鐘翔君，楊 麗，張東興，崔 濤，和賢桃，杜兆輝

（1. 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，北京 100083；2. 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部土壤-機器-植物系統(tǒng)技術(shù)重點實驗室，北京 100083）

0 引言

以現(xiàn)代信息技術(shù)與農(nóng)業(yè)知識為基礎(chǔ)的無人農(nóng)場，能夠?qū)崿F(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)全過程的信息感知、定量決策、智能控制、精準(zhǔn)投入和個性化服務(wù)，可以有效地提高資源利用率、解放勞動生產(chǎn)力，是未來農(nóng)業(yè)的重要發(fā)展方向[1-3]。土壤信息的快速獲取是無人農(nóng)場關(guān)鍵的數(shù)據(jù)來源，可為變量施肥、變量播種[4-6]及其他土壤改良作業(yè)等精準(zhǔn)作業(yè)的定量決策提供有效的數(shù)據(jù)支撐。土壤電導(dǎo)率[7-9]作為土壤肥力的重要組成部分，能反映土壤質(zhì)量和物理性質(zhì)的豐富信息，對作物的生長發(fā)育起重要作用，因此快速獲取土壤電導(dǎo)率信息對推動現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)精準(zhǔn)管理具有重要的意義。

目前，土壤電導(dǎo)率的測量方式主要有：實驗室異位檢測[10-12]及現(xiàn)場檢測法。實驗室異位檢測方法應(yīng)用較廣，但需要先進行田間采樣，并將土樣帶回實驗室進行檢測，工作量大、檢測效率低且成本高，不適于現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)所需的大規(guī)模、快速高效的需求。為解決上述問題，國內(nèi)外學(xué)者也先后開展了眾多土壤電導(dǎo)率現(xiàn)場測量方面的試驗研究，主要包括：基于電磁感應(yīng)原理的非接觸測量法[13-14]、基于TDR（Time domain reflectometry）原理的時域反射法[15-17]及基于電位差原理的“電流-電壓”四端法。其中，基于電磁感應(yīng)原理的非接觸測量方式，操作方便，但是儀器的設(shè)計復(fù)雜，成本高且易受外界環(huán)境干擾?；赥DR原理的土壤電導(dǎo)率測量方式，多應(yīng)用于便攜式產(chǎn)品，雖然測量方便，但價格昂貴，不適于大面積動態(tài)檢測應(yīng)用。而四端法相較于前兩種具有設(shè)計方便、可操作性強等優(yōu)勢，被廣泛采用。國外電導(dǎo)率檢測設(shè)備已應(yīng)用于大田土壤電導(dǎo)率的信息動態(tài)采集[18-20]。目前，國內(nèi)相關(guān)專家也進行了研究，陳玲等[21]設(shè)計了便攜式土壤電導(dǎo)率實時分析儀，并研究了土壤電導(dǎo)率隨含水率和鹽分含量的變化關(guān)系。趙燕東等[22]設(shè)計了土壤多參數(shù)復(fù)合測試儀，可以同時測量土壤含水率、電導(dǎo)率及溫度等多個參數(shù)。可見，實現(xiàn)土壤電導(dǎo)率信息的動態(tài)快速獲取是當(dāng)前研究的關(guān)鍵方向，國內(nèi)相關(guān)專家對土壤電導(dǎo)率的快速獲取進行了有益的探索并開發(fā)了一些產(chǎn)品[23-25]，但是在田間動態(tài)信息檢測方面距離國外仍有一定差距。且目前田間電導(dǎo)率采集在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)前進行，需要專門的電導(dǎo)率檢測設(shè)備對種植田塊開展大范圍數(shù)據(jù)采集并生成電導(dǎo)率空間分布圖，實際農(nóng)業(yè)生產(chǎn)時再通過查詢空間分布圖的信息指導(dǎo)實際作業(yè)，該方式操作繁瑣、費時費力，同時檢測的電導(dǎo)率值由于時間滯后原因，難以準(zhǔn)確反映農(nóng)業(yè)生產(chǎn)各環(huán)節(jié)（如播種）實施過程中的真實電導(dǎo)率情況。

針對以上問題，本文基于交流“電流-電壓”四端法原理，采用STM32處理器為核心，設(shè)計一種快速檢測土壤電導(dǎo)率傳感器，配合GPS設(shè)備實現(xiàn)土壤電導(dǎo)率信息及位置信息的同步獲取，并通過WiFi模塊實現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)的無線通信，實現(xiàn)電導(dǎo)率信息的實時檢測與顯示、定時存儲與無線傳輸，旨在為加快土壤電導(dǎo)率信息的動態(tài)原位獲取技術(shù)的研究與推廣應(yīng)用提供軟硬件參考，有助于推動現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)精準(zhǔn)管理進程。

