智能檢測與工業(yè)控制--農(nóng)田相對土壤濕度研究

1、II摘要隨著淡水資源的不斷緊張和稀缺，合理有效的利用好水資源已成為農(nóng)業(yè)灌溉技術(shù)的一個重點話題。在我國，農(nóng)業(yè)灌溉用水占淡水使用量比例很大一部分，且據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)顯示，節(jié)水灌溉技術(shù)可以有效節(jié)水 30%60%，鑒于此，借助于先進(jìn)的技術(shù)實現(xiàn)使現(xiàn)代農(nóng)業(yè)信息化、自動化、網(wǎng)絡(luò)化，推行自動化灌溉系統(tǒng)、發(fā)展節(jié)水灌溉技術(shù)勢在必行1。本文以農(nóng)業(yè)灌溉的實際意義為出發(fā)點，經(jīng)過對單頻、雙頻信號源利弊的探討，選定以雙頻作為采集土壤參數(shù)的信號源，著重研究了相對土壤濕度 30%-100%范圍內(nèi)土壤容值與相對土壤濕度的相關(guān)性；在原理上，采用電容法作為檢測土壤濕度的理論依據(jù)；在單元電路設(shè)計上，通過對通用改進(jìn)模型電路的等效處理，推算出高

2、、低頻通路單元參數(shù)，并對電源轉(zhuǎn)換模塊和溫度采集模塊給予研究和詳細(xì)的設(shè)計分析。 文章最后將電容濕度檢測儀與當(dāng)前使用非常廣泛的頻域水分檢測儀進(jìn)行綜合性試驗對比，分析了電容法在精度上的優(yōu)缺點，并將綜合平均誤差控制在 3%以內(nèi)，完全符合農(nóng)業(yè)灌溉對濕度檢測儀的技術(shù)要求（5%）。本文考慮溫度補償算法對試驗結(jié)果的影響，符合農(nóng)作物種植在不同季節(jié)溫差導(dǎo)致的測量偏差的實際情況，并給出了相對土壤濕度溫度補償算法公式。 本文中的在線式土壤檢測儀具有實用性高、可移植性強、低成本、高穩(wěn)定性等，為農(nóng)業(yè)自動化灌溉中的濕度檢測提供了一定參考文本。而本設(shè)計的不足之處是較低濕度時的絕對誤差較大，原因可能是由于低濕度條件下電容量較小

3、，土壤中的電阻參量占主導(dǎo)作用，而電阻率受礦物質(zhì)含量、金屬含量、鹽度等影響較大。關(guān)鍵詞：相對土壤濕度 雙頻 容值檢測 數(shù)據(jù)擬合IIIAbstractAs the freshwater shortage capacity gets shortage and overusing, it has become an hot topics, of irrigaton technology,that how to make a rational and efficient path to water-using.In China, agricultural irrigation accounts for

4、a significant proportion of freshwater use, and according to statistics, water-saving irrigation technology can effectively Saving 30% to 60%.In view of this, how to shift the agricultural to agricultural informatization、agriculture automation and network, along with the high-tech to improve the wat

5、er-saving technology and develop automated irrigation ,are on the agenda.This paper,focus on the relative value of soil moisture content ranges 30% -100%,then devised a method for measuring the capacitance value of the soil. The dual-band has been chose to collected soil parameters which provided an

6、 important theoretical basement about the development of measure soil moisture by using the soil moisture sensor. Using soil capacitance value represents the relative moisture of soil and fitting data regression curves.In this paper,the comparison has aslo made between the capacitance method and the

7、 frequency domain moisture detector test method widely used currently.The pratical advantage in accuracy is aslo analysised and showed that the combined average error is less than 3%,fully in line with agricultural irrigation humidity detector technology requirements (5%).What more，the impact of tem

8、perature compensation aslo is aken into account,makes in line with crops grown in different seasonal temperature measurement error due to the actual situation.At the end of the paper,a suggestion has been expressed about choosing a reasonalbe signal resource，then，the reference advice of both the sin

9、gle-frequency and dual-band detection of soil electrical properties test.This paper is provide an new path to soil line detector with high availability, portability, low cost, high stability and other characteristics. The deficiency of this design is the bigger absolute when the moisture is low,the

10、reason may be the samaller capacitance when soil moisture is low so that the resistance parameter palys a major role,and mineral content,metal content and solinity have a big effect on the resistivity. Keywords: Relative soil moisture Dual frequency Capacitance detection Data fitting 目錄摘要IAbstractII

