四端法土壤電導(dǎo)率原位快速檢測(cè)傳感器設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

鐘翔君，楊 麗，張東興，崔 濤，和賢桃，杜兆輝

（1. 中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，北京 100083；2. 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部土壤-機(jī)器-植物系統(tǒng)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083）

0 引言

以現(xiàn)代信息技術(shù)與農(nóng)業(yè)知識(shí)為基礎(chǔ)的無(wú)人農(nóng)場(chǎng)，能夠?qū)崿F(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)全過(guò)程的信息感知、定量決策、智能控制、精準(zhǔn)投入和個(gè)性化服務(wù)，可以有效地提高資源利用率、解放勞動(dòng)生產(chǎn)力，是未來(lái)農(nóng)業(yè)的重要發(fā)展方向[1-3]。土壤信息的快速獲取是無(wú)人農(nóng)場(chǎng)關(guān)鍵的數(shù)據(jù)來(lái)源，可為變量施肥、變量播種[4-6]及其他土壤改良作業(yè)等精準(zhǔn)作業(yè)的定量決策提供有效的數(shù)據(jù)支撐。土壤電導(dǎo)率[7-9]作為土壤肥力的重要組成部分，能反映土壤質(zhì)量和物理性質(zhì)的豐富信息，對(duì)作物的生長(zhǎng)發(fā)育起重要作用，因此快速獲取土壤電導(dǎo)率信息對(duì)推動(dòng)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)精準(zhǔn)管理具有重要的意義。

目前，土壤電導(dǎo)率的測(cè)量方式主要有：實(shí)驗(yàn)室異位檢測(cè)[10-12]及現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)法。實(shí)驗(yàn)室異位檢測(cè)方法應(yīng)用較廣，但需要先進(jìn)行田間采樣，并將土樣帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行檢測(cè)，工作量大、檢測(cè)效率低且成本高，不適于現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)所需的大規(guī)模、快速高效的需求。為解決上述問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者也先后開(kāi)展了眾多土壤電導(dǎo)率現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量方面的試驗(yàn)研究，主要包括：基于電磁感應(yīng)原理的非接觸測(cè)量法[13-14]、基于TDR（Time domain reflectometry）原理的時(shí)域反射法[15-17]及基于電位差原理的“電流-電壓”四端法。其中，基于電磁感應(yīng)原理的非接觸測(cè)量方式，操作方便，但是儀器的設(shè)計(jì)復(fù)雜，成本高且易受外界環(huán)境干擾。基于TDR原理的土壤電導(dǎo)率測(cè)量方式，多應(yīng)用于便攜式產(chǎn)品，雖然測(cè)量方便，但價(jià)格昂貴，不適于大面積動(dòng)態(tài)檢測(cè)應(yīng)用。而四端法相較于前兩種具有設(shè)計(jì)方便、可操作性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，被廣泛采用。國(guó)外電導(dǎo)率檢測(cè)設(shè)備已應(yīng)用于大田土壤電導(dǎo)率的信息動(dòng)態(tài)采集[18-20]。目前，國(guó)內(nèi)相關(guān)專(zhuān)家也進(jìn)行了研究，陳玲等[21]設(shè)計(jì)了便攜式土壤電導(dǎo)率實(shí)時(shí)分析儀，并研究了土壤電導(dǎo)率隨含水率和鹽分含量的變化關(guān)系。趙燕東等[22]設(shè)計(jì)了土壤多參數(shù)復(fù)合測(cè)試儀，可以同時(shí)測(cè)量土壤含水率、電導(dǎo)率及溫度等多個(gè)參數(shù)。可見(jiàn)，實(shí)現(xiàn)土壤電導(dǎo)率信息的動(dòng)態(tài)快速獲取是當(dāng)前研究的關(guān)鍵方向，國(guó)內(nèi)相關(guān)專(zhuān)家對(duì)土壤電導(dǎo)率的快速獲取進(jìn)行了有益的探索并開(kāi)發(fā)了一些產(chǎn)品[23-25]，但是在田間動(dòng)態(tài)信息檢測(cè)方面距離國(guó)外仍有一定差距。且目前田間電導(dǎo)率采集在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)前進(jìn)行，需要專(zhuān)門(mén)的電導(dǎo)率檢測(cè)設(shè)備對(duì)種植田塊開(kāi)展大范圍數(shù)據(jù)采集并生成電導(dǎo)率空間分布圖，實(shí)際農(nóng)業(yè)生產(chǎn)時(shí)再通過(guò)查詢(xún)空間分布圖的信息指導(dǎo)實(shí)際作業(yè)，該方式操作繁瑣、費(fèi)時(shí)費(fèi)力，同時(shí)檢測(cè)的電導(dǎo)率值由于時(shí)間滯后原因，難以準(zhǔn)確反映農(nóng)業(yè)生產(chǎn)各環(huán)節(jié)（如播種）實(shí)施過(guò)程中的真實(shí)電導(dǎo)率情況。

針對(duì)以上問(wèn)題，本文基于交流“電流-電壓”四端法原理，采用STM32處理器為核心，設(shè)計(jì)一種快速檢測(cè)土壤電導(dǎo)率傳感器，配合GPS設(shè)備實(shí)現(xiàn)土壤電導(dǎo)率信息及位置信息的同步獲取，并通過(guò)WiFi模塊實(shí)現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)的無(wú)線(xiàn)通信，實(shí)現(xiàn)電導(dǎo)率信息的實(shí)時(shí)檢測(cè)與顯示、定時(shí)存儲(chǔ)與無(wú)線(xiàn)傳輸，旨在為加快土壤電導(dǎo)率信息的動(dòng)態(tài)原位獲取技術(shù)的研究與推廣應(yīng)用提供軟硬件參考，有助于推動(dòng)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)精準(zhǔn)管理進(jìn)程。

