江朝暉，檀春節(jié)，支孝勤，王春生，馬友華

(1.安徽農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)業(yè)信息學(xué)安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥230036;2.安徽農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源環(huán)境與信息技術(shù)研究所，安徽 合肥230036)

0 引 言

土壤的水分含量、耕作特性等對(duì)農(nóng)作物的產(chǎn)量影響很大，因此，在每年的春播、秋種時(shí)節(jié)要及時(shí)、準(zhǔn)確地獲得土壤墑情，以便合理安排灌溉。土壤含水量是土壤墑情的重要指標(biāo)，土壤含水量的準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)檢測(cè)是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)面臨的課題之一［1］，既要求對(duì)土壤濕度的準(zhǔn)確性、均勻性、波動(dòng)性進(jìn)行客觀(guān)的計(jì)量檢測(cè)，同時(shí)又有快速、方便、規(guī)范化等要求［2］。土壤水分測(cè)量經(jīng)歷了一個(gè)漫長(zhǎng)的發(fā)展過(guò)程［3］:傳統(tǒng)的人工測(cè)量不僅要耗費(fèi)大量的人力、物力，而且時(shí)效性較差;各種機(jī)械式濕度記錄儀或巡檢儀體積龐大、精度低、響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)，且容易出現(xiàn)故障;采用高分子濕敏電容器或濕敏電阻器作為濕度傳感器，雖然提高了測(cè)量的精度，但是測(cè)量電路復(fù)雜，給應(yīng)用帶來(lái)了諸多不便。目前，新的水分檢測(cè)原理研究和新型土壤水分傳感器設(shè)計(jì)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)展，在此基礎(chǔ)上應(yīng)用現(xiàn)代電子、計(jì)算機(jī)和通信技術(shù)設(shè)計(jì)研制了各種高性能的土壤水分檢測(cè)裝備［4～8］。

盡管固定式墑情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有精度高、功能齊全、監(jiān)測(cè)面廣等優(yōu)勢(shì)，但其主要不足在于從固定點(diǎn)采集的墑情信息不能良好地反映耕地的正常使用狀況。而手持式土壤水分測(cè)量?jī)x則克服了這一缺點(diǎn)，且性?xún)r(jià)比高，方便農(nóng)技、科研人員使用和推廣，具有廣泛的市場(chǎng)需求和廣闊的應(yīng)用前景。但是現(xiàn)有的便攜式土壤水分測(cè)量?jī)x器大都具有以下特點(diǎn):測(cè)量數(shù)據(jù)先保存在存儲(chǔ)器或SD 卡中，測(cè)量結(jié)束后將數(shù)據(jù)導(dǎo)入計(jì)算機(jī)進(jìn)行后續(xù)處理，不僅易發(fā)生數(shù)據(jù)丟失，而且測(cè)量數(shù)據(jù)不能及時(shí)應(yīng)用;缺乏測(cè)量位置、實(shí)時(shí)時(shí)間等輔助信息的自動(dòng)獲取，測(cè)量時(shí)由人工或其他設(shè)備記錄測(cè)量位置，根據(jù)人工或測(cè)量?jī)x器時(shí)鐘獲得測(cè)量時(shí)間，容易引起數(shù)據(jù)錯(cuò)亂和誤差，不利于與GIS 系統(tǒng)自動(dòng)結(jié)合;另外，在傳感器選用、測(cè)量結(jié)果校正等方面也存在不足。本文基于頻域反射(FDR)原理、采用GPS/GPRS/GSM 技術(shù)、結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)驗(yàn)校正方法，研制一種新型的便攜式土壤水分檢測(cè)儀。

1 總體架構(gòu)與功能

便攜式土壤水分檢測(cè)儀由土壤水分傳感器、GPS 信息接收模塊、微處理控制器模塊、鍵盤(pán)/顯示模塊、GPRS/GSM通信模塊、可充電電源模塊和相應(yīng)軟件組成，如圖1 所示。

圖1 土壤水分檢測(cè)儀總體結(jié)構(gòu)Fig 1 Overall structure of soil moisture detector

土壤水分傳感器輸出模擬的相對(duì)濕度信號(hào)，經(jīng)A/D 轉(zhuǎn)換輸入到微處理控制器;GPS 接收模塊通過(guò)串口連接微處理控制器，獲取經(jīng)度、維度和實(shí)時(shí)時(shí)間;LCD 屏顯示容積含水量、檢測(cè)點(diǎn)位置、檢測(cè)時(shí)間以及其他操作、提示信息;GPRS/GSM 模塊通過(guò)串口與微處理控制器相連，發(fā)送數(shù)據(jù)報(bào)或短信;微處理控制器統(tǒng)籌上述各模塊工作，并負(fù)責(zé)原始水分?jǐn)?shù)據(jù)的校正處理、GPS 信息解析、數(shù)據(jù)打包和通信聯(lián)絡(luò);電源模塊給上述各模塊供電，外接充電器。