1 傳感器檢測原理和結(jié)構(gòu)

1.1 工作原理

電導(dǎo)率傳感器的工作原理如圖1所示，形狀尺寸相同的四探針（標(biāo)號1、2、3、4）均與土壤直接接觸。其中，恒流交流源所提供激勵信號的外側(cè)兩探針（標(biāo)號1、4）為輸入端，中間兩探針（標(biāo)號2、3）作為輸出端，通過檢測輸出端兩電極的電壓差和經(jīng)過精密電阻的電流，即可換算出土壤的電導(dǎo)率信息。

當(dāng)測量對象的橫截面積和長度確定時，電導(dǎo)率與其成函數(shù)關(guān)系。但是，由于土壤是一種非常不規(guī)則、組成成分復(fù)雜的測量對象，橫截面積及長度難以確定，其電導(dǎo)率的計算公式[24]為

式中σ為土壤電導(dǎo)率，mS/cm；d12、d13、d24、d23表示探針間距，cm；UR表示精密電阻兩端的電壓，V；R表示精密電阻的阻值，Ω；ΔV表示中間兩探針之間的電壓，V。當(dāng)四個探針的排布間距相等（D1=D2=D3=k），即按照Wenner組態(tài)排布時，土壤電導(dǎo)率的計算公式[25]為

式中ΔE表示土壤電導(dǎo)，mS。

由上式可知，在已知探針間距k和精密電阻阻值R的情況下，只需要獲取精密電阻兩端的電壓UR及中間兩探針之間的電壓ΔV，即獲取ΔE的數(shù)值后，可計算得到土壤的電導(dǎo)率值。

1.2 整體結(jié)構(gòu)

依據(jù)上述土壤電導(dǎo)率測量原理，設(shè)計了如圖2所示的土壤電導(dǎo)率傳感器，主要由按鍵、LCD液晶顯示模塊、主殼體、外接串口端、傳感器探針、SD卡模塊、STM32單片機最小系統(tǒng)、WiFi無線模塊、探針接口、恒流源模塊、DDS信號發(fā)生模塊、信號采集模塊、有效值轉(zhuǎn)換模塊、差分放大模塊、電源模塊等組成。其中檢測和數(shù)據(jù)處理模塊作為核心，采用STM32處理器為核心處理單元，LCD1602液晶顯示模塊采用四線制通信，供電電壓5 V，用于實時顯示電導(dǎo)率傳感器的輸出值；集成SD卡存儲模塊，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時保存；集成以ESP8266為核心的WiFi無線模塊，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線傳輸。傳感器四根探針均為長度65 mm、直徑3 mm的不銹鋼實心材質(zhì)，探針間以20 mm的間距通過螺帽固定于PVC固定板上，與主殼體通過屏蔽線連接，避免信號交叉干擾。以上可以看出，設(shè)計的傳感器的整體結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，可以裝配到農(nóng)業(yè)機具各行的作業(yè)單體上，進行不同作業(yè)行的土壤電導(dǎo)率的實時檢測與作業(yè)參數(shù)的在線調(diào)整。

工作時，傳感器探針與土壤直接接觸，通過內(nèi)部的信號產(chǎn)生模塊，使得兩端的探針形成一個穩(wěn)定的交流源，土壤電導(dǎo)率的不同使得中間兩根探針間的電壓差發(fā)生變化，通過信號的采集與處理，將數(shù)據(jù)實時顯示在LCD屏幕上，并實時將數(shù)據(jù)存儲到內(nèi)部SD卡上。工作時，可通過LED信號燈的工作狀態(tài)判斷傳感器是否正常工作，通過按鍵進行數(shù)據(jù)發(fā)送等操作。

2 傳感器設(shè)計

2.1 硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1.1 硬件電路總體結(jié)構(gòu)

設(shè)計的土壤電導(dǎo)率傳感器硬件電路總體結(jié)構(gòu)如圖3所示，主要包括STM32處理器及核心電路模塊、電源電路模塊、交流信號源模塊、有效值檢測電路模塊及其他外圍電路等。有效值檢測電路模塊包括差分信號放大電路、有效值轉(zhuǎn)換電路以及信號采集電路。其中，設(shè)計的STM32處理器及核心電路是整個土壤電導(dǎo)率傳感器的核心單元，負(fù)責(zé)控制DDS芯片輸出正弦波信號，并將采集到的傳感器信息進行處理及傳遞。

