基于GPS技術的土壤水分測量儀的研制與應用

毛文莉

(遼寧潤中供水有限責任公司，沈陽 110166)

基于GPS技術的土壤水分測量儀的研制與應用

毛文莉

(遼寧潤中供水有限責任公司，沈陽 110166)

針對精準農(nóng)業(yè)中實施節(jié)水灌溉的要求，研制了測量土壤含水量的定位測量儀。DATAFO-1測量儀的硬件由單片機、土壤水分探頭、GPS接受機、SMP水分傳感器、RS-232接口、鍵盤、LCD顯示、數(shù)據(jù)存儲器等組成。文章介紹了GPS數(shù)據(jù)的接受和處理方法，傳感器的輸出特征及程序設計方法。能夠對各類土壤水分進行在線實時測量，可應用于節(jié)水灌溉、精細農(nóng)業(yè)等，同時在水利、氣象等領域也有廣泛的應用。

土壤水分；精準農(nóng)業(yè)；節(jié)水灌溉；DATAFO—1測量儀；快速測量

在當前精準農(nóng)業(yè)的發(fā)展方向中，變量灌溉是其主要方向之一，是節(jié)水農(nóng)業(yè)的有力保障措施。為此，作者基于GPS定位技術，研制了土壤水分測量儀。這種儀器可以滿足當前精準農(nóng)業(yè)對農(nóng)田信息精確監(jiān)測的需求。其應用可以分為2個方面：①在田間采樣時，利用單片機系統(tǒng)的RS-232串行口，并連接GPS接收機上的串行口，可以實現(xiàn)與GPS接收機之間的通訊傳輸；同時，測量土壤含水量采用單片機的一個模擬信號作為輸入端口，與土壤水分傳感器—SMP探頭相連實現(xiàn)；然后，將GPS接收機上傳輸過來的的地理、位置、時間等數(shù)據(jù)結合，形成一個綜合的數(shù)據(jù)塊，并存儲在RAM 中，可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)及時傳輸?shù)缴衔粰C，進行數(shù)據(jù)處理；②田間采樣結束后，通過單片機的RS-232串行口，連接上位機的RS—232串行口，可以將保存在RAM中的數(shù)據(jù)塊輸?shù)缴衔粰C，實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理過程，并在計算上上生成土壤水分分布圖，用來監(jiān)測田間土壤墑情，實現(xiàn)變量精準灌溉[1]。

1 利用GPS接口實現(xiàn)變換坐標

1.1 系統(tǒng)配置接收機與接口

系統(tǒng)配置的接收機是GPS25接收機(OEM型、GARMIN公司研制生產(chǎn))。這種接收機采用的供電裝置是+5V電源，同時可以跟蹤12顆衛(wèi)星，用于獲取衛(wèi)星上的定位數(shù)據(jù)。其優(yōu)點是性價比高，功耗低，體積小，但是功能較強等特點。

同時，系統(tǒng)配置的接口是標準的RS一232C 串行接口，比如本系統(tǒng)用的是TXD1、RXD1接口。外部設備，如計算機、MCU 等，可以利用該接口對GPS25接收機進行參數(shù)設置，以及對GPS的定位數(shù)據(jù)直接進行接收。

1.2 定位數(shù)據(jù)的格式

GPS25接收機的定位數(shù)據(jù)格式采用NMEA一0183標準格式。GPS25接收機采用ASCII字符串，設計了多種語句格式，如GPGSV、GPGGA、GPRMC 以及GPGSA等格式。本系統(tǒng)設計時，采用的是GPRMC格式。這種格式包含了GPS的常見信息；也含有多個數(shù)據(jù)項，數(shù)據(jù)項與數(shù)據(jù)項之間用逗號分格。每條語句均以回車和換行符進行結尾[2]。

1.3 GPS變換坐標

GPS接收機中的坐標數(shù)據(jù)采用的是WGS—84坐標系，而我國采用的坐標系有北京-54坐標系、西安-80坐標系、當?shù)匾约捌渌矫孀鴺讼档取榱薌PS輸出的經(jīng)度、緯度和高度等位置數(shù)據(jù)與測量成果實現(xiàn)統(tǒng)一，GPS測量出的數(shù)據(jù)需進行坐標轉換。

1.3.1 大地坐標轉換成空間直角坐標

設任一地點M，GPS輸出的大地坐標為(B，L，H)，則空間直角坐標系(X，Y，Z)為：

X=(N+H)cosBcosL
Y=(N+H)cosBsinL
Z=[N-(1-e2)+H]sinB

(1)

式中：N代表橢圓球的曲率半徑；e代表橢圓球的第一偏心率。

1.3.2 不同坐標系之間的坐標轉換

不同坐標之間采用Bursa模型，一般通過求解7個轉換參數(shù)來實現(xiàn)轉換，即：

(2)

式中：x,y,z為新坐標系坐標；x′,y′,z′為原坐標系坐標；△x0,△y0,△z0為坐標系原點平移量，εx,εy,εz為旋轉參數(shù)，m表示尺度因子。

兩套坐標系間的坐標轉換只要知道所需7個參數(shù)值，就可以進行轉換。而在實際應用中，可以根據(jù)需要舍棄某些微量參數(shù)，如只選擇3、4、5或者6個參數(shù)就可以進行三維坐標系間的轉換。