11、第 1 章 引 言11.1 研究意義11.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀11.2.1 國外土壤測量技術(shù)方法發(fā)展現(xiàn)狀11.2.2 國內(nèi)土壤測量技術(shù)方法發(fā)展現(xiàn)狀21.3 研究目標(biāo)與內(nèi)容31.3.1 研究目標(biāo)31.3.2 研究內(nèi)容3第 2 章 農(nóng)田自動化總體管控方法42.1 農(nóng)田自動化管控方法42.2 農(nóng)田智能氣象系統(tǒng)42.3 終端控制器62.4 總線分配器72.4.1 總線分配器原理72.4.2 總線分配器應(yīng)用7第 3 章 土壤濕度檢測電路單元設(shè)計93.1 信號源選取93.2 農(nóng)田土壤濕度單元檢測總方案93.3 土壤介質(zhì)等效模型103.4 土壤濕度檢測等效電路113.4.1 高頻等效電路113.4.2 低頻等

12、效電路133.5 溫度采集模塊14第 4 章 實驗及分析154.1 試驗土壤樣本154.2 試驗土壤配制154.4 土壤測試儀164.5 電壓-電容數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換164.6 結(jié)論與建議17參考文獻(xiàn)19第 1 章 引 言1.1 研究意義 水是生命之源，是植物生長不可或缺的重要物質(zhì)，是工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中不可替代的自然資源。中國淡水資源相對稀缺，特別是平均水平過低，僅約為世界人均水平的 1/4，而農(nóng)業(yè)用水占全部用水的 70%80%2。然而目前中國農(nóng)業(yè)用水使用效率極其低下，在供給和輸水的過程中所產(chǎn)生的漏水，不合理灌溉等造成了淡水資源的很大浪費。相關(guān)統(tǒng)計顯示：全球農(nóng)業(yè)水資源利用率僅為 40%。為此，提高灌溉效率、合

13、理管理和利用水資源對解決水資源供需矛盾和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有深遠(yuǎn)和重大的意義。施行有效土壤濕度檢測網(wǎng)絡(luò)有利于水資源的合理管控，土壤濕度檢測作為農(nóng)業(yè)自動化灌溉系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)，它的精確測量在一很大程度上決定著植物的最優(yōu)生長，對提高灌溉效率具有切實意義。 根據(jù)土壤相對濕潤度(R)的干旱等級指標(biāo)，可以分為 60%<R 為無旱，50 <R60 為輕度干旱，40 <R50 為中度干旱，30 <R40 為重度干旱，R30 為特別重度干旱3。對于絕大多數(shù)植物，土壤濕度在 60%-85%為最佳生長環(huán)境，含水量低于 65%69%田間持水量時光合速率隨土壤含水量的增大而增大，高于65%69%

14、田間持水量時，光合速率隨土壤含水量的增加而降低4；低于 40%或者大于 90%時，光合作用會受阻，導(dǎo)致植物生長不良5。然而，現(xiàn)階段對于土壤濕度的檢測和測量范圍大多數(shù)仍然是 Topp 停留在 022%。 另外，土壤濕度的測量和探討也基本限制在土壤介電常數(shù)與土壤濕度的關(guān)系上，雖然對絕大多數(shù)的土壤已經(jīng)足夠，但是對于一些比較特殊的土壤結(jié)構(gòu)，如紅壤，其土壤中含大量的 Fe 和 Al，土壤固相介電常數(shù)增大，當(dāng)濕土中磁鐵礦含量大于 5%就可以使介電常數(shù)偏大，而紅壤中的磁鐵礦含量可以達(dá)到 15%，顯然使用統(tǒng)一的介電常數(shù)與濕度關(guān)系表達(dá)式以難以模擬紅壤等特殊土壤的含水量情況。對于使用土壤電容特性表達(dá)土壤含水量的研

15、究極少6。1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 1.2.1 國外土壤測量技術(shù)方法發(fā)展現(xiàn)狀 土壤水分快速測量在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和自動化系統(tǒng)中具有巨大的應(yīng)用潛力，許多學(xué)者對于土壤水分快速檢測技術(shù)的進(jìn)行了大量的研究。在此領(lǐng)域內(nèi)起步最早的是外國的眾多學(xué)者，并取得了驕人的成果，為土壤檢測技術(shù)奠定了理論基礎(chǔ)。1922年，Gardner 從土壤的張力角度對土壤濕度快速測量進(jìn)行了研究，此后的 10 年對于土壤的非飽和性與土壤張力的關(guān)系有了更加深刻的研究7；1939 年，Bauer 從土壤電導(dǎo)性質(zhì)對土壤的含水量關(guān)系進(jìn)行了研究，他將熱導(dǎo)電阻埋入途中，建立土壤電阻特性與含水量之間的關(guān)系8；1940 年，Anderson 將音頻電橋理論

