土壤墑情信息采集終端設計研究

鐘健波

摘 要：基于頻域反射FDR原理監測土壤含水率，設計研究在線監測系統。RTU終端可設采樣周期和時間，根據需要召測采樣。采用標準的烘干稱重實驗對測量結果進行標定擬合。實現對土壤墑情實時連續檢測，對智能決策具有重要現實意義。

關鍵詞：FDR；在線監測；標定擬合

前言

將土壤中的監測探頭所測得的值叫做絕對含水率，土壤的絕對含水率通常有兩種表示方法：重量含水率與容積含水率，這里傳感器探測的是重量含水率。它的計算公式為：重量含水率=水分重/烘干土重×100%。重量含水率=容積含水率×土壤容重。可以根據這些關系來來轉換成所需要的物理量。土壤墑情監測是指定點定時對土壤含水量及水勢進行測定預測，及時了解土壤水分過多、適宜、缺少與嚴重缺乏等情況的一項經常性的農業基礎工作。做到連續檢測土壤含水量的變化，較好的反映土壤水分的變化趨勢[1]。適時掌握土壤墑情，對于合理灌溉、節約用水、抗旱保收具有重要的指導意義。在我國大部分地區粘壤的飽和含水量不會大于35%，壤土飽和含水量在31%左右，砂壤的飽和含水量不會超過30%。

1 結構框圖

監測采集系統結構由土壤墑情、雨量、蒸發量、溫濕度等前端探頭，電源部分，通訊模塊，微處理器以及相關接口組成。采集探頭可根據實際需要選擇。

圖1 結構框圖

2 墑情采集

頻域反射法（Frequency Domain Reflectometry），簡稱FDR法，是通過測量傳感器在土壤中因土壤介電常數的變化而引起頻率的變化來測量土壤的水分含量[2]。

FDR測量土壤含水量的原理：FDR的探針主要由一對電極組成一個電容，其間的土壤充當電介質，電容和振蕩器組成一個調諧電路。FDR用100MHz正弦曲線信號，通過特殊設計的傳輸線傳到FDR探頭，FDR探頭的阻抗依賴于土壤介質的介電常數。振幅最大時，FDR使用掃頻頻率來檢測共振頻率，土壤含水量不同，發生共振的頻率不同。測量這種振幅，通過振幅和土壤含水率的函數關系，然后利用函數關系進行土壤含水率推算。這些關系轉變為與土壤含水量對應成為三次多項式關系的電壓信號。同軸傳輸線的阻抗決定于它的物理尺寸和絕緣材料的介電常數？著。

其中r1和r2分別是信號導體和屏蔽導體的半徑。

傳感探頭供電電壓5～12VDC，工作電流25mA，測量范圍0～100%，輸出信號0～2.5VDC，工作溫度-20～65℃，精度±3%，特殊標定后±2%。接線為四線制，一組為電源輸入和信號輸出。

3 可選采集參數

通過對RTU配置，該通道可根據需要選擇。雨量桶兩線制，直接輸出開關信號，脈沖個數由微處理器計數。根據計數和雨量桶的計數單位可計算出雨量。蒸發器工作過程同雨量計，通過對補水翻斗脈沖計數折算出蒸發水量。溫、濕度兩線制，直接測量探頭電阻變化，變換出溫濕度。風速傳感器輸出頻率的信號，風向傳感器的變換器為碼盤和光電組件。當風標隨風向變化而轉動時，通過軸帶動碼盤在光電組件縫隙中轉動。產生的光電信號對應當時風向的格雷碼輸出。變換器采用精密導電塑料電位器，將檢測參量變換為0～5V或者4～20mA終端所需信號。

4 控制終端

XC95144XL高特性CPLD與ATmega128A作為采集控制芯片。ATmega128A是一款高性能、低功耗Atmel AVR八位微處理器。ATmega128為基于AVR RISC結構的8位低功耗CMOS微處理器。由于其先進的指令集以及單周期指令執行時間，ATmega128的數據吞吐率高達1MIPS/MHz，從而可以緩減系統在功耗和處理速度之間的矛盾。

