太陽能供電的土壤剖面水分動態原位自動監測系統的研制

向 陽，于 淞，徐 嬙，程相林，朱玉帆，勞彩蓮，顏小飛，程 強

太陽能供電的土壤剖面水分動態原位自動監測系統的研制

向 陽1，于 淞1，徐 嬙1，程相林1，朱玉帆1，勞彩蓮1，顏小飛2，程 強1※

（1. 中國農業大學信息與電氣工程學院，北京 100083； 2.北京林業大學工學院，北京 100083）

目前，商業化的土壤水分傳感器在野外觀測土壤剖面含水率時仍然存在測量深度不可調節、多傳感器探頭之間的互換誤差、野外長期監測供電困難、成本較高等問題。為此，該研究設計并研制了一種太陽能供電的可實現野外長期工作的介電管式土壤剖面水分原位自動監測系統。該系統組成包括：傳感器模塊、主控模塊、太陽能供電模塊和參數設置軟件。測量時，先將PVC管垂直安裝至待測土壤中，安裝過程不擾動土壤結構，主控與存儲模塊控制土壤含水率傳感器在PVC管中上下移動測量土壤含水率，并同步記錄土壤深度。此外，該系統可以根據實際需求通過PC機參數設置軟件進行靈活設定測量參數（傳感器測量深度、測量深度間隔和測量周期）。針對該系統的性能與測量精度開展了相關測試與觀測試驗，功耗測試結果表明該系統待機功率為0.35 W，工作功率為1.4 W，太陽能電池板最大輸出功率為5 W，太陽能電池板和鋰電池配合供電的情況下能實現長時間續航；土壤含水率傳感器在砂土和粉壤土中的標定試驗表明：該系統測量結果與實際土壤體積含水率高度吻合，標定曲線決定系數2均大于0.99；經過校正后，該系統探頭深度定位的標準偏差在0.2 cm以內。在兩種質地土壤的滴灌試驗結果表明：該系統分別在6和15 mL/min兩種滴水速率下均能準確獲取土壤剖面含水率的動態變化過程，為觀測作物生長狀態和根區水分變化、制定合理的灌溉策略以及研究并檢驗土壤入滲水動態模型提供了可靠的技術支持和保障。

土壤水分；傳感器；土壤剖面；低功耗；太陽能供電；原位自動監測

0 引 言

土壤含水率是反映土壤墑情狀況的一個重要參數，不僅影響水分的入滲、再分布、表層水分蒸發和植物的蒸騰作用，同時也對許多生物基本的生化過程有著重要的影響[1-3]。土壤水分在空間和時間上都具有很強的變異性，而土壤垂直方向的空間變異顯著強于水平方向[4]。由于土壤剖面水分分布不均勻，植物根系的密度分布和吸水能力受到不同深度土壤含水率的影響[5-6]。例如，冬小麥的根系主要分布在0～40 cm土層中，最深可達100 cm；蘋果樹的根系主要分布在0～80 cm中，最深可達200 cm[7-10]。因此，實時獲取土壤剖面水分的變化無論對判斷植物水分狀態、預判最佳灌溉時間等科學研究還是對農業生產管理都有重要指導意義[11]。