16、引入到土壤含水量檢測中9；1950 年，Belende 提出了利用中子衰減原理對土壤含水量進(jìn)行快速檢測，兩年后 Gardner Kirknam 再次證明了中子法的有效性和可行性，此后由于中子法具有高精確度等特點被廣為稱頌，后因中子法具有輻射等重大副作用被政府所取締；1976 年，Topp 等首次利用 TDR（時域反射法）原理對土壤進(jìn)行了快速測量的研究，通過大量的試驗研究，提出了 Topp 全經(jīng)驗公式，這大大的推動了土壤快速檢測儀的發(fā)展，對土壤檢測儀的應(yīng)用具有跨時代的意義，使土壤水分檢測得到了學(xué)者和農(nóng)業(yè)種植業(yè)的廣泛重視；1999 年，龔元石等證實 TDR 測量法受容重和溫度影響；2004 年，H

17、ook 等使用 TDR 測量儀進(jìn)行土壤含水率測量，研究結(jié)果表明 TDR 受鹽分影響較大10；2009 年，馮煒等利用 TDR 原理設(shè)計了相關(guān)測試儀，其測量誤差在 4%左右。1983 年，Hainsworth 等以 X-射線為理論基礎(chǔ)對土壤快速水分檢測進(jìn)行了可性能分析11；1991 年，Whalley 提出了利用紅外線檢測法，此后該理論被日本學(xué)者引用并付諸于大量的研究試驗，最終讓紅外線土壤水分傳感器橫空出世；1992 年，Wagenningen 等開創(chuàng)了 FDR（頻域反射法）技術(shù)，并基于 FDR 原理開發(fā)了相應(yīng)的傳感器，為 FDR 法的批量生產(chǎn)提供了關(guān)鍵性技術(shù)支撐，F(xiàn)DR 法一致性較差（孫宇瑞等

18、 2006），需要大量的校驗，這是該儀器進(jìn)行移植時的重大缺陷，但校驗后檢測準(zhǔn)確度非常高（陳海波等 2009）；1999 年，趙燕東等利用駐波法對土壤含水量進(jìn)行了測量和分析12，證實了駐波法的準(zhǔn)確性；2002 年，趙燕東等對駐波法的測量范圍進(jìn)行了分析；2003 年，ARS 與瓦爾蒙特公司合力開發(fā)了智能紅外濕度檢測計；2013 年，郭文川等研究了土壤容重和溫度對 FDR 傳感器的影響，并建立了土壤容重、溫度與 FDR 傳感器輸出信號的關(guān)系模型，該研究為溫度補償和容重補償提供了理論依據(jù)。 1.2.2 國內(nèi)土壤測量技術(shù)方法發(fā)展現(xiàn)狀 1960 年前后，我國在實驗室條件下使用射線法土壤含水量試驗；十九世紀(jì)

19、70 年代，西安電子科技大學(xué)開發(fā)了 SVJ-3 型微波水分測定儀；1982 年，巫新民、王偉等利用阻抗方法對土壤含水量進(jìn)行了檢測研究；此外，隨著國家對該項目的重視，相關(guān)高校和研究機構(gòu)都從事與土壤水分測試技術(shù)的研究，其中陳本華等對毛細(xì)管張力法展開了研究，馬孝義等針對介電常數(shù)法進(jìn)行過大量的試驗工作；2002 年，王一鳴教授等人對駐波法進(jìn)行了深入研究，并成功研制 SWR 型傳感器。經(jīng)過半個多世紀(jì)的研究，我國在土壤水分快速測量技術(shù)方面的研究也從用傳統(tǒng)的烘干方法到電阻法、電容法、駐波法、射線法等快速高效的方法方向上發(fā)展。就 目前的情況而言，這些測量方法的測量精度基本都受到傳感器精度的限制。為此，國內(nèi)迫切

20、的致力于高精度、體積小、功耗低、穩(wěn)定性強、成本低的土壤水分檢測儀的研發(fā)，并在國家自然科學(xué)基金、國家“863”項目等課題項目中進(jìn)行立項，力求投入大量的人力物力推動土壤水分檢測的快速發(fā)展，發(fā)明和創(chuàng)造出符合中國農(nóng)業(yè)國情的在線式實時土壤檢測儀和物美價廉的便捷式水分測量儀13。1.3 研究目標(biāo)與內(nèi)容 1.3.1 研究目標(biāo) （1）土壤濕度與介電常數(shù)關(guān)系模型的對比分析和研究。 （2）設(shè)計一種土壤濕度檢測方法，將土壤容值與土壤濕度進(jìn)行有效的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。 （3）通過大量的試驗和對數(shù)據(jù)的分析，擬合電容值與土壤濕度回歸方程，通過分析不同擬合方式并選取最佳的擬合方程。 （4）在一定精度條件下較為準(zhǔn)確的測量出土壤的相對含

