基于TDR的多參數耕地污染測量儀研究

摘要：以電磁波時域反射（TDR）為理論基礎，對已有的地質體參數原位檢測儀進行升級改造，使其更加適用于耕地土壤環境，研究基于TDR理論的多參數測試儀，著重闡述了復合式探頭的研制、儀器前端機的開發、高速數據采集與處理模塊以及數據通信模塊的設計與實現，從而對污染耕地的水、熱、電及基礎化學參數進行測量，為準確地評估耕地的污染情況打下基礎。

關鍵詞：耕地污染；電阻率檢測；測量儀

中圖分類號：S237 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2016）10-2652-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.10.051

Abstract：Using advanced design concept， achieved a number of new technological breakthroughs， developed more parameters in situ monitoring and data transmission system with the advanced level. On this basis， combining with the characteristics of multiple factors joint action in soil pollution evaluation， constructed soil information fusion model. Measuring the polluted soil property data， applied data fusion algorithm to the specific processing， thus extracted the valuable soil pollution index in a large number of discrete data.

Key words：cultivated land pollution； resistivity testing； measuring instrument

隨著中國經濟的發展，尤其是重工業的發展，使得環境所受到的影響持續加劇，而幾乎所有的污染成分最終會返回至土壤里，農業耕地污染是當前十分嚴峻的問題。由于受環境元素的復雜性、變異性及元素間相互作用、相互制約等諸多因素的影響，對耕地污染的界定和污染程度的評估存在定性和定量等方面的困難，使得對污染耕地的治理缺乏可靠的科學依據[1，2]。通過相對簡易的方法對污染耕地的范圍以及污染程度進行確定與評估，是當前的研究熱點。近年來，研究者通過引入土壤電阻率法，對土體的污染范圍和擴散規律進行檢測和推定，并取得一些成果[3，4]。土壤電阻率是多因素綜合作用的復雜過程，單獨考量電阻率來評估耕地的污染是不科學的，必須綜合考慮土壤的各類參數。馮蒼旭[5]提出了地質體多參數原位自動監測的測量方法，陳偉[6]以TDR理論為依據研制了土壤多參數聯合監測儀器。測量得到的數據可以通過融合技術，分析各參數之間的關聯性，更加準確地評估污染區的污染情況[7]。本研究在此基礎上，引入電磁波時域反射理論，對現有的地質體參數原位檢測儀進行改進和優化，使其更加適用于耕地土壤環境的特點，實現對污染耕地的水、熱、電參數準確簡便測量，從而為下一步數據融合及污染評估打下基礎。

1 測量原理分析

耕地污染相關的參數有許多種，其中較為主要的包括：①耕地土壤的水屬性，相關的參數由土壤中的水微流速、含水率等；②耕地土壤的熱屬性，相關參數為土壤溫度和熱導率；③耕地土壤的電屬性，主要參數即為土壤的電阻率。已經證實以上的所有屬性均能夠體現出耕地污染的分布情況與嚴重程度[6]。在耕地污染評估時，如果僅僅以電阻率對耕地受污染程度和范圍進行評估，其準確率尚顯不足。對耕地土壤樣本的多個參數（水屬性、熱屬性、電屬性）進行綜合評價，并分析諸多參數互相的影響與聯系，進而形成基于多參數融合的耕地污染評估模型。

TDR（電磁波時域反射理論）發射源所發出的電磁脈沖傳輸至土壤里并繼續向前傳播，而傳播的過程所反饋的一些數值可以較為精確地體現出土壤的電阻率。耕地土壤均擁有特定的電阻率，這是其獨特的性質，而電阻率的具體數值則與其內部的多個因素相關。基于TDR原理的采集卡捕捉并分析處理反射波，最終得到測量對象的電阻率，并將該值存儲至存儲單元中。溫感單元能夠準確獲取測量目標的土溫數據，將該值視為測量目標的實時溫度。污染耕地熱導率的測量是通過獲取熱脈沖發出并持續一定時間的溫度數據，計算溫度參數相對于時間參數的線性回歸，最終獲取測量的熱導率數據，結合含水率與熱導率的關系獲取含水率數據。在已經獲取了污染耕地熱導率與含水率的前提下，通過測量探針之間的溫度差就能最終獲取污染耕地的微流速數據[5]。

2 儀器結構與工作流程

測量儀應能夠對土壤以下主要參數進行測量，包括有：土壤含水的微流速、含水率、實時溫度、熱導率、電阻率。監測儀器主要由電源、信號源、信號接收裝置、模擬數字轉換裝置以及存儲和控制設備等電路共同構成，其中信號源產生測量土壤參數所需的脈沖波。信號接收裝置不但含有反射波的接受器件，也含有溫度數據和時間的檢測器件。為了減少系統功耗和增強使用靈活性，通過8052單片機來實現測量、模數轉換以及自控，從而使系統的體積盡可能降低，增強其易用性。存儲和控制裝置則含有定時功能與測量功能，借助DS12887實現系統的定時功能，具體的測量與控制通過中央處理單元加外部控制模塊共同構成。前端設備以232接口和外部電腦終端進行通信，同時也支持以GPRS無線傳輸的方式進行數據傳遞。圖1為其組成結構。