近幾十年來各種不同的土壤含水率測定方法應運而生[1,12]。其中基于介電原理的測量方法以其操作便捷、測量精度較高等優點被廣泛關注[13-17]。為了快速獲取準確的土壤水分信息，學者們進行了大量相關研究[11,18-23]。針對土壤垂直剖面的水分信息測量，Sun等[14]設計了一種停走式土壤水分-阻力復合式圓錐指數儀，實現了不同深度土壤含水率的測量，但是該設備是半自動化測量，體積較大，耗費人力，且不能進行長期定點觀測。Evett等[24]在垂直方向上按照一定間隔安裝多個傳感器測量土壤剖面水分信息，但是使用多個探頭安裝不方便、傳感器之間存在互換誤差且只能定點測量。TRIME公司生產的管式TDR（T3 44-mm Tube Access Probe）可實現不同深度的土壤含水率測量，但是測量過程耗費人力，探頭昂貴，市場售價在萬元人民幣以上，測量成本很高。Sentek公司以Dean等[25]研制的土壤水分測量系統樣機為基礎，生產了Diviner 2000和EnviroSCAN兩款產品可實現不同深度的土壤含水率測量，但是Diviner 2000和EnviroSCAN測量的最小深度間隔為10 cm，Diviner 2000的弊端與TRIME的管式TDR相同。而另一款EnviroSCAN使用多探頭自動采集土壤剖面不同深度的水分數據，雖然降低了人力成本，但是探頭之間會有互換誤差，長時間使用會出現探頭精度漂移，且價格較為昂貴，市場售價在萬元人民幣以上；此外，EnviroSCAN需要額外電源供電才能實現長期監測，顯然不適合沒有電源的野外環境。Gao等[26]設計的土壤剖面水分傳感器利用在20、30和50 cm深度位置安裝3個傳感器探頭采集土壤含水率數據，通過反演推算來實現0～100 cm深度土壤含水率的測量，雖然實現土壤剖面多深度土壤含水率的測量，但是測量深度最小間隔是10 cm，且對不同土壤環境的適應性不是很理想。Ramadan等[27]設計的光伏土壤水分監測站通過在土壤水分傳感器探頭上安裝四個探針來實現監測不同深度土壤水分含量，但是其探頭間存在互換誤差。

就目前的研究現狀而言，前人提出的土壤剖面水分測量方法或系統普遍存在觀測深度分辨率低、多傳感器探頭間存在互換誤差、價格昂貴、野外供電困難的缺點。為克服上述弊端，本文以介電理論為基礎，擬設計一種太陽能供電的能夠在垂直剖面精細尺度上獲取土壤含水率的低成本測量系統，并對系統性能進行測試與評估。

1 設備組成及原理

1.1 系統組成與功能

該系統由土壤含水率傳感器模塊（含PVC導管）、主控模塊、太陽能供電模塊和參數設置軟件組成，系統組成如圖1所示。傳感器模塊用來測量土壤剖面含水率，主控模塊控制整個系統的正常運行，太陽能供電模塊采用鋰電池和太陽能電池板（安裝于控制箱頂部）的配合為該系統提供電能，PC機上的參數設置軟件通過藍牙和主控與存儲模塊通訊，可根據實際需要設置傳感器測量深度、測量深度間隔和測量周期，該系統的總體內部結構圖如圖2所示。該系統使用的PVC管外徑只有25 mm，安裝時用鉆孔工具在土地上鉆出對應安裝孔即可，避免使用大型打鉆設備，安裝方便。

測量時，先將PVC管垂直安裝至待測土壤中（長度可以根據實際測量情況進行定制，最大長度為2 m，根據觀測對象根系分布確定試驗的PVC導管長度），主控模塊控制土壤含水率傳感模塊在PVC管中上下移動測量土壤含水率，并同步記錄土壤深度信息。測量過程中，傳感器探頭首先在自身重力的牽引下，通過步進電機緩慢轉動繞線輪勻速釋放多芯電纜實現其自身的勻速下降；然后步進電機反向勻速轉動繞線輪勻速回收多芯電纜，在多芯電纜的牽引下實現傳感器探頭勻速上升，傳感器探頭在勻速上升的同時，每移動設定的間隔深度后進行土壤含水率的測量。

1.太陽能電池板 2.控制箱蓋子 3.電池 4.控制箱 5.繞線輪 6.系統控制板 7.PVC導管 8.傳感器 9.電纜 10.接近開關 11.步進電機

1.Solar panel 2.Control box cover 3.Battery 4.Control box 5.Reel 6.System control panel 7.PVC conduit 8.Sensor 9.Cable 10.Proximity switch 11.Stepper motor

