張 益， 馬友華， 江朝暉， 王春生， 檀春節(jié)

(1.安徽農業(yè)大學 資源環(huán)境與信息技術研究所，安徽 合肥 230036；2.安徽農業(yè)大學 農業(yè)信息學安徽省重點實驗室，安徽 合肥 230036)

0 引 言

隨著世界水資源的日趨匱乏，農業(yè)作為世界目前最大水資源的消耗行業(yè)，利用新技術提高水資源利用率、發(fā)展節(jié)水農業(yè)、保證水資源的可持續(xù)利用勢在必行[1]。

土壤水分測量作為土壤學科的重要研究內容之一，其方法越來越多，但都有其不盡人意的地方[2]：烘干法費時費力，不適用于定點連續(xù)土壤水分的動態(tài)監(jiān)測；張力計法有著嚴重的滯后性，后期維護費用較高；電阻法只適用于非鹽堿土，存在電極極化問題；射線法不能測量土壤表層土壤水分，且有潛在的輻射危險。土壤水分傳感器作為土壤水分測量的最新技術，在土壤水分的測量上有著很大的優(yōu)勢，在此基礎上研發(fā)的各種便攜式土壤水分測定儀器已被廣泛應用于農業(yè)生產中[3～5]。但現有的便攜式土壤水分測定儀大多有以下2個缺點：一是只能將數據保存在儀器的存儲芯片中，不能實現數據的及時傳輸，時效性差；二是沒有考慮溫度對測量精度的影響，當土壤溫度變化較大時，測量精度會有很大程度的降低。

本文研制了一種新型的多功能便攜式土壤水分測定儀，使用GPRS/GSM技術實現數據的無線傳輸，兼顧偏遠地區(qū)無信號覆蓋的實際情況添加了存儲功能；通過溫度補償實驗得出溫度補償函數，將其引入傳感器原始標定式中，大大提高了儀器的測量精度和應用范圍。

1 總體框架結構

測定儀的總體框架如圖1所示,主要由微處理器模塊、傳感器模塊、存儲模塊、GPS/GPRS/GSM模塊、顯示/按鍵模塊和其它相關輔助模塊組成。

圖1 土壤水分測定儀總體構架

傳感器模塊感知土壤溫、濕度信息，將其模擬轉換成電信號，經A/D轉換輸入到微處理器；存儲模塊通過接口電路將獲取的數據存儲在存儲芯片中，涉及到數據的寫入與讀??；GPS/GPRS/GSM模塊中GPS自動獲取時間、坐標信息，GPRS/GSM實現數據的及時傳輸；微處理器與其它相關輔助模塊負責統(tǒng)籌協(xié)調所有的工作，是整個系統(tǒng)不可缺少的部分。

2 主要功能實現

2.1 土壤溫度測定

土壤溫度傳感器選用DS18B20型單總線數字溫度傳感器，它具有微型、低功耗、易于微處理器接口等優(yōu)點。信息從處理器到傳感器只需一條I/O線就能完成數據的讀與寫，廣泛應用于各種溫度測控系統(tǒng)。其與微處理器的電路連接和測量原理[6]如圖2所示。

圖2 與微處理器的連接電路和溫度測量原理圖

為了給傳感器提供足夠的電源電流，使用MOSFET管將I/O線直接拉到電源，VDD接地。由門開通期間內低溫度系數振蕩器經歷的時鐘周期個數計數來測量溫度，高溫度系數振蕩器控制門開通期，斜率累加器補償振蕩器本身的溫度特性。實際溫度T實際由式(1)算出

T實際=TEMP_READ-0.25+

(1)

其中，TEMP_READ為讀取的溫度截去0.5 ℃位(最低有效位)；COUNT_REMAIN為門開通期停止之后計數剩余值；COUNT_PER_C為該溫度處每1 ℃的計數個數。

2.2 土壤水分測定

現階段市場上主流的土壤水分傳感器是以介電理論研發(fā)的，其中尤以時域反射(TDR)、頻域反射(FDR)和駐波原理(SWR)的產品[7]應用最為廣泛。因FDR型傳感器一般輸出為直流電壓量，更容易接入常規(guī)的數據采集器實現連續(xù)、動態(tài)墑情監(jiān)測，且費用較低，故其更加能滿足農業(yè)生產的需求。它通過測量傳感器在土壤中因介電常數的變化而引起頻率的變化來測量土壤的水分含量。傳感器FDS100的終端接線以及簡化模型如圖3所示。