1 傳感器檢測(cè)原理和結(jié)構(gòu)

1.1 工作原理

電導(dǎo)率傳感器的工作原理如圖1所示，形狀尺寸相同的四探針（標(biāo)號(hào)1、2、3、4）均與土壤直接接觸。其中，恒流交流源所提供激勵(lì)信號(hào)的外側(cè)兩探針（標(biāo)號(hào)1、4）為輸入端，中間兩探針（標(biāo)號(hào)2、3）作為輸出端，通過(guò)檢測(cè)輸出端兩電極的電壓差和經(jīng)過(guò)精密電阻的電流，即可換算出土壤的電導(dǎo)率信息。

當(dāng)測(cè)量對(duì)象的橫截面積和長(zhǎng)度確定時(shí)，電導(dǎo)率與其成函數(shù)關(guān)系。但是，由于土壤是一種非常不規(guī)則、組成成分復(fù)雜的測(cè)量對(duì)象，橫截面積及長(zhǎng)度難以確定，其電導(dǎo)率的計(jì)算公式[24]為

式中σ為土壤電導(dǎo)率，mS/cm；d12、d13、d24、d23表示探針間距，cm；UR表示精密電阻兩端的電壓，V；R表示精密電阻的阻值，Ω；ΔV表示中間兩探針之間的電壓，V。當(dāng)四個(gè)探針的排布間距相等（D1=D2=D3=k），即按照Wenner組態(tài)排布時(shí)，土壤電導(dǎo)率的計(jì)算公式[25]為

式中ΔE表示土壤電導(dǎo)，mS。

由上式可知，在已知探針間距k和精密電阻阻值R的情況下，只需要獲取精密電阻兩端的電壓UR及中間兩探針之間的電壓ΔV，即獲取ΔE的數(shù)值后，可計(jì)算得到土壤的電導(dǎo)率值。

1.2 整體結(jié)構(gòu)

依據(jù)上述土壤電導(dǎo)率測(cè)量原理，設(shè)計(jì)了如圖2所示的土壤電導(dǎo)率傳感器，主要由按鍵、LCD液晶顯示模塊、主殼體、外接串口端、傳感器探針、SD卡模塊、STM32單片機(jī)最小系統(tǒng)、WiFi無(wú)線(xiàn)模塊、探針接口、恒流源模塊、DDS信號(hào)發(fā)生模塊、信號(hào)采集模塊、有效值轉(zhuǎn)換模塊、差分放大模塊、電源模塊等組成。其中檢測(cè)和數(shù)據(jù)處理模塊作為核心，采用STM32處理器為核心處理單元，LCD1602液晶顯示模塊采用四線(xiàn)制通信，供電電壓5 V，用于實(shí)時(shí)顯示電導(dǎo)率傳感器的輸出值；集成SD卡存儲(chǔ)模塊，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)保存；集成以ESP8266為核心的WiFi無(wú)線(xiàn)模塊，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無(wú)線(xiàn)傳輸。傳感器四根探針均為長(zhǎng)度65 mm、直徑3 mm的不銹鋼實(shí)心材質(zhì)，探針間以20 mm的間距通過(guò)螺帽固定于PVC固定板上，與主殼體通過(guò)屏蔽線(xiàn)連接，避免信號(hào)交叉干擾。以上可以看出，設(shè)計(jì)的傳感器的整體結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，可以裝配到農(nóng)業(yè)機(jī)具各行的作業(yè)單體上，進(jìn)行不同作業(yè)行的土壤電導(dǎo)率的實(shí)時(shí)檢測(cè)與作業(yè)參數(shù)的在線(xiàn)調(diào)整。

工作時(shí)，傳感器探針與土壤直接接觸，通過(guò)內(nèi)部的信號(hào)產(chǎn)生模塊，使得兩端的探針形成一個(gè)穩(wěn)定的交流源，土壤電導(dǎo)率的不同使得中間兩根探針間的電壓差發(fā)生變化，通過(guò)信號(hào)的采集與處理，將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示在LCD屏幕上，并實(shí)時(shí)將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到內(nèi)部SD卡上。工作時(shí)，可通過(guò)LED信號(hào)燈的工作狀態(tài)判斷傳感器是否正常工作，通過(guò)按鍵進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送等操作。

2 傳感器設(shè)計(jì)

2.1 硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1.1 硬件電路總體結(jié)構(gòu)

設(shè)計(jì)的土壤電導(dǎo)率傳感器硬件電路總體結(jié)構(gòu)如圖3所示，主要包括STM32處理器及核心電路模塊、電源電路模塊、交流信號(hào)源模塊、有效值檢測(cè)電路模塊及其他外圍電路等。有效值檢測(cè)電路模塊包括差分信號(hào)放大電路、有效值轉(zhuǎn)換電路以及信號(hào)采集電路。其中，設(shè)計(jì)的STM32處理器及核心電路是整個(gè)土壤電導(dǎo)率傳感器的核心單元，負(fù)責(zé)控制DDS芯片輸出正弦波信號(hào)，并將采集到的傳感器信息進(jìn)行處理及傳遞。