圖2 測量系統總體內部結構圖和實物圖

Fig.2 Internal structure drawing and photograph of measuring system

1.2 傳感器模塊設計

由于水的相對介電常數（20 ℃下為81）遠大于干土的相對介電常數（約為3），因此可通過測量含水土壤的相對介電常數來間接測定土壤的體積含水率[22]。該系統采用的是穩定性好、測量精度較高的頻域土壤水分傳感器作為測量裝置[28-29]。對于基于電容的測量，傳感器探頭內部的高頻振蕩器（100 MHz）通過探頭外部的一對平行環形金屬電極產生一個邊緣場，該邊緣場穿透PVC導管延伸到土壤中，基于土壤成分之間的介電差異來測量土壤的體積含水率，高頻率下的測量結果對鹽分不敏感。其測量原理如圖3所示。當土壤含水率發生變化時，傳感器周圍介電常數的變化引起阻抗（Z）的變化：

式中Z為阻抗輸出，Ω；為含水土壤的介電常數，0為內部平衡阻抗，Ω；U和U為檢波電路的輸出電壓，V。利用運算放大器放大U和U之間的差值，最后得到傳感器的輸出值0，其計算公式為

式中A為運算放大器的增益。將公式（2）帶入公式（1）可以得到輸出傳感器電壓0的最終表達式為

傳感器探頭內部為空腔結構，用來放置土壤含水率傳感器檢測電路板。其目的是減少傳感器檢測電路與傳感器電極之間的傳輸線距離，從而減少因傳輸線帶來的干擾。該系統使用的PVC管外徑為25 mm，內徑為23 mm。為保證傳感器探頭能順利地在PVC管道中移動，將傳感器探頭主體設計為圓柱體，其外壁與PVC管內壁間預留些許間隙（<1 mm）。其模型圖如圖4所示。傳感器探頭頂端有金屬片，用于被接近開關感知從而實現傳感器位置校準。

1.3 主控模塊設計

1.3.1 主控模塊硬件設計

主控模塊包括：微控制器（STM32F103RCT6）、步進電機驅動（AT2100）、步進電機、無線藍牙（HC-06）、接近開關、TF存儲卡、繞線輪等。微控制器通過步進電機驅動芯片控制步進電機的正反轉，從而實現傳感器探頭在PVC管道中上下移動。傳感器輸出端連接著微控制器內部的模數轉換模塊（ADC），通過模數轉換將傳感器輸出模擬量電壓值轉化為數字量并和當前傳感器深度值同時存儲起來。微控制器芯片的片上外設有RTC（Real Time Clock）模塊，可為該系統提供時間基準。系統基于該時間基準進行測量周期的控制。系統能在無人監管的情況下實現長時間的數據采集與存儲。數據存儲在TF存儲卡中。主控模塊通過無線藍牙可與PC機上的參數設置軟件進行通訊。

接近開關安裝在傳感器探頭的起始位置（PVC管最上端），在感知到傳感器探頭接近后，接近開關會向微控制器發出一個信號，微控制器控制步進電機停止轉動，以保證每次測量時傳感器探頭的起始位置一致。傳感器探頭在測量時的實時位置通過步進電機的驅動脈沖計數確定。微控制器通過發給步進電機驅動芯片的脈沖個數來控制傳感器探頭在PVC導管內的移動距離，詳見1.3.3節。此外，繞線輪內部為中空結構，在軸線上一端安裝有導電滑環，多芯電纜通過導電滑環保證對傳感器探頭的供電和通信不受繞線輪旋轉所干擾。

1.3.2 主控模塊軟件設計

對于該系統而言，其各項功能是通過軟件和硬件配合實現，相較于硬件而言，軟件算法的設計是實現其復雜多樣功能的關鍵。圖5為該系統的軟件流設計程圖。

系統開機后首先進行硬件和傳感器位置初始化，然后等待上位機電腦設置配置參數和下達開始測量命令，如果在指定時間內未收到上位機的設置命令，就按照系統默認測量參數設置。每一輪測量周期開始后，系統控制步進電機使傳感器探頭開始勻速移動，完成測量后進入休眠狀態以減少設備對電能的消耗，延長野外工作續航時間，等待下次測量開始時喚醒系統。

