基于频域反射法的便携式土壤水分检测仪研制*

江朝晖，檀春节，支孝勤，王春生，马友华

(1.安徽农业大学 农业信息学安徽省重点实验室，安徽 合肥230036;2.安徽农业大学 资源环境与信息技术研究所，安徽 合肥230036)

0 引 言

土壤的水分含量、耕作特性等对农作物的产量影响很大，因此，在每年的春播、秋种时节要及时、准确地获得土壤墒情，以便合理安排灌溉。土壤含水量是土壤墒情的重要指标，土壤含水量的准确、实时检测是现代农业面临的课题之一［1］，既要求对土壤湿度的准确性、均匀性、波动性进行客观的计量检测，同时又有快速、方便、规范化等要求［2］。土壤水分测量经历了一个漫长的发展过程［3］:传统的人工测量不仅要耗费大量的人力、物力，而且时效性较差;各种机械式湿度记录仪或巡检仪体积庞大、精度低、响应时间长，且容易出现故障;采用高分子湿敏电容器或湿敏电阻器作为湿度传感器，虽然提高了测量的精度，但是测量电路复杂，给应用带来了诸多不便。目前，新的水分检测原理研究和新型土壤水分传感器设计取得了长足的进展，在此基础上应用现代电子、计算机和通信技术设计研制了各种高性能的土壤水分检测装备［4～8］。

尽管固定式墒情监测系统具有精度高、功能齐全、监测面广等优势，但其主要不足在于从固定点采集的墒情信息不能良好地反映耕地的正常使用状况。而手持式土壤水分测量仪则克服了这一缺点，且性价比高，方便农技、科研人员使用和推广，具有广泛的市场需求和广阔的应用前景。但是现有的便携式土壤水分测量仪器大都具有以下特点:测量数据先保存在存储器或SD 卡中，测量结束后将数据导入计算机进行后续处理，不仅易发生数据丢失，而且测量数据不能及时应用;缺乏测量位置、实时时间等辅助信息的自动获取，测量时由人工或其他设备记录测量位置，根据人工或测量仪器时钟获得测量时间，容易引起数据错乱和误差，不利于与GIS 系统自动结合;另外，在传感器选用、测量结果校正等方面也存在不足。本文基于频域反射(FDR)原理、采用GPS/GPRS/GSM 技术、结合标准的实验校正方法，研制一种新型的便携式土壤水分检测仪。

1 总体架构与功能

便携式土壤水分检测仪由土壤水分传感器、GPS 信息接收模块、微处理控制器模块、键盘/显示模块、GPRS/GSM通信模块、可充电电源模块和相应软件组成，如图1 所示。

图1 土壤水分检测仪总体结构Fig 1 Overall structure of soil moisture detector

土壤水分传感器输出模拟的相对湿度信号，经A/D 转换输入到微处理控制器;GPS 接收模块通过串口连接微处理控制器，获取经度、维度和实时时间;LCD 屏显示容积含水量、检测点位置、检测时间以及其他操作、提示信息;GPRS/GSM 模块通过串口与微处理控制器相连，发送数据报或短信;微处理控制器统筹上述各模块工作，并负责原始水分数据的校正处理、GPS 信息解析、数据打包和通信联络;电源模块给上述各模块供电，外接充电器。

有2 种信息传输模式供选择:通过GPRS 模式可将所有信息实时传输给远程数据中心，由数据中心进行进一步的处理和应用;通过GSM 模式可将所有信息发送给多个手机用户，便于责任人及时了解墒情动态。

2 功能模块设计

2.1 土壤水分传感器

基于介电法原理的土壤水分测量主要有时域反射(time domain reflectometry，TDR)测量法、频域反射(frequency domain reflectometry，FDR)测量法。与 TDR 相比，FDR 在电极几何形状设计和工作频率选取上有更大的自由度，校准和自动连续监测更容易，测量精度较高，因此，采用FDR原理的土壤水分传感器更适合实际生产的需求。FDR 是根据电磁波在介质中传播频率来测量土壤的表观介电常数ε，从而得到土壤容积含水量θV。传感器简化模型如图2 所示。FDR 探针等效为一个电容器，其间的土壤充当电介质，电容器和振荡器组成一个调谐电路。高频振荡电路产生几十至几百兆赫的正弦信号，通过同轴电缆传输线传送到探头，根据扫频电路检测共振频率［9～11］。

图2 土壤水分传感器模型Fig 2 Model of soil moisture sensor

根据此模型，探针的等效阻抗Z0由式(1)表示，其中，C0为探针在空气中的等效电容，Zair为探针在空气中的等效阻抗，ε 为土壤的介电常数，ω 为角频率。Zc为同轴电缆传输线的阻抗，S11为反射系数，由式(2)定义，由式(2)可得式(3)，即 Z0与 Zc，S11的关系。将式(1)和式(3)结合，并按式(3)形式用空气中反射系数S11air表达Zair，则得到式(4)的ε。再根据式(5)计算土壤容积含水量θV

