范妍潔 盧玉斌 陳少波 張 玉 王明濤

（1.福州大學(xué)先進(jìn)制造學(xué)院，福建 泉州 362251；2.中國(guó)科學(xué)院海西研究院泉州裝備制造研究中心，福建泉州 362200；3.蘭州交通大學(xué)數(shù)理學(xué)院，甘肅 蘭州 730070）

現(xiàn)有的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)中，理論上可應(yīng)用于冬筍探測(cè)領(lǐng)域的有微波法、電阻率法、紅外熱成像法、氣味法等。電子鼻通過(guò)模擬人類(lèi)嗅覺(jué)器官對(duì)氣味分子進(jìn)行感知、分析和判斷，即根據(jù)氣味的整體信息對(duì)其揮發(fā)性成分做出判斷[1]。董文慧等[2]在氣味法的原理指導(dǎo)下使用電子鼻對(duì)毛竹冬筍的揮發(fā)性進(jìn)行了分析。紅外熱成像技術(shù)通過(guò)主動(dòng)對(duì)物體施加可控?zé)峒?lì)，使物體內(nèi)部的異性結(jié)構(gòu)例如缺陷、損傷等，以表面溫場(chǎng)變化的差異形式表現(xiàn)出來(lái)，采用紅外熱像儀連續(xù)觀測(cè)和記錄物體表面的溫度場(chǎng)變化，并對(duì)序列熱圖結(jié)果進(jìn)行運(yùn)算和處理，以實(shí)現(xiàn)對(duì)物體內(nèi)部異性結(jié)構(gòu)定性和定量的表征[3]。盧偉等[4]使用紅外熱成像法結(jié)合Criminisi改進(jìn)算法解決了土壤遮擋時(shí)玉米根系圖像信息不全的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了根系圖像信息的修復(fù)和增強(qiáng)。但在環(huán)境復(fù)雜的竹林地中，上述兩種無(wú)損探測(cè)技術(shù)具有不便攜、準(zhǔn)確率低、操作復(fù)雜等缺點(diǎn)。國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)冬筍探測(cè)以及其他植物根系探測(cè)的研究方法主要為探地雷達(dá)法（即微波反射法）和電阻率法。陳紅星等[5-7]相繼提出基于微波法的冬筍探測(cè)器。李鑫等[8-10]分別申請(qǐng)了基于電阻率法的冬筍探測(cè)裝置的專(zhuān)利。

本文旨在通過(guò)對(duì)微波法和電阻率法的原理進(jìn)行分析，探究其應(yīng)用于冬筍探測(cè)的可行性，根據(jù)這兩種原理設(shè)計(jì)出一款智能冬筍探測(cè)器，并驗(yàn)證其可行性，為冬筍探測(cè)器的設(shè)計(jì)提供了一種新方案。

1 探測(cè)原理

電阻率法是利用冬筍與其周?chē)h(huán)境之間的電阻率的不同來(lái)判斷有無(wú)冬筍。由于冬筍表皮及其內(nèi)部竹纖維等有機(jī)質(zhì)阻礙電流傳導(dǎo)會(huì)引起較高的電阻率，故冬筍的電阻率較周?chē)寥老啾扔型蛔僛11]。楊衛(wèi)中等[12]通過(guò)使用基于相位檢測(cè)的時(shí)域反射技術(shù)，對(duì)8 種不同鹽份含量的砂壤土在不同土壤含水率下的試驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行分析，得出了信號(hào)的反射系數(shù)隨電導(dǎo)率（電阻率的倒數(shù)）的增加而單調(diào)減小的結(jié)論，即電阻率越大，信號(hào)的損耗越大。

微波檢測(cè)原理為：根據(jù)微波反射、透射、衍射等物理特性的改變，以及被測(cè)材料的介電特性，通過(guò)對(duì)微波信號(hào)的反射系數(shù)等基本參數(shù)進(jìn)行分析實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)物體的檢測(cè)[13-14]。