工作時，電源模塊為各個單元模塊提供有效的電源輸入；STM32處理器通過控制交流信號源模塊的AD9833信號發(fā)生模塊輸出一個正弦波信號，產(chǎn)生的正弦波信號經(jīng)LM324搭建的恒流電路整流、穩(wěn)壓后，輸出具有穩(wěn)定電流的正弦波信號；穩(wěn)壓后的正弦波經(jīng)過精密電阻到金屬探針的輸入電極將正弦波輸入到土壤中，在土壤中產(chǎn)生一個穩(wěn)定的信號源；然后分別將精密電阻兩端和探針輸出電極的差分信號經(jīng)AD623儀表放大器模塊放大，并將放大后的差分信號送入AD736交直流轉(zhuǎn)換器模塊將正弦波轉(zhuǎn)化為有效電壓值；轉(zhuǎn)換后的兩路電壓及鋰電池的輸出電壓經(jīng)PAC1934電壓電流采集模塊完成數(shù)據(jù)的采集，實時采集數(shù)據(jù)的同時監(jiān)控系統(tǒng)電源的穩(wěn)定性；最后STM32處理器再將對應(yīng)電壓值讀取并進一步處理，完成數(shù)據(jù)的顯示、存儲與通信。

2.1.2 電源電路設(shè)計

電源電路模塊是傳感器的基礎(chǔ)單元，為了防止不同模塊間信號的干擾，電源電路分別為各個模塊電路單獨供電，保證各個模塊的有效工作。如圖4所示，由于供電電源為12 V鋰電池，DDS電路、LCD液晶屏、信號采集電路等均需要5 V供電，STM32處理器及核心電路均需要3.3 V供電，另外，交直流轉(zhuǎn)換電路、恒流源電路均需要±5 V供電，需要對輸入電源進行穩(wěn)壓、降壓以及電平轉(zhuǎn)換處理。圖4a中采用濾波及穩(wěn)壓電容對鋰電池電源進行濾波及穩(wěn)壓，用于保證裝置的輸入電壓穩(wěn)定可靠；圖4b、4c中分別采用了SGM2200及ASM1117-3.3穩(wěn)壓器，用于將濾波穩(wěn)壓后的12 V電源降壓至5 V及將5 V電壓降壓至3.3 V，圖中的兩個降壓電路僅用于為LCD液晶屏、STM32處理器供電，其他模塊的供電電源單獨設(shè)置，以保證每個模塊工作的穩(wěn)定性；圖4d中采用TC7660電壓逆變器實現(xiàn)+5 V電壓與-5 V電壓的轉(zhuǎn)換，其中，C17為儲能電容，由于轉(zhuǎn)換后會產(chǎn)生一定的壓降，所以在LV引腳與VOUT引腳增加了濾波及穩(wěn)壓電路，保證輸出電壓的穩(wěn)定性。設(shè)計的電源模塊，除了12 V直流電源穩(wěn)壓電路為共用電路之外，各個模塊所需的5、3.3及±5 V電源均單獨設(shè)置了降壓及電平轉(zhuǎn)換電路，各部分互不干擾。

2.1.3 交流信號源電路設(shè)計

為了給裝置提供一個穩(wěn)定可靠的正弦信號電流，設(shè)計了以AD9833芯片為中心的正弦信號發(fā)生電路，如圖5所示。該DDS電路無需外部元件，保持低功耗的同時控制了成本，主要包括一個25 MHz的參考時鐘、一個精密電阻和多個去耦電容，用數(shù)字方式產(chǎn)生0～12.5 MHz范圍的正弦波；同時與STM32處理器通過三線式串行（SPI）接口（對應(yīng)6、7、8引腳）進行通信，編程調(diào)整方便。DDS信號發(fā)生電路產(chǎn)生的正弦信號濾波后，經(jīng)VOUT引腳傳遞到LM324芯片組成的恒流源中，該系列芯片是帶有差分輸入的四運放集成電路，除電源共用外，四組運放相互獨立，保證輸出的電壓更加穩(wěn)定。

2.1.4 有效值檢測電路模塊設(shè)計

有效值檢測模塊主要對流經(jīng)精密電阻及傳感器探針回饋的電壓差信號進行有效檢測，并將得到的信息傳遞到STM32處理器中。該模塊主要由差分放大電路、有效值轉(zhuǎn)換電路及信號采集電路組成，設(shè)計的電路原理圖如圖6所示。

由于最終采集的信號為交流信號且幅值較小，因此采用差分儀表放大器對其進行放大，如圖6a所示。采用AD623放大器及外圍電路組成的差分放大電路，分別對流經(jīng)精密電阻R29和傳感器探針的微弱信號進行差分放大。AD623是一款低成本、高精度的儀表放大器，功耗低成本低，符合設(shè)計要求。該電路采用±5 V供電，由12 V電源降壓至5 V后，再轉(zhuǎn)換為負(fù)電源。芯片的Ref是輸出電壓基準(zhǔn)引腳，由于采取了±5 V供電方式，因此將該引腳接AGND，定義零輸出電壓；輸入端配有串聯(lián)的電阻片，用于防止過載造成芯片損壞，適用于所有的增益及上電、斷電過程；該放大電路增益可以通過更換R30阻值的方式進行調(diào)節(jié)；同時，輸出部分有低通濾波電路，初始通過頻率為3 MHz，可通過修改阻容參數(shù)設(shè)置所需通過頻率。