微處理器統籌儀器的數據采集和處理、傳輸。通過內置A/D將傳感器采集過來的模擬信號轉換成數字信號，并按照預先設計的校正函數進行修正。控制發送模塊進行數據發送。

CPLD選用XC95144XL10TQ144C，其最高主頻可達178 MHz，144個宏單元和3200個可用門電路，其TQFP封裝有117個可用I/O引腳，滿足各種采集設計需要；實現異步存儲器Flash擴展；產生必要的邏輯控制和時序，通過DMA將數據從緩存區讀取SDRAM等。

通過GPRS模塊通過串口與微處理器相連，發送短信數據，根據召測或者定時回發采集數據至數據發布中心。

5 數據標定擬合

測量土壤飽和含水量和對應的電壓值：將傳感器插入土壤中，測量飽和電壓值。在墑情測站觀測場距傳感器1平米內，用鋁盒分別取10、20、40cm三個深度的土樣，取3個鋁盒，分別記錄鋁盒編號、盒重，取3份土樣放入鋁盒，分別記錄濕土+盒重。將3盒土樣放入烘干箱中，溫度105度進行恒溫烘干4-6小時。用烘干法測出其飽和含水量[3]。

土壤重量含水量計算公式：

式中θ為土壤重量含水量，w1為濕土+盒重，w2為干土+盒重，wo為鋁盒的重量。

表1 傳感器信號與含水率數據

傳感器輸出電壓信號0～2.25V對應的含水量0～0.32，通過三次多項公式回歸添加趨勢線確定標定關系。三次次多項式的方程轉換法標定：θ=-0.5603x3+1.7359x2+13.186x-0.148是此種壤土的特性曲線公式，x代表傳感器輸出電壓信號，θ代表含水量。RTU終端設備自動采集出一個X值通過此公式計算出土壤的含水量。土壤容重與土壤類型、形狀等密切相關，不同地區差異較大。為保證檢測準確和普遍性，需要對不同的地土質校核標定[4]。

6 結束語

在監測點按照10cm、20cm和40cm不同的深度埋設三個傳感器，通過傳感器測量出電壓信號和該標定的關系換算出來含水量的數據，真實反映出廣州該站點土壤墑情信息和趨勢。為墑情監測決策系統提供了實時、準確、連續的數據來源，提高了墑情監測、決策的自動化和智能化水平，有利于防災減災。

圖3 含水量在線監測數據1

圖4 含水量在線監測數據2

參考文獻

[1]張憲，姜晶.基于FDR技術的土壤水分傳感器設計[J].自動化技術與應用，2011，30（11）.

[2]基于頻域反射的土壤水分探測傳感器設計[J].傳感技術，2011，24（9）.

[3]SL 364-2006土壤墑情監測規范[S].北京：中國水利水電出版社，2006.

[4]江朝暉，檀春節.基于頻域反射法的便攜式土壤水分檢測儀研制[J].傳感器與微系統，2013，32（1）.endprint

摘 要：基于頻域反射FDR原理監測土壤含水率，設計研究在線監測系統。RTU終端可設采樣周期和時間，根據需要召測采樣。采用標準的烘干稱重實驗對測量結果進行標定擬合。實現對土壤墑情實時連續檢測，對智能決策具有重要現實意義。

關鍵詞：FDR；在線監測；標定擬合

前言

將土壤中的監測探頭所測得的值叫做絕對含水率，土壤的絕對含水率通常有兩種表示方法：重量含水率與容積含水率，這里傳感器探測的是重量含水率。它的計算公式為：重量含水率=水分重/烘干土重×100%。重量含水率=容積含水率×土壤容重。可以根據這些關系來來轉換成所需要的物理量。土壤墑情監測是指定點定時對土壤含水量及水勢進行測定預測，及時了解土壤水分過多、適宜、缺少與嚴重缺乏等情況的一項經常性的農業基礎工作。做到連續檢測土壤含水量的變化，較好的反映土壤水分的變化趨勢[1]。適時掌握土壤墑情，對于合理灌溉、節約用水、抗旱保收具有重要的指導意義。在我國大部分地區粘壤的飽和含水量不會大于35%，壤土飽和含水量在31%左右，砂壤的飽和含水量不會超過30%。