常溫下（20 ℃），水的介電常數(shù)為80，而干土和其他固體的介電常數(shù)為3～7，空氣的介電常數(shù)為1?？梢?jiàn)，水的介電常數(shù)比干土和空氣的介電常數(shù)大得多，而土壤的介電常數(shù)是土壤中各組成部分介電常數(shù)的總和，因此土壤的介電常數(shù)主要受土壤含水率和含水介質(zhì)的影響[15]。除此之外，信號(hào)頻率、溫度和土壤地質(zhì)等也會(huì)影響土壤的介電常數(shù)[16]。冬筍體內(nèi)含水率高達(dá)85%，使其整體的介電常數(shù)遠(yuǎn)高于土壤。

電磁波在介質(zhì)中的傳播速度為：

由式（2）可知，電磁波的傳播速度取決于介質(zhì)的介電常數(shù)，在傳播路程確定的情況下，不同的介電常數(shù)會(huì)導(dǎo)致電磁波的傳播時(shí)間不同。經(jīng)測(cè)量，電磁波在15 cm長(zhǎng)的探針上的傳播時(shí)間為ns級(jí)別，這就對(duì)設(shè)備的時(shí)間精度提出很高要求[17]。因此，本文利用時(shí)間差與相位差的關(guān)系式，即式（3），將對(duì)時(shí)間差的測(cè)量轉(zhuǎn)換成對(duì)相位差的測(cè)量，解決了設(shè)備時(shí)間精度不夠的問(wèn)題。

2 探測(cè)器設(shè)計(jì)

冬筍探測(cè)器系統(tǒng)框圖如圖1所示。信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生一個(gè)高頻正弦信號(hào)發(fā)送給功率分配器，功率分配器將該信號(hào)一分為二，一份通過(guò)發(fā)射探針發(fā)送到土壤里進(jìn)行傳輸，另外一份直接發(fā)送給幅相檢測(cè)芯片作為參考信號(hào)，插入土壤中的接收探針將經(jīng)過(guò)土壤傳播后的信號(hào)傳輸給幅相檢測(cè)芯片，幅相檢測(cè)芯片通過(guò)對(duì)發(fā)射信號(hào)和接收信號(hào)進(jìn)行處理，將兩者的幅值比和相位差以模擬電壓的形式傳輸給單片機(jī)STM32，STM32通過(guò)AD轉(zhuǎn)換將電壓值顯示在OLED屏幕上，如果探測(cè)到有冬筍，STM32控制蜂鳴器報(bào)警。

圖1 冬筍探測(cè)器系統(tǒng)框圖Fig.1 System block diagram of winter bamboo shoot detector

2.1 信號(hào)發(fā)生器

信號(hào)發(fā)生器采用ADI公司的ADF4350鎖相環(huán)芯片，此芯片內(nèi)部具有一個(gè)集成電壓控制振蕩器（VCO），其基波輸出范圍為2 200～4 400 MHz，利用N分頻和R分頻電路，可以輸出低至137.5 MHz的射頻信號(hào)。該電路外圍電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積較小，調(diào)試時(shí)只需調(diào)節(jié)環(huán)路濾波器參數(shù)和修改ADF4350的寄存器參數(shù)即可[18]。芯片的功能框圖如圖2所示。

圖2 ADF4350 的功能框圖Fig.2 Functional block diagram of ADF4350

ADF4350 的工作原理為：由外部提供的參考頻率通過(guò)REFIN（信號(hào)輸入）引腳引入，該參考頻率通過(guò)2 倍頻器、R分頻器和2 分頻器后傳輸給鑒相器作為鑒相頻率FPFD，鑒相器將N分頻器傳輸過(guò)來(lái)的頻率FN與FPFD進(jìn)行比較，將兩者的相位差以點(diǎn)電流的形式傳輸給電荷泵通過(guò)CPOUT（電荷泵輸出）引腳輸出至環(huán)路濾波器，經(jīng)過(guò)環(huán)路濾波器去除雜散的攜帶相位差信息的信號(hào)通過(guò)VTUNE（VCO控制輸入）引腳傳輸至壓控振蕩器VCO，指導(dǎo)VCO通過(guò)1/2/4/8/16 分頻后輸出相應(yīng)的頻率信號(hào)。如果FPFD與FN不相等，鑒相器會(huì)通過(guò)電荷泵持續(xù)輸出兩者的相位差信號(hào)指導(dǎo)VCO改變輸出信號(hào)頻率直至輸出頻率等于預(yù)設(shè)頻率[18]。