為了方便對檢測到的信息進行讀取，需要將交流電壓波形轉(zhuǎn)換為直流電壓，設(shè)計了如圖6b所示的有效值轉(zhuǎn)換電路。該電路主要由高精度、靈敏性好的AD736轉(zhuǎn)換器及其外圍電阻組成，采用±5 V供電，+Vs、-Vs引腳與輸入電源之間均并聯(lián)一0.01μF的電容以消除電路中的高頻干擾；Cc與COM引腳串聯(lián)了一個10μF的電容，起到隔直作用；同時，輸入端設(shè)置了雙向限幅二極管，起到過壓保護作用。

如圖6c所示設(shè)計了以PAC1934檢測器及其外圍電路組成的信號檢測電路，以實現(xiàn)對信息的有效提取。該芯片可以采集電壓電流信號到相應(yīng)通道的電壓寄存器，再通過IIC與單片機通信，單片機便可讀取相應(yīng)寄存器的電壓值數(shù)據(jù)。其中，差分輸入主要是相對于取樣電阻來設(shè)置的，通過采集取樣電阻兩端的差分電壓，便可以計算出流過取樣電阻的電流值，PAC1934有四個通道此系統(tǒng)只用到三個通道，1通道懸空，2通道可以用來檢測電池的電量和耗電情況，3通道采集精密電阻兩端的差分電壓值，4通道采集探針端的差分電壓值。

2.2 軟件設(shè)計

2.2.1 主程序軟件設(shè)計

傳感器的主程序基于C語言設(shè)計完成，主要實現(xiàn)信號的產(chǎn)生、數(shù)據(jù)的定時讀取、存儲、顯示與通訊等功能，如圖7所示。工作開始時，電源模塊完成各模塊所需的電源轉(zhuǎn)換，保證各部分的有序供電。供電完成后，首先完成各個系統(tǒng)模塊硬件和系統(tǒng)參數(shù)的初始化，主要包括時鐘、按鍵、串口、IIC、DDS、ADC等初始化；實時讀取系統(tǒng)時鐘的時間，STM32處理器按照固定的時間間隔，對采集的土壤電導(dǎo)率信息進行分析和處理，同時對GPS位置信息進行有效解析并獲取，此外，設(shè)定的固定時間間隔還可為數(shù)據(jù)存儲及發(fā)送提供有效的參考時間；通過SPI完成對DDS模塊的設(shè)置與通信，通過IIC完成數(shù)據(jù)的讀取，并通過RS232串口完成數(shù)據(jù)的發(fā)送。

2.2.2 GPS位置信息獲取

為實現(xiàn)取樣點電導(dǎo)率信息與位置信息（經(jīng)緯度）的同步獲取，傳感器內(nèi)部集成了GPS信息獲取驅(qū)動單元，外設(shè)GPS接收機可通過預(yù)留的RS232串口與STM32單片機進行通信，定時解析獲取GPS設(shè)備的經(jīng)緯度與時間信息。GPS接收機輸出格式是采用NMEA-0183數(shù)據(jù)協(xié)議，包含了定位時間、經(jīng)緯度、高度、速度、日期等信息，以獨立相關(guān)的ASCII碼傳遞信息，不同數(shù)據(jù)流間以逗號隔開。工作時，首先系統(tǒng)上電完成各個模塊的啟動，主程序完成各部分硬件及關(guān)鍵參數(shù)初始化以后，開啟定時器負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集和發(fā)送，同時開始解析GPS報文的數(shù)據(jù)。其中，GPS報文信息存放在緩存寄存器數(shù)組中，首先通過判斷字符串開頭信息“$”，并以此作為數(shù)據(jù)的起始端；通過一個接收狀態(tài)標(biāo)記變量判斷數(shù)組的狀態(tài)，解析出寄存器中報文的長度并判斷這組報文是否接收完畢，并通過不同的逗號（“，”）標(biāo)記讀取不同數(shù)據(jù)流的信息（本文只讀取經(jīng)緯度和時間信息）并進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。其中，STM32單片機控制定時器每隔一定的時間間隔讀取信息，以降低功耗。