工作時(shí)，電源模塊為各個(gè)單元模塊提供有效的電源輸入；STM32處理器通過(guò)控制交流信號(hào)源模塊的AD9833信號(hào)發(fā)生模塊輸出一個(gè)正弦波信號(hào)，產(chǎn)生的正弦波信號(hào)經(jīng)LM324搭建的恒流電路整流、穩(wěn)壓后，輸出具有穩(wěn)定電流的正弦波信號(hào)；穩(wěn)壓后的正弦波經(jīng)過(guò)精密電阻到金屬探針的輸入電極將正弦波輸入到土壤中，在土壤中產(chǎn)生一個(gè)穩(wěn)定的信號(hào)源；然后分別將精密電阻兩端和探針輸出電極的差分信號(hào)經(jīng)AD623儀表放大器模塊放大，并將放大后的差分信號(hào)送入AD736交直流轉(zhuǎn)換器模塊將正弦波轉(zhuǎn)化為有效電壓值；轉(zhuǎn)換后的兩路電壓及鋰電池的輸出電壓經(jīng)PAC1934電壓電流采集模塊完成數(shù)據(jù)的采集，實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)的同時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)電源的穩(wěn)定性；最后STM32處理器再將對(duì)應(yīng)電壓值讀取并進(jìn)一步處理，完成數(shù)據(jù)的顯示、存儲(chǔ)與通信。

2.1.2 電源電路設(shè)計(jì)

電源電路模塊是傳感器的基礎(chǔ)單元，為了防止不同模塊間信號(hào)的干擾，電源電路分別為各個(gè)模塊電路單獨(dú)供電，保證各個(gè)模塊的有效工作。如圖4所示，由于供電電源為12 V鋰電池，DDS電路、LCD液晶屏、信號(hào)采集電路等均需要5 V供電，STM32處理器及核心電路均需要3.3 V供電，另外，交直流轉(zhuǎn)換電路、恒流源電路均需要±5 V供電，需要對(duì)輸入電源進(jìn)行穩(wěn)壓、降壓以及電平轉(zhuǎn)換處理。圖4a中采用濾波及穩(wěn)壓電容對(duì)鋰電池電源進(jìn)行濾波及穩(wěn)壓，用于保證裝置的輸入電壓穩(wěn)定可靠；圖4b、4c中分別采用了SGM2200及ASM1117-3.3穩(wěn)壓器，用于將濾波穩(wěn)壓后的12 V電源降壓至5 V及將5 V電壓降壓至3.3 V，圖中的兩個(gè)降壓電路僅用于為L(zhǎng)CD液晶屏、STM32處理器供電，其他模塊的供電電源單獨(dú)設(shè)置，以保證每個(gè)模塊工作的穩(wěn)定性；圖4d中采用TC7660電壓逆變器實(shí)現(xiàn)+5 V電壓與-5 V電壓的轉(zhuǎn)換，其中，C17為儲(chǔ)能電容，由于轉(zhuǎn)換后會(huì)產(chǎn)生一定的壓降，所以在LV引腳與VOUT引腳增加了濾波及穩(wěn)壓電路，保證輸出電壓的穩(wěn)定性。設(shè)計(jì)的電源模塊，除了12 V直流電源穩(wěn)壓電路為共用電路之外，各個(gè)模塊所需的5、3.3及±5 V電源均單獨(dú)設(shè)置了降壓及電平轉(zhuǎn)換電路，各部分互不干擾。

2.1.3 交流信號(hào)源電路設(shè)計(jì)

為了給裝置提供一個(gè)穩(wěn)定可靠的正弦信號(hào)電流，設(shè)計(jì)了以AD9833芯片為中心的正弦信號(hào)發(fā)生電路，如圖5所示。該DDS電路無(wú)需外部元件，保持低功耗的同時(shí)控制了成本，主要包括一個(gè)25 MHz的參考時(shí)鐘、一個(gè)精密電阻和多個(gè)去耦電容，用數(shù)字方式產(chǎn)生0～12.5 MHz范圍的正弦波；同時(shí)與STM32處理器通過(guò)三線(xiàn)式串行（SPI）接口（對(duì)應(yīng)6、7、8引腳）進(jìn)行通信，編程調(diào)整方便。DDS信號(hào)發(fā)生電路產(chǎn)生的正弦信號(hào)濾波后，經(jīng)VOUT引腳傳遞到LM324芯片組成的恒流源中，該系列芯片是帶有差分輸入的四運(yùn)放集成電路，除電源共用外，四組運(yùn)放相互獨(dú)立，保證輸出的電壓更加穩(wěn)定。

2.1.4 有效值檢測(cè)電路模塊設(shè)計(jì)

有效值檢測(cè)模塊主要對(duì)流經(jīng)精密電阻及傳感器探針回饋的電壓差信號(hào)進(jìn)行有效檢測(cè)，并將得到的信息傳遞到STM32處理器中。該模塊主要由差分放大電路、有效值轉(zhuǎn)換電路及信號(hào)采集電路組成，設(shè)計(jì)的電路原理圖如圖6所示。

由于最終采集的信號(hào)為交流信號(hào)且幅值較小，因此采用差分儀表放大器對(duì)其進(jìn)行放大，如圖6a所示。采用AD623放大器及外圍電路組成的差分放大電路，分別對(duì)流經(jīng)精密電阻R29和傳感器探針的微弱信號(hào)進(jìn)行差分放大。AD623是一款低成本、高精度的儀表放大器，功耗低成本低，符合設(shè)計(jì)要求。該電路采用±5 V供電，由12 V電源降壓至5 V后，再轉(zhuǎn)換為負(fù)電源。芯片的Ref是輸出電壓基準(zhǔn)引腳，由于采取了±5 V供電方式，因此將該引腳接AGND，定義零輸出電壓；輸入端配有串聯(lián)的電阻片，用于防止過(guò)載造成芯片損壞，適用于所有的增益及上電、斷電過(guò)程；該放大電路增益可以通過(guò)更換R30阻值的方式進(jìn)行調(diào)節(jié)；同時(shí)，輸出部分有低通濾波電路，初始通過(guò)頻率為3 MHz，可通過(guò)修改阻容參數(shù)設(shè)置所需通過(guò)頻率。