1 結構框圖

監測采集系統結構由土壤墑情、雨量、蒸發量、溫濕度等前端探頭，電源部分，通訊模塊，微處理器以及相關接口組成。采集探頭可根據實際需要選擇。

圖1 結構框圖

2 墑情采集

頻域反射法（Frequency Domain Reflectometry），簡稱FDR法，是通過測量傳感器在土壤中因土壤介電常數的變化而引起頻率的變化來測量土壤的水分含量[2]。

FDR測量土壤含水量的原理：FDR的探針主要由一對電極組成一個電容，其間的土壤充當電介質，電容和振蕩器組成一個調諧電路。FDR用100MHz正弦曲線信號，通過特殊設計的傳輸線傳到FDR探頭，FDR探頭的阻抗依賴于土壤介質的介電常數。振幅最大時，FDR使用掃頻頻率來檢測共振頻率，土壤含水量不同，發生共振的頻率不同。測量這種振幅，通過振幅和土壤含水率的函數關系，然后利用函數關系進行土壤含水率推算。這些關系轉變為與土壤含水量對應成為三次多項式關系的電壓信號。同軸傳輸線的阻抗決定于它的物理尺寸和絕緣材料的介電常數？著。

其中r1和r2分別是信號導體和屏蔽導體的半徑。

傳感探頭供電電壓5～12VDC，工作電流25mA，測量范圍0～100%，輸出信號0～2.5VDC，工作溫度-20～65℃，精度±3%，特殊標定后±2%。接線為四線制，一組為電源輸入和信號輸出。

3 可選采集參數

通過對RTU配置，該通道可根據需要選擇。雨量桶兩線制，直接輸出開關信號，脈沖個數由微處理器計數。根據計數和雨量桶的計數單位可計算出雨量。蒸發器工作過程同雨量計，通過對補水翻斗脈沖計數折算出蒸發水量。溫、濕度兩線制，直接測量探頭電阻變化，變換出溫濕度。風速傳感器輸出頻率的信號，風向傳感器的變換器為碼盤和光電組件。當風標隨風向變化而轉動時，通過軸帶動碼盤在光電組件縫隙中轉動。產生的光電信號對應當時風向的格雷碼輸出。變換器采用精密導電塑料電位器，將檢測參量變換為0～5V或者4～20mA終端所需信號。

4 控制終端

XC95144XL高特性CPLD與ATmega128A作為采集控制芯片。ATmega128A是一款高性能、低功耗Atmel AVR八位微處理器。ATmega128為基于AVR RISC結構的8位低功耗CMOS微處理器。由于其先進的指令集以及單周期指令執行時間，ATmega128的數據吞吐率高達1MIPS/MHz，從而可以緩減系統在功耗和處理速度之間的矛盾。

微處理器統籌儀器的數據采集和處理、傳輸。通過內置A/D將傳感器采集過來的模擬信號轉換成數字信號，并按照預先設計的校正函數進行修正。控制發送模塊進行數據發送。

CPLD選用XC95144XL10TQ144C，其最高主頻可達178 MHz，144個宏單元和3200個可用門電路，其TQFP封裝有117個可用I/O引腳，滿足各種采集設計需要；實現異步存儲器Flash擴展；產生必要的邏輯控制和時序，通過DMA將數據從緩存區讀取SDRAM等。

通過GPRS模塊通過串口與微處理器相連，發送短信數據，根據召測或者定時回發采集數據至數據發布中心。

5 數據標定擬合

測量土壤飽和含水量和對應的電壓值：將傳感器插入土壤中，測量飽和電壓值。在墑情測站觀測場距傳感器1平米內，用鋁盒分別取10、20、40cm三個深度的土樣，取3個鋁盒，分別記錄鋁盒編號、盒重，取3份土樣放入鋁盒，分別記錄濕土+盒重。將3盒土樣放入烘干箱中，溫度105度進行恒溫烘干4-6小時。用烘干法測出其飽和含水量[3]。