2.2 幅相檢測(cè)器

幅相檢測(cè)模塊同樣使用ADI公司設(shè)計(jì)的AD8302芯片，該芯片可同時(shí)測(cè)量幅值為-60～0 dBm、從低頻至2.7GHz的兩個(gè)輸入信號(hào)的幅值比和相位差。AD8302的功能框圖如圖3 所示，主要包括兩個(gè)解調(diào)對(duì)數(shù)放大器、相位檢測(cè)器、輸出放大器等。兩路輸入信號(hào)通過(guò)INPA和INPB兩個(gè)引腳輸入，經(jīng)過(guò)解調(diào)對(duì)數(shù)放大器和相位檢測(cè)器處理后，以電流形式將幅值比和相位差信息傳入輸出放大器，輸出放大器最終決定輸出增益和相位縮放[19]。

圖3 AD8302 功能框圖Fig.3 Functional block diagram of AD8302

2.3 微控制器

本設(shè)計(jì)采用的微控制器為STM32F103 系列芯片，該芯片采用Cortex-M3 內(nèi)核，是STM32 系列的增強(qiáng)型芯片，工作頻率為72 MHz，由ARM公司設(shè)計(jì)[20]。其內(nèi)部含有12 位逐次逼近型模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器，有多達(dá)18 個(gè)通道，可測(cè)量16 個(gè)外部和2 個(gè)內(nèi)部信號(hào)源，且各通道的AD轉(zhuǎn)換可以單次、連續(xù)、掃描或間斷模式執(zhí)行。此外，該芯片內(nèi)部的DMA控制器可提供在外設(shè)和存儲(chǔ)器之間或者兩個(gè)存儲(chǔ)器之間的高速數(shù)據(jù)傳輸，無(wú)須CPU干預(yù)，數(shù)據(jù)可通過(guò)DMA快速移動(dòng)。

本設(shè)計(jì)的軟件代碼主要運(yùn)行在微控制器上，主要功能是首先使用STM32 的IO口模擬SPI方式與鎖相環(huán)ADF4350 進(jìn)行通訊[21]，對(duì)其內(nèi)部的6 個(gè)寄存器進(jìn)行配置，使其輸出符合要求的信號(hào)。之后，每按下一次按鍵，STM32 通過(guò)AD轉(zhuǎn)換采集幅相檢測(cè)芯片的幅值比和相位差信息，將其顯示在OLED顯示屏上，通過(guò)閾值條件判斷是否有冬筍存在，如果滿(mǎn)足閾值條件，蜂鳴器發(fā)出報(bào)警提示。整體軟件流程如圖4 所示。

圖4 軟件流程圖Fig.4 Software flow chart

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

Nelson[22]通過(guò)研究多種新鮮果蔬在不同溫度（5～65℃）以及不同信號(hào)頻率（10～1.8 GHz）下的介電譜，得出溫度越高介電常數(shù)越大的結(jié)論。結(jié)果顯示，當(dāng)信號(hào)頻率低于40 MHz時(shí)，介電常數(shù)隨信號(hào)頻率升高而迅速降低；當(dāng)信號(hào)頻率高于100 MHz時(shí)，介電常數(shù)的變化趨于平緩；當(dāng)信號(hào)頻率超過(guò)800 MHz時(shí)，多數(shù)果蔬的介電常數(shù)處于50～70 之間，此時(shí)與土壤的介電常數(shù)相差較大。但根據(jù)實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景，所適用的信號(hào)頻率也會(huì)有所差別。因此，本試驗(yàn)分別記錄在750、800、850 MHz的信號(hào)頻率下有無(wú)冬筍的數(shù)據(jù)。

