基于單片機原理的土壤鹽分實時觀測系統(tǒng)

孟憲萌,尹茂生,朱 炎,劉登峰

(1.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢) 環(huán)境學(xué)院，湖北 武漢 430078；2.西安理工大學(xué)水利水電學(xué)院，陜西 西安710048)

土壤鹽漬化、咸水下移、海水入侵等是土壤和地下水所面臨的嚴峻環(huán)境問題。對土壤中鹽分運移規(guī)律的研究可以為該類實際問題的解決提供科學(xué)的理論依據(jù)，對實現(xiàn)地下水資源科學(xué)管理、土壤鹽漬化防治有著重要的意義。土壤中鹽分濃度的觀測可為土壤鹽分運移問題的研究提供不可或缺的數(shù)據(jù)支撐。根據(jù)研究空間尺度的不同，土壤鹽分運移研究可分為野外區(qū)域研究與室內(nèi)實驗研究。在野外區(qū)域研究中，對土壤鹽分濃度的觀測一般采用定點取樣觀測的方法，該方法可滿足野外研究所需精度較低的要求。室內(nèi)實驗研究是研究土壤鹽分運移規(guī)律的重要方法，一般采用水箱或土柱作為土壤鹽分運移場進行室內(nèi)土壤鹽分運移實驗。在室內(nèi)土壤鹽分運移實驗中，使用較為普遍的土壤鹽分濃度觀測方法有兩種：一種為直接取樣觀測法；另一種為傳感器觀測法。直接取樣觀測法是通過在鹽分運移場的邊壁留取樣孔，觀測時打開取樣孔，取一定量的溶液進行測試，從而獲取每個觀測孔處相應(yīng)時間的土壤水溶液鹽分濃度值。該方法對水箱或土柱的設(shè)計要求較為簡單，獲取的溶液信息較為完整，但取樣過程中對土壤鹽分運移場內(nèi)流場的擾動較大，且在水壓較高或者較低時取樣較為困難。隨著土壤鹽分傳感器技術(shù)的發(fā)展，傳感器觀測法以其精度高、操作方便、不破壞流場等諸多優(yōu)點在土壤鹽分濃度觀測中得到越來越普遍的應(yīng)用。目前，在土壤鹽分觀測中使用較為普遍的傳感器為石墨電極傳感器，該傳感器配有溫度補償功能的熱敏電阻，具有性能穩(wěn)定、靈敏度高、響應(yīng)時間短等特點。

現(xiàn)有用于土壤鹽分濃度觀測的傳感器及觀測儀器均采用單點單次觀測，能夠?qū)Χ帱c進行實時土壤鹽分濃度觀測的系統(tǒng)較為少見。然而，在土壤鹽分運移試驗過程中，為了能夠全面監(jiān)測土壤鹽分的運移過程，常需要對多個點位同時進行土壤鹽分濃度觀測。除此之外，土壤鹽分的運移過程常常需要持續(xù)幾天甚至十幾天的時間，而且在土壤鹽分運移過程中均需要對土壤鹽分濃度進行實時觀測。目前所用的土壤鹽分濃度觀測儀器在完成多點長時間實時觀測任務(wù)時均存在較大的困難，或需耗費大量的人力和物力。

本文利用單片機原理，以現(xiàn)有的單個FJA-10型土壤鹽分傳感器為基礎(chǔ)，開發(fā)了土壤鹽分實時觀測系統(tǒng)，可實現(xiàn)對多個土壤鹽分傳感器讀數(shù)進行實時顯示、記錄、傳輸，并基于C語言開發(fā)的上位機軟件，可通過有線、無線方式與單片機連接，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)采集頻率、信號轉(zhuǎn)換方程系數(shù)的設(shè)定與更改，同時可觀測各傳感器實時讀數(shù)并繪制土壤鹽分濃度變化曲線，較好地實現(xiàn)了對土壤鹽分的多通道進行實時觀測。

1 系統(tǒng)原理

土壤鹽分實時觀測系統(tǒng)主要包含3個功能模塊，分別為信號采集單元、數(shù)據(jù)處理單元、上位機控制單元(即上位機軟件)。

1.1 信號采集單元

信號采集單元主要由土壤鹽分傳感器構(gòu)成。根據(jù)測定對象的不同，原位測定土壤鹽分濃度的方法可分為土壤溶液電導(dǎo)率法和土壤表觀電導(dǎo)率法。其中，土壤表觀電導(dǎo)率法具有反應(yīng)時間快、對土壤含水率沒有嚴格要求、測定范圍廣等特點，但該方法所得結(jié)果受到土壤含水量、土壤質(zhì)地、溫度等諸多因素的影響，其測定精度較差，因此主要被應(yīng)用于對精度要求不高的室外觀測。