1.3.3 傳感器探頭深度控制方法

該系統中的步進電機為傳感器探頭的上下移動提供動力。步進電機通過減速器增加輸出扭矩從而提高步進電機開始轉動瞬間的可靠性。繞線輪上有均勻分布的螺旋溝槽，能使多芯電纜單層均勻分布于繞線輪外側。該系統采用的步進電機規格為兩相四線，其步距角度參數為1.8°。步進電機驅動芯片工作模式的脈沖細分數（n）為16細分。減速器的減速比（0）為57/11，繞線輪的繞線部分外徑（0）為5 cm。微控制器向步進電機驅動芯片發送脈沖，調節并控制傳感器探頭的移動距離。理論脈沖個數與傳感器移動距離之間的關系為[30]

式中0為減速器的減速比，n為步進電機驅動芯片工作模式的脈沖細分數，0為繞線輪繞線部分的直徑，cm；為傳感器探頭單向實際移動距離，cm。

測量時，微控制器按照設定的測量深度和測量深度間隔根據公式（4）計算步進電機控制芯片所需的脈沖個數，從而實現對傳感器探頭位置的精確控制。

1.4 太陽能供電模塊設計

太陽能供電模塊包括：太陽能電池板（額定電壓為18 V、額定電流為278 mA、峰值功率為5 W）、鋰電池電池組（12 V 12 000 mA·h）、電壓轉換芯片（MP2359）、太陽能電池管理芯片（LTC4121）、鋰電池管理芯片（LTC2944）。根據LTC4121官方數據手冊給出其輸入電壓范圍為4.4～40 V，輸出電壓可根據外圍電路中調節電阻的阻值進行調節。該系統采用的鋰電池組為三串兩并鋰電池組，額定電壓為12.6 V。通過配置LTC4121外圍調節電阻使其輸出電壓滿足鋰電池組充電需求。LTC2944具有溫度、電壓和電流測量功能。微控制器通過IIC通信讀取LTC2944測得的鋰電池組的電壓、電流值，實現對鋰電池工作狀態的監視，以延長鋰電池的壽命。MP2359將太陽能電池管理芯片輸出的電壓和鋰電池組輸出的電壓轉換為微控制器、傳感器等可用的電壓為整個系統提供電能。

1.5 參數設置軟件設計

參數設置軟件運行于Windows系統的個人電腦上，通過無線藍牙與主控模塊進行通信，可對該測量系統的相關參數進行設定。開發上位機軟件的環境為Microsoft Visual Studio Community 2019，編程語言為C#。具體開發流程本文不進行詳細介紹。

2 試驗方案

2.1 系統性能測試

2.1.1 供電極限測試

該系統在不同的測量參數（測量深度、測量深度間隔、測量周期）下系統消耗電能的功率也不同。該系統采用一塊3S鋰電池進行供電。在供電極限測試當中，在無光照的情況下進行續航時間測試。系統的測量深度設定為60 cm，測量深度間隔為1 cm，測量周期為5 min。此外，在無光照的情況下系統進行不間斷工作，觀測電池電壓變化。

2.1.2 傳感器定位精度測定與校正

由于多芯電纜繞在繞線輪上與繞線輪之間有間隙，根據公式（4）理論計算得出的傳感器探頭移動距離與實際移動距離會產生偏差，所以需要通過試驗對理論脈沖個數進行校準。試驗過程通過上位機下達指令，使傳感器探頭移動到指定深度位置。設定下降深度分別為10、30、50、70 cm，并用米尺（量程100 cm，精度0.1 cm）測量傳感器探頭實際下降深度，每組試驗重復5次并記錄實際每個深度下5次傳感器探頭實際下降的深度，然后帶入公式（5）計算偏差。