2.2.3 無線通信軟件設(shè)計

考慮到復(fù)雜性的田間作業(yè)環(huán)境，為方便實際操作，將WiFi模塊設(shè)置成AP模式，將其配置為無線網(wǎng)絡(luò)的中心節(jié)點，供別的設(shè)備接入，組成一個局域網(wǎng)。相較于有線傳輸?shù)姆绞剑瑹o線傳輸在硬件架設(shè)及使用的機動性、可拓展性方面均有明顯的優(yōu)勢。首先將傳感器WiFi模塊作為TCP（Transmission Control Protocol）服務(wù)器，并依據(jù)指令配置服務(wù)器的屬性參數(shù)（熱點名稱、密碼及加密方式），波特率設(shè)置為115 200 bit/s，手機或平板電腦等終端設(shè)備作為客戶端與其連接通信。傳感器讀取、處理后帶有位置和時間信息的數(shù)據(jù)，通過單片機RS232串口與ESP8266 WiFi無線模塊連接，實現(xiàn)與手機或平板電腦等終端設(shè)備的數(shù)據(jù)無線傳輸，最多可支持5個終端設(shè)備（客戶端設(shè)備）進行連接。

3 傳感器試驗

3.1 試驗材料與方法

土壤樣本取自河北省廊坊市（39°19'N，116°17'E）的砂壤土，有機質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.51%。以五點采樣法在約660 m2的農(nóng)田區(qū)域中采集0～20 cm的耕層土壤，采樣時將表層的石塊及動植物殘體清除，以保證土壤樣本的完整性。將取到的土壤充分混合后裝入密封袋中，帶回實驗室進行下一步處理。

將田間采集的部分土壤置于若干個直徑100 mm的培養(yǎng)皿中，用恒溫干燥箱（DHG-9123A型，上海）在45 ℃條件下烘干24 h至恒質(zhì)量后，取出冷卻至常溫。按照《HJ 802-2016土壤-電導(dǎo)率的測定-電極法》[26]相關(guān)要求，對烘干的土壤樣品進行縮分、研磨和過2 mm樣品篩后備用。

用電子秤稱取20.00 g篩后土壤樣品于250 mL三角瓶中，并按照質(zhì)量比1:5的配比加入100 mL的蒸餾水，制成土壤溶液。將裝有土壤溶液的三角瓶置于往復(fù)式水平振蕩器（HY-4A型，常州）中振動30 min，結(jié)束后取下三角瓶靜置30 min。過濾后將溶液分別轉(zhuǎn)移至離心管并置于高速離心機（HR/T16M型，湖南）中離心分離30 min，將離心分離后的上清液置于100 mL燒杯中，用標(biāo)準(zhǔn)電導(dǎo)率儀（DDB-303A型，上海）測量其電導(dǎo)率值。該儀器選自上海儀電科學(xué)儀器股份有限公司，采用DJS-1C型鉑黑電極，可測量0～10 000μS/cm范圍的電導(dǎo)率，可進行手動溫度補償，精度較高，其測量結(jié)果可作為樣本的準(zhǔn)確電導(dǎo)率。

3.2 傳感器標(biāo)定試驗

為保證采集的電導(dǎo)率數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，需要對傳感器進行標(biāo)定。試驗前，抽取10份1 kg土壤樣本置于托盤，分別均勻噴灑120 mL經(jīng)蒸餾水稀釋后的不同濃度KCl溶液，制備成10個不同電導(dǎo)率梯度（0.269、0.341、0.435、0.522、0.619、0.703、0.797、0.885、0.973及1.062 mS/cm）的土壤樣本（含水率均低于15%），以降低含水率對電導(dǎo)率測量結(jié)果的影響[27]。將樣本攪拌均勻并靜置后，用設(shè)計的電導(dǎo)率傳感器測量其電導(dǎo)率的值。參考美國材料與試驗協(xié)會（ASTM）D5391-1999(2009)試驗標(biāo)準(zhǔn)[28]，將測量溫度設(shè)置為25 ℃左右，以降低溫度對電導(dǎo)率測的影響。試驗均重復(fù)3次測量并記錄平均值。按照3.1節(jié)的操作方法將樣本制備成土壤溶液，用DDB-303A型便攜式電導(dǎo)率儀測量樣本溶液的電導(dǎo)率，得到其標(biāo)準(zhǔn)值，并對試驗數(shù)據(jù)進行擬合分析。

3.3 傳感器工作穩(wěn)定性試驗

為進一步明確傳感器的工作穩(wěn)定性，選取3.1節(jié)配置的5組不同電導(dǎo)率梯度（0.269、0.435、0.619、0.797、0.973 mS/cm）的土壤樣本，測量溫度為25 ℃左右，每組靜態(tài)連續(xù)測量50組數(shù)據(jù)，得到傳感器在不同電導(dǎo)率濃度下連續(xù)測量數(shù)據(jù)。