有2 種信息傳輸模式供選擇:通過(guò)GPRS 模式可將所有信息實(shí)時(shí)傳輸給遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心，由數(shù)據(jù)中心進(jìn)行進(jìn)一步的處理和應(yīng)用;通過(guò)GSM 模式可將所有信息發(fā)送給多個(gè)手機(jī)用戶(hù)，便于責(zé)任人及時(shí)了解墑情動(dòng)態(tài)。

2 功能模塊設(shè)計(jì)

2.1 土壤水分傳感器

基于介電法原理的土壤水分測(cè)量主要有時(shí)域反射(time domain reflectometry，TDR)測(cè)量法、頻域反射(frequency domain reflectometry，F(xiàn)DR)測(cè)量法。與 TDR 相比，F(xiàn)DR 在電極幾何形狀設(shè)計(jì)和工作頻率選取上有更大的自由度，校準(zhǔn)和自動(dòng)連續(xù)監(jiān)測(cè)更容易，測(cè)量精度較高，因此，采用FDR原理的土壤水分傳感器更適合實(shí)際生產(chǎn)的需求。FDR 是根據(jù)電磁波在介質(zhì)中傳播頻率來(lái)測(cè)量土壤的表觀(guān)介電常數(shù)ε，從而得到土壤容積含水量θV。傳感器簡(jiǎn)化模型如圖2 所示。FDR 探針等效為一個(gè)電容器，其間的土壤充當(dāng)電介質(zhì)，電容器和振蕩器組成一個(gè)調(diào)諧電路。高頻振蕩電路產(chǎn)生幾十至幾百兆赫的正弦信號(hào)，通過(guò)同軸電纜傳輸線(xiàn)傳送到探頭，根據(jù)掃頻電路檢測(cè)共振頻率［9～11］。

圖2 土壤水分傳感器模型Fig 2 Model of soil moisture sensor

根據(jù)此模型，探針的等效阻抗Z0由式(1)表示，其中，C0為探針在空氣中的等效電容，Zair為探針在空氣中的等效阻抗，ε 為土壤的介電常數(shù)，ω 為角頻率。Zc為同軸電纜傳輸線(xiàn)的阻抗，S11為反射系數(shù)，由式(2)定義，由式(2)可得式(3)，即 Z0與 Zc，S11的關(guān)系。將式(1)和式(3)結(jié)合，并按式(3)形式用空氣中反射系數(shù)S11air表達(dá)Zair，則得到式(4)的ε。再根據(jù)式(5)計(jì)算土壤容積含水量θV

其中，a 和b 由土壤類(lèi)型決定。

本設(shè)計(jì)采用一種電流輸出型FDR 傳感器，主要技術(shù)指標(biāo)包括:量程為0%～100%，精度為±3%，響應(yīng)時(shí)間＜2 s，外接5～12 V 直流電壓，采用電流/電壓轉(zhuǎn)換電路將其輸出電流轉(zhuǎn)換成0～5 V 的電壓信號(hào)。

2.2 GPS 接收與 GPRS/GSM 通信

當(dāng)前GPS 接收技術(shù)與GPRS/GSM 通信技術(shù)較為成熟，已廣泛應(yīng)用在各種測(cè)量?jī)x器中［5，12，13］。本設(shè)計(jì)選用一種集成了GPS/GPRS/GSM 功能的低功耗三合一模塊，其中，GPS芯片是 GS-91，GPRS/GSM 芯片是 SIMCOM 公司的 SIM100，內(nèi)置TCP/IP 協(xié)議，支持AT 指令集。GPS 模塊通過(guò)串口將測(cè)試點(diǎn)地理位置信息送入微處理控制器，解析出精度、維度和時(shí)間，與測(cè)量的土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)整合，按照編碼協(xié)議封裝成數(shù)據(jù)幀，再以一定的流程編輯AT 指令，并將指令和數(shù)據(jù)幀發(fā)送至GPRS/ GSM 電路，實(shí)現(xiàn) GPRS 與 Internet 的網(wǎng)絡(luò)連接和數(shù)據(jù)傳輸。

考慮到農(nóng)田水分監(jiān)測(cè)的特殊性和實(shí)用性，短信每次可同時(shí)發(fā)送給多個(gè)(可設(shè)置)手機(jī)用戶(hù)，并且在偏遠(yuǎn)地區(qū)通信信號(hào)質(zhì)量不穩(wěn)定時(shí)，通過(guò)握手信號(hào)建立數(shù)據(jù)重發(fā)機(jī)制。

2.3 控制處理模塊

微控制/處理器采用STC12C5A60S2，它是一種高速/低功耗/超強(qiáng)抗干擾的新一代單片機(jī)，增強(qiáng)型8051 內(nèi)核，單時(shí)鐘/機(jī)器周期，8 路10 位高速A/D 轉(zhuǎn)換，程序空間 60 kbyte，片上 1280byteRAM，雙 UART 串口，通用 I/O 口 36 個(gè)，4 個(gè)16 位定時(shí)器，7 路外部中斷，在系統(tǒng)可編程，工作電壓為5.5～3.3 V，工作頻率范圍為0～35 MHz。