21、水率，綜合誤差達(dá)到 3%以內(nèi)。 1.3.2 研究內(nèi)容 （1）選擇適合電容法檢測土壤濕度的介電模型，對模型進(jìn)行等效電路處理，建立電信號與土壤濕度數(shù)據(jù)關(guān)系。 （2）對土壤特性進(jìn)行分析，研究不同頻率對土壤中各種電特性的影響，選取適當(dāng)頻率的信號源。 （3）對田間自動化管控系統(tǒng)，終端控制、總線分配器的研究。 （4）檢測電路前端設(shè)計，單元設(shè)計，溫度采集與電源轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計。 （5）擬合方式分析與對比，濕度檢測儀對比與誤差分析。第 2 章 農(nóng)田自動化總體管控方法田間土壤濕度檢測是田間自動化總體管控方法的中心環(huán)節(jié)14，也是本文研究的重點。為了較為系統(tǒng)的了解田間土壤濕度檢測技術(shù)，本章將對田間自動化總體管控方法做簡

22、要介紹和概述。2.1 農(nóng)田自動化管控方法 圖 2-1 為 Zigbee 組建而成的田間自動化管控方法，主服務(wù)器通過 RS232 串口可以直接與總線分配器連接，控制總線分配器從而控制終端控制器與終端設(shè)備通信，終端設(shè)備將檢測到的檢測值上傳到主服務(wù)器 PC 端或智能氣象站系統(tǒng)；PC主服務(wù)器也可通過 Zigbee 組成無線網(wǎng)絡(luò)，通過無線網(wǎng)絡(luò)與終端設(shè)備進(jìn)行通信，主服務(wù)器可收集和控制整個農(nóng)田群的終端設(shè)備，進(jìn)而對整個農(nóng)田網(wǎng)絡(luò)的土壤濕度進(jìn)行在線檢測和控制。圖 2-1 Zigbee 無線檢測網(wǎng)絡(luò)2.2 農(nóng)田智能氣象系統(tǒng) 田間氣象自動化觀測對提高農(nóng)業(yè)氣象業(yè)務(wù)有重大意義，它是防災(zāi)減災(zāi)、適應(yīng)現(xiàn)代氣象發(fā)展的重要舉措，通

23、過此系統(tǒng)，可以實時對土壤環(huán)境和田間氣候進(jìn)行監(jiān)測，趨利避害，真正掌握植物生長的實時信息。如圖 2-2 為田間智能氣象系統(tǒng)：圖 2-2 田間智能氣象系統(tǒng)該系統(tǒng)可通過參數(shù)設(shè)置對植物生長情況進(jìn)行相應(yīng)的最佳設(shè)置，使相應(yīng)的植物在最佳生長環(huán)境下生長；采集控制可設(shè)置采集數(shù)據(jù)的頻率；數(shù)據(jù)獲取相當(dāng)于中斷控制，可手動或機械的對數(shù)據(jù)進(jìn)行獲?。粩?shù)據(jù)顯示可將采集的數(shù)據(jù)以圖像的形式顯示在 PC 機或智能氣象站系統(tǒng)中；執(zhí)行設(shè)備控制機電控制器實施相應(yīng)施肥、灌溉、補光等動作；自動報警系統(tǒng)為氣象出現(xiàn)緊急情況所產(chǎn)生的報警系統(tǒng)。 如圖 2-3 所示為農(nóng)田智能氣象系統(tǒng)工作原理，圖中，無線傳輸模塊可根據(jù)通訊距離分為短距離、中距離、遠(yuǎn)距離三

24、種無線傳輸方式15，經(jīng)過考察最后選定ZigBee網(wǎng)絡(luò)作為無線傳輸模塊。 信息采集系統(tǒng)包括雨量測量、風(fēng)速檢測、風(fēng)向檢測、光照采集、氣壓檢測、土壤含水量檢測、空氣濕度檢測、土壤 PH 值檢測、空氣溫度檢測、土壤濕度檢測以及今后的土壤養(yǎng)分檢測和水培含氧量檢測等。圖 2-3 農(nóng)田智能氣象系統(tǒng)工作原理2.3 終端控制器 手動控制時，當(dāng)點擊控制鍵，PC 機收到命令后，將發(fā)送控制指令，并等待響應(yīng)，如果此時終端控制器收到數(shù)據(jù)后，馬上響應(yīng)成功，則 PC 機指示操作成功。這個操作動作速度是不由 PC 機控制的（每點一次操作，PC 機只發(fā)一次命令）。如果中斷控制器來不急處理，可以不用發(fā)應(yīng)答信息，此時 PC 機將以黃

25、色取待操作鍵，直到下次輪詢時，如果操作成功，則指示操作成功。 需要定時控制的設(shè)備采用雙電源供電，初始由總線管理控制，節(jié)點運行后由自身定時控制，有效時間內(nèi)可以遠(yuǎn)程控制關(guān)閉設(shè)備。這樣有助于產(chǎn)品綠色節(jié)能化，并保證每個設(shè)備不會失控。也可以由總線一直供電控制。 整個系統(tǒng)采用巡檢模式，設(shè)備采集控制終端節(jié)點理論上是可以無窮數(shù)。但實際是需要功率支持，所以一般是小功率控制（1.5A 以下），多條分時控制，每條總線視節(jié)點設(shè)備最低功耗電流值加最大動作電流增加 20%余量進(jìn)行布點 。當(dāng)脫機終端控制時，反饋信號都由終端控制器接收，控制器進(jìn)行相應(yīng)的信息處理，終端控制器構(gòu)架如圖 2-4 所示：圖 2-4 終端控制器構(gòu)架PC