式中l0為設定的下降深度，cm；l為每次實際到達的深度值，cm；為標準偏差。

2.1.3 傳感器標定與精度檢驗

從農田取回粉壤土（各部分質量分數：砂粒含量11%、粉粒含量71%、黏粒含量18%）和砂土（各部分質量分數：砂粒含量91.9%、粉粒含量8.1%、黏粒含量0%）過2 mm孔徑篩，再將其置于干燥箱（105 ℃，24 h）干燥。水與干燥土樣分別按照不同的體積含水率進行混合，再將配水后土樣按照干容重1.2 g/cm3裝入容器（直徑15 cm，高20 cm），密封靜置48 h使土壤中的水分達到均勻分布。標定過程在室溫（25 ℃）下進行。標定過程對每個土樣采集5次，取算術平均值，最后測量的傳感器電壓值和配置的實際土壤體積含水率進行擬合。為了檢驗該系統含水率測量精度，將水與干燥粉壤土分別按照體積含水率5%、10%、15%進行混合，分別裝入3個容器（直徑25 cm，高15 cm）中，每個容器中土樣深度為14 cm，層與層之間有1 cm厚的隔水板。容器底部中心留有直徑25 mm的孔，用于安裝PVC管。將3個容器從上到下按照體積含水率5%、10%、15%堆疊放置，最上層容器的頂部用蓋板密封，阻絕土壤與空氣之間的水分交換。基于樣本順序，用該系統進行測量（在每個土樣中每隔2 cm測量一個點，每層土樣測量8個點）。

2.1.4 鋰電池電壓變化對傳感器影響試驗

本試驗將系統傳測量模式設置為單點測量、測量周期為1 h；傳感器置于密封的土壤環境中，系統同時獲取傳感器輸出電壓和鋰電池電壓，觀察鋰電池在放電時電壓變化對傳感器輸出值的影響。試驗時長為155 h，共采集到155個試驗數據。

2.1.5 鋰電池充電測試

在試驗當中關閉步進電機電源用來模擬單點測量的工作狀態。將該系統安置在實驗室陽臺利用太陽能電池板對系統供電，系統自動檢測并記錄鋰電池電壓和電流狀態。同時利用山東仁科測控技術有限公司生產的光照度變送器采集實驗室陽臺一天的太陽光強度變化情況。由于實驗室樓層遮擋的原因，實驗室陽臺在中午12:00以后才能受到太陽光照射。

2.2 滴灌條件下土壤入滲試驗

為檢驗該系統在實際測量過程中的動態響應性能，分別用兩種不同質地的土壤樣本在不同的滴水速率下進行土壤入滲試驗。

2.2.1 滴灌條件下粉壤土入滲試驗

從農田取回粉壤土（質地與操作同2.1.3），再將其置于試驗室環境內進行自然風干。取干燥后的粉壤土樣裝入一個直徑為15 cm、高度為50 cm的容器中，將本測量系統的PVC管安裝在土樣中（圖6）。在土樣最上方以6 mL/min的速率將水滴入土樣中，同時用該系統測量（測量深度為45 cm，測量深度間隔為1 cm，測量周期為5 min）緩慢入滲過程土壤含水率的動態變化。試驗時長為2 775 min，采集到555個試驗數據。

2.2.2滴灌條件下砂土入滲試驗

按照圖6試驗裝置將試驗土樣換成砂土（質地與操作同2.1.3），滴水速率設置為15 mL/min。用該系統測量（測量深度為44 cm，測量深度間隔為1 cm，測量周期為2 min）快速入滲過程土壤含水率的動態變化。試驗時長為66 min，采集到33個試驗數據。

2.3 大田觀測試驗

為檢驗本文開發的測量系統在大田環境中的實際測量效果，于2021年3月26日起在北京市小湯山國家精準農業研究示范基地（試驗區地理位置為116° 26' 39″ E，40°10'43″N）進行了田間試驗（以3月26日至4月2日的測量數據為例）。在基地的冬小麥示范田中，根據測量系統中PVC導管的尺寸在土壤中開孔并將PVC導管埋入，安裝測量系統。在參數設置軟件中將測量深度、測量間隔深度和測量周期分別設置為80 cm、5 cm和1 h。

