(塔里木大學(xué)信息工程學(xué)院， 新疆 阿拉爾 843300)

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用不斷深入發(fā)展，實(shí)時(shí)獲取農(nóng)田土壤的相關(guān)信息(如土壤的含水率)對(duì)實(shí)施精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)變得越來越重要。土壤含水率是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中一項(xiàng)重要參數(shù)，土壤水分的細(xì)微變化對(duì)農(nóng)作物的生長(zhǎng)產(chǎn)生極大的影響[1]。因此，根據(jù)實(shí)測(cè)土壤水分含量的動(dòng)態(tài)變化狀況進(jìn)行墑情監(jiān)測(cè)和節(jié)水灌溉，對(duì)實(shí)施精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)、節(jié)水灌溉以及提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效益具有重要的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)價(jià)值。

目前，土壤水分含量的檢測(cè)方法很有多種，如烘干法、中子法、γ射線法、時(shí)域反射儀法、頻域發(fā)射儀法、張力儀法、干濕計(jì)法等[2]。烘干法雖然是最普遍的方法,也是目前國(guó)際上的標(biāo)準(zhǔn)方法[3]，但在取樣的時(shí)候會(huì)破壞土壤，費(fèi)時(shí)、費(fèi)力，無法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)連續(xù)監(jiān)測(cè)。γ射線法是由Bernhard等人(1950年)提出，它是利用γ射線透射土壤后的衰減程度并加以校正，從而計(jì)算得到土壤水分含量。該方法雖然可以在不破壞土壤結(jié)構(gòu)的情況下快速、準(zhǔn)確的檢測(cè)，但是放射性物質(zhì)存在安全問題[2]。時(shí)域反射法TDR(Time Domain reflectometry)是通過測(cè)定土壤的介電常數(shù)(ε)，從而反演得到土壤含水量(θv)。但是,TDR電路復(fù)雜，價(jià)格昂貴，不適宜鹽堿土土壤測(cè)量。頻域反射法FDR(Frequency Domain Reflectometry)通過測(cè)得振蕩電路的頻率，從而建立土壤的介電常數(shù)和土壤含水率之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系來計(jì)算得到土壤含水量。FDR能自動(dòng)、連續(xù)地監(jiān)測(cè)土壤含水量，具有更廣的工作頻率范圍；同時(shí)具有快速、準(zhǔn)確、精度高等優(yōu)點(diǎn)。因此被廣泛應(yīng)用在農(nóng)田土壤水分的檢測(cè)上。

通過對(duì)上述土壤含水量檢測(cè)方法的分析，為了實(shí)現(xiàn)土壤水分的快速檢測(cè)，結(jié)合新疆南疆地區(qū)鹽堿性土壤的特殊性，采用STC90C51單片機(jī)作為主控芯片，選用基于FDR法的傳感器作為土壤水分的采集端，以RS485作為總線通信，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)土壤水分含量的快速測(cè)量。

1 總體方案設(shè)計(jì)

水分檢測(cè)系統(tǒng)由硬件和軟件兩部分組成，主要包括傳感器模塊、單片機(jī)處理模塊、顯示模塊、總線通信模塊、上位機(jī)程序模塊和電源6部分。其中，傳感器模塊負(fù)責(zé)土壤水分含量的測(cè)定；單片機(jī)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理和傳輸；總線通信模塊負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)單片機(jī)和計(jì)算機(jī)之間的通信；上位機(jī)程序每間隔一定時(shí)間接受單片機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)并存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)中；系統(tǒng)電源采用8～12 VDC電壓電源供電。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 FDR型溫濕度傳感器

Trop等人在1980年提出土壤含水率與土壤介電常數(shù)之間存在著確定性的單值多項(xiàng)式關(guān)系[4]，即振蕩頻率和土壤含水量之間存在如下的指數(shù)關(guān)系式：

θv=a(SF)b

(1)

其中，θv 為土壤體積含水率；SF (scaled frequency)為振蕩頻率；a、b為待定參數(shù)，其值與土壤屬性有關(guān)。

公式(1)中，SF可定義為:

(2)

其中，F(xiàn)a為探針在空氣中所測(cè)得的頻率；Fs為在土壤中所量測(cè)得到的頻率；Fw為在水中所測(cè)得的頻率。

因此，輸出頻率SF與土壤體積含水率的關(guān)系可用如下公式表示：

SF=a×(θv)b+c

(3)

