物理尺寸和絕緣材料的介電常數(shù)？著。

其中r1和r2分別是信號(hào)導(dǎo)體和屏蔽導(dǎo)體的半徑。

傳感探頭供電電壓5～12VDC，工作電流25mA，測(cè)量范圍0～100%，輸出信號(hào)0～2.5VDC，工作溫度-20～65℃，精度±3%，特殊標(biāo)定后±2%。接線為四線制，一組為電源輸入和信號(hào)輸出。

3 可選采集參數(shù)

通過對(duì)RTU配置，該通道可根據(jù)需要選擇。雨量桶兩線制，直接輸出開關(guān)信號(hào)，脈沖個(gè)數(shù)由微處理器計(jì)數(shù)。根據(jù)計(jì)數(shù)和雨量桶的計(jì)數(shù)單位可計(jì)算出雨量。蒸發(fā)器工作過程同雨量計(jì)，通過對(duì)補(bǔ)水翻斗脈沖計(jì)數(shù)折算出蒸發(fā)水量。溫、濕度兩線制，直接測(cè)量探頭電阻變化，變換出溫濕度。風(fēng)速傳感器輸出頻率的信號(hào)，風(fēng)向傳感器的變換器為碼盤和光電組件。當(dāng)風(fēng)標(biāo)隨風(fēng)向變化而轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，通過軸帶動(dòng)碼盤在光電組件縫隙中轉(zhuǎn)動(dòng)。產(chǎn)生的光電信號(hào)對(duì)應(yīng)當(dāng)時(shí)風(fēng)向的格雷碼輸出。變換器采用精密導(dǎo)電塑料電位器，將檢測(cè)參量變換為0～5V或者4～20mA終端所需信號(hào)。

4 控制終端

XC95144XL高特性CPLD與ATmega128A作為采集控制芯片。ATmega128A是一款高性能、低功耗Atmel AVR八位微處理器。ATmega128為基于AVR RISC結(jié)構(gòu)的8位低功耗CMOS微處理器。由于其先進(jìn)的指令集以及單周期指令執(zhí)行時(shí)間，ATmega128的數(shù)據(jù)吞吐率高達(dá)1MIPS/MHz，從而可以緩減系統(tǒng)在功耗和處理速度之間的矛盾。

微處理器統(tǒng)籌儀器的數(shù)據(jù)采集和處理、傳輸。通過內(nèi)置A/D將傳感器采集過來(lái)的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，并按照預(yù)先設(shè)計(jì)的校正函數(shù)進(jìn)行修正。控制發(fā)送模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送。

CPLD選用XC95144XL10TQ144C，其最高主頻可達(dá)178 MHz，144個(gè)宏單元和3200個(gè)可用門電路，其TQFP封裝有117個(gè)可用I/O引腳，滿足各種采集設(shè)計(jì)需要；實(shí)現(xiàn)異步存儲(chǔ)器Flash擴(kuò)展；產(chǎn)生必要的邏輯控制和時(shí)序，通過DMA將數(shù)據(jù)從緩存區(qū)讀取SDRAM等。

通過GPRS模塊通過串口與微處理器相連，發(fā)送短信數(shù)據(jù)，根據(jù)召測(cè)或者定時(shí)回發(fā)采集數(shù)據(jù)至數(shù)據(jù)發(fā)布中心。

5 數(shù)據(jù)標(biāo)定擬合

測(cè)量土壤飽和含水量和對(duì)應(yīng)的電壓值：將傳感器插入土壤中，測(cè)量飽和電壓值。在墑情測(cè)站觀測(cè)場(chǎng)距傳感器1平米內(nèi)，用鋁盒分別取10、20、40cm三個(gè)深度的土樣，取3個(gè)鋁盒，分別記錄鋁盒編號(hào)、盒重，取3份土樣放入鋁盒，分別記錄濕土+盒重。將3盒土樣放入烘干箱中，溫度105度進(jìn)行恒溫烘干4-6小時(shí)。用烘干法測(cè)出其飽和含水量[3]。

土壤重量含水量計(jì)算公式：

式中θ為土壤重量含水量，w1為濕土+盒重，w2為干土+盒重，wo為鋁盒的重量。

表1 傳感器信號(hào)與含水率數(shù)據(jù)