3 結果和討論

3.1 系統測試

3.1.1 供電極限結果與分析

系統的測量深度設置為60 cm，測量點間隔距離設置為1 cm，測量周期設置為5 min，在無光照射的情況下，系統電池的續航時間測試中共續航3 510 min，采集到的數據為1 404個。功耗測試結果表明工作功率為1.4 W，待機功率為0.35 W。根據二者的大小關系，在無光照情況下，當測量周期為1 h、測量深度為60 cm、測量點間隔距離為1 cm時，系統能續航13 d左右。圖7為系統在不間斷測量狀態下（無待機狀態下的極限測試）電池電壓的變化情況。從圖中可以看出電池放電均勻，能夠連續穩定工作約4 d。

3.1.2 傳感器定位精度測定與校正

通過公式（4）可以計算出傳感器探頭每移動1 cm需要的脈沖個數為1 056個。根據公式（5）計算標準偏差分析后結果如圖8所示。從圖中看出隨著深度的增加，傳感器實際移動深度與設定深度的偏差在不斷增大，累計誤差系數為0.03 cm/cm，測量深度范圍的平均標準偏差約為1 cm。出現這種結果的原因是多芯電纜的直徑比繞線輪上溝槽直徑小，致使纏繞在繞線輪上多芯電纜所在的環形區域直徑比理論值小，從而導致在理論脈沖下傳感器探頭移動的距離小于設定值。通過實際觀測，最終傳感器探頭每移動1 cm需要的脈沖個數校正為1 088個。經過校準后提升了系統的定位精度，累計誤差系數為0，測量深度范圍的平均標準偏差小于0.2 cm。在實際測量中，該系統能按照設定要求控制傳感器探頭到達土層的指定深度，為精確獲取每一個深度土層的土壤水分信息提供了有力保證。

3.1.3傳感器標定與精度檢驗結果

在傳感器標定試驗中，如圖9所示為傳感器的標定曲線。

a. 土壤水分傳感器標定曲線

a. Calibration curves of soil moisture sensor

b. 分層土壤含水率

b. Soil moisture content measurement at layered soils

圖9 兩種質地土壤水分傳感器標定曲線及分層土壤含水率測量結果

Fig.9 Calibration curves of soil moisture sensor with two soil textures and result of soil moisture content measurement at layered soils

由圖9a可以看出兩種質地土樣的體積含水率（Volumetric soil moisture content）與傳感器輸出電壓均呈二次曲線關系，2分別為0.991 6和0.996 5。傳感器精度檢驗試驗結果如圖9b所示，系統測得的3層土樣的剖面水分，呈階梯狀變化。通過傳感器測定的每一層土樣的含水率平均值（第一層：0.050±0.002 cm3/cm3，第二層：0.100±0.006 cm3/cm3，第三層：0.150±0.001 cm3/cm3），表明該系統測量結果與實際土壤體積含水率高度吻合。傳感器在每一層土樣中測量的第一個點和最后一個點由于受1 cm隔水板的影響，其測量值低于實際土壤體積含水率。在整個試驗結果中可以看出，該系統通過利用脈沖計數與接近開關的配合能很好的控制傳感器探頭在實際測量中的位置，精確地測量出不同深度的土壤剖面水分信息。

3.1.4 鋰電池電壓變化對傳感器的影響

根據獲取到的155個試驗數據繪制鋰電池電壓和傳感器輸出電壓隨時間變化曲線，如圖10所示。由圖可知，鋰電池放電過程電壓變化均勻，當鋰電池電壓低于10.2 V時，電池電壓迅速下降，這是由于鋰電池電壓接近放電截止電壓所致。該系統配置的鋰電池內部有防止鋰電池組過充電和過放電保護板。由于鋰電池內部有防止過充電和過放電保護電路，當鋰電池電壓低于9.225 V時，鋰電池內部保護電路斷開，系統停止工作。從試驗數據中可以看出在整個試驗過程中電池電壓變化了約3.2 V，傳感器輸出電壓僅有5 mV波動變化，可見，鋰電池正常供電的情況下電池電壓變化對傳感器的輸出電壓幾乎無影響，這也表明該系統傳感器的穩定性高，不受鋰電池變電壓變化的影響。