其中，a、b為經(jīng)過回歸所確定的回歸系數(shù)；c為常數(shù)項(xiàng)，由c可確定相關(guān)系數(shù)r。相關(guān)系數(shù)是測(cè)量值之間相關(guān)程度的定量表示。當(dāng)|r|=0 時(shí), 表示兩個(gè)測(cè)量值之間毫無關(guān)系；反之，當(dāng)|r|=1時(shí)，表示兩個(gè)測(cè)量值之間有密切關(guān)系[5]。

檢測(cè)系統(tǒng)中，土壤水分的采集選用基于FDR頻域反射法的DSF-T2型溫濕度傳感器。該傳感器具有高靈敏度、高精度的特點(diǎn)。測(cè)量時(shí)，傳感器產(chǎn)生的高頻電磁波沿傳輸線進(jìn)行傳播，在末端經(jīng)過周圍有土壤介質(zhì)的反射，從而在傳輸線上形成駐波。駐波的電壓隨著探針和周圍土壤介質(zhì)阻抗的變化而變化，通過測(cè)量傳輸線兩端的電壓差即可測(cè)出土壤的介電常數(shù)，從而測(cè)出土壤的含水量[6]。

根據(jù)公式(2)、(3)中θv和SF的對(duì)應(yīng)關(guān)系，并測(cè)量電流和電壓值，可得標(biāo)定公式：

θv=0.0685×(0.125×I-0.5)3-0.0666×(0.125×I-0.5)2+(0.125×I-0.5)-0.0041(0≤θv≤50%

(4)

θv=3.37×V3-4.26×V2+20.08×V-0.41(0≤θv≤50%)

(5)

其中，I為采集器采集到的電流值；V為采集器采集到的電壓值；θv為土壤體積含水率。

該傳感器采用ABS工程塑料封裝，探頭為長(zhǎng)度為78mm的探針，響應(yīng)時(shí)間小于1秒，測(cè)量范圍是以探針為中心直徑3cm、高7cm的圓柱體，且在0～50% m3/m3范圍內(nèi)精度誤差為±3% m3/m3。

2.2 單片機(jī)

為實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器數(shù)據(jù)的處理與輸出，需要把濕度和溫度數(shù)據(jù)經(jīng)過放大電路和A/D轉(zhuǎn)換電路送入MCU，通過預(yù)先編程好的程序解析出來。為此，本設(shè)計(jì)選用STC系列的STC90C516RD單片機(jī)。MCU把傳感器輸出的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的土壤體積含水量，并將測(cè)量土壤的濕度百分比和溫度百分比顯示在液晶屏，通過RS485總線送入計(jì)算機(jī)以便及時(shí)觀察土壤水分的變化情況。

硬件設(shè)計(jì)電路圖如圖2所示。

圖2 硬件設(shè)計(jì)電路圖

在圖2中，首先由傳感器獲取的所測(cè)土壤的濕度和溫度傳感數(shù)據(jù)；然后把數(shù)據(jù)傳送至STC90C516RD單片機(jī)，并通過下位機(jī)程序判斷測(cè)量數(shù)據(jù)是濕度還是溫度，在不超時(shí)的情況下，讀取高位字節(jié)(代表濕度)和低位字節(jié)(代表溫度)的數(shù)據(jù)，并形成校驗(yàn)位；最后把解析后的測(cè)量數(shù)據(jù)顯示在LCD1602液晶上。同時(shí)，通過MAX232芯片實(shí)現(xiàn)TTL電平轉(zhuǎn)換，保障數(shù)據(jù)通過RS485串口傳輸?shù)接?jì)算機(jī)。硬件系統(tǒng)工作原理如圖3所示。

圖3 硬件系統(tǒng)工作原理圖

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括: 溫濕度傳感器的檢測(cè)程序、單片機(jī)與上位機(jī)數(shù)據(jù)通信程序、時(shí)鐘測(cè)量程序、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)芯片讀寫程序、液晶顯示程序。軟件程序?qū)崿F(xiàn)了對(duì)傳感器信號(hào)的實(shí)時(shí)采集和土壤水分轉(zhuǎn)換進(jìn)行計(jì)算、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和瀏覽。終端計(jì)算機(jī)通過上位機(jī)程序可對(duì)溫濕度傳感器進(jìn)行參數(shù)的設(shè)定、指令傳送、數(shù)據(jù)讀取等操作。其中上位機(jī)程序由VC++語言開發(fā)完成。圖4給出了上位機(jī)程序軟件流程圖。