傳感器輸出電壓信號(hào)0～2.25V對(duì)應(yīng)的含水量0～0.32，通過三次多項(xiàng)公式回歸添加趨勢(shì)線確定標(biāo)定關(guān)系。三次次多項(xiàng)式的方程轉(zhuǎn)換法標(biāo)定：θ=-0.5603x3+1.7359x2+13.186x-0.148是此種壤土的特性曲線公式，x代表傳感器輸出電壓信號(hào)，θ代表含水量。RTU終端設(shè)備自動(dòng)采集出一個(gè)X值通過此公式計(jì)算出土壤的含水量。土壤容重與土壤類型、形狀等密切相關(guān)，不同地區(qū)差異較大。為保證檢測(cè)準(zhǔn)確和普遍性，需要對(duì)不同的地土質(zhì)校核標(biāo)定[4]。

6 結(jié)束語(yǔ)

在監(jiān)測(cè)點(diǎn)按照10cm、20cm和40cm不同的深度埋設(shè)三個(gè)傳感器，通過傳感器測(cè)量出電壓信號(hào)和該標(biāo)定的關(guān)系換算出來(lái)含水量的數(shù)據(jù)，真實(shí)反映出廣州該站點(diǎn)土壤墑情信息和趨勢(shì)。為墑情監(jiān)測(cè)決策系統(tǒng)提供了實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確、連續(xù)的數(shù)據(jù)來(lái)源，提高了墑情監(jiān)測(cè)、決策的自動(dòng)化和智能化水平，有利于防災(zāi)減災(zāi)。

圖3 含水量在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)1

圖4 含水量在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)2

參考文獻(xiàn)

[1]張憲，姜晶.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）.

[2]基于頻域反射的土壤水分探測(cè)傳感器設(shè)計(jì)[J].傳感技術(shù)，2011，24（9）.

[3]SL 364-2006土壤墑情監(jiān)測(cè)規(guī)范[S].北京：中國(guó)水利水電出版社，2006.

[4]江朝暉，檀春節(jié).基于頻域反射法的便攜式土壤水分檢測(cè)儀研制[J].傳感器與微系統(tǒng)，2013，32（1）.endprint

摘 要：基于頻域反射FDR原理監(jiān)測(cè)土壤含水率，設(shè)計(jì)研究在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。RTU終端可設(shè)采樣周期和時(shí)間，根據(jù)需要召測(cè)采樣。采用標(biāo)準(zhǔn)的烘干稱重實(shí)驗(yàn)對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行標(biāo)定擬合。實(shí)現(xiàn)對(duì)土壤墑情實(shí)時(shí)連續(xù)檢測(cè)，對(duì)智能決策具有重要現(xiàn)實(shí)意義。

關(guān)鍵詞：FDR；在線監(jiān)測(cè)；標(biāo)定擬合

前言

將土壤中的監(jiān)測(cè)探頭所測(cè)得的值叫做絕對(duì)含水率，土壤的絕對(duì)含水率通常有兩種表示方法：重量含水率與容積含水率，這里傳感器探測(cè)的是重量含水率。它的計(jì)算公式為：重量含水率=水分重/烘干土重×100%。重量含水率=容積含水率×土壤容重。可以根據(jù)這些關(guān)系來(lái)來(lái)轉(zhuǎn)換成所需要的物理量。土壤墑情監(jiān)測(cè)是指定點(diǎn)定時(shí)對(duì)土壤含水量及水勢(shì)進(jìn)行測(cè)定預(yù)測(cè)，及時(shí)了解土壤水分過多、適宜、缺少與嚴(yán)重缺乏等情況的一項(xiàng)經(jīng)常性的農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)工作。做到連續(xù)檢測(cè)土壤含水量的變化，較好的反映土壤水分的變化趨勢(shì)[1]。適時(shí)掌握土壤墑情，對(duì)于合理灌溉、節(jié)約用水、抗旱保收具有重要的指導(dǎo)意義。在我國(guó)大部分地區(qū)粘壤的飽和含水量不會(huì)大于35%，壤土飽和含水量在31%左右，砂壤的飽和含水量不會(huì)超過30%。

1 結(jié)構(gòu)框圖

監(jiān)測(cè)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由土壤墑情、雨量、蒸發(fā)量、溫濕度等前端探頭，電源部分，通訊模塊，微處理器以及相關(guān)接口組成。采集探頭可根據(jù)實(shí)際需要選擇。

圖1 結(jié)構(gòu)框圖

2 墑情采集

頻域反射法（Frequency Domain Reflectometry），簡(jiǎn)稱FDR法，是通過測(cè)量傳感器在土壤中因土壤介電常數(shù)的變化而引起頻率的變化來(lái)測(cè)量土壤的水分含量[2]。