目前應(yīng)用于室內(nèi)實驗觀測的土壤鹽分濃度傳感器大多采用土壤溶液電導(dǎo)率法。1959年，Kemper首次提出并研制了土壤溶液電導(dǎo)率法傳感器，其主要構(gòu)件為多孔陶瓷片以及鑲嵌其中的土壤鹽分傳感器元件。當(dāng)傳感器埋入土壤中時，土壤中溶液在基質(zhì)勢的作用下進入陶瓷片，并經(jīng)過一段時間的離子擴散使陶瓷片內(nèi)的離子濃度與土壤溶液鹽分濃度逐漸達到一致，從而可測量出土壤溶液的鹽分濃度。目前應(yīng)用較多的Cat No 5500型和TYC-2型土壤鹽分傳感器均是基于以上測試原理并加入熱敏元件進行改進的，其可以測得25℃條件下的土壤鹽分標準濃度值，已在土壤鹽分運移研究中有著廣泛的應(yīng)用。基于多孔陶瓷理論的土壤鹽分傳感器具有精度高、操作簡單、讀數(shù)穩(wěn)定等優(yōu)點，但該類傳感器一般需要較長的反應(yīng)時間且對土壤含水率有一定的要求。如TYC-2型土壤鹽分傳感器在土壤中達到平衡時需要的反應(yīng)時間為18～24 h，且土壤最小含水率不能低于12%。

FJA-10型土壤鹽分傳感器是在傳統(tǒng)陶瓷鉑電極傳感器的基礎(chǔ)上進行改進的，其采用了石墨電極和具有溫度補償作用的熱敏電阻，具有電極靈敏度高、電極性能穩(wěn)定、適用于高電導(dǎo)等特點，由于該傳感器主要是基于電場反應(yīng)原理，因此相對于傳統(tǒng)陶瓷原理傳感器在反應(yīng)時間上具有質(zhì)的提高，經(jīng)測試反應(yīng)時間一般小于20 s。然而，F(xiàn)JA-10型土壤鹽分傳感器的讀數(shù)精度相對傳統(tǒng)陶瓷鉑電極傳感器有稍許減小，據(jù)測試其相對平均偏差一般在5%～10%，且易受到土壤質(zhì)地的影響，土壤鹽分濃度觀測值相對于純?nèi)芤和寥利}分濃度值偏小。

對于野外試驗，由于空間尺度較大，其土壤鹽分運移速度相對較慢；對于室內(nèi)實驗，其空間尺度較小，土壤鹽分運移速度相對較快。為了使土壤鹽分實時觀測系統(tǒng)具有較為廣泛的適用性，其信號采集單元采用南京傳滴儀器設(shè)備有限公司提供的反應(yīng)靈敏的FJA-10型土壤鹽分傳感器以及與其配套使用的FJA-11型土壤鹽分傳感器變送器。當(dāng)然，基于單片機原理的土壤鹽分實時觀測系統(tǒng)具有較強的兼容性和開放性，使用者也可以根據(jù)不同的實際需要選擇相應(yīng)的信號采集裝置。