圖3 FDS100傳感器終端接線與簡化模型圖

如圖3(b)所示，實測時，濕土充當電介質，與傳感器探針一起等效為一個電容，與外接振蕩器組成調諧電路，此時式(2)成立。土壤中水分增加會使得傳感器等效的電容值增大，從而會影響到傳感器的工作頻率。高頻檢測電路可檢測出諧振頻率f，聯立式(2)、式(3)、式(4)，可算得土壤的相對介電常數ε，將之代入到著名的Topp[8]公式(5)就可求得土壤的體積含水量

(2)

C=kεε0,

(3)

ε=C/C0,

(4)

θ=-5.3×10-2+2.92×10-2ε-5.5×10-4ε2+

4.3×10-6ε3,

(5)

式中f為工作頻率，Hz；L為等效電感，H；C為電容，F；k為幾何常數；ε為土壤的相對介電常數；ε0為真空的介電常數；C0為介質為空氣時的電容，F。

2.3 數據無線發(fā)送與接收

當前GPS,GPRS,GSM技術已經非常成熟，被應用于各行各業(yè)，農業(yè)也是其主要應用領域之一，它精確的定位功能和便捷的數據傳輸功能是實現精準農業(yè)的關鍵技術之一[9，10]。

GPS天線捕捉和接收衛(wèi)星定位信息，GPS模塊采用串口中斷的方式進行數據采集，對采集來的數據“頭”進行比較和分析，最終得出GPS數據，數據通過串口一發(fā)送給微處理器，微處理器按照一定的編碼規(guī)則，對數據進行打包整合，打包好的數據由串口二發(fā)送給GPRS/GSM模塊。數據在發(fā)送之前會被分成一定長度的包，每個包的前面有一個分組頭，其中的地址標志指明該分組發(fā)往何處，從而實現數據的定向傳輸。

2.4 數據存儲與上傳

考慮到偏遠地區(qū)通信質量不穩(wěn)定，存在測量數據無法通過無線傳輸模塊(GPRS/GSM模塊)發(fā)送給后臺數據庫和手機用戶的現象，儀器還必須具有數據存儲功能。

儀器采用CAT24WC256作為系統(tǒng)的存儲芯片。CAT24WC256是CATALYST公司生產的一種256k位串行CMOS E2PROM，其支持I2C總線數據傳送協(xié)議。該芯片具有體積小、功耗低、字節(jié)寫、頁寫、寫保護、選擇讀、連續(xù)讀等功能。在只使用2個I/O口的情況下，系統(tǒng)可攜帶4片CAT24WC256，每片可存儲600組50個字節(jié)的測量數據。

大量的數據被保存到存儲芯片后(儀器的存儲容量有限，在達到飽和后，儀器會提示存儲器已存滿，需及時將保存的數據上傳)，可通過上位機軟件將其導出保存在上位機中。

上位機接收軟件由Microsoft Visual Basic 6.0編寫而成。儀器與電腦通過串口線連接，打開上位機接收軟件，設置正確的端口號(COM1～COM16),在儀器中選擇上傳數據即可上傳。微處理器通過連續(xù)讀的方式讀取CAT24WC256中每一組數據，讀取的數據由串口一發(fā)送給上位機，上位機接收界面會顯示上傳的每一組數據。

3 儀器校正

3.1 實驗校正

由于受測量土壤物理性質、化學性質、外界環(huán)境等因素的影響，標定方程式不可能對所有地區(qū)的土壤都適用，所以,采用待測區(qū)域的土壤進行二次校正[11，12]還是很有必要的。

本實驗選用2種質地的土壤樣品，粘土樣品取自合肥波狀平原和丘陵中下部的黃棕壤的粘盤層，質地偏粘，pH值為5.0～7.0；壤土樣品取自合肥南淝河沿岸的潮土表土層，質地輕壤至中壤，pH值為6.0～7.0；所有樣品在自然條件下風干，剔除雜草和石子等雜質，經研磨、添加不同體積的純水、密封靜置(1～2 d)等操作后分別用土壤水分傳感器和烘干法2種方法測量。每個樣品測量3次，以3次測量平均值作為每個樣品的測試結果，所有數據均在室溫21.3 ℃的條件下測得，測量結果如圖4。