FDR測(cè)量土壤含水量的原理：FDR的探針主要由一對(duì)電極組成一個(gè)電容，其間的土壤充當(dāng)電介質(zhì)，電容和振蕩器組成一個(gè)調(diào)諧電路。FDR用100MHz正弦曲線信號(hào)，通過特殊設(shè)計(jì)的傳輸線傳到FDR探頭，F(xiàn)DR探頭的阻抗依賴于土壤介質(zhì)的介電常數(shù)。振幅最大時(shí)，F(xiàn)DR使用掃頻頻率來(lái)檢測(cè)共振頻率，土壤含水量不同，發(fā)生共振的頻率不同。測(cè)量這種振幅，通過振幅和土壤含水率的函數(shù)關(guān)系，然后利用函數(shù)關(guān)系進(jìn)行土壤含水率推算。這些關(guān)系轉(zhuǎn)變?yōu)榕c土壤含水量對(duì)應(yīng)成為三次多項(xiàng)式關(guān)系的電壓信號(hào)。同軸傳輸線的阻抗決定于它的物理尺寸和絕緣材料的介電常數(shù)？著。

其中r1和r2分別是信號(hào)導(dǎo)體和屏蔽導(dǎo)體的半徑。

傳感探頭供電電壓5～12VDC，工作電流25mA，測(cè)量范圍0～100%，輸出信號(hào)0～2.5VDC，工作溫度-20～65℃，精度±3%，特殊標(biāo)定后±2%。接線為四線制，一組為電源輸入和信號(hào)輸出。

3 可選采集參數(shù)

通過對(duì)RTU配置，該通道可根據(jù)需要選擇。雨量桶兩線制，直接輸出開關(guān)信號(hào)，脈沖個(gè)數(shù)由微處理器計(jì)數(shù)。根據(jù)計(jì)數(shù)和雨量桶的計(jì)數(shù)單位可計(jì)算出雨量。蒸發(fā)器工作過程同雨量計(jì)，通過對(duì)補(bǔ)水翻斗脈沖計(jì)數(shù)折算出蒸發(fā)水量。溫、濕度兩線制，直接測(cè)量探頭電阻變化，變換出溫濕度。風(fēng)速傳感器輸出頻率的信號(hào)，風(fēng)向傳感器的變換器為碼盤和光電組件。當(dāng)風(fēng)標(biāo)隨風(fēng)向變化而轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，通過軸帶動(dòng)碼盤在光電組件縫隙中轉(zhuǎn)動(dòng)。產(chǎn)生的光電信號(hào)對(duì)應(yīng)當(dāng)時(shí)風(fēng)向的格雷碼輸出。變換器采用精密導(dǎo)電塑料電位器，將檢測(cè)參量變換為0～5V或者4～20mA終端所需信號(hào)。

4 控制終端

XC95144XL高特性CPLD與ATmega128A作為采集控制芯片。ATmega128A是一款高性能、低功耗Atmel AVR八位微處理器。ATmega128為基于AVR RISC結(jié)構(gòu)的8位低功耗CMOS微處理器。由于其先進(jìn)的指令集以及單周期指令執(zhí)行時(shí)間，ATmega128的數(shù)據(jù)吞吐率高達(dá)1MIPS/MHz，從而可以緩減系統(tǒng)在功耗和處理速度之間的矛盾。

微處理器統(tǒng)籌儀器的數(shù)據(jù)采集和處理、傳輸。通過內(nèi)置A/D將傳感器采集過來(lái)的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，并按照預(yù)先設(shè)計(jì)的校正函數(shù)進(jìn)行修正。控制發(fā)送模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送。

CPLD選用XC95144XL10TQ144C，其最高主頻可達(dá)178 MHz，144個(gè)宏單元和3200個(gè)可用門電路，其TQFP封裝有117個(gè)可用I/O引腳，滿足各種采集設(shè)計(jì)需要；實(shí)現(xiàn)異步存儲(chǔ)器Flash擴(kuò)展；產(chǎn)生必要的邏輯控制和時(shí)序，通過DMA將數(shù)據(jù)從緩存區(qū)讀取SDRAM等。

通過GPRS模塊通過串口與微處理器相連，發(fā)送短信數(shù)據(jù)，根據(jù)召測(cè)或者定時(shí)回發(fā)采集數(shù)據(jù)至數(shù)據(jù)發(fā)布中心。