前端機把從測量目標中獲取的具體信息存儲進RAM中，同時在定時芯片中寫入下1個數據獲取的時間點，結合程序中的相關事件與參數觸發監測的具體流程。該功能涵蓋了測量脈沖的產生以及各類參數的測量，因此其作用十分關鍵。圖2所示為其具體的工作流程。

3 關鍵部件的設計與實現

3.1 復合式探頭的研制

3.1.1 熱脈沖傳感器 基于物理學的熱傳導理論，復合式探頭由3根探針構成[5，6]。其中，位置在中央的探針充當脈沖發生單元，而兩側的探針配置了溫度傳感單元，能夠實時獲取被側目標的溫度與溫差數據。在具體的實現中，以不銹鋼管作為探針的組成材料。在探針之內設置加熱絲以及溫感單元，這些部件都會影響到探針的直徑尺寸。而其直徑直接與其長度相關，因此對于探針的要求是其長度與直徑的比值必須超過30。探針的內徑與外徑分別為2.5和3.5 mm，管壁厚0.5 mm。

熱脈沖傳感器在測量中需要完成：熱脈沖的產生、溫度及溫差值的獲取等，因此溫感單元是必要的部件之一。本研究選取基于PN的溫感單元，優點是輸出信號的強度與靈敏度均比較好。為了保證測量精度，在溫感單元的設計上，除正向電壓外，還增設了10 μA正向恒流。

3.1.2 TDR探頭的設計與實現 探頭使用的是標準同軸電纜。同軸電纜的作用首先是進行信號的傳導，其次是作為探頭。同軸電纜的最中央部分是金屬芯線作為正極；第二層至第四層依次為介電體、屏蔽層、保護層，其中將屏蔽層作為負極。因為是對耕地的電阻率進行測量，所以利用同軸電纜的正負極作為探針?？紤]到測量儀的探針與TDR探針無論是構成還是材料均比較接近，將二者組合成復合式探頭。時域反射理論所研發的探針專門測量耕地中的反射波，假若其探針的長度不足，就不能夠在電磁波時間差的測量上達到所需的精度；但是如果探針長度過大，又會因為電阻率效應而導致信號大幅衰減。綜合考慮后，圖3所示為最終確定的探頭結構。

由圖3可知，探頭上的探針是3個不銹鋼器件構成的，探頭探針的內徑與外徑分別為3.5和2.5 mm，管壁厚0.5 mm。其中，位居中央的探針和同軸電纜正極相互連接，其余的則和其負極連接。

3.2 儀器前端機的開發

儀器前端機由6個單元構成：電源供給單元、晶振時鐘單元、中央處理單元、數據采集單元、控制單元、通信單元。在實際測量中，需要獲取4個參量值，所有的數據共用采集單元，單元的采集速度較慢，優勢是精度能夠達到較高的值，中央處理單元選用8052單片機。該單元內置了模數轉換等功能，系統的性能和集成度均較優異?；?052單片機的中央處理單元而開發的熱脈沖采集單元如圖4所示。

3.2.1 熱脈沖測量單元 主要測量目標的實時溫度、溫差以及時間，其中通過內置的定時單元進行時間的測量。具體的實現是基于8052單片機，通過其多路控制寄存單元的選擇，對信號放大倍數進行控制，如果放大倍率是32，則測量溫度參量值；放大倍率是128，則測量溫差值。

3.2.2 熱脈沖控制單元 該單元的核心是8052單片機，文獻[5]所開發的系統采用了MSC1210單片機，考慮到MSC1210管腳的名稱和功能與傳統的8052單片機是一樣的，但MSC1210添加了一些管腳用來支持其特定的功能，而該系統目前不涉及這些功能，出于成本原因，最終選取了8052單片機。單元的主要組成部分是定時單元、通信單元以及熱脈沖發生器。圖5所示為熱脈沖控制模塊的流程。

其中，利用DS12887時鐘芯片實現定時電路，該芯片內部自帶晶體振蕩器及鋰電池，除具有時鐘功能外，它還具有114字節的通用RAM，并與廣泛應用的DS1287、MC146818B腳對腳兼容。在振蕩器的選擇上，最終選用了工作頻率為12 MHz，如果振蕩器出現微弱的誤差，則以軟件調節的方式（數字微調單元）對振蕩單元進行調整，通過這樣的調整可以在一定程度上避免因為芯片電阻存在的離散性而導致儀器的精度受到較大的影響。