土壤重量含水量計算公式：

式中θ為土壤重量含水量，w1為濕土+盒重，w2為干土+盒重，wo為鋁盒的重量。

表1 傳感器信號與含水率數據

傳感器輸出電壓信號0～2.25V對應的含水量0～0.32，通過三次多項公式回歸添加趨勢線確定標定關系。三次次多項式的方程轉換法標定：θ=-0.5603x3+1.7359x2+13.186x-0.148是此種壤土的特性曲線公式，x代表傳感器輸出電壓信號，θ代表含水量。RTU終端設備自動采集出一個X值通過此公式計算出土壤的含水量。土壤容重與土壤類型、形狀等密切相關，不同地區差異較大。為保證檢測準確和普遍性，需要對不同的地土質校核標定[4]。

6 結束語

在監測點按照10cm、20cm和40cm不同的深度埋設三個傳感器，通過傳感器測量出電壓信號和該標定的關系換算出來含水量的數據，真實反映出廣州該站點土壤墑情信息和趨勢。為墑情監測決策系統提供了實時、準確、連續的數據來源，提高了墑情監測、決策的自動化和智能化水平，有利于防災減災。

圖3 含水量在線監測數據1

圖4 含水量在線監測數據2

參考文獻

[1]張憲，姜晶.基于FDR技術的土壤水分傳感器設計[J].自動化技術與應用，2011，30（11）.

[2]基于頻域反射的土壤水分探測傳感器設計[J].傳感技術，2011，24（9）.

[3]SL 364-2006土壤墑情監測規范[S].北京：中國水利水電出版社，2006.

[4]江朝暉，檀春節.基于頻域反射法的便攜式土壤水分檢測儀研制[J].傳感器與微系統，2013，32（1）.endprint

摘 要：基于頻域反射FDR原理監測土壤含水率，設計研究在線監測系統。RTU終端可設采樣周期和時間，根據需要召測采樣。采用標準的烘干稱重實驗對測量結果進行標定擬合。實現對土壤墑情實時連續檢測，對智能決策具有重要現實意義。

關鍵詞：FDR；在線監測；標定擬合

前言

將土壤中的監測探頭所測得的值叫做絕對含水率，土壤的絕對含水率通常有兩種表示方法：重量含水率與容積含水率，這里傳感器探測的是重量含水率。它的計算公式為：重量含水率=水分重/烘干土重×100%。重量含水率=容積含水率×土壤容重。可以根據這些關系來來轉換成所需要的物理量。土壤墑情監測是指定點定時對土壤含水量及水勢進行測定預測，及時了解土壤水分過多、適宜、缺少與嚴重缺乏等情況的一項經常性的農業基礎工作。做到連續檢測土壤含水量的變化，較好的反映土壤水分的變化趨勢[1]。適時掌握土壤墑情，對于合理灌溉、節約用水、抗旱保收具有重要的指導意義。在我國大部分地區粘壤的飽和含水量不會大于35%，壤土飽和含水量在31%左右，砂壤的飽和含水量不會超過30%。

1 結構框圖

監測采集系統結構由土壤墑情、雨量、蒸發量、溫濕度等前端探頭，電源部分，通訊模塊，微處理器以及相關接口組成。采集探頭可根據實際需要選擇。

圖1 結構框圖

2 墑情采集

頻域反射法（Frequency Domain Reflectometry），簡稱FDR法，是通過測量傳感器在土壤中因土壤介電常數的變化而引起頻率的變化來測量土壤的水分含量[2]。

FDR測量土壤含水量的原理：FDR的探針主要由一對電極組成一個電容，其間的土壤充當電介質，電容和振蕩器組成一個調諧電路。FDR用100MHz正弦曲線信號，通過特殊設計的傳輸線傳到FDR探頭，FDR探頭的阻抗依賴于土壤介質的介電常數。振幅最大時，FDR使用掃頻頻率來檢測共振頻率，土壤含水量不同，發生共振的頻率不同。測量這種振幅，通過振幅和土壤含水率的函數關系，然后利用函數關系進行土壤含水率推算。這些關系轉變為與土壤含水量對應成為三次多項式關系的電壓信號。同軸傳輸線的阻抗決定于它的物理尺寸和絕緣材料的介電常數？著。

其中r1和r2分別是信號導體和屏蔽導體的半徑。

傳感探頭供電電壓5～12VDC，工作電流25mA，測量范圍0～100%，輸出信號0～2.5VDC，工作溫度-20～65℃，精度±3%，特殊標定后±2%。接線為四線制，一組為電源輸入和信號輸出。