5 數(shù)據(jù)標(biāo)定擬合

測(cè)量土壤飽和含水量和對(duì)應(yīng)的電壓值：將傳感器插入土壤中，測(cè)量飽和電壓值。在墑情測(cè)站觀測(cè)場(chǎng)距傳感器1平米內(nèi)，用鋁盒分別取10、20、40cm三個(gè)深度的土樣，取3個(gè)鋁盒，分別記錄鋁盒編號(hào)、盒重，取3份土樣放入鋁盒，分別記錄濕土+盒重。將3盒土樣放入烘干箱中，溫度105度進(jìn)行恒溫烘干4-6小時(shí)。用烘干法測(cè)出其飽和含水量[3]。

土壤重量含水量計(jì)算公式：

式中θ為土壤重量含水量，w1為濕土+盒重，w2為干土+盒重，wo為鋁盒的重量。

表1 傳感器信號(hào)與含水率數(shù)據(jù)

傳感器輸出電壓信號(hào)0～2.25V對(duì)應(yīng)的含水量0～0.32，通過三次多項(xiàng)公式回歸添加趨勢(shì)線確定標(biāo)定關(guān)系。三次次多項(xiàng)式的方程轉(zhuǎn)換法標(biāo)定：θ=-0.5603x3+1.7359x2+13.186x-0.148是此種壤土的特性曲線公式，x代表傳感器輸出電壓信號(hào)，θ代表含水量。RTU終端設(shè)備自動(dòng)采集出一個(gè)X值通過此公式計(jì)算出土壤的含水量。土壤容重與土壤類型、形狀等密切相關(guān)，不同地區(qū)差異較大。為保證檢測(cè)準(zhǔn)確和普遍性，需要對(duì)不同的地土質(zhì)校核標(biāo)定[4]。

6 結(jié)束語(yǔ)

在監(jiān)測(cè)點(diǎn)按照10cm、20cm和40cm不同的深度埋設(shè)三個(gè)傳感器，通過傳感器測(cè)量出電壓信號(hào)和該標(biāo)定的關(guān)系換算出來(lái)含水量的數(shù)據(jù)，真實(shí)反映出廣州該站點(diǎn)土壤墑情信息和趨勢(shì)。為墑情監(jiān)測(cè)決策系統(tǒng)提供了實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確、連續(xù)的數(shù)據(jù)來(lái)源，提高了墑情監(jiān)測(cè)、決策的自動(dòng)化和智能化水平，有利于防災(zāi)減災(zāi)。

圖3 含水量在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)1

圖4 含水量在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)2

參考文獻(xiàn)

[1]張憲，姜晶.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）.

[2]基于頻域反射的土壤水分探測(cè)傳感器設(shè)計(jì)[J].傳感技術(shù)，2011，24（9）.

[3]SL 364-2006土壤墑情監(jiān)測(cè)規(guī)范[S].北京：中國(guó)水利水電出版社，2006.

[4]江朝暉，檀春節(jié).基于頻域反射法的便攜式土壤水分檢測(cè)儀研制[J].傳感器與微系統(tǒng)，2013，32（1）.endprint

摘 要：基于頻域反射FDR原理監(jiān)測(cè)土壤含水率，設(shè)計(jì)研究在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。RTU終端可設(shè)采樣周期和時(shí)間，根據(jù)需要召測(cè)采樣。采用標(biāo)準(zhǔn)的烘干稱重實(shí)驗(yàn)對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行標(biāo)定擬合。實(shí)現(xiàn)對(duì)土壤墑情實(shí)時(shí)連續(xù)檢測(cè)，對(duì)智能決策具有重要現(xiàn)實(shí)意義。