2 水分傳感器的設計

2.1 所需含水量

(3)

2.2 SMP型傳感器理論依據(jù)

SMP型土壤水分傳感器具有使用簡單，直流輸入、直流輸出、輸出性能一致性好、測量經(jīng)度高、響應速度快等特點。傳感器外殼為全封閉設計，4根不銹鋼探針，圓柱式防水探頭，進行定點監(jiān)測和在線測量可直接插入或長期埋入土壤中使用，防水性好，不受腐蝕。

根據(jù)傳輸線理論，絕緣材料介電常數(shù)以及集合尺寸可以決定同軸傳輸線的特性阻抗Z0：

(4)

式中：R,r為屏蔽層與信號線之間的半徑。

如圖1，將一段土壤同軸線LS作為絕緣材料，并串接一段同軸線L0(已知介電常數(shù))，那么，位于分界面j處的反射系數(shù)ρ為：

ρ=(Zs-Z0)/(Zs+Z0)

(5)

式中：ZS、Z0分別為LS和L0的特性阻抗。

將正弦激勵電壓加入到L0的輸入端時，會產(chǎn)生一種駐波。當L0的長度為1/4波長，va代表激勵電壓的幅度時，輸入點電壓峰值為：

vi=va(1-ρ)

(6)

分界面j電壓峰值為：

vj=va(1+ρ)

(7)

因此，可以推導出：

vj-vi=2vaρ

(8)

(9)

式中：C為LS的結構常數(shù)。

圖1 同軸傳輸線理論電路原理圖

2.3 SMP型傳感器電路設計

根據(jù)SMP型傳感器理論，可以設計出電路原理圖。見圖2，即：電路的激勵信號為100 MHz正弦波，駐波的波谷和波峰分別位于L0的輸入端和分界面J；通過差分放大、輸出調節(jié)等技術手段，利用絕緣材料LS介電常數(shù)的變化值，轉換為輸出電壓的變化值。這樣就可以間接測定土壤含水量。

圖2 SMP土壤水分傳感器電路原理圖

3 手持式數(shù)據(jù)采集器的設計

3.1 數(shù)據(jù)采集器的菜單示意圖

圖3和圖4分別為數(shù)據(jù)采集器的按鍵布設及功能示意圖和測試的主界面。可以在實際操作中進行設定。

圖3 數(shù)據(jù)采集器按鍵布設及功能示意圖

圖4 數(shù)據(jù)采集器的測試主界面

3.2 上位機(電腦)軟件主界面

圖5為上位機軟件主界面，可以實現(xiàn)讀文件、存文件、取數(shù)據(jù)和退出，右側顯示小區(qū)號、采樣數(shù)以及平均體積含水量，左側的為各個采樣點的經(jīng)緯度和體積含水量。

圖5 上位機(電腦)軟件主界面

測量儀的軟件系統(tǒng)采用C51語言編程實現(xiàn)。程序通過FranklinC51編譯器編譯，并利用All-07固化器實現(xiàn)硬件實現(xiàn)。測量儀軟件系統(tǒng)的功能主要有：上位機通訊、數(shù)據(jù)存儲、 GPS數(shù)據(jù)接收與識別、鍵盤掃描、顯示以及水分信號的采樣計算等等。

4 試 驗

用本測量儀在遼寧省阜新縣建設鎮(zhèn)進行了土壤水分測定試驗。測量所得數(shù)據(jù)用ARCVIER軟件進行繪圖處理，圖6為該地的土壤水分分布圖，圖中顏色愈深，代表土壤的含水率愈高。由圖中可以看出，該地農(nóng)田中土壤水分分布是不均勻的，可以劃分成不同的區(qū)域。因此，在精準農(nóng)業(yè)中，不同的區(qū)域應采用差異灌溉，實現(xiàn)節(jié)水、高效、精準灌溉的目的。

圖6 土壤水分分布圖

5 結 語

土壤水分測量儀能對測量點位置精確定位的基礎上，實現(xiàn)對土壤含水率的快速測量。同時，在測量后續(xù)處理中，可以利用GIS軟件生成農(nóng)田土壤墑情分布圖，對精準農(nóng)業(yè)中高效節(jié)水灌溉提供直觀科學指導。此外，在今后的研究中，還可以在該測量儀的基礎上繼續(xù)研制土壤水分實時在線測量系統(tǒng)，以及田間滴灌、噴灌等的實時控制系統(tǒng)，從而為實現(xiàn)自動控制和節(jié)水高效灌溉提供新型途徑。

[1]李義,程本軍.基于土壤入滲模型的研究[J].黑龍江水利科技,2013,41(03):13-14.

[2]呂雄杰,陸文龍,宋治文，等.土壤水分空間變異研究[J].安徽農(nóng)業(yè)科學,2008,36(05):1999-2001.

1007-7596(2014)12-0031-03

2014-06-28

毛文莉(1985-)，女，湖北老河口人，工程師，從事水利工程管理和水資源合理利用研究。

S152.7

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