3.4 傳感器性能對比試驗

選用目前市面上廣泛應(yīng)用的精訊暢通公司JXBS-3001型傳感器和設(shè)計的電導(dǎo)率傳感器進行對比試驗，測量土壤樣本電導(dǎo)率。該傳感器是基于時域反射原理的電導(dǎo)率測量方法，信號源產(chǎn)生的信號經(jīng)過土壤時，信號會產(chǎn)生相應(yīng)的衰減，通過監(jiān)測信號的衰減值來確定被測土壤的電導(dǎo)率[29]。該傳感器對于土壤狀況的檢測，多是采用全部埋入或是探針全部插入被測介質(zhì)中進行，但不能應(yīng)用于田間動態(tài)檢測，其內(nèi)部芯片封裝采用國外進口，穩(wěn)定性可有效保證，且該傳感器在國內(nèi)廣泛應(yīng)用于大棚等農(nóng)業(yè)設(shè)施及野外環(huán)境檢測中?？紤]到設(shè)計的電導(dǎo)率傳感器最終要應(yīng)用到實際農(nóng)業(yè)生產(chǎn)相關(guān)環(huán)節(jié)，因此，在相同的試驗條件及相鄰的時間段內(nèi)進行兩種傳感器的對比試驗，以反映設(shè)計的傳感器與該傳感器實際工作情況，驗證其工作性能。

1）檢測精度對比試驗

采用3.1節(jié)方法隨機配置5種不同濃度的土壤電導(dǎo)率樣本，測量溫度為25 ℃，分別采用JXBS-3001型傳感器和設(shè)計的電導(dǎo)率傳感器對每個土壤樣本重復(fù)測量5次，并記錄其平均值。測量完的樣本按照3.1節(jié)的操作方法將樣本制備成土壤溶液，用DDB-303A型便攜式電導(dǎo)率儀測量樣本溶液的電導(dǎo)率，作為其標(biāo)準(zhǔn)值。

2）響應(yīng)時間對比試驗

將JXBS-3001型傳感器和設(shè)計的電導(dǎo)率傳感器分別通過串口與電腦通信，設(shè)置同樣的數(shù)據(jù)發(fā)送間隔200 ms，即兩種傳感器均按照200 ms的頻率向電腦實時發(fā)送檢測數(shù)據(jù)。首先選取3.1節(jié)制備的其中一份土壤樣品（電導(dǎo)率為0.485 mS/cm），并將JXBS-3001型傳感器通電，傳感器在空氣中靜置一段時間后，打開串口調(diào)試助手開始接收數(shù)據(jù)，然后將其插入到準(zhǔn)備好的土壤樣品中，保存串口助手中的試驗數(shù)據(jù)；隨后，按照相同的步驟獲取該傳感器從土壤中轉(zhuǎn)移到空氣中的數(shù)據(jù)變化。同理，采用相同的方式對設(shè)計的電導(dǎo)率傳感器進行試驗。分別獲取兩種傳感器在“空氣-土樣”及從“土樣-空氣”兩種狀態(tài)下的數(shù)據(jù)變化情況，并對比兩組試驗的數(shù)據(jù)。

3.5 傳感器現(xiàn)場驗證試驗

為了驗證傳感器在實際環(huán)境中的工作性能，在中國農(nóng)業(yè)大學(xué)選取兩個地塊（40°03'N，116°29'E；40°00'N，116°37'E）進行土壤電導(dǎo)率定點獲取試驗。分別在每個地塊選取不同的位置作為測量點，進行現(xiàn)場電導(dǎo)率數(shù)據(jù)獲取及取樣工作，每個地塊選取了4個測量點共計8個測量點。測量前，用TP101型溫度傳感器獲取土壤的實際溫度。如圖8所示，測量時，首先用設(shè)計的電導(dǎo)率傳感器依據(jù)五點取樣法原理，分別獲取每個測量點5個位置的電導(dǎo)率數(shù)據(jù)，將平均值作為該測量點的電導(dǎo)率測量值；參考3.1的方法，對每個測量點傳感器測量位置的土壤進行采集并混合，密封后帶回實驗室進行室內(nèi)分析，用恒溫干燥箱烘干獲取土樣的含水率，用DDB-303A型便攜式電導(dǎo)率儀測得土樣的標(biāo)準(zhǔn)電導(dǎo)率值。

4 結(jié)果與分析

4.1 標(biāo)定試驗結(jié)果

將傳感器采集的數(shù)據(jù)與DDB-303A電導(dǎo)率儀記錄的數(shù)據(jù)進行擬合，結(jié)果如圖9所示。從圖中可以看出，電導(dǎo)率傳感器輸出的電導(dǎo)值與DDB-303A電導(dǎo)率儀測得的電導(dǎo)率值呈明顯線性關(guān)系，擬合曲線y=1.161x+0.272，決定系數(shù)R2=0.995，擬合度較高，表明設(shè)計的電導(dǎo)率傳感器在測量土壤電導(dǎo)率時具有較高的準(zhǔn)確性。