其中，a 和b 由土壤类型决定。

本设计采用一种电流输出型FDR 传感器，主要技术指标包括:量程为0%～100%，精度为±3%，响应时间＜2 s，外接5～12 V 直流电压，采用电流/电压转换电路将其输出电流转换成0～5 V 的电压信号。

2.2 GPS 接收与 GPRS/GSM 通信

当前GPS 接收技术与GPRS/GSM 通信技术较为成熟，已广泛应用在各种测量仪器中［5，12，13］。本设计选用一种集成了GPS/GPRS/GSM 功能的低功耗三合一模块，其中，GPS芯片是 GS-91，GPRS/GSM 芯片是 SIMCOM 公司的 SIM100，内置TCP/IP 协议，支持AT 指令集。GPS 模块通过串口将测试点地理位置信息送入微处理控制器，解析出精度、维度和时间，与测量的土壤水分数据整合，按照编码协议封装成数据帧，再以一定的流程编辑AT 指令，并将指令和数据帧发送至GPRS/ GSM 电路，实现 GPRS 与 Internet 的网络连接和数据传输。

考虑到农田水分监测的特殊性和实用性，短信每次可同时发送给多个(可设置)手机用户，并且在偏远地区通信信号质量不稳定时，通过握手信号建立数据重发机制。

2.3 控制处理模块

微控制/处理器采用STC12C5A60S2，它是一种高速/低功耗/超强抗干扰的新一代单片机，增强型8051 内核，单时钟/机器周期，8 路10 位高速A/D 转换，程序空间 60 kbyte，片上 1280byteRAM，双 UART 串口，通用 I/O 口 36 个，4 个16 位定时器，7 路外部中断，在系统可编程，工作电压为5.5～3.3 V，工作频率范围为0～35 MHz。

微控制/处理器统筹仪器的采集、处理、显示和远程传输。通过内置的A/D 转换器将土壤水分传感器送来的模拟电压信号转换为数字信号，并按照预先设计的校正函数进行修正，通过串口1 读取GPS 信息，并解析出经度、纬度和时间，将含水量、经度、纬度和时间信息在LCD 上显示，根据按键选择信息发送模式，按通信协议将含水量、经度、纬度和时间信息打包，通过串口2 以GPRS 或GSM 模式进行通信联络和数据传输。主程序与GPS 接收、GPRS 联络中断服务程序流程如图3 所示。

图3 软件流程图Fig 3 Software flow chart

2.4 电源模块

电源模块设计是便携式仪器的核心内容之一，需要综合考虑功耗、效率、重量/体积、成本以及使用方便性。本检测仪需要3 路不同的电压和带载能力，其中土壤水分传感器需要5～12 V 供电，单片机和 LCD 需要5 V 供压，GPS/GPRS/GSM 模块需要5～9 V 供电，且电流较大，在发送数据时大于1 A。电源模块框图见图4，选用一种5500 mAh 可充电的锂电池组作为供电电源，其电压范围较宽，达到4.5～8 V。设计2 路稳压电路，一路通过LM2577 升压作为GPS/GPRS/GSM 模块的电源，可获得较大电流，降低功耗;另一路采用LM2577 升压和LM1117 稳压，分别供给水分传感器和单片机/LCD 模块。LM2577 效率高，外围器件较少，设计方便。

图4 电源模块框图Fig 4 Block diagram of power supply module

3 校正与测试

3.1 实验校正

采用标准的烘干称重法进行仪器校正［2］。在实验室中配置不同含水量梯度的原状土土壤样品，分别用研制的水分检测仪和烘干称重法对每份样品进行测量和测定，每份样品各进行3 次。

对上述实验获得的数据，用Matlab 软件进行曲线拟合［8］，如图5 所示。经过反复实验和比较，获得式(6)的校正函数，固化在微处理程序中。

图5 实验校正曲线Fig 5 Experimental calibration curve

需要特别指出的是，现有的土壤水分传感器只能测量土壤的容积含水量，而土壤墒情监测和决策需要获知土壤的质量含水量，两者之间的关系见式(7)

土壤容重与土壤的类型、性状密切相关，不同地域的差异较大。因此，为了保证水分检测仪具有普遍适用性，容积含水量与质量含水量的换算放在数据中心(后台)进行，按照检测仪结果和测试点典型土壤容重自动换算。

3.2 实地测试

研制了一批便携式土壤水分检测仪样机，分别编号，在安徽省明光市进行了实地测试，部分结果见表1，结果表明:土壤容积含水量测量误差小于3 %，GPS 信息接收和GPRS/GSM 通信正常，检测仪充电一次可连续工作30 d 以上。目前，该检测仪已在明光市下属8 个乡镇农技站试用。

4 结束语

针对我国土壤墒情监测的现实需求和现有土壤水分检测仪器存在的局限，本文研制了一种多功能、便携式土壤水分检测仪，该多功能便携式土壤水分检测仪为墒情监测决策系统提供了实时、准确、广泛的数据来源，提高了墒情监测、决策的自动化和智能化水平，有利于防灾减灾，提高水资源利用率，促进粮食高产，具有较好的应用前景。

表1 安徽省明光市测试结果Tab 1 Test results

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