26、 選擇是否由終端控制器進(jìn)行終端服務(wù)的脫機控制平臺，當(dāng)由 PC 機的軟件修護(hù)和更新夠完善，脫機的終端控制器具有極其優(yōu)良的便利和使用特性16，脫機控制節(jié)省了大部分的人力和物理，穩(wěn)定性等方面都十分值得信賴。2.4 總線分配器 2.4.1 總線分配器原理 總線分配器是全雙工 RS232 總線通訊擴(kuò)展板，作為整個系統(tǒng)的總線控制器，通過232串口線掛接到總線上，同時擴(kuò)展6個232接口供其它模塊掛接到總線上?？偩€控制器的每路 232 串口可以獨立全雙工傳輸互不影響，當(dāng)掛接的設(shè)備出現(xiàn)故障（甚至短路）時總線控制器可以自動辨別設(shè)備狀態(tài)（工作、故障等），并將此接口屏蔽，避免了因一路通訊故障而影響整個系統(tǒng)的運行。整個

27、總線可以以星形方式組網(wǎng)（總線控制器依次串接的方式擴(kuò)展總線），組網(wǎng)方式靈活多變，便于現(xiàn)場實際的安裝，以及預(yù)留總線掛接口。掛接到總線上的設(shè)備均嚴(yán)格按照通訊協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)進(jìn)一步的增強了系統(tǒng)可靠性（尤其是機電控制器類的執(zhí)行設(shè)備）。和工業(yè)上應(yīng)用的 modelbus 比較具有智能診斷，掛接靈活，更可靠等優(yōu)點。 PC 機與總線分配器進(jìn)行串口全雙工通信，當(dāng) PC 機發(fā)送信號“1”或者“0”，總線分配器接收到信號“1”或者“0”的同時將信號傳遞給下級的終端設(shè)備；當(dāng) 6 個串口的任意串口有一個發(fā)生“異常”，異常信號傳遞給總線分配器，從而傳送到 PC 機或終端控制器上進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，判斷是哪種指標(biāo)發(fā)生異常，并對此做出正

28、確的處理。2.4.2 總線分配器應(yīng)用 總線分配器是農(nóng)業(yè)自動化的一個重要端口擴(kuò)展模塊，用于將總線進(jìn)行分配和擴(kuò)展，在總線分配器下可用于接相同或不同的終端設(shè)備，例如：濕度控制子系統(tǒng)，溫度控制子系統(tǒng)，光照控制子系統(tǒng)，CO2 控制子系統(tǒng)，水肥控制子系統(tǒng)，水流速子系統(tǒng)或另一個總線分類器。當(dāng)連接另一個總線分配器的時候，此系統(tǒng)又可繼續(xù)延伸擴(kuò)展下去，又可連接下一個濕度、溫度、光控、CO2 控制等子系統(tǒng)，實現(xiàn)多參數(shù)測量的目的，總共的參數(shù)與擴(kuò)展端口的個數(shù)的推導(dǎo)公式滿足 5n+1 的關(guān)系，其中：n 是總線分配器端口個數(shù)。如圖 2-5 圖所示，為總線分配器與 PC 上位機和終端子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)連接原理。圖 2-5 總線分配器

29、原理光照傳感器，CO2傳感器，土壤傳感器等檢測電路每隔 20s-30s 采集一次數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)顯示在 LED 上。當(dāng)采集的數(shù)值超過或者低于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的植物生長的最佳值，PC 機通過接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的處理。例如小麥的生長濕度一般為 75%左右為最佳，當(dāng)濕度低于 60%不利于小麥的生長，那么當(dāng)濕度低于 60%時，PC 機控制土壤機電控制器，從而進(jìn)行水補償；反之，但濕度大于 90%時不利于小麥的生長，水泵停止工作；當(dāng)濕度大于 95%甚至更高時，發(fā)生洪澇，此時，PC 機指揮水泵進(jìn)行抽水動作以保護(hù)小麥的合理生長環(huán)境。第 3 章 土壤濕度檢測電路單元設(shè)計本章將對土壤濕度檢測電路單元設(shè)計進(jìn)行分析和闡述。通

