土壤水分測量系統設計與實現

楊梅 王琪

摘 要 TDR是一種對反射波進行分析的遙控測量技術，在遙控位置掌握被測量物件的狀況。TDR時域反射技術是測量傳輸線特性阻抗的主要工具。基于此，選用時域反射（TDR）技術測量土壤水分，設計了TDR土壤水分測量系統，通過測試分析證明本設計能夠實時監測水分數據，整體工作狀況高速時效無故障。

關鍵詞 TDR；土壤水分；檢測數據

中圖分類號：TP2 文獻標志碼：A DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2018.11.098

1 TDR土壤水分測量系統設計

TDR土壤水分傳感器分為主體和探測單元兩個主要部分，其中相位比較器組成、射頻信號發生器、三端口環形器、射頻信號分路器、同軸電纜、相位比較器組成）構成了TDR土壤傳感器的主體部分[1]。

信號發生器通過有源晶振（100 Hz）來發出一個單一頻率的正弦電壓信號；射與信號發生器相連的頻道信號分配器該正弦電壓信號分成2個；環形器共分為3個端口，分別與相位比較器、信號分配器、探測單元相連。

相位比較器和信號發生器的另一端通過電纜延遲連接，接收信號發生器的信號，與環形器相連一端接收被探測單元的返回信號，并比較發送信號和返回來信號兩者的相位，并將差值轉換為可以測量的直流電壓信號。環形器與探測單元部分相連，用于接收信號與分離信號；探測單元通過同軸電纜與環形器相連，利用環形器傳送的電壓信號當成一個參考的信號[2]。

1.1 TDR土壤水分傳感器電路設計

TDR土壤水分傳感器電路主要包括7部分，分別是電源、信號源、信號分配器、環形器、同軸電纜、相位比較器等。

射頻信號源采用的是一個頻率為100 MHz高頻正弦電壓信號源，射頻信號源通過發出正弦電壓信號，來為整個系統提供持續穩定的可測信號。

射頻信號分路器的主要作用是將信號源發出的信號分成兩個不同的傳輸路徑，這兩個傳輸路徑分別是將信號發送到環形器中，通過延時電纜將正弦電壓信號發送到相位比較器中。

環形器是具有很多端口的器件，其組成材料為微波鐵氧體，信號在環形器里的傳輸特點為單向傳輸。當電壓信號通過信號分配器后，需要利用環形器來分離發送的入射信號和經過探測單元反射回來的信號。本課題采用三端口環形器。

環形器的兩邊，一邊是通過檢測單元被反射回來的信號，另一邊是由延時電纜傳輸過來的原始信號，兩種信號分別于相位差檢測器的輸入端相銜接，最終測得對應的電壓值，運用電壓值來表明土壤的含水量。在相位測量時，本課題使用的ADI公司的AD8302芯片是第一款可以使用在RF/IF幅值以及相位檢測單一的集成化芯片，可以檢測兩個信號間的相位以及幅值頻率能夠達到2.7 GHz。它特點是需要的外部元件少，對于相位測量、幅值測量是一個完整包含接受、傳輸、程序的完全集成。AD8302包含一對密集匹配的解調對數放大器，每一個都有著60 dB的檢測范圍，透過收集他們的輸出差值，檢測兩個輸入信號間的幅值比或者增益是能夠使用的，其工作原理如圖1所示。

1.2 TDR土壤水分傳感器探測單元設計

TDR探頭包含平板式、兩針式、三針式以及多針式等，種類繁多。結合不同探頭的特點，四針式探頭是各類探頭中具有比較突出的優點。對土的抗干擾性能較好，更接近于同軸電纜的結構。檢測信號信噪比高，檢測信號易于分析。為此，本實驗選用了四針探針。

1.3 TDR土壤水分傳感器信號處理

原始信號和通過檢測單元反射信號通過AD8302的傳輸，并最終檢測到的模擬信號轉換為數字信號，由單片機ATmega8L完成。土壤水分傳感器的信號通過信號中獲得，模擬信號的變化電路的數字信號由將ATmega8L單片機AD（如圖2所示）來完成，把土壤含水量的模擬信號轉變成數字信號信息。

1.4 TDR土壤水分無線組網傳輸

TDR土壤水分傳感器信號傳輸有許多選取的方法，整體上包含有線傳輸方式以及無線傳送方法兩大類。本文選用ZigBee技術對TDR土壤水分傳感進行信號的傳輸。基于TDR技術的土壤水分信號傳輸基本原理如圖3所示。

實時采集的土壤水分測試數據通過MCU數字化處理后傳輸到Zigbee模塊。Zigbee模塊接收數據后再通過發送端將數據通過RS232串口協議傳輸到PC機。本文選用星型無線網絡拓撲結構并配置其初始條件。

2 TDR土壤水分測量系統測試與分析

2.1 水分標定測試

采用烘干法對土壤水分進行標定，并通過數據進行擬合。

Y=18.591X 3-38.2437X 2+36.2991X-1.2353 （1）

式（1）中，X、Y分別表示電壓值與含水量。

選取多組2小時測量數據，并將其標定值與測試值進行比較，經過式（1）擬合后的結果分別如表1、圖4所示。

由此可知，測試數據很好地擬合在擬合曲線附近，平均誤差小于3%，符合預期設計期望值。

2.2 無線組網Zigbee傳輸測試

1個Zigbee接收端與2個Zigbee發送端組成星型無線網絡結構。MCU將實測模擬信號通過模數轉換后發送到Zigbee模塊，Zigbee模塊通過RS232串口協議將數據信息通過發送端發送到上位機，并在上位機顯示器實時顯示測試數據。

經過多次實驗，本文設計的TDR土壤水分測量系統能夠實時監測水分數據，并快速傳輸到上位機，整體工作狀況高速時效無故障。

3 結語

深入探討了TDR傳感的基本原理和在土壤中的傳感原理，設計了TDR土壤水分測量系統。通過測試分析證明本設計能夠實時監測水分數據，整體工作狀況高速時效無故障。將來，重點研究怎樣優化數據的傳送方法，減小傳送的信息量，提升傳輸信息的準確性以及達成云數據共享。

參考文獻：

[1] 姜明梁，方嫦青，馬道坤.基于TDR的土壤水分傳感器設計與試驗[J].農機化研究，2017（8）：147-153.

[2] 陸明，劉惠斌，王晨光，等.新型TDR土壤水分測定儀SOILTOP-200的開發及應用[J].水利化信息，2017（2）：31-37.

（責任編輯：劉昀）