3.1.5 鋰電池充電測試結果與分析

鋰電池充電測試結果如圖11所示。由圖可知，在中午12:00之前由于光照強度較弱，太陽能電池管理芯片并不能將其轉化為鋰電池充電所需要的電壓。此時整個系統正常運行所消耗的電能來自于鋰電池，電流約為?0.027 A（放電狀態）。在中午12:00以后，由于太陽能電池板接收到充足的太陽光的照射，太陽能電池管理芯片將太陽能電池板輸出的電壓轉換為鋰電池充電所需要的穩定電壓，鋰電池電壓發生跳變，從而把鋰電池輸出端電壓拉高。在中午12:00之后到15:30之前，太陽能電池板所接收的太陽光照強度大于2 200 lx，可使太陽能電池板穩定輸出電能。此時鋰電池電流約為0.125 A（充電狀態），太陽能電池板轉化出的電能在維持系統正常工作的同時還能為鋰電池充電。從本試驗結果可以看出，該系統若安裝在陽光充足的大田，系統中安裝的太陽能電池板能為系統長期監測土壤含水率提供了必要條件。

3.2 滴灌條件下土壤入滲試驗結果與分析

圖12給出了1、5、10、15、20、25、30、35 cm深度下粉壤土和砂土的體積含水率隨時間的變化規律。從圖中可以看出，淺層土壤體積含水率變化先于深層土壤，每層土壤含水率都是先上升，最后達到飽和，數值基本保持不變，與土壤水分入滲規律相符。在此過程中，該系統能夠捕捉到兩種質地土壤表層（1 cm深度）由干到飽和的整個過程，特別是在滴水速率較快的砂土中也能很好的捕捉到這一過程，這表明該系統及其所搭載的土壤含水率傳感器在測量過程中動態響應迅速。此外，由于兩次試驗中滴水速率不同，從圖12的試驗觀測結果中也可以看出：該系統響應迅速，能觀測到不同滴水速率下土壤體積含水率的動態變化過程。根據圖中曲線，在10 cm深度位置，粉壤土含水率上升階段曲線的擬合直線斜率為0.000 8 cm3/(cm3·min)，砂土含水率上升階段曲線的擬合直線斜率為0.0213 cm3/(cm3·min)，很顯然粉壤土水分入滲速率遠小于砂土，這符合試驗參數設定值。

3.3 大田觀測試驗結果分析

系統測量的小麥根區土壤剖面水分動態變化過程如圖13所示（3月26日至4月2日）。由圖可知，0～60 cm的土壤含水率逐天降低，而60 cm以下的土壤含水率無明顯變化。此外，土壤含水率隨時間的變化率隨著土壤深度的增加而逐漸減小，這是由于返青期冬小麥根區分布主要集中在0～70 cm土壤范圍內，但是對根區土壤水分的消耗主要集中在0～20 cm和20～40 cm土層[10]。綜上所述，大田觀測試驗結果表明：本研究開發的測量系統不僅能夠準確、完整地表現出返青期冬小麥根區土壤剖面含水率的動態變化，能夠實現土壤剖面水分的自動原位自動監測，具有較高的實用價值。

