楊梅 王琪

摘 要 TDR是一種對反射波進行分析的遙控測量技術，在遙控位置掌握被測量物件的狀況。TDR時域反射技術是測量傳輸線特性阻抗的主要工具?；诖?，選用時域反射（TDR）技術測量土壤水分，設計了TDR土壤水分測量系統(tǒng)，通過測試分析證明本設計能夠實時監(jiān)測水分數(shù)據(jù)，整體工作狀況高速時效無故障。

關鍵詞 TDR；土壤水分；檢測數(shù)據(jù)

中圖分類號：TP2 文獻標志碼：A DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2018.11.098

1 TDR土壤水分測量系統(tǒng)設計

TDR土壤水分傳感器分為主體和探測單元兩個主要部分，其中相位比較器組成、射頻信號發(fā)生器、三端口環(huán)形器、射頻信號分路器、同軸電纜、相位比較器組成）構成了TDR土壤傳感器的主體部分[1]。

信號發(fā)生器通過有源晶振（100 Hz）來發(fā)出一個單一頻率的正弦電壓信號；射與信號發(fā)生器相連的頻道信號分配器該正弦電壓信號分成2個；環(huán)形器共分為3個端口，分別與相位比較器、信號分配器、探測單元相連。

相位比較器和信號發(fā)生器的另一端通過電纜延遲連接，接收信號發(fā)生器的信號，與環(huán)形器相連一端接收被探測單元的返回信號，并比較發(fā)送信號和返回來信號兩者的相位，并將差值轉換為可以測量的直流電壓信號。環(huán)形器與探測單元部分相連，用于接收信號與分離信號；探測單元通過同軸電纜與環(huán)形器相連，利用環(huán)形器傳送的電壓信號當成一個參考的信號[2]。

1.1 TDR土壤水分傳感器電路設計

TDR土壤水分傳感器電路主要包括7部分，分別是電源、信號源、信號分配器、環(huán)形器、同軸電纜、相位比較器等。

射頻信號源采用的是一個頻率為100 MHz高頻正弦電壓信號源，射頻信號源通過發(fā)出正弦電壓信號，來為整個系統(tǒng)提供持續(xù)穩(wěn)定的可測信號。

射頻信號分路器的主要作用是將信號源發(fā)出的信號分成兩個不同的傳輸路徑，這兩個傳輸路徑分別是將信號發(fā)送到環(huán)形器中，通過延時電纜將正弦電壓信號發(fā)送到相位比較器中。

環(huán)形器是具有很多端口的器件，其組成材料為微波鐵氧體，信號在環(huán)形器里的傳輸特點為單向傳輸。當電壓信號通過信號分配器后，需要利用環(huán)形器來分離發(fā)送的入射信號和經(jīng)過探測單元反射回來的信號。本課題采用三端口環(huán)形器。

環(huán)形器的兩邊，一邊是通過檢測單元被反射回來的信號，另一邊是由延時電纜傳輸過來的原始信號，兩種信號分別于相位差檢測器的輸入端相銜接，最終測得對應的電壓值，運用電壓值來表明土壤的含水量。在相位測量時，本課題使用的ADI公司的AD8302芯片是第一款可以使用在RF/IF幅值以及相位檢測單一的集成化芯片，可以檢測兩個信號間的相位以及幅值頻率能夠達到2.7 GHz。它特點是需要的外部元件少，對于相位測量、幅值測量是一個完整包含接受、傳輸、程序的完全集成。AD8302包含一對密集匹配的解調(diào)對數(shù)放大器，每一個都有著60 dB的檢測范圍，透過收集他們的輸出差值，檢測兩個輸入信號間的幅值比或者增益是能夠使用的，其工作原理如圖1所示。

1.2 TDR土壤水分傳感器探測單元設計

TDR探頭包含平板式、兩針式、三針式以及多針式等，種類繁多。結合不同探頭的特點，四針式探頭是各類探頭中具有比較突出的優(yōu)點。對土的抗干擾性能較好，更接近于同軸電纜的結構。檢測信號信噪比高，檢測信號易于分析。為此，本實驗選用了四針探針。

1.3 TDR土壤水分傳感器信號處理

原始信號和通過檢測單元反射信號通過AD8302的傳輸，并最終檢測到的模擬信號轉換為數(shù)字信號，由單片機ATmega8L完成。土壤水分傳感器的信號通過信號中獲得，模擬信號的變化電路的數(shù)字信號由將ATmega8L單片機AD（如圖2所示）來完成，把土壤含水量的模擬信號轉變成數(shù)字信號信息。

1.4 TDR土壤水分無線組網(wǎng)傳輸

TDR土壤水分傳感器信號傳輸有許多選取的方法，整體上包含有線傳輸方式以及無線傳送方法兩大類。本文選用ZigBee技術對TDR土壤水分傳感進行信號的傳輸。基于TDR技術的土壤水分信號傳輸基本原理如圖3所示。

實時采集的土壤水分測試數(shù)據(jù)通過MCU數(shù)字化處理后傳輸?shù)絑igbee模塊。Zigbee模塊接收數(shù)據(jù)后再通過發(fā)送端將數(shù)據(jù)通過RS232串口協(xié)議傳輸?shù)絇C機。本文選用星型無線網(wǎng)絡拓撲結構并配置其初始條件。

2 TDR土壤水分測量系統(tǒng)測試與分析

2.1 水分標定測試

采用烘干法對土壤水分進行標定，并通過數(shù)據(jù)進行擬合。

Y=18.591X 3-38.2437X 2+36.2991X-1.2353 （1）

式（1）中，X、Y分別表示電壓值與含水量。

選取多組2小時測量數(shù)據(jù)，并將其標定值與測試值進行比較，經(jīng)過式（1）擬合后的結果分別如表1、圖4所示。

由此可知，測試數(shù)據(jù)很好地擬合在擬合曲線附近，平均誤差小于3%，符合預期設計期望值。

2.2 無線組網(wǎng)Zigbee傳輸測試

1個Zigbee接收端與2個Zigbee發(fā)送端組成星型無線網(wǎng)絡結構。MCU將實測模擬信號通過模數(shù)轉換后發(fā)送到Zigbee模塊，Zigbee模塊通過RS232串口協(xié)議將數(shù)據(jù)信息通過發(fā)送端發(fā)送到上位機，并在上位機顯示器實時顯示測試數(shù)據(jù)。

經(jīng)過多次實驗，本文設計的TDR土壤水分測量系統(tǒng)能夠實時監(jiān)測水分數(shù)據(jù)，并快速傳輸?shù)缴衔粰C，整體工作狀況高速時效無故障。

3 結語

深入探討了TDR傳感的基本原理和在土壤中的傳感原理，設計了TDR土壤水分測量系統(tǒng)。通過測試分析證明本設計能夠實時監(jiān)測水分數(shù)據(jù)，整體工作狀況高速時效無故障。將來，重點研究怎樣優(yōu)化數(shù)據(jù)的傳送方法，減小傳送的信息量，提升傳輸信息的準確性以及達成云數(shù)據(jù)共享。

參考文獻：

[1] 姜明梁，方嫦青，馬道坤.基于TDR的土壤水分傳感器設計與試驗[J].農(nóng)機化研究，2017（8）：147-153.

[2] 陸明，劉惠斌，王晨光，等.新型TDR土壤水分測定儀SOILTOP-200的開發(fā)及應用[J].水利化信息，2017（2）：31-37.

（責任編輯：劉昀）