30、過對單信號源與雙信號源的差異分析，選取了適合開發(fā)條件的雙頻作為介電參數(shù)采集的信號源；借鑒對介電模型的討論結(jié)果，本章將較為詳細(xì)的介紹通用改進(jìn)模型，并對高、低頻等效電路的參數(shù)選取，電源轉(zhuǎn)換模塊，溫度采集模塊等給予分析設(shè)計。3.1 信號源選取 土壤成份比較復(fù)雜，它是水、空氣、土壤三者的混合物，其電特性參數(shù)包含電阻量、電容量和微量電感量17。現(xiàn)階段，主流的土壤濕度檢測儀都基本采用單頻率信號源作為探測信號，如基于頻域法的 SM2901，KM2802B，LT-CG-S/D 等系列水分傳感器，基于時域法的 GWI-AQUA-TEL-TDR 傳感器，基于駐波法的BZH12-SWR3 傳感器等。單頻率信號源在頻

31、率足夠高（大于 15.9MHz）時，容抗值會很小，在相對土壤濕度較高時，容抗值只有上百歐姆甚至幾十歐姆，而土壤中的阻抗值達(dá)到 10k 左右，兩者的并聯(lián)阻抗約等于容抗值。而根據(jù)結(jié)果表明：頻率在 100-500MHz 的范圍內(nèi)，土壤的微觀電特性具有很好的一致性，所以選擇 100MHz-500MHz 的高頻信號是比較好的單頻信號源。 單頻信號源的優(yōu)點在于信源單一，電路簡單，轉(zhuǎn)換為濕度時考慮的變量較少，便于快速計算，而不足之處在于易受土壤鹽度、金屬含量等導(dǎo)電介質(zhì)的影響18，因為導(dǎo)電介質(zhì)過高時，土壤阻抗急速下降，與容抗并聯(lián)后的阻抗將產(chǎn)生相對較大的波動，致使測量結(jié)果出現(xiàn)偏差。 本文采用雙頻信號源，雖然在電

32、路設(shè)計、信號處理和轉(zhuǎn)換等方面都更加復(fù)雜，但在一定程度上彌補單頻信號源的不足，為了保證測量的精度，必要的犧牲是值得的。值得注意的是，采用高、低雙頻對土壤電特性參數(shù)進(jìn)行檢測將受所選器件和芯片本身的限制19，能夠提供的信源受到一定的限制；根據(jù)土壤中的電抗特性可以推算出采信源頻率的選取應(yīng)該在（100kHz，300kHz），但雙頻時候若都選擇在此區(qū)間，則兩個頻率太接近而無法很好的分離而產(chǎn)生很強的信號干擾很難用濾波器濾除，選取雙頻信源時，較高頻率最好在較低頻率的 50 倍以上。3.2 農(nóng)田土壤濕度單元檢測總方案 如圖 3-1 是測量土壤濕度檢測總方案，MSP430 將低頻方波經(jīng)過整形，轉(zhuǎn)化成正弦波，正弦波

33、經(jīng)低通濾波器和運算放大器產(chǎn)生 4V 的正弦波，正弦波進(jìn)入到探針 A；MSP430 的外部高頻晶振經(jīng) 8 分頻后通過整形、高通濾波器和運算放大器產(chǎn)生 4V 正弦波同時進(jìn)入到探針 A 上。探針 A 上的信號經(jīng)過土壤介質(zhì)到達(dá)探針 B，探針 B 上的高、低頻信號分別經(jīng)過高通、低通濾波器網(wǎng)絡(luò)，分別進(jìn)入各自的選頻網(wǎng)絡(luò)，再經(jīng)過運放、整流、ADC 采樣后給 MSP430 中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。探針 T 將為空心鋼管，鋼管底端安放 DB18B20 溫度傳感器，探針 T 采集土壤的溫度，將溫度數(shù)據(jù)給單片機 MSP430，單片機將接收到的濕度信號和溫度信號經(jīng)過特定的算法轉(zhuǎn)換成“相對土壤濕度”，數(shù)據(jù)經(jīng)過串口、Zigbee

34、無線網(wǎng)絡(luò)提交給 PC機上，在 PC 機上進(jìn)行數(shù)字和模擬圖像顯示和實時監(jiān)測。圖 3-1 土壤濕度檢測總方案 3.3 土壤介質(zhì)等效模型 頻率在 1k10MHz 之間時，土壤中的寄生電容和寄生電感的參量在都非常小20，忽略這兩個參量從而建立了土壤濕度測量的數(shù)學(xué)模型如圖 3-2 所示：圖 3-2 土壤介質(zhì)模型 （3-1）其中，Cx、Rx 分別是土壤的電容值和電阻量，采用負(fù)載法測量運放的輸出電阻 Ro 為 42。3.4 土壤濕度檢測等效電路 用 T 型選頻網(wǎng)絡(luò)將高、低頻混合信號進(jìn)行分離，分離后的信號分別進(jìn)入集成運算放大器輸入端進(jìn)行信號加強，檢測通路如圖 3-3 所示：圖 3-3 高、低頻檢測通路3.4.