上位機(jī)程序接收由通信總線傳送的溫濕度數(shù)據(jù)，并生成對(duì)應(yīng)的溫濕度曲線圖；同時(shí)，土壤的溫濕度檢測(cè)值自動(dòng)保存在excel中，能通過調(diào)用歷史數(shù)據(jù)對(duì)土壤溫濕度進(jìn)行分析。終端計(jì)算機(jī)通過上位機(jī)程序?qū)崿F(xiàn)了對(duì)檢測(cè)土壤溫濕度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、顯示和存儲(chǔ)，以及對(duì)傳感器工作狀態(tài)及主要參數(shù)指標(biāo)的設(shè)定。上位機(jī)程序效果圖如圖5所示。

圖5中，紅色曲線代表溫度，綠色曲線代表濕度。上位機(jī)通信采用波特率為9600，數(shù)據(jù)校驗(yàn)采用8位奇偶校驗(yàn)來實(shí)現(xiàn)；采樣周期以秒為單位；硬件系統(tǒng)的串口與計(jì)算機(jī)連接時(shí)，需要根據(jù)計(jì)算機(jī)連接的串口號(hào)在上位機(jī)程序中選擇對(duì)應(yīng)的串口，保證通信正常；同時(shí)，用戶可以通過上位機(jī)程序來設(shè)定待檢測(cè)土壤濕度和溫度的上/下限，當(dāng)測(cè)量值超過設(shè)定的上/下限范圍，程序狀態(tài)顯示為報(bào)警。系統(tǒng)經(jīng)過調(diào)試運(yùn)行，能快速檢測(cè)出土壤的溫濕度。本例中，設(shè)定采樣周期為10秒，記錄數(shù)據(jù)如表1所示。

圖4 上位機(jī)程序軟件流程圖

4 實(shí)驗(yàn)過程與結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)選用南疆地區(qū)常見的堿性土壤，對(duì)8組不同含水量的土壤樣品進(jìn)行水分檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果與烘干法進(jìn)行對(duì)比。

首先，選取8個(gè)相同的玻璃容器，每個(gè)容器加入等量的土和不等量的水；然后，把土壤和水進(jìn)行攪拌，密封后在陰涼處放置一段時(shí)間，確保樣品土壤和水分充分融合；最后，使用傳感器對(duì)每組樣品進(jìn)行3次測(cè)定，取3次測(cè)定結(jié)果的平均值與烘干法得到的測(cè)量值進(jìn)行比較，所得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表1 測(cè)量歷史數(shù)據(jù)

圖5 上位機(jī)效果圖

實(shí)驗(yàn)中，烘干法的測(cè)定值為實(shí)際土壤含水量，為驗(yàn)證測(cè)量?jī)x測(cè)定的準(zhǔn)確性，用均方根誤差(RMSE)來反映。RMSE定義為：

(6)

其中，θv為測(cè)量?jī)x測(cè)定的土壤體積含水率；θi為烘干法測(cè)定的土壤體積含水率；n為測(cè)量次數(shù)。實(shí)驗(yàn)對(duì)8組樣品測(cè)量的RMSE如表3所示。

根據(jù)表2測(cè)量值可知，測(cè)量?jī)x測(cè)得的土壤體積含水率相對(duì)于烘干法的誤差在-1. 3%～+1. 9% m3/m3，該誤差在傳感器精度允許的±3%( m3/m3) 范圍內(nèi)。表3中，實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果的RMSE為0. 01097～0. 007506 m3/m3，平均值為0. 006567 m3/m3。如圖6所示，以測(cè)量?jī)x測(cè)量的土壤體積含水率為y軸，以烘干法測(cè)量值為x軸，建立水分變化對(duì)應(yīng)關(guān)系圖。

表2 測(cè)量?jī)x和烘干法比較結(jié)果

表3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的RMSE

圖6 測(cè)量?jī)x與烘干法測(cè)量結(jié)果的水分變化

圖6中，測(cè)量?jī)x的校正值=測(cè)量?jī)x平均值-RMSE平均值。經(jīng)過校正后的測(cè)量值準(zhǔn)確性有較大提高，說明設(shè)計(jì)的土壤水分檢測(cè)系統(tǒng)具有良好的精度和線性度，能滿足實(shí)際使用的需要。

5 結(jié)束語

本文介紹一種基于STC90C516RD單片機(jī)的土壤水分檢測(cè)系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)的采集、處理和顯示。通過計(jì)算機(jī)直接觀察土壤水分含量的變化進(jìn)行節(jié)水灌溉，提高了植物水分的利用效率，降低了灌溉成本，對(duì)實(shí)施精致農(nóng)業(yè)具有重要的意義。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有精度高、成本低、體積小、接口簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，可運(yùn)用在園藝、植物學(xué)、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域的研究。

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