高精度土壤濕度在線監測系統設計與應用

王艷霞 唐忠林

摘 要 設計一種低成本水力發電、在線監測土壤濕度的智能噴灌系統。系統以低功耗單片機MSP430作為主控芯片，基于水動力轉換實現能量的穩定收集、存儲和再利用。土壤濕度傳感器采用叉指電極結構型電容器，通過高精度數字轉換芯片PCAP01實現對土壤濕度實時在線監測的功能。實驗驗證結果表明，該土壤監測系統濕度測量值與標準值的相對誤差均小于1%，測量數據準確可靠，實時性好，抗干擾能力強，完成了智能噴灌系統中對關鍵參數的高精度監測技術研究與實現。

關鍵詞 智能噴灌系統;土壤濕度監測;PCAP01;叉指電極;傳感器

中圖分類號：S24 文獻標志碼：B DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2022.15.043

我國是一個農業大國，用世界約7%的耕地養活了世界20%的人口，人均擁水量只有世界平均水平的1/4，水資源不足問題已經成為嚴重制約我國社會經濟快速發展和農業發展的重要因素。因此研究有效可行的節水灌溉方案具有緊迫的現實意義[1-2]。

土壤濕度代表土壤含水量，是土壤重要的物理性質之一[3-4]。實時、在線的土壤濕度監測，是現代集約化農業生產中實現自動精確灌溉的必要技術手段，在節約農業用水、優化作物生長等方面發揮著重要作用。

1 ?土壤濕度監測系統設計

為滿足智能農業的節水灌溉需要，土壤濕度在線監測系統設計為多節點監測模式[5]。各監測節點按照星型網絡架構，通過無線通訊方式與控制中心交互數據及指令，拓撲結構示意見圖1。

以單節點為例進行說明，智能噴灌系統主要由控制中心模塊、單片機主控模塊、水動力供電模塊、微電容采集模塊和無線傳輸模塊組成，組成結構如圖2所示。

其中，控制中心和單片機主控模塊作為單節點的上位機和下位機[6]。上位機主要采用Labview軟件進行編程和界面設計[7]，完成數據采集、數據轉換及工作狀態等信息的存儲和顯示功能。下位機以單片機為控制核心，通過SPI總線實現與微電容測量芯片的信息交互，通過叉指電極結構的電容傳感器實現對土壤濕度的采集功能 [8-9]。

2 ?PCAP01工作原理

系統采用高精度電容數字測量芯片PCAP01AD實現對土壤濕度傳感器輸出微電容的測量[10]。在10 pF基準電容且測量速率為5 Hz時，該芯片的精度可以達到6 aF。

電容芯片測量原理如圖3所示。PCAP01內部通過充放電原理實現對微電容的測量。在測量過程中，一個傳感器的電容和一個參考電容被連接到同一個放電電阻，組成一個Low-pass低通濾波。

電路上電時，基準電容Cref會充電至電源電壓，充電完成后，再通過內部選定的放電電阻R1進行放電，放電閾值電壓為Vth。PCAP01內部高精度時間數字轉換器TDC會記錄整個放電過程，得到一個放電時間常數τref。當對待測電容CN執行相同的充放電過程時，同樣可得到被測電容的放電時間常數τN[11]，充放電時序如圖4所示。

如公式（1）所示，放電時間比等于被測電容CN與基準電容Cref之比。

[τNτref=CNCref] ?（1）

被測電容的取值一般應盡量接近基準電容，以降低增益偏移。本電路適用于測量0～3.5 nF的電容，如需測量更高的電容值，可通過在外部連接一個小電阻Rdisch_ext來實現。

3 ?系統硬件設計

系統充分利用噴灌系統的水動力，綜合運用鋰電池儲能技術與智能電源管理技術，實現持續穩定的能量收集、存儲與供應。通過叉指電容技術與微電容采集芯片相互配合的模式，實現對土壤濕度的在線監測功能。

整個系統硬件設計主要包括參數采集與控制模塊、能量采集與管理模塊、土壤濕度在線采集模塊及無線傳輸模塊。

3.1 ?能量采集與管理模塊

系統基于水力發電和電源管理技術，有效克服有源電網和太陽能發電的缺點，實現噴灌作業的智能化充放電管理，根據剩余電量和土壤水消耗速度，自動調節用電策略，保證系統全程自主供電模式。

3.2 ?參數采集與控制模塊

本模塊以低功耗單片機MSP430作為主控芯片，合理設置工作和休眠策略，使一次噴灌后的鋰電池能量儲備可以支持一個水消耗周期。設計空氣濕度、環境溫度和光照度等環境參數檢測電路，結合叉指電容土壤濕度傳感器在線監測數據和作物的生長特性[12-13]，自適應計算或根據控制中心指令調節伺服閥的啟停與開度，同時統計每次的噴灌用水量和間隔時間信息。該模塊可與無線傳輸模塊交換數據，接受控制中心的無線指令并執行相應動作，或根據指令要求上傳數據。