微控制/處理器統(tǒng)籌儀器的采集、處理、顯示和遠(yuǎn)程傳輸。通過(guò)內(nèi)置的A/D 轉(zhuǎn)換器將土壤水分傳感器送來(lái)的模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(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，通過(guò)串口1 讀取GPS 信息，并解析出經(jīng)度、緯度和時(shí)間，將含水量、經(jīng)度、緯度和時(shí)間信息在LCD 上顯示，根據(jù)按鍵選擇信息發(fā)送模式，按通信協(xié)議將含水量、經(jīng)度、緯度和時(shí)間信息打包，通過(guò)串口2 以GPRS 或GSM 模式進(jìn)行通信聯(lián)絡(luò)和數(shù)據(jù)傳輸。主程序與GPS 接收、GPRS 聯(lián)絡(luò)中斷服務(wù)程序流程如圖3 所示。

圖3 軟件流程圖Fig 3 Software flow chart

2.4 電源模塊

電源模塊設(shè)計(jì)是便攜式儀器的核心內(nèi)容之一，需要綜合考慮功耗、效率、重量/體積、成本以及使用方便性。本檢測(cè)儀需要3 路不同的電壓和帶載能力，其中土壤水分傳感器需要5～12 V 供電，單片機(jī)和 LCD 需要5 V 供壓，GPS/GPRS/GSM 模塊需要5～9 V 供電，且電流較大，在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)大于1 A。電源模塊框圖見(jiàn)圖4，選用一種5500 mAh 可充電的鋰電池組作為供電電源，其電壓范圍較寬，達(dá)到4.5～8 V。設(shè)計(jì)2 路穩(wěn)壓電路，一路通過(guò)LM2577 升壓作為GPS/GPRS/GSM 模塊的電源，可獲得較大電流，降低功耗;另一路采用LM2577 升壓和LM1117 穩(wěn)壓，分別供給水分傳感器和單片機(jī)/LCD 模塊。LM2577 效率高，外圍器件較少，設(shè)計(jì)方便。

圖4 電源模塊框圖Fig 4 Block diagram of power supply module

3 校正與測(cè)試

3.1 實(shí)驗(yàn)校正

采用標(biāo)準(zhǔn)的烘干稱(chēng)重法進(jìn)行儀器校正［2］。在實(shí)驗(yàn)室中配置不同含水量梯度的原狀土土壤樣品，分別用研制的水分檢測(cè)儀和烘干稱(chēng)重法對(duì)每份樣品進(jìn)行測(cè)量和測(cè)定，每份樣品各進(jìn)行3 次。

對(duì)上述實(shí)驗(yàn)獲得的數(shù)據(jù)，用Matlab 軟件進(jìn)行曲線(xiàn)擬合［8］，如圖5 所示。經(jīng)過(guò)反復(fù)實(shí)驗(yàn)和比較，獲得式(6)的校正函數(shù)，固化在微處理程序中。

圖5 實(shí)驗(yàn)校正曲線(xiàn)Fig 5 Experimental calibration curve

需要特別指出的是，現(xiàn)有的土壤水分傳感器只能測(cè)量土壤的容積含水量，而土壤墑情監(jiān)測(cè)和決策需要獲知土壤的質(zhì)量含水量，兩者之間的關(guān)系見(jiàn)式(7)

土壤容重與土壤的類(lèi)型、性狀密切相關(guān)，不同地域的差異較大。因此，為了保證水分檢測(cè)儀具有普遍適用性，容積含水量與質(zhì)量含水量的換算放在數(shù)據(jù)中心(后臺(tái))進(jìn)行，按照檢測(cè)儀結(jié)果和測(cè)試點(diǎn)典型土壤容重自動(dòng)換算。

3.2 實(shí)地測(cè)試

研制了一批便攜式土壤水分檢測(cè)儀樣機(jī)，分別編號(hào)，在安徽省明光市進(jìn)行了實(shí)地測(cè)試，部分結(jié)果見(jiàn)表1，結(jié)果表明:土壤容積含水量測(cè)量誤差小于3 %，GPS 信息接收和GPRS/GSM 通信正常，檢測(cè)儀充電一次可連續(xù)工作30 d 以上。目前，該檢測(cè)儀已在明光市下屬8 個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)農(nóng)技站試用。

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)我國(guó)土壤墑情監(jiān)測(cè)的現(xiàn)實(shí)需求和現(xiàn)有土壤水分檢測(cè)儀器存在的局限，本文研制了一種多功能、便攜式土壤水分檢測(cè)儀，該多功能便攜式土壤水分檢測(cè)儀為墑情監(jiān)測(cè)決策系統(tǒng)提供了實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確、廣泛的數(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)，提高水資源利用率，促進(jìn)糧食高產(chǎn)，具有較好的應(yīng)用前景。

表1 安徽省明光市測(cè)試結(jié)果Tab 1 Test results

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