土壤墒情信息采集终端设计研究

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摘 要：基于频域反射FDR原理监测土壤含水率，设计研究在线监测系统。RTU终端可设采样周期和时间，根据需要召测采样。采用标准的烘干称重实验对测量结果进行标定拟合。实现对土壤墒情实时连续检测，对智能决策具有重要现实意义。

关键词：FDR；在线监测；标定拟合

前言

将土壤中的监测探头所测得的值叫做绝对含水率，土壤的绝对含水率通常有两种表示方法：重量含水率与容积含水率，这里传感器探测的是重量含水率。它的计算公式为：重量含水率=水分重/烘干土重×100%。重量含水率=容积含水率×土壤容重。可以根据这些关系来来转换成所需要的物理量。土壤墒情监测是指定点定时对土壤含水量及水势进行测定预测，及时了解土壤水分过多、适宜、缺少与严重缺乏等情况的一项经常性的农业基础工作。做到连续检测土壤含水量的变化，较好的反映土壤水分的变化趋势[1]。适时掌握土壤墒情，对于合理灌溉、节约用水、抗旱保收具有重要的指导意义。在我国大部分地区粘壤的饱和含水量不会大于35%，壤土饱和含水量在31%左右，砂壤的饱和含水量不会超过30%。

1 结构框图

监测采集系统结构由土壤墒情、雨量、蒸发量、温湿度等前端探头，电源部分，通讯模块，微处理器以及相关接口组成。采集探头可根据实际需要选择。

图1 结构框图

2 墒情采集

频域反射法（Frequency Domain Reflectometry），简称FDR法，是通过测量传感器在土壤中因土壤介电常数的变化而引起频率的变化来测量土壤的水分含量[2]。

FDR测量土壤含水量的原理：FDR的探针主要由一对电极组成一个电容，其间的土壤充当电介质，电容和振荡器组成一个调谐电路。FDR用100MHz正弦曲线信号，通过特殊设计的传输线传到FDR探头，FDR探头的阻抗依赖于土壤介质的介电常数。振幅最大时，FDR使用扫频频率来检测共振频率，土壤含水量不同，发生共振的频率不同。测量这种振幅，通过振幅和土壤含水率的函数关系，然后利用函数关系进行土壤含水率推算。这些关系转变为与土壤含水量对应成为三次多项式关系的电压信号。同轴传输线的阻抗决定于它的物理尺寸和绝缘材料的介电常数？着。

其中r1和r2分别是信号导体和屏蔽导体的半径。

传感探头供电电压5～12VDC，工作电流25mA，测量范围0～100%，输出信号0～2.5VDC，工作温度-20～65℃，精度±3%，特殊标定后±2%。接线为四线制，一组为电源输入和信号输出。

3 可选采集参数

通过对RTU配置，该通道可根据需要选择。雨量桶两线制，直接输出开关信号，脉冲个数由微处理器计数。根据计数和雨量桶的计数单位可计算出雨量。蒸发器工作过程同雨量计，通过对补水翻斗脉冲计数折算出蒸发水量。温、湿度两线制，直接测量探头电阻变化，变换出温湿度。风速传感器输出频率的信号，风向传感器的变换器为码盘和光电组件。当风标随风向变化而转动时，通过轴带动码盘在光电组件缝隙中转动。产生的光电信号对应当时风向的格雷码输出。变换器采用精密导电塑料电位器，将检测参量变换为0～5V或者4～20mA终端所需信号。

4 控制终端

XC95144XL高特性CPLD与ATmega128A作为采集控制芯片。ATmega128A是一款高性能、低功耗Atmel AVR八位微处理器。ATmega128为基于AVR RISC结构的8位低功耗CMOS微处理器。由于其先进的指令集以及单周期指令执行时间，ATmega128的数据吞吐率高达1MIPS/MHz，从而可以缓减系统在功耗和处理速度之间的矛盾。

微处理器统筹仪器的数据采集和处理、传输。通过内置A/D将传感器采集过来的模拟信号转换成数字信号，并按照预先设计的校正函数进行修正。控制发送模块进行数据发送。

CPLD选用XC95144XL10TQ144C，其最高主频可达178 MHz，144个宏单元和3200个可用门电路，其TQFP封装有117个可用I/O引脚，满足各种采集设计需要；实现异步存储器Flash扩展；产生必要的逻辑控制和时序，通过DMA将数据从缓存区读取SDRAM等。

通过GPRS模块通过串口与微处理器相连，发送短信数据，根据召测或者定时回发采集数据至数据中心。

5 数据标定拟合

测量土壤饱和含水量和对应的电压值：将传感器插入土壤中，测量饱和电压值。在墒情测站观测场距传感器1平米内，用铝盒分别取10、20、40cm三个深度的土样，取3个铝盒，分别记录铝盒编号、盒重，取3份土样放入铝盒，分别记录湿土+盒重。将3盒土样放入烘干箱中，温度105度进行恒温烘干4-6小时。用烘干法测出其饱和含水量[3]。

土壤重量含水量计算公式：

式中θ为土壤重量含水量，w1为湿土+盒重，w2为干土+盒重，wo为铝盒的重量。

表1 传感器信号与含水率数据

传感器输出电压信号0～2.25V对应的含水量0～0.32，通过三次多项公式回归添加趋势线确定标定关系。三次次多项式的方程转换法标定：θ=-0.5603x3+1.7359x2+13.186x-0.148是此种壤土的特性曲线公式，x代表传感器输出电压信号，θ代表含水量。RTU终端设备自动采集出一个X值通过此公式计算出土壤的含水量。土壤容重与土壤类型、形状等密切相关，不同地区差异较大。为保证检测准确和普遍性，需要对不同的地土质校核标定[4]。

6 结束语

在监测点按照10cm、20cm和40cm不同的深度埋设三个传感器，通过传感器测量出电压信号和该标定的关系换算出来含水量的数据，真实反映出广州该站点土壤墒情信息和趋势。为墒情监测决策系统提供了实时、准确、连续的数据来源，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。

图3 含水量在线监测数据1

图4 含水量在线监测数据2

参考文献

[1]张宪，姜晶.基于FDR技术的土壤水分传感器设计[J].自动化技术与应用，2011，30（11）.

[2]基于频域反射的土壤水分探测传感器设计[J].传感技术，2011，24（9）.

[3]SL 364-2006土壤墒情监测规范[S].北京：中国水利水电出版社，2006.

[4]江朝晖，檀春节.基于频域反射法的便携式土壤水分检测仪研制[J].传感器与微系统，2013，32（1）.