關(guān)鍵詞：FDR；在線監(jiān)測(cè)；標(biāo)定擬合

前言

將土壤中的監(jiān)測(cè)探頭所測(cè)得的值叫做絕對(duì)含水率，土壤的絕對(duì)含水率通常有兩種表示方法：重量含水率與容積含水率，這里傳感器探測(cè)的是重量含水率。它的計(jì)算公式為：重量含水率=水分重/烘干土重×100%。重量含水率=容積含水率×土壤容重。可以根據(jù)這些關(guān)系來(lái)來(lái)轉(zhuǎn)換成所需要的物理量。土壤墑情監(jiān)測(cè)是指定點(diǎn)定時(shí)對(duì)土壤含水量及水勢(shì)進(jìn)行測(cè)定預(yù)測(cè)，及時(shí)了解土壤水分過多、適宜、缺少與嚴(yán)重缺乏等情況的一項(xiàng)經(jīng)常性的農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)工作。做到連續(xù)檢測(cè)土壤含水量的變化，較好的反映土壤水分的變化趨勢(shì)[1]。適時(shí)掌握土壤墑情，對(duì)于合理灌溉、節(jié)約用水、抗旱保收具有重要的指導(dǎo)意義。在我國(guó)大部分地區(qū)粘壤的飽和含水量不會(huì)大于35%，壤土飽和含水量在31%左右，砂壤的飽和含水量不會(huì)超過30%。

1 結(jié)構(gòu)框圖

監(jiān)測(cè)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由土壤墑情、雨量、蒸發(fā)量、溫濕度等前端探頭，電源部分，通訊模塊，微處理器以及相關(guān)接口組成。采集探頭可根據(jù)實(shí)際需要選擇。

圖1 結(jié)構(gòu)框圖

2 墑情采集

頻域反射法（Frequency Domain Reflectometry），簡(jiǎn)稱FDR法，是通過測(cè)量傳感器在土壤中因土壤介電常數(shù)的變化而引起頻率的變化來(lái)測(cè)量土壤的水分含量[2]。

FDR測(cè)量土壤含水量的原理：FDR的探針主要由一對(duì)電極組成一個(gè)電容，其間的土壤充當(dāng)電介質(zhì)，電容和振蕩器組成一個(gè)調(diào)諧電路。FDR用100MHz正弦曲線信號(hào)，通過特殊設(shè)計(jì)的傳輸線傳到FDR探頭，F(xiàn)DR探頭的阻抗依賴于土壤介質(zhì)的介電常數(shù)。振幅最大時(shí)，F(xiàn)DR使用掃頻頻率來(lái)檢測(cè)共振頻率，土壤含水量不同，發(fā)生共振的頻率不同。測(cè)量這種振幅，通過振幅和土壤含水率的函數(shù)關(guān)系，然后利用函數(shù)關(guān)系進(jìn)行土壤含水率推算。這些關(guān)系轉(zhuǎn)變?yōu)榕c土壤含水量對(duì)應(yīng)成為三次多項(xiàng)式關(guān)系的電壓信號(hào)。同軸傳輸線的阻抗決定于它的物理尺寸和絕緣材料的介電常數(shù)？著。

其中r1和r2分別是信號(hào)導(dǎo)體和屏蔽導(dǎo)體的半徑。

傳感探頭供電電壓5～12VDC，工作電流25mA，測(cè)量范圍0～100%，輸出信號(hào)0～2.5VDC，工作溫度-20～65℃，精度±3%，特殊標(biāo)定后±2%。接線為四線制，一組為電源輸入和信號(hào)輸出。

3 可選采集參數(shù)

通過對(duì)RTU配置，該通道可根據(jù)需要選擇。雨量桶兩線制，直接輸出開關(guān)信號(hào)，脈沖個(gè)數(shù)由微處理器計(jì)數(shù)。根據(jù)計(jì)數(shù)和雨量桶的計(jì)數(shù)單位可計(jì)算出雨量。蒸發(fā)器工作過程同雨量計(jì)，通過對(duì)補(bǔ)水翻斗脈沖計(jì)數(shù)折算出蒸發(fā)水量。溫、濕度兩線制，直接測(cè)量探頭電阻變化，變換出溫濕度。風(fēng)速傳感器輸出頻率的信號(hào)，風(fēng)向傳感器的變換器為碼盤和光電組件。當(dāng)風(fēng)標(biāo)隨風(fēng)向變化而轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，通過軸帶動(dòng)碼盤在光電組件縫隙中轉(zhuǎn)動(dòng)。產(chǎn)生的光電信號(hào)對(duì)應(yīng)當(dāng)時(shí)風(fēng)向的格雷碼輸出。變換器采用精密導(dǎo)電塑料電位器，將檢測(cè)參量變換為0～5V或者4～20mA終端所需信號(hào)。

4 控制終端

XC95144XL高特性CPLD與ATmega128A作為采集控制芯片。ATmega128A是一款高性能、低功耗Atmel AVR八位微處理器。ATmega128為基于AVR RISC結(jié)構(gòu)的8位低功耗CMOS微處理器。由于其先進(jìn)的指令集以及單周期指令執(zhí)行時(shí)間，ATmega128的數(shù)據(jù)吞吐率高達(dá)1MIPS/MHz，從而可以緩減系統(tǒng)在功耗和處理速度之間的矛盾。