4.2 工作穩(wěn)定性試驗結(jié)果

對不同電導(dǎo)率梯度下土壤樣本的測量結(jié)果進行整合，得到傳感器工作穩(wěn)定性試驗結(jié)果如圖10所示。從圖中可以看出，傳感器對各樣本電導(dǎo)率進行連續(xù)采樣時，數(shù)據(jù)的波動都比較小。分別計算每組數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)偏差，在不同電導(dǎo)率水平下，傳感器測量值的標(biāo)準(zhǔn)偏差均小于0.76μS/cm。試驗結(jié)果表明，設(shè)計的傳感器在不同電導(dǎo)率范圍內(nèi)的土壤中，均有良好的工作穩(wěn)定性。

4.3 性能對比試驗結(jié)果

4.3.1 檢測精度對比試驗結(jié)果與分析

對不同傳感器的測量數(shù)據(jù)整理后，結(jié)果如表1所示。從表中可以看出，隨著土壤電導(dǎo)率的增加，JXBS-3001傳感器和設(shè)計的電導(dǎo)率傳感器的測量誤差均有不同程度增大的趨勢。其中，JXBS-3001傳感器的絕對誤差為-13.8～30.3μS/cm，相對誤差為-2.46%～3.74%；設(shè)計的電導(dǎo)率傳感器絕對誤差為-5.9～19.4μS/cm，相對誤差為-1.05%～2.39%。結(jié)果表明，設(shè)計的電導(dǎo)率傳感器在以較低的生產(chǎn)成本條件下，測量誤差要小于JXBS-3001傳感器，測量精度可靠。

表1 電導(dǎo)率傳感器和JXBS-3001傳感器對比試驗結(jié)果 Table 1 Results of soil electrical conductivity sensor and JXBS-3001 sensor experiments

4.3.2 響應(yīng)時間對比

對兩種傳感器從“空氣-土樣”及從“土樣-空氣”兩種狀態(tài)下的數(shù)據(jù)進行整理，將兩種傳感器數(shù)據(jù)產(chǎn)生變化的前一組數(shù)據(jù)作為不同工作狀態(tài)的起始數(shù)據(jù)，得到兩種傳感器在不同狀態(tài)下的數(shù)據(jù)變化結(jié)果如圖11所示，從圖中可以看出，兩種傳感器分別在“空氣-土樣”和“土樣-空氣”兩種狀態(tài)下的變化趨勢一致，在傳感器狀態(tài)發(fā)生變化后，傳感器的輸出信號均是先快速增加或減小，待變化一段時間后數(shù)據(jù)保持穩(wěn)定。經(jīng)過擬合計算，JXBS-3001型傳感器在兩種狀態(tài)下的響應(yīng)時間均小于2.23 s，設(shè)計的電導(dǎo)率傳感器在兩種狀態(tài)下的響應(yīng)時間均小于2.01 s，結(jié)果表明兩種傳感器在不同狀態(tài)下的響應(yīng)時間相近，甚至設(shè)計的傳感器可以更快地完成不同工作狀態(tài)的切換，可以對土壤電導(dǎo)率信息進行快速有效獲取。

4.4 現(xiàn)場驗證試驗結(jié)果

測量前，用溫度傳感器測得土壤的平均溫度為20.6 ℃，對采集的數(shù)據(jù)進行整理后，結(jié)果如表2所示。從表中可以看出，地塊1的電導(dǎo)率與含水率值明顯高于地塊2，其中，地塊1的平均電導(dǎo)率為333.7μS/cm，平均土壤含水率為11.48%，測量的最大絕對誤差為25.30μS/cm，最大相對誤差為7.88%；地塊2的平均電導(dǎo)率為136.8μS/cm，平均土壤含水率為9.25%，測量的最大絕對誤差為-11.36μS/cm，最大相對誤差為-7.91%。綜上可以看出，利用電導(dǎo)率傳感器在兩地塊不同位置測量的精度接近，絕對誤差為-11.36～25.30μS/cm，相對誤差為-7.91%～7.88%，表明設(shè)計的電導(dǎo)率傳感器可以進行不同土壤電導(dǎo)率的快速有效測量。

表2 電導(dǎo)率傳感器現(xiàn)場試驗測定值與實驗室測量標(biāo)準(zhǔn)值對比 Table 2 Comparison of field test results of soil electrical conductivity sensor with standard values measured in the laboratory