圖4 不同土壤質地測量結果圖

從圖4可知，測點大致落在y=x直線的兩側，部分點偏離較遠，表明傳感器測量值與烘干法測量值之間的相關性一般，且當土壤含水量達到40 %左右以后，其測量精度有明顯的降低。對于黃棕壤，傳感器測量值與烘干法測量值之間的絕對誤差為-6.76 %～4.88 %，潮土在-7.88 %～5.73 %之間，在一定程度上可以說明該傳感器在測試粘土時的性能要優(yōu)于壤土，可能原因是壤土的孔隙度較大，造成測量時探頭與土壤的接觸不夠緊密。

選用最小二乘法[13]或是非線性回歸方法進行擬合，得到黃棕壤和潮土的校正擬合函數分別為式(6)～式(8)，為傳感器出廠的標定函數式，用p替換掉式(6)、式(7)中的x得到y(tǒng)與Itemp1的關系式即為校正后的標定函數式，為方便表示，通用式(9)表示

y=0.000 6x3-0.033 9x2+1.578 1x-2.427 9，

R2=0.990 7,

(6)

y=0.001 6x3-0.100 7x2+2.847 5x-6.778 9，

R2=0.983 6,

(7)

p=0.050 71×(95.6Itemp1-489.3),

(8)

y=f(Itemp1),

(9)

式中y為烘干法測量值，%；x為土壤水分傳感器測量值，%；Itemp1為傳感器的輸出電流，mA；p為由輸出電流計算出的土壤含水量，%；f為從Itemp1到y(tǒng)的一種映射關系。

3.2 溫度補償與實地測試實驗

基于頻域反射原理的土壤水分傳感器具有明顯的溫度效應[14～16]，為了最大程度地降低溫度對土壤水分傳感器測量的影響，本研究還增加了溫度補償實驗，所用樣品為校正實驗用的潮土，在室溫21.3 ℃條件下，用土壤水分傳感器測其含水量為22.5 %。圖5(a)為實驗原理圖，樣品均勻的裝入試管中，插入2種測量傳感器，密封防止水分蒸發(fā)，調節(jié)恒溫加熱箱的溫度，記錄當土壤水分測定儀讀出的土壤溫度為整數時的土壤水分含量。

圖5 土壤溫度對土壤水分傳感器測量結果的影響

由圖5(b)可知，隨著溫度的逐漸升高測量值也會逐漸變大，表明土壤水分傳感器具有明顯的溫度效應，這與其前人的研究結果是吻合的?？赡艿脑蚓褪菧囟鹊淖兓绊懥送寥辣碛^介電常數ε的測量，從而間接地影響了土壤水分的測量。

為了得出溫度t(℃)對測量值影響的補償函數式，利用不同溫度下的實測值減去樣品室溫下測得的含水量(22.5 %)得出誤差值Δy，對Δy進行曲線擬合如圖6，得到誤差擬合函數式(10)，將其作為溫度補償項加入到式(9)得到最終的標定函數式如式(11)所示，將其固化到微處理器程序代碼中即可

Δy=0.000 2t3-0.011t2+0.444 1t-6.423 2，

R2=0.990 2,

(10)

y=f(Itemp1)-Δy=f(Itemp1)-0.000 2t3+

0.011t2-0.444 1t+6.423 2.

(11)

圖6 土壤溫度誤差擬合與實地測試結果

為了檢測儀器的使用性能，在肥東縣的9個常規(guī)監(jiān)測點進行了野外驗證測試。測試時使用4臺儀器同時進行測試，并采集土壤樣品帶回實驗室用烘干法進行測量，部分數據見表1。測試表明：信息存儲、發(fā)送和接收功能一切正常，測量的絕對誤差為-3.64 %～3.82 %，平均絕對誤差為2.24 %，精度相較于校正之前有了明顯的提高。

4 結 論

本文研制了一種含溫度補償的多功能便攜式土壤水分測定儀，具有操作簡單、性價比高、數據傳輸方便等優(yōu)點，儀器采用引進溫度補償項提高了測量精度，實際測量平均絕對誤差為2.24 %，達到了墑情測量儀器的要求，能夠為墑情分析提供及時可靠的數據，提高了農業(yè)水利信息化水平，具有較高的實用價值。

表1 實地測試的部分數據

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