35、1 高頻等效電路 根據(jù)運放的虛短虛斷的概念將電路等效為如圖 3-4。圖 3-4 高頻等效電路 根據(jù)電流疊加定理知： (3-2)根據(jù)運放的虛斷概念知： (3-3)電流電路相關(guān)知識建立相關(guān)電路關(guān)系： (3-4) (3-5) (3-6) (3-7) MSP430 單片機內(nèi)部參考電壓 Vref 為 2.5V，單片機發(fā)送 2V 左右的方波經(jīng)波形轉(zhuǎn)換成 Vi=4V 正弦波，V是高頻信號采集的輸入點電壓，VH經(jīng)放大倍數(shù) AH的運放和半波整流到達(dá) 12 位 ADC（0212-1）中進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，則 ADC 端的電壓： （3-8） 而 ADC 內(nèi)部電壓關(guān)系有 （3-9）等效電路總阻抗 (3-10) 將式 (3-

36、2)， (3-3)， (3-4)，(3-5)，(3-6)帶入(3-7)中得：推導(dǎo)出 ZH的值：（3-11）將（3-8）帶入（3-11）中得： （3-12）AH： 高頻信道中集成運算放大器的放大倍數(shù) WH： 高頻信號頻率 RH： 高頻信號進(jìn)入運算放大器端的輸入阻抗 LH： 高頻濾波網(wǎng)絡(luò)電感參數(shù) CH： 高頻濾波網(wǎng)絡(luò)電容參數(shù) Vi： 高頻信號信源電壓，其值為 4V RO： 信源輸出阻抗 ZH： 高頻信號時探針兩端的等效阻抗 VHDAC：高頻信道 ADC 采樣電壓值3.4.2 低頻等效電路 同理將低頻同路電路等效為如圖 3-5：圖 3-5 低頻等效電路 根據(jù) 3.4.1 對高頻等效電路的分析，可以同

37、理推導(dǎo)出低頻等效電路中，得到低頻時探針兩端的等效阻抗： （3-13）AL： 高頻信道中集成運算放大器的放大倍數(shù) WL： 高頻信號頻率 RL： 高頻信號進(jìn)入運算放大器端的輸入阻抗 LL： 高頻濾波網(wǎng)絡(luò)電感參數(shù) CL： 高頻濾波網(wǎng)絡(luò)電容參數(shù) Vi： 高頻信號信源電壓，其值為 4V RO： 信源輸出阻抗 ZL： 高頻信號時探針兩端的等效阻抗 VLDAC：高頻信道 ADC 采樣電壓值3.5 溫度采集模塊 溫度對土壤水分含量的檢測的影響不容忽略，本系統(tǒng)中設(shè)計了溫度采集模塊，DS18B20 因其具有成本低，功耗低，檢測溫度寬度大，應(yīng)用電路簡單等諸多優(yōu)點而被廣泛的應(yīng)用21。其主要特性如下： (1) DS18

38、B20 在與微處理器進(jìn)行雙向通信時，僅需要一條口線即可。 (2) 使用 12 位 AD 轉(zhuǎn)換，可將 DS18B20 的精度升至 0.0625。 (3) 工作電壓寬度大，可在 3.0V5.5V 之間工作。 (4) 響應(yīng)速度快，在 12 位 AD 轉(zhuǎn)換時，750ms 內(nèi)可將模擬量轉(zhuǎn)化成數(shù)字量。 (5) “一線總線”，可將數(shù)據(jù)同時送到 CPU，傳送 CRC 效驗碼，提升了抗干擾能力。 (6) 集成度較高，體積小，可以安放在空心探針中。 DS18B20 由四部分組成：溫度傳感器、非揮發(fā)的溫度報警觸發(fā)器 TH 和 TL、配置寄存器、64 位光刻 ROM。DS18B20 的管腳排列如圖 3-6:圖 3-6

39、 DS18B20 引腳 第 4 章 實驗及分析 本章將對 8 種不同土壤類型進(jìn)行土壤濕度的測試，并將測試數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)成容值數(shù)據(jù)，最后將容值數(shù)據(jù)與濕度數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，構(gòu)建回歸方程，該回歸方程是容值轉(zhuǎn)換成的濕度值的核心方程。4.1 試驗土壤樣本 土壤樣本選自全國不同區(qū)域，不同特性的土質(zhì)，從南到北，選取了農(nóng)作物生長所在的絕大多數(shù)類型的土壤，土壤類型如表 4-1 所示。恒溫箱烘干法被認(rèn)為是最經(jīng)典和最準(zhǔn)確的方法，是國際公認(rèn)的測定土壤水分的標(biāo)準(zhǔn)方法，所有的土壤樣本均在恒溫箱內(nèi)進(jìn)行徹底的干燥，溫度設(shè)定為105，烘干時間為 8h。表 4-1 測試土壤及其特性參數(shù)4.2 試驗土壤配制 將烘干后將土壤加適當(dāng)?shù)乃謩e配