1.2 數(shù)據(jù)處理單元

數(shù)據(jù)處理單元是土壤鹽分實時觀測系統(tǒng)的核心，負責(zé)對整個系統(tǒng)的工作進行控制，對信號進行處理、儲存和顯示。根據(jù)土壤鹽分濃度觀測的需要，數(shù)據(jù)處理單元需要實現(xiàn)以下功能：①同時對多個傳感器所采集的信號進行識別與轉(zhuǎn)換；②將識別的土壤鹽分濃度觀測值以特定格式儲存到相應(yīng)的存儲設(shè)備中；③對土壤鹽分濃度觀測值進行實時顯示；④與PC端上位機連接，以便通過PC端對土壤鹽分實時觀測系統(tǒng)的工作狀態(tài)進行設(shè)置和更改。為了實現(xiàn)土壤鹽分實時觀測系統(tǒng)的以上功能，基于單片機原理的數(shù)據(jù)處理單元包含處理器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、SD儲存卡、藍牙串口、液晶顯示屏等模塊。其中，處理器是數(shù)據(jù)處理單元的控制核心，其根據(jù)事先錄入的程序來控制模數(shù)轉(zhuǎn)換、SD儲存卡的讀寫、藍牙通信和液晶顯示屏等功能模塊的分工協(xié)作；模數(shù)轉(zhuǎn)換器負責(zé)將數(shù)據(jù)采集單元輸出的連續(xù)模擬信號轉(zhuǎn)換成能夠被處理器直接使用的時間、幅度離散的數(shù)字信號；SD儲存卡為土壤鹽分濃度觀測數(shù)據(jù)提供必要的存儲空間；藍牙串口可以為上位機與單片機的數(shù)據(jù)傳輸和信息交流提供無線通道；液晶顯示屏可以顯示多個傳感器的觀測值和觀測時間。

1.3 上位機控制單元

土壤鹽分實時觀測系統(tǒng)在對土壤鹽分濃度進行觀測時，根據(jù)不同的工作條件和土壤質(zhì)地，為了提高數(shù)據(jù)的精度和有效性，需要對觀測頻率和一些轉(zhuǎn)換方程參數(shù)進行設(shè)置和更改，因此需要利用上位機控制單元對單片機進行控制，以實現(xiàn)以上功能需求。而上位機控制單元即上位機軟件基于C語言開發(fā)，可以增強軟件的可讀性和穩(wěn)定性。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

土壤鹽分實時觀測系統(tǒng)主要由FJA-10型土壤鹽分傳感器、FJA-11型土壤鹽分傳感器變送器、土壤鹽分濃度觀測儀、上位機控制單元和電源管理單元組成，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 土壤鹽分實時觀測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of soil saline real-time observation system

FJA-11型土壤鹽分傳感器變送器是與FJA-10型土壤鹽分傳感器配套使用的信號轉(zhuǎn)換裝置，可以將FJA-10型土壤鹽分傳感器輸出的電導(dǎo)信號轉(zhuǎn)換成可以被土壤鹽分濃度觀測儀識別的電壓信號，土壤鹽分傳感器的鹽分濃度測量范圍為0.01～0.30 mol/L，最小讀數(shù)為0.01 mol/L，配套測量精度優(yōu)于5%，土壤鹽分傳感器變送器采用12 V直流供電。

基于單片機原理的土壤鹽分濃度觀測儀的控制核心主要采用基于ARM Cortex-M3內(nèi)核的32位處理器STM32F103RCT6；模數(shù)轉(zhuǎn)換器采用兩片8通道24位Δ-Σ型模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADS1256，實現(xiàn)對最多16個傳感器信號進行轉(zhuǎn)換；存儲模塊采用兩張8G容量SD儲存卡輪流儲存，每張卡儲存周期為24 h，數(shù)據(jù)存儲格式為TXT格式(見圖2)，方便對數(shù)據(jù)進行后期處理；藍牙串口模塊采用HC-05型藍牙模塊，可自由設(shè)定主機或從機，實現(xiàn)單片機與上位機之間的信息傳遞；液晶顯示屏模塊采用2.5寸液晶顯示屏，可實時顯示多個傳感器上采集的土壤鹽分濃度值和觀測時間。

圖2 土壤鹽分濃度數(shù)據(jù)存儲格式(濃度單位為mol/L，時間單位為s)Fig.2 Storage format of soil saline concentration data (units of concentration and time are mol/L and second,respectively)

電源管理單元給土壤鹽分實時觀測系統(tǒng)提供12 V、5 V、3.3 V的直流電壓輸出。12 V電壓供給FJA-11型土壤鹽分傳感器變送器，5 V電壓供給模數(shù)轉(zhuǎn)換器，3.3 V電壓供給微控制器、液晶顯示屏等系統(tǒng)其他部分。其中12 V直流電壓由外部適配器接入，其輸出電流為2 A，可滿足系統(tǒng)16路傳感器變送器的電流需求；5 V直流電壓由高效率降壓穩(wěn)壓器LM2676S-5.0提供，其轉(zhuǎn)換效率高達94%，大大降低了系統(tǒng)的功耗；3.3 V直流電壓由低壓降壓穩(wěn)壓器AMS1117-3.3提供，該芯片具有過熱切斷和限流功能。另外，土壤鹽分實時觀測系統(tǒng)還帶有一塊容量為6 800 mAh的12 V鋰電池作為備用電源，以保證在交流供電出現(xiàn)問題時儀器的正常運轉(zhuǎn)，備用電源能夠維持系統(tǒng)連續(xù)工作7 h。