5 討 論

土壤電導(dǎo)率是土壤的基本理化特性，可有效反映土壤含水率、有機質(zhì)含量及質(zhì)地結(jié)構(gòu)等不同土壤參數(shù)的綜合屬性[30]。目前土壤電導(dǎo)率的田間動態(tài)原位檢測是國內(nèi)外相關(guān)專家及機構(gòu)研究的熱點，但該環(huán)節(jié)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)前進行，需提前對種植田塊進行大范圍數(shù)據(jù)采集，難以準(zhǔn)確反映農(nóng)業(yè)生產(chǎn)各環(huán)節(jié)實施過程中的真實電導(dǎo)率情況。本文基于四端法原理設(shè)計的電導(dǎo)率傳感器，整體結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，用于搭載在不同的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)機具上，實現(xiàn)土壤電導(dǎo)率的實時檢測與作業(yè)參數(shù)的在線調(diào)整。以STM32最小系統(tǒng)為核心，配合其他功能模塊電路，各個功能模塊及主要芯片單獨供電，保證信號的有效獲取與處理；內(nèi)部集成GPS報文解析與WiFi無線通信功能，可與終端設(shè)備實現(xiàn)土壤電導(dǎo)率信息及位置信息的同步獲取與無線通信；另外，設(shè)計時為方便后期功能拓展，預(yù)留出許多功能接口，方便后期裝置的進一步優(yōu)化改良。在實驗室條件下，傳感器與標(biāo)準(zhǔn)電導(dǎo)率呈顯著線性關(guān)系，決定系數(shù)為0.995，在不同電導(dǎo)率濃度的土樣中連續(xù)測量的標(biāo)準(zhǔn)偏差均小于0.76μS/cm，并在實驗室條件下（溫度25 ℃）配置了不同電導(dǎo)率濃度的土樣（含水率<15%），并進行了檢測精度和響應(yīng)時間的對比試驗，相對誤差為-1.05%～2.39%，響應(yīng)時間小于2.01 s，利用電導(dǎo)率傳感器在現(xiàn)場（溫度20.6 ℃）對地塊不同位置測量的絕對誤差為-11.36～25.30μS/cm，相對誤差為-7.91%～7.88%，表明設(shè)計的電導(dǎo)率傳感器可以進行不同土壤電導(dǎo)率的快速有效獲取。本傳感器的軟硬件設(shè)計均可為實現(xiàn)土壤電導(dǎo)率的田間動態(tài)原位檢測提供參考。

本文在試驗設(shè)計時均降低了含水率、溫度等因素對電導(dǎo)率測量結(jié)果的影響，但是與田間作業(yè)環(huán)境相比仍有較大的差異。下一步研究中，會針對影響電導(dǎo)率的環(huán)境因素（溫度、含水率等）以及影響傳感器的作業(yè)因素（速度等）開展相應(yīng)田間試驗，并針對試驗結(jié)果進行相應(yīng)的改進優(yōu)化，以實現(xiàn)土壤電導(dǎo)率的田間動態(tài)高精度檢測。

6 結(jié) 論

1）設(shè)計了基于交流“電流-電壓”四端法的土壤電導(dǎo)率傳感器，以STM32處理器為核心，配合電源電路、交流信號源電路、有效值檢測電路及其他外圍電路搭建了硬件及軟件架構(gòu)，集成了信息的實時檢測與顯示、定時存儲與無線傳輸?shù)裙δ?，實現(xiàn)了土壤電導(dǎo)率的高精度原位獲取。

2）對設(shè)計的電導(dǎo)率傳感器進行了試驗標(biāo)定及工作穩(wěn)定性試驗。標(biāo)定試驗結(jié)果表明，電導(dǎo)率傳感器輸出的電導(dǎo)值與DDB-303A電導(dǎo)率儀測得的電導(dǎo)率值呈明顯線性關(guān)系，決定系數(shù)R2=0.995；工作穩(wěn)定性試驗結(jié)果表明，在不同的土壤電導(dǎo)率水平下，測量值的標(biāo)準(zhǔn)偏差均小于0.76μS/cm，試驗結(jié)果表明本電導(dǎo)率傳感器在不同電導(dǎo)率水平下具有較高的準(zhǔn)確性及工作穩(wěn)定性。

3）在實驗室條件下（溫度25 ℃）配置了不同電導(dǎo)率濃度的土樣（含水率<15%），利用設(shè)計的電導(dǎo)率傳感器與JXBS-3001傳感器進行了土壤電導(dǎo)率檢測精度和響應(yīng)時間對比試驗，結(jié)果表明設(shè)計的電導(dǎo)率傳感器絕對誤差為-5.9～19.4μS/cm，相對誤差為-1.05%～2.39%，響應(yīng)時間小于2.01 s，均小于JXBS-3001傳感器，表明設(shè)計的電導(dǎo)率傳感器可以獲取較為可靠的測量結(jié)果。

4）利用電導(dǎo)率傳感器在現(xiàn)場（溫度20.6 ℃）對地塊不同位置進行了電導(dǎo)率測量，并與室內(nèi)得到的結(jié)果進行對比，結(jié)果表明利用傳感器在現(xiàn)場測量的絕對誤差為-11.36～25.30μS/cm，相對誤差為-7.91%～7.88%，表明設(shè)計的電導(dǎo)率傳感器可以進行不同土壤電導(dǎo)率的快速有效獲取。