3.3 ?土壤濕度在線采集模塊

本系統主要通過PCAP01芯片完成對土壤濕度傳感器電容值的在線采集和轉換功能，測量電路圖見圖5。本電路采用單個傳感器接地的連接方式，其中C0為基準電容，C1為被測電容（土壤濕度監測傳感器輸出電容）。為減少寄生電容對測量結果的影響，驗證電路板中電容接口模塊的走線盡可能短。

ACAM公司為PCAP01提供了標準固件03.01.xx，通過SPI或者I2C總線下載到芯片中，并合理配置內部寄存器的參數，實現對被測電容的高精度測量。

土壤濕度傳感器采用叉指電極結構和雙面PCB工藝，每塊PCB采用雙層板結構，板厚1.6 mm，電極寬度W與電極間隔G均為0.5 mm，電極占空比為50%[14]。叉指電容傳感器實物如圖6所示。

3.4 ?無線傳輸模塊

本系統中自動灌溉網絡采用星型拓撲結構，各節點與控制中心建立無線雙工通訊，節點之間不進行數據交互[15]。無線傳輸模塊采用2.4 GHz低功耗nRF24L01芯片[16]，在噴灌節點端采用TTL串口轉無線模式與單片機交互，在控制中心采用USB轉串口模式與計算機交互，實現單網模式即可覆蓋一個小型種植園的土壤濕度監測與自動灌溉需求。

4 ?系統軟件設計

4.1 ?主程序設計

軟件程序主要用于實時監測灌溉節點處的土壤濕度、空氣濕度、空氣溫度、光照度等種植環境參數，并根據種植環境參數智能計算，自動控制噴灌作業，包括噴灌的啟停和噴灌水量的伺服閥PID調節。以一個澆灌周期為例，圖7給出了主程序流程設計圖。

4.2 ?PCAP01配置

PCAP01在使用前需完成相關配置工作[17]，SPI通訊測試正常后，依據標準固件下載模式，按照圖8所示的流程圖進行該模塊的配置。

其中928字節固件的配置代碼如下：

void Firmware_down（void）

{ ?uchar addr2=0x00; ?//起始地址00H

uchar addr1=0x90; ?//SRAM寫指令定義

int i;

for（i=1;i<=925;i++）

{ ?P5OUT &= 0xFE; //MOSI置低

delay （10）;

spiSendByte（addr1）; //SPI寫操作

spiSendByte（addr2++）;

spiSendByte（fw[k++]）; //發送固件內容

P5OUT |= 0x01; ?//MOSI拉高

delay （10）;

if（addr2 == 0xFF） ?// 3次進位

{ ?P5OUT &= 0xFE; // MOSI置低

delay （10）;

spiSendByte（addr1）;

spiSendByte（addr2++）;

spiSendByte（fw[k++]）;//發送固件

P5OUT |= 0x01; ?//MOSI拉高

delay （10）;

addr1++;

}

}

}

5 ?實驗分析

根據測試需求，搭建系統實驗驗證平臺，進行軟硬件聯合調試，實驗測試場景如圖9所示。

為合理地進行基準電容匹配，實驗中，將傳感器置于一定濕度的土壤中，采用精密LCR數字電橋預先測試傳感器的初始電容值，多次反復測量表明，電容值基本穩定在220～235 pF之間，如圖10所示。故本次實驗選擇標稱值為220 pF的基準電容。

程序通過讀取Res 0和Res 1寄存器的內容，得到C0 LSB及C1/C0（ratio）的值。其中C1/C0值以24 bit數字量信號輸出，高3位為整數，最大值為7，低21位為小數，最大值為0.999 999 5。其轉換公式依據二進制與十進制的轉換方法實現：

[a2a1a0a-1…an=a2×22+a1×21+a0×20+a-1×2-1+…+a×2-21] ? （2）

（2）式中，an（n=-21、-20……1、2）為Res 1寄存器讀取到的二進制數，最終通過數制轉換實現對傳感器C1的采集及顯示功能。

實驗中，提取不同濕度的土壤樣本進行對比分析和測試，每次增加土壤濕度，分別測試不同濕度對應的電容值，得到PCAP01的實測值C1及由精密LCR數字電橋測試的標準值Cst，如表1所示。

將不同土壤濕度環境下的采集數據通過無線通訊方式傳輸至上位機，采用Labview軟件進行數據的實時顯示及監控，界面設計如圖11所示。

通過以上實驗數據分析及對比圖可知，隨著土壤濕度的增加，叉指電容傳感器的電容值不斷升高，實驗所測數據與標準值之間的相對誤差均小于1%。可見，基于PCAP01的電容采集與轉換模塊抗干擾性強，精度高，能夠可靠地跟蹤土壤濕度環境，實現噴灌作業的智能化控制與長期數據采集。

6 ?結論

本文采用叉指電極結構型電容器，通過高精度數字轉換芯片PCAP01實現對土壤濕度實時在線監測的功能，實驗研究結果表明，該土壤濕度在線監測系統的測試精度高，穩定性好，效率高，實時性強，在灌溉期間能夠快速檢測土壤水是否達到田間持水量，在消耗期間能夠精確檢測土壤水是否降到作物凋萎系數，為灌溉時機提供科學有效的決策。該類設計在位置測試、壓力監測及MEMS等領域同樣具有廣闊的應用和發展前景。

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（責任編輯：易 ?婧）