為了方便對(duì)檢測(cè)到的信息進(jìn)行讀取，需要將交流電壓波形轉(zhuǎn)換為直流電壓，設(shè)計(jì)了如圖6b所示的有效值轉(zhuǎn)換電路。該電路主要由高精度、靈敏性好的AD736轉(zhuǎn)換器及其外圍電阻組成，采用±5 V供電，+Vs、-Vs引腳與輸入電源之間均并聯(lián)一0.01μF的電容以消除電路中的高頻干擾；Cc與COM引腳串聯(lián)了一個(gè)10μF的電容，起到隔直作用；同時(shí)，輸入端設(shè)置了雙向限幅二極管，起到過(guò)壓保護(hù)作用。

如圖6c所示設(shè)計(jì)了以PAC1934檢測(cè)器及其外圍電路組成的信號(hào)檢測(cè)電路，以實(shí)現(xiàn)對(duì)信息的有效提取。該芯片可以采集電壓電流信號(hào)到相應(yīng)通道的電壓寄存器，再通過(guò)IIC與單片機(jī)通信，單片機(jī)便可讀取相應(yīng)寄存器的電壓值數(shù)據(jù)。其中，差分輸入主要是相對(duì)于取樣電阻來(lái)設(shè)置的，通過(guò)采集取樣電阻兩端的差分電壓，便可以計(jì)算出流過(guò)取樣電阻的電流值，PAC1934有四個(gè)通道此系統(tǒng)只用到三個(gè)通道，1通道懸空，2通道可以用來(lái)檢測(cè)電池的電量和耗電情況，3通道采集精密電阻兩端的差分電壓值，4通道采集探針端的差分電壓值。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

2.2.1 主程序軟件設(shè)計(jì)

傳感器的主程序基于C語(yǔ)言設(shè)計(jì)完成，主要實(shí)現(xiàn)信號(hào)的產(chǎn)生、數(shù)據(jù)的定時(shí)讀取、存儲(chǔ)、顯示與通訊等功能，如圖7所示。工作開(kāi)始時(shí)，電源模塊完成各模塊所需的電源轉(zhuǎn)換，保證各部分的有序供電。供電完成后，首先完成各個(gè)系統(tǒng)模塊硬件和系統(tǒng)參數(shù)的初始化，主要包括時(shí)鐘、按鍵、串口、IIC、DDS、ADC等初始化；實(shí)時(shí)讀取系統(tǒng)時(shí)鐘的時(shí)間，STM32處理器按照固定的時(shí)間間隔，對(duì)采集的土壤電導(dǎo)率信息進(jìn)行分析和處理，同時(shí)對(duì)GPS位置信息進(jìn)行有效解析并獲取，此外，設(shè)定的固定時(shí)間間隔還可為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及發(fā)送提供有效的參考時(shí)間；通過(guò)SPI完成對(duì)DDS模塊的設(shè)置與通信，通過(guò)IIC完成數(shù)據(jù)的讀取，并通過(guò)RS232串口完成數(shù)據(jù)的發(fā)送。

2.2.2 GPS位置信息獲取

為實(shí)現(xiàn)取樣點(diǎn)電導(dǎo)率信息與位置信息（經(jīng)緯度）的同步獲取，傳感器內(nèi)部集成了GPS信息獲取驅(qū)動(dòng)單元，外設(shè)GPS接收機(jī)可通過(guò)預(yù)留的RS232串口與STM32單片機(jī)進(jìn)行通信，定時(shí)解析獲取GPS設(shè)備的經(jīng)緯度與時(shí)間信息。GPS接收機(jī)輸出格式是采用NMEA-0183數(shù)據(jù)協(xié)議，包含了定位時(shí)間、經(jīng)緯度、高度、速度、日期等信息，以獨(dú)立相關(guān)的ASCII碼傳遞信息，不同數(shù)據(jù)流間以逗號(hào)隔開(kāi)。工作時(shí)，首先系統(tǒng)上電完成各個(gè)模塊的啟動(dòng)，主程序完成各部分硬件及關(guān)鍵參數(shù)初始化以后，開(kāi)啟定時(shí)器負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集和發(fā)送，同時(shí)開(kāi)始解析GPS報(bào)文的數(shù)據(jù)。其中，GPS報(bào)文信息存放在緩存寄存器數(shù)組中，首先通過(guò)判斷字符串開(kāi)頭信息“$”，并以此作為數(shù)據(jù)的起始端；通過(guò)一個(gè)接收狀態(tài)標(biāo)記變量判斷數(shù)組的狀態(tài)，解析出寄存器中報(bào)文的長(zhǎng)度并判斷這組報(bào)文是否接收完畢，并通過(guò)不同的逗號(hào)（“，”）標(biāo)記讀取不同數(shù)據(jù)流的信息（本文只讀取經(jīng)緯度和時(shí)間信息）并進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。其中，STM32單片機(jī)控制定時(shí)器每隔一定的時(shí)間間隔讀取信息，以降低功耗。

2.2.3 無(wú)線(xiàn)通信軟件設(shè)計(jì)