將整個(gè)系統(tǒng)硬件部分進(jìn)行組合，準(zhǔn)備好適量粘土和冬筍，分別測(cè)量不同信號(hào)頻率下有無(wú)冬筍的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，如圖5 所示。

圖5 試驗(yàn)場(chǎng)景Fig.5 Experimental scene

箱型圖6～9 中，矩形下邊緣表示大于樣本中25%的數(shù)據(jù)值Q1，上邊緣表示大于樣本中75%的數(shù)據(jù)值Q2，矩形中間的中位線代表數(shù)據(jù)的中位數(shù)，IQR=Q2-Q1，異常值被定義為小于Q1-1.5IQR或大于Q2+1.5IQR的值，矩形上/下處的直線代表1.5IQR范圍內(nèi)的最大/最小值。箱型圖可以很直觀的表示數(shù)據(jù)分布和離散程度[23]。

由圖6、7可以看到，800 MHz時(shí)有無(wú)冬筍兩種情況的數(shù)據(jù)分界線明顯且相差較大，數(shù)據(jù)比較集中，故選擇800 MHz作為信號(hào)頻率。上述試驗(yàn)除改變信號(hào)頻率外，其他條件均保持一致，其中土壤含水率均為1.5%。由于冬筍的介電常數(shù)遠(yuǎn)高于土壤，因此土壤的含水率會(huì)直接影響閾值條件和探測(cè)精度。為研究其影響，試驗(yàn)選擇在800 MHz的信號(hào)下，改變土壤含水率繼續(xù)測(cè)量。

圖6 不同信號(hào)頻率下有無(wú)冬筍的幅值比Fig.6 Amplitude ratio with or without winter bamboo shoots at different frequencies

圖7 不同信號(hào)頻率下有無(wú)冬筍的相位差Fig.7 Phase difference with or without winter bamboo shoots at different frequencies

圖9 不同土壤含水率下有無(wú)冬筍的相位差Fig.9 Phase difference with or without winter bamboo shoots under different moisture content

觀察圖6、7 中800 MHz下的數(shù)據(jù)以及圖8、9 可知，相同信號(hào)頻率下，隨著土壤含水率的增加，有無(wú)冬筍兩種情況下的數(shù)據(jù)開(kāi)始逐漸靠近直至融合。土壤含水率為15%時(shí)，兩者的幅值比仍有較明顯的分界線，但其差距較土壤含水率為1.5%時(shí)有所減少；當(dāng)土壤含水率增加至22%時(shí)，幅值比的分界線不明顯且數(shù)據(jù)不穩(wěn)定；繼續(xù)增加土壤含水率至34%、44%可以看到，兩者的數(shù)據(jù)已經(jīng)融合。且相位差受土壤含水率的影響更大，在土壤含水率為15%時(shí)已沒(méi)有明顯的分界線。

圖8 不同土壤含水率下有無(wú)冬筍的幅值比Fig.8 Amplitude ratio with or without winter bamboo shoots under different moisture content

4 結(jié)論

為提高竹產(chǎn)業(yè)的機(jī)械化、自動(dòng)化和智能化水平[24-25]，快速有效地探測(cè)地下冬筍，本研究設(shè)計(jì)了一款基于微波法與電阻率法的智能冬筍探測(cè)裝置，其原理是信號(hào)源產(chǎn)生的電磁波通過(guò)發(fā)射探針傳入土壤，經(jīng)過(guò)土壤等介質(zhì)傳輸后被接收探針收到，由于介質(zhì)介電常數(shù)和電阻率的差異會(huì)導(dǎo)致電磁波的相位和損耗不同，幅相檢測(cè)芯片通過(guò)對(duì)比發(fā)射信號(hào)與接收信號(hào)的幅值比和相位差來(lái)判斷是否存在冬筍。采用相位差的方法解決了設(shè)備時(shí)間精度不夠的問(wèn)題。試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示：此方法在土壤含水率為20%以下的地區(qū)有一定的可行性，且幅值比受土壤含水率影響比相位差小。