微處理器統(tǒng)籌儀器的數(shù)據(jù)采集和處理、傳輸。通過內(nèi)置A/D將傳感器采集過來(lái)的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，并按照預(yù)先設(shè)計(jì)的校正函數(shù)進(jìn)行修正。控制發(fā)送模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送。

CPLD選用XC95144XL10TQ144C，其最高主頻可達(dá)178 MHz，144個(gè)宏單元和3200個(gè)可用門電路，其TQFP封裝有117個(gè)可用I/O引腳，滿足各種采集設(shè)計(jì)需要；實(shí)現(xiàn)異步存儲(chǔ)器Flash擴(kuò)展；產(chǎn)生必要的邏輯控制和時(shí)序，通過DMA將數(shù)據(jù)從緩存區(qū)讀取SDRAM等。

通過GPRS模塊通過串口與微處理器相連，發(fā)送短信數(shù)據(jù)，根據(jù)召測(cè)或者定時(shí)回發(fā)采集數(shù)據(jù)至數(shù)據(jù)發(fā)布中心。

5 數(shù)據(jù)標(biāo)定擬合

測(cè)量土壤飽和含水量和對(duì)應(yīng)的電壓值：將傳感器插入土壤中，測(cè)量飽和電壓值。在墑情測(cè)站觀測(cè)場(chǎng)距傳感器1平米內(nèi)，用鋁盒分別取10、20、40cm三個(gè)深度的土樣，取3個(gè)鋁盒，分別記錄鋁盒編號(hào)、盒重，取3份土樣放入鋁盒，分別記錄濕土+盒重。將3盒土樣放入烘干箱中，溫度105度進(jìn)行恒溫烘干4-6小時(shí)。用烘干法測(cè)出其飽和含水量[3]。

土壤重量含水量計(jì)算公式：

式中θ為土壤重量含水量，w1為濕土+盒重，w2為干土+盒重，wo為鋁盒的重量。

表1 傳感器信號(hào)與含水率數(shù)據(jù)

傳感器輸出電壓信號(hào)0～2.25V對(duì)應(yīng)的含水量0～0.32，通過三次多項(xiàng)公式回歸添加趨勢(shì)線確定標(biāo)定關(guān)系。三次次多項(xiàng)式的方程轉(zhuǎn)換法標(biāo)定：θ=-0.5603x3+1.7359x2+13.186x-0.148是此種壤土的特性曲線公式，x代表傳感器輸出電壓信號(hào)，θ代表含水量。RTU終端設(shè)備自動(dòng)采集出一個(gè)X值通過此公式計(jì)算出土壤的含水量。土壤容重與土壤類型、形狀等密切相關(guān)，不同地區(qū)差異較大。為保證檢測(cè)準(zhǔn)確和普遍性，需要對(duì)不同的地土質(zhì)校核標(biāo)定[4]。

6 結(jié)束語(yǔ)

在監(jiān)測(cè)點(diǎn)按照10cm、20cm和40cm不同的深度埋設(shè)三個(gè)傳感器，通過傳感器測(cè)量出電壓信號(hào)和該標(biāo)定的關(guān)系換算出來(lái)含水量的數(shù)據(jù)，真實(shí)反映出廣州該站點(diǎn)土壤墑情信息和趨勢(shì)。為墑情監(jiān)測(cè)決策系統(tǒng)提供了實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確、連續(xù)的數(shù)據(jù)來(lái)源，提高了墑情監(jiān)測(cè)、決策的自動(dòng)化和智能化水平，有利于防災(zāi)減災(zāi)。

圖3 含水量在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)1

圖4 含水量在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)2

參考文獻(xiàn)

[1]張憲，姜晶.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）.

[2]基于頻域反射的土壤水分探測(cè)傳感器設(shè)計(jì)[J].傳感技術(shù)，2011，24（9）.

[3]SL 364-2006土壤墑情監(jiān)測(cè)規(guī)范[S].北京：中國(guó)水利水電出版社，2006.

[4]江朝暉，檀春節(jié).基于頻域反射法的便攜式土壤水分檢測(cè)儀研制[J].傳感器與微系統(tǒng)，2013，32（1）.endprint