上位機控制單元分為5個區(qū)域，分別為用戶設(shè)置區(qū)、測量控制區(qū)、數(shù)值顯示區(qū)、繪圖區(qū)和方程參數(shù)區(qū)。其中，用戶設(shè)置區(qū)主要用來設(shè)置藍牙串口編號、采樣間隔時間和控制測量系統(tǒng)的開關(guān)；測量控制區(qū)主要顯示SD儲存卡的容量、余量以及控制液晶顯示屏的開關(guān)和是否顯示探頭的校正參數(shù)區(qū)；數(shù)值顯示區(qū)用來實時顯示16路通道的土壤鹽分濃度數(shù)值；繪圖區(qū)可實時繪制多通道的土壤鹽分濃度變化趨勢圖，讓使用者更直觀地掌握數(shù)據(jù)變化；方程參數(shù)區(qū)一般是隱藏的，只有在測量控制區(qū)勾選“顯示方程參數(shù)”方框時，此區(qū)才會展開，方便使用者對信號轉(zhuǎn)換參數(shù)進行設(shè)置。上位機控制單元的界面效果，見圖3。

圖3 土壤鹽分實時觀測系統(tǒng)中上位機控制單元的界面效果圖Fig.3 Interface effect picture of host computer software in the soil saline real-time observation system注：方程中y表示溶液濃度，單位為mol/L;x表示變送器的輸出信號值。

3 系統(tǒng)信號轉(zhuǎn)換關(guān)系及精度分析

土壤鹽分實時觀測系統(tǒng)的土壤鹽分濃度測量主要是基于土壤溶液鹽分濃度與電導(dǎo)率之間良好的相關(guān)關(guān)系。具體信號關(guān)系轉(zhuǎn)換過程為：前端土壤鹽分傳感器測得土壤溶液的電導(dǎo)率之后，經(jīng)變送器轉(zhuǎn)換輸出與電導(dǎo)率成線性關(guān)系的電壓信號，并將電壓信號傳給土壤鹽分濃度觀測儀；土壤鹽分濃度觀測儀中的模數(shù)轉(zhuǎn)換器對電壓信號進行識別，并根據(jù)轉(zhuǎn)換方程將電壓信號轉(zhuǎn)換為土壤鹽分濃度值進行后續(xù)顯示、儲存和傳輸。系統(tǒng)信號轉(zhuǎn)換關(guān)系流程，見圖4。下面將對土壤鹽分實時觀測系統(tǒng)中兩種主要的對應(yīng)關(guān)系，即電導(dǎo)率-電壓、電導(dǎo)率-土壤鹽分濃度之間的關(guān)系進行分析論述。

圖4 土壤鹽分實時觀測系統(tǒng)信號轉(zhuǎn)換關(guān)系流程圖Fig.4 Relationship flow chart of signal conversion in the soil saline real-time observation system

3.1 電導(dǎo)率與電壓之間的關(guān)系

根據(jù)FJA-10型土壤鹽分傳感器研發(fā)單位(南京傳滴儀器設(shè)備有限公司)提供的資料，該傳感器所測的電導(dǎo)率信號可經(jīng)變送器轉(zhuǎn)換成電壓信號，電壓值與電導(dǎo)率值之間具有穩(wěn)定的線性關(guān)系，其相關(guān)度≥98%。基于兩者之間的此種相關(guān)關(guān)系，模數(shù)轉(zhuǎn)換器可將變送器輸出的電壓值還原回電導(dǎo)率值，并基于電導(dǎo)率值與土壤鹽分濃度值之間的對應(yīng)關(guān)系，可得到所測土壤的鹽分濃度。

3.2 電導(dǎo)率與土壤鹽分濃度之間的關(guān)系

當(dāng)土壤鹽分濃度在0.02 N～0.30 N范圍內(nèi)時，F(xiàn)JA-10型土壤鹽分傳感器所測的電導(dǎo)率值與土壤鹽分濃度值之間具有良好的相關(guān)關(guān)系，其相關(guān)度≥98%，用二次方程進行擬合時，其誤差小于0.4%。由于每個土壤鹽分傳感器在出廠之前均經(jīng)過了土壤鹽分濃度校正，并配有電導(dǎo)率-土壤鹽分濃度二次擬合方程，因此，基于電導(dǎo)率值與土壤鹽分濃度值之間的對應(yīng)關(guān)系，可得到所測土壤的鹽分濃度。