考慮到復(fù)雜性的田間作業(yè)環(huán)境，為方便實(shí)際操作，將WiFi模塊設(shè)置成AP模式，將其配置為無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的中心節(jié)點(diǎn)，供別的設(shè)備接入，組成一個(gè)局域網(wǎng)。相較于有線(xiàn)傳輸?shù)姆绞剑瑹o(wú)線(xiàn)傳輸在硬件架設(shè)及使用的機(jī)動(dòng)性、可拓展性方面均有明顯的優(yōu)勢(shì)。首先將傳感器WiFi模塊作為T(mén)CP（Transmission Control Protocol）服務(wù)器，并依據(jù)指令配置服務(wù)器的屬性參數(shù)（熱點(diǎn)名稱(chēng)、密碼及加密方式），波特率設(shè)置為115 200 bit/s，手機(jī)或平板電腦等終端設(shè)備作為客戶(hù)端與其連接通信。傳感器讀取、處理后帶有位置和時(shí)間信息的數(shù)據(jù)，通過(guò)單片機(jī)RS232串口與ESP8266 WiFi無(wú)線(xiàn)模塊連接，實(shí)現(xiàn)與手機(jī)或平板電腦等終端設(shè)備的數(shù)據(jù)無(wú)線(xiàn)傳輸，最多可支持5個(gè)終端設(shè)備（客戶(hù)端設(shè)備）進(jìn)行連接。

3 傳感器試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)材料與方法

土壤樣本取自河北省廊坊市（39°19'N，116°17'E）的砂壤土，有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.51%。以五點(diǎn)采樣法在約660 m2的農(nóng)田區(qū)域中采集0～20 cm的耕層土壤，采樣時(shí)將表層的石塊及動(dòng)植物殘?bào)w清除，以保證土壤樣本的完整性。將取到的土壤充分混合后裝入密封袋中，帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行下一步處理。

將田間采集的部分土壤置于若干個(gè)直徑100 mm的培養(yǎng)皿中，用恒溫干燥箱（DHG-9123A型，上海）在45 ℃條件下烘干24 h至恒質(zhì)量后，取出冷卻至常溫。按照《HJ 802-2016土壤-電導(dǎo)率的測(cè)定-電極法》[26]相關(guān)要求，對(duì)烘干的土壤樣品進(jìn)行縮分、研磨和過(guò)2 mm樣品篩后備用。

用電子秤稱(chēng)取20.00 g篩后土壤樣品于250 mL三角瓶中，并按照質(zhì)量比1:5的配比加入100 mL的蒸餾水，制成土壤溶液。將裝有土壤溶液的三角瓶置于往復(fù)式水平振蕩器（HY-4A型，常州）中振動(dòng)30 min，結(jié)束后取下三角瓶靜置30 min。過(guò)濾后將溶液分別轉(zhuǎn)移至離心管并置于高速離心機(jī)（HR/T16M型，湖南）中離心分離30 min，將離心分離后的上清液置于100 mL燒杯中，用標(biāo)準(zhǔn)電導(dǎo)率儀（DDB-303A型，上海）測(cè)量其電導(dǎo)率值。該儀器選自上海儀電科學(xué)儀器股份有限公司，采用DJS-1C型鉑黑電極，可測(cè)量0～10 000μS/cm范圍的電導(dǎo)率，可進(jìn)行手動(dòng)溫度補(bǔ)償，精度較高，其測(cè)量結(jié)果可作為樣本的準(zhǔn)確電導(dǎo)率。

3.2 傳感器標(biāo)定試驗(yàn)

為保證采集的電導(dǎo)率數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，需要對(duì)傳感器進(jìn)行標(biāo)定。試驗(yàn)前，抽取10份1 kg土壤樣本置于托盤(pán)，分別均勻噴灑120 mL經(jīng)蒸餾水稀釋后的不同濃度KCl溶液，制備成10個(gè)不同電導(dǎo)率梯度（0.269、0.341、0.435、0.522、0.619、0.703、0.797、0.885、0.973及1.062 mS/cm）的土壤樣本（含水率均低于15%），以降低含水率對(duì)電導(dǎo)率測(cè)量結(jié)果的影響[27]。將樣本攪拌均勻并靜置后，用設(shè)計(jì)的電導(dǎo)率傳感器測(cè)量其電導(dǎo)率的值。參考美國(guó)材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì)（ASTM）D5391-1999(2009)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)[28]，將測(cè)量溫度設(shè)置為25 ℃左右，以降低溫度對(duì)電導(dǎo)率測(cè)的影響。試驗(yàn)均重復(fù)3次測(cè)量并記錄平均值。按照3.1節(jié)的操作方法將樣本制備成土壤溶液，用DDB-303A型便攜式電導(dǎo)率儀測(cè)量樣本溶液的電導(dǎo)率，得到其標(biāo)準(zhǔn)值，并對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合分析。

3.3 傳感器工作穩(wěn)定性試驗(yàn)

為進(jìn)一步明確傳感器的工作穩(wěn)定性，選取3.1節(jié)配置的5組不同電導(dǎo)率梯度（0.269、0.435、0.619、0.797、0.973 mS/cm）的土壤樣本，測(cè)量溫度為25 ℃左右，每組靜態(tài)連續(xù)測(cè)量50組數(shù)據(jù)，得到傳感器在不同電導(dǎo)率濃度下連續(xù)測(cè)量數(shù)據(jù)。

3.4 傳感器性能對(duì)比試驗(yàn)