3.2.3 TDR高速數據采集與處理模塊 在基于時域反射原理的測試進程里，只有控制發射源的上升斜率足夠大，才能更加準確地獲取接收信號，必須保證發射信號能夠在短時間內上升至一個較高的值，所以發射脈沖前沿應該比較陡峭。在研制脈沖發生單元的時候，全部采取了快速器件，用以實現信號發射源。經過比較，在發射信號單元里，采用的是UC3845振蕩芯片，結合設備的需求，與文獻[5]所開發的系統相比，該芯片降低了啟動電流，提高了最大工作頻率，完全滿足需求。因為在發射測試脈沖的時候，能夠提供能量，這樣可以激勵出比較理想的時域反射信號，所以應該提升測試信號的激勵水平。在該器件的設計里，引入的是并聯模式，選用了四路信號進行并聯處理，因此由于并聯的效果，輸出脈沖驅動力為單路的4倍，從而顯著增加了器件的承載力。

基于時域反射原理的測試對采樣元件的高頻參數要求比較高，器件的反射單元所擁有的輸入阻抗必須與探頭和信號源實現匹配。

在實地測量時，應該盡力提升模數轉換單元對被測目標進行采樣的頻度，從而能夠準確獲取時域反射信號，本研究引入的是等效采樣模式，雖然被測數據屬于不一樣的周期，但是對這些數據重新組合后，就能夠得到和時域反射信號等效的信息，從而實現對電阻率的測量。根據數據總線傳輸的原理，把采樣單元中所采集到的信息輸入至中央處理單元，調用相關的模塊實施數據的采集和處理。圖6所示為具體原理。

該儀器采取的是等效采樣的方法，這也是實現電阻率測量的核心技術之一。在實時采樣的過程中，以相同的時間間隔進行采樣。

3.2.4 TDR高速數據采集與處理模塊 設置的數據通信模式支持2類情況：第一類情況是系統與電腦直連的方式進行信息交互，文獻[6]采用了MAX3221芯片實現電平的轉換，如果不外接電容，價格偏貴。因此，本研究選取了ICL232將RS232電平（D9接口）轉換為TTL電平（單片機UART接口），其兼容性好，經濟適用。第二類情況是以移動通信GPRS網進行通信，從而實現測量目標現場的信息通過無線網絡傳輸至內中心站。

3.3 數據通信模塊

采用GPRS遠程數據傳輸機制來支持測量儀和遠程信息中心站之間的連接，GPRS通信體制能夠兼容多種網絡，包括TCP/IP網絡和X.25等。本研究最終選取了基于TCP/IP的協議來實現遠程數據通信，圖7所示為遠程數據通信結構。

由圖7可知，測量設備作為客戶端，中心站則作為主機端。測量儀的信號在GPRS網絡的支持下實現與中心站之間的通信。測量儀與中心站之間的信息交互具體流程為：在TCP的對象中設置兩個對象，一是TcpListener，二是TcpClient，以上2個對象能夠支持用戶的信息以數據流的形式進行網絡傳輸。所以，中心站端定義TcpListener，通過IP與端口號進行初始化操作，而客戶端則定義TcpClient，以支持雙方發送和接收數據。下面分別從中心站和客戶端兩方面闡述通信流程的實現。

中心站端通信流程：

1）構建TcpListener，在函數頭文件中調用傳輸數據所需的線程函數。

2）以Socket函數的綁定功能將中心站的IP與傳輸數據所用端口號進行綁定，同時以listen函數監聽數據通信。

3）以Accept函數來接收客戶端連接請求信息，對請求信息進行響應，連接成功后創建用于數據發送的receive函數以及用于數據接收的send函數。

4）以fork函數存取來自客戶端的數據信息，在此函數的支持下把數據信息存儲到數據庫。

5）在傳輸結束之后，以CloseListen函數關閉步驟（2）的監聽函數。

客戶端通信流程：

1）構建TcpClient，在函數頭文件中調用傳輸數據所需的線程函數。

2）向服務端發出網絡連接的請求信號，接收到中心站端的確認信號后創建socket，同時以connect函數進行中心站連接。

3）創建用于數據發送的receive函數以及用于數據接收的send函數。

4）在傳輸結束之后，以CloseClient函數關閉Socket。

4 小結

本研究對已有的地質體參數原位檢測儀進行升級改造，以固體的熱傳導方程和電磁波時域反射理論（TDR）為理論基礎，設計的儀器可對污染耕地的含水率、孔隙率、溫度、熱導率、電阻率參數進行現場原位高精度測量。本研究所設計的測量儀獲取的各類土壤參數數據，在經過數據融合處理之后，能夠對耕地的污染情況進行評估，因此具有較好的應用前景。

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