4 系統(tǒng)應(yīng)用——一維土柱鹽分運移試驗

將土壤鹽分實時觀測系統(tǒng)應(yīng)用于一維土柱鹽分運移試驗中，對土柱中指定點的土壤鹽分濃度變化過程進行觀測。該一維土柱鹽分運移試驗裝置中多孔介質(zhì)自上而下分別為砂層、黏性土層、砂層，采用定水頭定濃度供水，咸水向下流動，土壤介質(zhì)中鹽分初始濃度為0，土壤鹽分傳感器分布在土柱一側(cè)，嵌入土柱中，見圖5和圖6。

圖5 一維土柱鹽分運移試驗裝置Fig.5 Facility of one dimensional solution transport

圖6 土壤鹽分實時觀測系統(tǒng)實測圖Fig.6 Picture of soil saline real-time observation system

本次試驗起止時間為2015年7月22日至2015年8月12日，土壤鹽分實時觀測系統(tǒng)持續(xù)工作時間為22 d，超過500 h。在一維土柱鹽分運移試驗過程中，該土壤鹽分實時觀測系統(tǒng)運行穩(wěn)定，觀測結(jié)果準確可靠，對土壤鹽分在土柱中的濃度變化過程記錄完整，證明其在土壤鹽分濃度觀測中具有可靠性。

5 結(jié)論與建議

本文基于單片機理論開發(fā)的土壤鹽分實時觀測系統(tǒng)可實現(xiàn)以下功能：

(1) 系統(tǒng)可對多個土壤鹽分濃度觀測點進行實時自動觀測與記錄，彌補了人為觀測過程中需長時間把守、對關(guān)鍵時段觀測數(shù)據(jù)不足等缺點。

(2) 系統(tǒng)可實時顯示觀測點處土壤鹽分濃度的變化情況，方便研究人員對土壤鹽分的分布情況和運移過程獲得直觀掌控。

(3) 系統(tǒng)將觀測數(shù)據(jù)以TXT格式儲存，數(shù)據(jù)儲存格式整齊、可讀性強，方便使用MATLAB等數(shù)據(jù)處理軟件對數(shù)據(jù)進行后續(xù)處理和分析。此外，觀測數(shù)據(jù)的存儲文件容量為一整天的觀測數(shù)據(jù)，即0∶00—24∶00，系統(tǒng)會在每天0∶00重新創(chuàng)建一個新的TXT文件對下一天的觀測數(shù)據(jù)進行儲存。

(4) 系統(tǒng)采用雙SD儲存卡交替存儲使用的模式，可方便對每天的觀測數(shù)據(jù)進行及時處理和分析，而不影響系統(tǒng)的持續(xù)觀測和記錄，這樣能及時發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)觀測過程中的問題并采取相應(yīng)的措施。

(5) 系統(tǒng)安裝有上位機軟件的計算機可通過藍牙通訊的方式對模數(shù)轉(zhuǎn)換參數(shù)以及土壤鹽分濃度的讀數(shù)時間間隔進行控制。

另外，土壤鹽分實時觀測系統(tǒng)還設(shè)有系統(tǒng)運行狀態(tài)指示燈及備用電池，可以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。將該系統(tǒng)應(yīng)用于一維土柱鹽分運移試驗的土壤鹽分濃度觀測中，系統(tǒng)可持續(xù)運行500 h以上，且工作性能穩(wěn)定、數(shù)據(jù)觀測準確，證明其在土壤鹽分濃度觀測中具有可靠性。

為了使土壤鹽分實時觀測系統(tǒng)在實際應(yīng)用中能夠得到更為準確的觀測結(jié)果，本文提出以下建議：①根據(jù)土壤質(zhì)地、土壤含水率、精度要求的不同，選擇合適的土壤鹽分傳感器與土壤鹽分觀測儀配套使用；②受不同土壤質(zhì)地、不同溶液組分的影響，該系統(tǒng)的土壤鹽分濃度觀測值會有偏差，故在測試前需對系統(tǒng)進行精度校正。