40、制成不同濕度的樣本土，因為植物生長的最佳濕度為 60%-85%，而在植物的育苗期需水量往往到達(dá) 90%甚至 100%，所以，準(zhǔn)確測量 60%-100%的含水量對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和自動化灌溉與控制有著至為重要的意義22，為此 30%-70%以 10%為最小刻度，70%-100%以 5%為最小刻度，最后設(shè)置一個 120%的濕度點。試驗土壤樣本如圖 4-1 所示：圖 4-1 標(biāo)準(zhǔn)土壤待測樣本4.4 土壤測試儀 電路經(jīng)過開模后將兩實心探針和一空心探針(頂端安置溫度傳感芯片)接到 PCB 電路板上，安裝相應(yīng)的配套防水工藝外殼使該測試儀具有一定防水能力，如圖 4-2 所示為開發(fā)后的土壤濕度檢測儀:圖 4-2 土壤

41、濕度檢測儀4.5 電壓-電容數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換 使用如圖 5-2 所示的已開模后的土壤濕度檢測儀對土壤進(jìn)行測試，試驗條件為室溫 20±3進(jìn)行測試（土壤溫度 t0約為 15），以黃土壤樣本為例，對每個濕度點采集到的電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計，測試 30 次后去掉 3 個最大值、3 個最小值后求平均值，將平均值統(tǒng)計為表 4-2。表 4-2 黃土壤電壓采集數(shù)據(jù)4.6 結(jié)論與建議本文從土壤的相對介電特性為入口，以土壤容值特性作為土壤相對濕度的研究基準(zhǔn)，提供了檢測土壤電特性的檢測方法，并與主流頻域法進(jìn)行了試驗對比分析，最終得到如下幾點結(jié)論： 1.本文從土壤相對濕度為研究出發(fā)點，對比了國內(nèi)外現(xiàn)階段不同的檢測方法和理

42、論，并針對各種方法的利弊提出容值表示相對土壤濕度的優(yōu)勢并對可行性進(jìn)行了分析，論證了利用雙頻來快速檢測相對土壤濕度具有高靈敏度、適應(yīng)寬度大受土壤土質(zhì)影響小等特點23，為在線式土壤濕度檢測提供了一個實用的檢測方法，同時為研制開發(fā)基于容值檢測土壤濕度傳感器提供了一定的理論依據(jù)。 2.本文以雙頻作為信號探測源，彌補了單頻作為信號源時易受土壤鹽度、金屬含量等導(dǎo)電介質(zhì)的影響。 3.當(dāng)土壤相對濕度較大時，土壤溫度對土壤濕度的影響不容忽視，論文考慮了溫度對檢測相對土壤濕度的影響并設(shè)計了溫度采集和溫度補償方案，試驗顯示，在相對土壤濕度較大情況下（60%以上）溫差在 10 攝氏度以上將對測試精度造成 1%以上的影

43、響24，可以推算在冬季和夏季或者對于溫差較大的試驗田中，溫度對試驗結(jié)果造成的影響可達(dá)到 5%以上（濕度和容重較大時），為此溫補補償顯得很有必要。 4.本文濕度檢測采用電容值法，經(jīng)過大量的數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸擬合，土壤電容值與相對土壤濕度滿足 0.2488ln(C ) 0.3821rXt，使用此公式可以很好的擬合絕大多數(shù)土質(zhì)的土壤，且在金屬含量較高的紅壤測量上表現(xiàn)比較并不遜色，在綜合測量精度上，平均誤差較小，并在農(nóng)作物生長范圍內(nèi)的濕度檢測誤差低于普通的水分檢測儀，非常適合應(yīng)用在農(nóng)業(yè)灌溉技術(shù)和系統(tǒng)中。 電容法為原理的土壤濕度檢測儀雖然有著相對較多的優(yōu)點，但是可以提高的部分仍然不少，例如，引入高精密的容值轉(zhuǎn)

44、換芯片（例如 acam 公司最新研發(fā)的Pcap01 芯片）將是一個發(fā)展趨勢；隨著科學(xué)的發(fā)展，在土壤濕度檢測領(lǐng)域中，使用動態(tài)的觀點建立土壤水?dāng)?shù)量與能量之間的關(guān)系，用質(zhì)量和能量守恒定律及多孔介質(zhì)中流體運動原理求土壤水分的動態(tài)將是未來農(nóng)作物灌溉的一個重大發(fā)展方向。參考文獻(xiàn)1 趙裕明, 田云, 史潔,等. 國內(nèi)外節(jié)水灌溉技術(shù)的發(fā)展及趨勢J. 黑龍江科技信息, 2014(30):244-244.2 左強. 農(nóng)業(yè)水資源利用與管理M. 高等教育出版社, 2003.3 高桂芹, 花家嘉, 趙景旺. Y干旱指數(shù)在冀東春旱監(jiān)測中的應(yīng)用J. 中國農(nóng)業(yè)氣象, 2009, 30(3):431-435.4 陳玉民, 孫景

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