選用目前市面上廣泛應(yīng)用的精訊暢通公司JXBS-3001型傳感器和設(shè)計(jì)的電導(dǎo)率傳感器進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，測(cè)量土壤樣本電導(dǎo)率。該傳感器是基于時(shí)域反射原理的電導(dǎo)率測(cè)量方法，信號(hào)源產(chǎn)生的信號(hào)經(jīng)過(guò)土壤時(shí)，信號(hào)會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的衰減，通過(guò)監(jiān)測(cè)信號(hào)的衰減值來(lái)確定被測(cè)土壤的電導(dǎo)率[29]。該傳感器對(duì)于土壤狀況的檢測(cè)，多是采用全部埋入或是探針全部插入被測(cè)介質(zhì)中進(jìn)行，但不能應(yīng)用于田間動(dòng)態(tài)檢測(cè)，其內(nèi)部芯片封裝采用國(guó)外進(jìn)口，穩(wěn)定性可有效保證，且該傳感器在國(guó)內(nèi)廣泛應(yīng)用于大棚等農(nóng)業(yè)設(shè)施及野外環(huán)境檢測(cè)中。考慮到設(shè)計(jì)的電導(dǎo)率傳感器最終要應(yīng)用到實(shí)際農(nóng)業(yè)生產(chǎn)相關(guān)環(huán)節(jié)，因此，在相同的試驗(yàn)條件及相鄰的時(shí)間段內(nèi)進(jìn)行兩種傳感器的對(duì)比試驗(yàn)，以反映設(shè)計(jì)的傳感器與該傳感器實(shí)際工作情況，驗(yàn)證其工作性能。

1）檢測(cè)精度對(duì)比試驗(yàn)

采用3.1節(jié)方法隨機(jī)配置5種不同濃度的土壤電導(dǎo)率樣本，測(cè)量溫度為25 ℃，分別采用JXBS-3001型傳感器和設(shè)計(jì)的電導(dǎo)率傳感器對(duì)每個(gè)土壤樣本重復(fù)測(cè)量5次，并記錄其平均值。測(cè)量完的樣本按照3.1節(jié)的操作方法將樣本制備成土壤溶液，用DDB-303A型便攜式電導(dǎo)率儀測(cè)量樣本溶液的電導(dǎo)率，作為其標(biāo)準(zhǔn)值。

2）響應(yīng)時(shí)間對(duì)比試驗(yàn)

將JXBS-3001型傳感器和設(shè)計(jì)的電導(dǎo)率傳感器分別通過(guò)串口與電腦通信，設(shè)置同樣的數(shù)據(jù)發(fā)送間隔200 ms，即兩種傳感器均按照200 ms的頻率向電腦實(shí)時(shí)發(fā)送檢測(cè)數(shù)據(jù)。首先選取3.1節(jié)制備的其中一份土壤樣品（電導(dǎo)率為0.485 mS/cm），并將JXBS-3001型傳感器通電，傳感器在空氣中靜置一段時(shí)間后，打開(kāi)串口調(diào)試助手開(kāi)始接收數(shù)據(jù)，然后將其插入到準(zhǔn)備好的土壤樣品中，保存串口助手中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)；隨后，按照相同的步驟獲取該傳感器從土壤中轉(zhuǎn)移到空氣中的數(shù)據(jù)變化。同理，采用相同的方式對(duì)設(shè)計(jì)的電導(dǎo)率傳感器進(jìn)行試驗(yàn)。分別獲取兩種傳感器在“空氣-土樣”及從“土樣-空氣”兩種狀態(tài)下的數(shù)據(jù)變化情況，并對(duì)比兩組試驗(yàn)的數(shù)據(jù)。

3.5 傳感器現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證試驗(yàn)

為了驗(yàn)證傳感器在實(shí)際環(huán)境中的工作性能，在中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)選取兩個(gè)地塊（40°03'N，116°29'E；40°00'N，116°37'E）進(jìn)行土壤電導(dǎo)率定點(diǎn)獲取試驗(yàn)。分別在每個(gè)地塊選取不同的位置作為測(cè)量點(diǎn)，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)電導(dǎo)率數(shù)據(jù)獲取及取樣工作，每個(gè)地塊選取了4個(gè)測(cè)量點(diǎn)共計(jì)8個(gè)測(cè)量點(diǎn)。測(cè)量前，用TP101型溫度傳感器獲取土壤的實(shí)際溫度。如圖8所示，測(cè)量時(shí)，首先用設(shè)計(jì)的電導(dǎo)率傳感器依據(jù)五點(diǎn)取樣法原理，分別獲取每個(gè)測(cè)量點(diǎn)5個(gè)位置的電導(dǎo)率數(shù)據(jù)，將平均值作為該測(cè)量點(diǎn)的電導(dǎo)率測(cè)量值；參考3.1的方法，對(duì)每個(gè)測(cè)量點(diǎn)傳感器測(cè)量位置的土壤進(jìn)行采集并混合，密封后帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行室內(nèi)分析，用恒溫干燥箱烘干獲取土樣的含水率，用DDB-303A型便攜式電導(dǎo)率儀測(cè)得土樣的標(biāo)準(zhǔn)電導(dǎo)率值。

4 結(jié)果與分析

4.1 標(biāo)定試驗(yàn)結(jié)果

將傳感器采集的數(shù)據(jù)與DDB-303A電導(dǎo)率儀記錄的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，結(jié)果如圖9所示。從圖中可以看出，電導(dǎo)率傳感器輸出的電導(dǎo)值與DDB-303A電導(dǎo)率儀測(cè)得的電導(dǎo)率值呈明顯線(xiàn)性關(guān)系，擬合曲線(xiàn)y=1.161x+0.272，決定系數(shù)R2=0.995，擬合度較高，表明設(shè)計(jì)的電導(dǎo)率傳感器在測(cè)量土壤電導(dǎo)率時(shí)具有較高的準(zhǔn)確性。