3 可選采集參數

通過對RTU配置，該通道可根據需要選擇。雨量桶兩線制，直接輸出開關信號，脈沖個數由微處理器計數。根據計數和雨量桶的計數單位可計算出雨量。蒸發器工作過程同雨量計，通過對補水翻斗脈沖計數折算出蒸發水量。溫、濕度兩線制，直接測量探頭電阻變化，變換出溫濕度。風速傳感器輸出頻率的信號，風向傳感器的變換器為碼盤和光電組件。當風標隨風向變化而轉動時，通過軸帶動碼盤在光電組件縫隙中轉動。產生的光電信號對應當時風向的格雷碼輸出。變換器采用精密導電塑料電位器，將檢測參量變換為0～5V或者4～20mA終端所需信號。

4 控制終端

XC95144XL高特性CPLD與ATmega128A作為采集控制芯片。ATmega128A是一款高性能、低功耗Atmel AVR八位微處理器。ATmega128為基于AVR RISC結構的8位低功耗CMOS微處理器。由于其先進的指令集以及單周期指令執行時間，ATmega128的數據吞吐率高達1MIPS/MHz，從而可以緩減系統在功耗和處理速度之間的矛盾。

微處理器統籌儀器的數據采集和處理、傳輸。通過內置A/D將傳感器采集過來的模擬信號轉換成數字信號，并按照預先設計的校正函數進行修正。控制發送模塊進行數據發送。

CPLD選用XC95144XL10TQ144C，其最高主頻可達178 MHz，144個宏單元和3200個可用門電路，其TQFP封裝有117個可用I/O引腳，滿足各種采集設計需要；實現異步存儲器Flash擴展；產生必要的邏輯控制和時序，通過DMA將數據從緩存區讀取SDRAM等。

通過GPRS模塊通過串口與微處理器相連，發送短信數據，根據召測或者定時回發采集數據至數據發布中心。

5 數據標定擬合

測量土壤飽和含水量和對應的電壓值：將傳感器插入土壤中，測量飽和電壓值。在墑情測站觀測場距傳感器1平米內，用鋁盒分別取10、20、40cm三個深度的土樣，取3個鋁盒，分別記錄鋁盒編號、盒重，取3份土樣放入鋁盒，分別記錄濕土+盒重。將3盒土樣放入烘干箱中，溫度105度進行恒溫烘干4-6小時。用烘干法測出其飽和含水量[3]。

土壤重量含水量計算公式：

式中θ為土壤重量含水量，w1為濕土+盒重，w2為干土+盒重，wo為鋁盒的重量。

表1 傳感器信號與含水率數據

傳感器輸出電壓信號0～2.25V對應的含水量0～0.32，通過三次多項公式回歸添加趨勢線確定標定關系。三次次多項式的方程轉換法標定：θ=-0.5603x3+1.7359x2+13.186x-0.148是此種壤土的特性曲線公式，x代表傳感器輸出電壓信號，θ代表含水量。RTU終端設備自動采集出一個X值通過此公式計算出土壤的含水量。土壤容重與土壤類型、形狀等密切相關，不同地區差異較大。為保證檢測準確和普遍性，需要對不同的地土質校核標定[4]。

6 結束語

在監測點按照10cm、20cm和40cm不同的深度埋設三個傳感器，通過傳感器測量出電壓信號和該標定的關系換算出來含水量的數據，真實反映出廣州該站點土壤墑情信息和趨勢。為墑情監測決策系統提供了實時、準確、連續的數據來源，提高了墑情監測、決策的自動化和智能化水平，有利于防災減災。

圖3 含水量在線監測數據1

圖4 含水量在線監測數據2

參考文獻

[1]張憲，姜晶.基于FDR技術的土壤水分傳感器設計[J].自動化技術與應用，2011，30（11）.

[2]基于頻域反射的土壤水分探測傳感器設計[J].傳感技術，2011，24（9）.

[3]SL 364-2006土壤墑情監測規范[S].北京：中國水利水電出版社，2006.

[4]江朝暉，檀春節.基于頻域反射法的便攜式土壤水分檢測儀研制[J].傳感器與微系統，2013，32（1）.endprint