4.2 工作穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)不同電導(dǎo)率梯度下土壤樣本的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行整合，得到傳感器工作穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果如圖10所示。從圖中可以看出，傳感器對(duì)各樣本電導(dǎo)率進(jìn)行連續(xù)采樣時(shí)，數(shù)據(jù)的波動(dòng)都比較小。分別計(jì)算每組數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)偏差，在不同電導(dǎo)率水平下，傳感器測(cè)量值的標(biāo)準(zhǔn)偏差均小于0.76μS/cm。試驗(yàn)結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的傳感器在不同電導(dǎo)率范圍內(nèi)的土壤中，均有良好的工作穩(wěn)定性。

4.3 性能對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果

4.3.1 檢測(cè)精度對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果與分析

對(duì)不同傳感器的測(cè)量數(shù)據(jù)整理后，結(jié)果如表1所示。從表中可以看出，隨著土壤電導(dǎo)率的增加，JXBS-3001傳感器和設(shè)計(jì)的電導(dǎo)率傳感器的測(cè)量誤差均有不同程度增大的趨勢(shì)。其中，JXBS-3001傳感器的絕對(duì)誤差為-13.8～30.3μS/cm，相對(duì)誤差為-2.46%～3.74%；設(shè)計(jì)的電導(dǎo)率傳感器絕對(duì)誤差為-5.9～19.4μS/cm，相對(duì)誤差為-1.05%～2.39%。結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的電導(dǎo)率傳感器在以較低的生產(chǎn)成本條件下，測(cè)量誤差要小于JXBS-3001傳感器，測(cè)量精度可靠。

表1 電導(dǎo)率傳感器和JXBS-3001傳感器對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果 Table 1 Results of soil electrical conductivity sensor and JXBS-3001 sensor experiments

4.3.2 響應(yīng)時(shí)間對(duì)比

對(duì)兩種傳感器從“空氣-土樣”及從“土樣-空氣”兩種狀態(tài)下的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，將兩種傳感器數(shù)據(jù)產(chǎn)生變化的前一組數(shù)據(jù)作為不同工作狀態(tài)的起始數(shù)據(jù)，得到兩種傳感器在不同狀態(tài)下的數(shù)據(jù)變化結(jié)果如圖11所示，從圖中可以看出，兩種傳感器分別在“空氣-土樣”和“土樣-空氣”兩種狀態(tài)下的變化趨勢(shì)一致，在傳感器狀態(tài)發(fā)生變化后，傳感器的輸出信號(hào)均是先快速增加或減小，待變化一段時(shí)間后數(shù)據(jù)保持穩(wěn)定。經(jīng)過(guò)擬合計(jì)算，JXBS-3001型傳感器在兩種狀態(tài)下的響應(yīng)時(shí)間均小于2.23 s，設(shè)計(jì)的電導(dǎo)率傳感器在兩種狀態(tài)下的響應(yīng)時(shí)間均小于2.01 s，結(jié)果表明兩種傳感器在不同狀態(tài)下的響應(yīng)時(shí)間相近，甚至設(shè)計(jì)的傳感器可以更快地完成不同工作狀態(tài)的切換，可以對(duì)土壤電導(dǎo)率信息進(jìn)行快速有效獲取。

4.4 現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果

測(cè)量前，用溫度傳感器測(cè)得土壤的平均溫度為20.6 ℃，對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理后，結(jié)果如表2所示。從表中可以看出，地塊1的電導(dǎo)率與含水率值明顯高于地塊2，其中，地塊1的平均電導(dǎo)率為333.7μS/cm，平均土壤含水率為11.48%，測(cè)量的最大絕對(duì)誤差為25.30μS/cm，最大相對(duì)誤差為7.88%；地塊2的平均電導(dǎo)率為136.8μS/cm，平均土壤含水率為9.25%，測(cè)量的最大絕對(duì)誤差為-11.36μS/cm，最大相對(duì)誤差為-7.91%。綜上可以看出，利用電導(dǎo)率傳感器在兩地塊不同位置測(cè)量的精度接近，絕對(duì)誤差為-11.36～25.30μS/cm，相對(duì)誤差為-7.91%～7.88%，表明設(shè)計(jì)的電導(dǎo)率傳感器可以進(jìn)行不同土壤電導(dǎo)率的快速有效測(cè)量。

表2 電導(dǎo)率傳感器現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)測(cè)定值與實(shí)驗(yàn)室測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)值對(duì)比 Table 2 Comparison of field test results of soil electrical conductivity sensor with standard values measured in the laboratory

5 討 論

土壤電導(dǎo)率是土壤的基本理化特性，可有效反映土壤含水率、有機(jī)質(zhì)含量及質(zhì)地結(jié)構(gòu)等不同土壤參數(shù)的綜合屬性[30]。目前土壤電導(dǎo)率的田間動(dòng)態(tài)原位檢測(cè)是國(guó)內(nèi)外相關(guān)專(zhuān)家及機(jī)構(gòu)研究的熱點(diǎn)，但該環(huán)節(jié)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)前進(jìn)行，需提前對(duì)種植田塊進(jìn)行大范圍數(shù)據(jù)采集，難以準(zhǔn)確反映農(nóng)業(yè)生產(chǎn)各環(huán)節(jié)實(shí)施過(guò)程中的真實(shí)電導(dǎo)率情況。本文基于四端法原理設(shè)計(jì)的電導(dǎo)率傳感器，整體結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，用于搭載在不同的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)機(jī)具上，實(shí)現(xiàn)土壤電導(dǎo)率的實(shí)時(shí)檢測(cè)與作業(yè)參數(shù)的在線(xiàn)調(diào)整。以STM32最小系統(tǒng)為核心，配合其他功能模塊電路，各個(gè)功能模塊及主要芯片單獨(dú)供電，保證信號(hào)的有效獲取與處理；內(nèi)部集成GPS報(bào)文解析與WiFi無(wú)線(xiàn)通信功能，可與終端設(shè)備實(shí)現(xiàn)土壤電導(dǎo)率信息及位置信息的同步獲取與無(wú)線(xiàn)通信；另外，設(shè)計(jì)時(shí)為方便后期功能拓展，預(yù)留出許多功能接口，方便后期裝置的進(jìn)一步優(yōu)化改良。在實(shí)驗(yàn)室條件下，傳感器與標(biāo)準(zhǔn)電導(dǎo)率呈顯著線(xiàn)性關(guān)系，決定系數(shù)為0.995，在不同電導(dǎo)率濃度的土樣中連續(xù)測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)偏差均小于0.76μS/cm，并在實(shí)驗(yàn)室條件下（溫度25 ℃）配置了不同電導(dǎo)率濃度的土樣（含水率<15%），并進(jìn)行了檢測(cè)精度和響應(yīng)時(shí)間的對(duì)比試驗(yàn)，相對(duì)誤差為-1.05%～2.39%，響應(yīng)時(shí)間小于2.01 s，利用電導(dǎo)率傳感器在現(xiàn)場(chǎng)（溫度20.6 ℃）對(duì)地塊不同位置測(cè)量的絕對(duì)誤差為-11.36～25.30μS/cm，相對(duì)誤差為-7.91%～7.88%，表明設(shè)計(jì)的電導(dǎo)率傳感器可以進(jìn)行不同土壤電導(dǎo)率的快速有效獲取。本傳感器的軟硬件設(shè)計(jì)均可為實(shí)現(xiàn)土壤電導(dǎo)率的田間動(dòng)態(tài)原位檢測(cè)提供參考。

本文在試驗(yàn)設(shè)計(jì)時(shí)均降低了含水率、溫度等因素對(duì)電導(dǎo)率測(cè)量結(jié)果的影響，但是與田間作業(yè)環(huán)境相比仍有較大的差異。下一步研究中，會(huì)針對(duì)影響電導(dǎo)率的環(huán)境因素（溫度、含水率等）以及影響傳感器的作業(yè)因素（速度等）開(kāi)展相應(yīng)田間試驗(yàn)，并針對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行相應(yīng)的改進(jìn)優(yōu)化，以實(shí)現(xiàn)土壤電導(dǎo)率的田間動(dòng)態(tài)高精度檢測(cè)。

6 結(jié) 論

1）設(shè)計(jì)了基于交流“電流-電壓”四端法的土壤電導(dǎo)率傳感器，以STM32處理器為核心，配合電源電路、交流信號(hào)源電路、有效值檢測(cè)電路及其他外圍電路搭建了硬件及軟件架構(gòu)，集成了信息的實(shí)時(shí)檢測(cè)與顯示、定時(shí)存儲(chǔ)與無(wú)線(xiàn)傳輸?shù)裙δ埽瑢?shí)現(xiàn)了土壤電導(dǎo)率的高精度原位獲取。

2）對(duì)設(shè)計(jì)的電導(dǎo)率傳感器進(jìn)行了試驗(yàn)標(biāo)定及工作穩(wěn)定性試驗(yàn)。標(biāo)定試驗(yàn)結(jié)果表明，電導(dǎo)率傳感器輸出的電導(dǎo)值與DDB-303A電導(dǎo)率儀測(cè)得的電導(dǎo)率值呈明顯線(xiàn)性關(guān)系，決定系數(shù)R2=0.995；工作穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果表明，在不同的土壤電導(dǎo)率水平下，測(cè)量值的標(biāo)準(zhǔn)偏差均小于0.76μS/cm，試驗(yàn)結(jié)果表明本電導(dǎo)率傳感器在不同電導(dǎo)率水平下具有較高的準(zhǔn)確性及工作穩(wěn)定性。

3）在實(shí)驗(yàn)室條件下（溫度25 ℃）配置了不同電導(dǎo)率濃度的土樣（含水率<15%），利用設(shè)計(jì)的電導(dǎo)率傳感器與JXBS-3001傳感器進(jìn)行了土壤電導(dǎo)率檢測(cè)精度和響應(yīng)時(shí)間對(duì)比試驗(yàn)，結(jié)果表明設(shè)計(jì)的電導(dǎo)率傳感器絕對(duì)誤差為-5.9～19.4μS/cm，相對(duì)誤差為-1.05%～2.39%，響應(yīng)時(shí)間小于2.01 s，均小于JXBS-3001傳感器，表明設(shè)計(jì)的電導(dǎo)率傳感器可以獲取較為可靠的測(cè)量結(jié)果。

4）利用電導(dǎo)率傳感器在現(xiàn)場(chǎng)（溫度20.6 ℃）對(duì)地塊不同位置進(jìn)行了電導(dǎo)率測(cè)量，并與室內(nèi)得到的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明利用傳感器在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的絕對(duì)誤差為-11.36～25.30μS/cm，相對(duì)誤差為-7.91%～7.88%，表明設(shè)計(jì)的電導(dǎo)率傳感器可以進(jìn)行不同土壤電導(dǎo)率的快速有效獲取。