4 結 論

本文研制了一種太陽能供電的土壤剖面水分動態原位自動監測系統。該系統采用單一傳感器探頭測量土壤剖面水分，標定曲線的決定系數2均大于0.99，不存在多探頭互換誤差，較傳統多探頭測量方法精度高；探頭深度定位絕對誤差小于0.2 cm，深度定位精確；裝有大容量鋰電池，在非測量階段進入休眠狀態，其工作時功率為1.4 W和待機時消耗功率為0.35 W，太陽能電池板的峰值輸出功率為5 W大于該系統的消耗功率，可為該系統提供較長的續航時間，實現在野外的長期連續監測，也可用直流電源直接進行供電，在可提供市電的設施農業環境中也能夠實現連續監測；可根據實際測量情況通過PC機參數設置軟件對測量周期、測量深度、測量深度間隔等相關測量參數進行修改，測量方式更為靈活。系統安裝過程中，只需用小孔徑鉆頭（25 mm）在土壤中鉆孔安裝PVC管即可，避免使用大型打鉆設備，安裝方便。該系統實現了水分入滲過程中土壤剖面不同深度水分的變化規律的原位自動監測和大田環境植物生長過程中根區土壤剖面含水率原位自動監測。

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Development of a novel solar-powered system for in-situ automatic monitoring of soil water dynamics in a soil profile

Xiang Yang1, Yu Song1, Xu Qiang1, Cheng Xianglin1, Zhu Yufan1,Lao Cailian1, Yan Xiaofei2, Cheng Qiang1※

(1.,,100083,; 2.,,100083,)

Commercial sensors of soil moisture normally cannot specifically observe the customized water content of soil profile, with emphasis on unadjustable measurement depth, interchange errors among multi-sensor probes, high cost, and difficulty in power supply for long-term monitoring in the field. In this study, a novel solar-powered system was developed to in-situ and long-term monitor the water content of soil profile in the field using dielectric tube sensors. Three parts included the power supply, measurement, and storage subsystem. The power supply subsystem was composed of the solar and lithium battery for long-term monitoring of the water content of soil profile in the field. A control panel was also utilized in a measurement subsystem to control the vertical movement of a dielectric tube sensor and simultaneously measure the soil water content and depths of the soil profile. The communicated system was installed with the upper computer software through Bluetooth. The operational parameters were set flexibly in the actual requirements, including the depths, spacing distance, and measuring periods. A storage subsystem was then used to record real-time measurements of the water content of the soil profile. A series of experiments were conducted to validate the performance of the developed system. The maximum output power of the solar panel was 5 W, greater than the working power (1.4 W) and the standby power of the system (0.35 W), which can make it possible for the system to achieve long-term endurance in the sunny outdoor. The solar-powered supply test showed that the novel system satisfied the high requirements of long-term running with the combination of solar and lithium batteries. The system lasted about 13 d without light, whereas worked sustainably under sufficient light. In addition, the voltage of the lithium battery changed by 3.2 V during the whole discharge, while the output voltage of the sensor only changed by 5 mV, indicating that the output voltage of the sensor was fully independent of the voltage of the lithium battery. A drip irrigation experiment was performed on two soil samples (sand and silt loam soil) with different drip irrigation rates, further to test the position accuracy of a system. High accuracy was achieved in the measurements of soil water content with a high consistent relationship (2>0.99) between actual volumetric water contents and converted one via the calibration curves of the sensors. The novel system accurately positioned the depth of the sensor probe in the soil profile with a positioning error of less than 0.2 cm. Furthermore, the infiltration experiments in two drip irrigation showed that the developed system accurately and completely characterized the dynamic of water content in soil profiles during infiltration with different drip irrigation rates. The finding can provide reliable technical support to in-situ monitoring the crop growth state and moisture change of root zone for reasonable irrigation strategy.

soil water content; sensor; soil profile; low power consumption; solar-powered; in-situ automaticmonitoring

2020-11-28

2021-03-05

國家自然科學基金資助項目（31871527）

向陽，主要研究方向為精細農業傳感器與檢測設備。Email：xiangyang_office@126.com

程強，副教授，博士生導師。主要研究方向為精細農業先進傳感技術與數據分析處理方法。Email：chengqiang@cau.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2021.07.018

TS210.4

A

1002-6819(2021)-07-0150-08

向陽，于淞，徐嬙，等. 太陽能供電的土壤剖面水分動態原位自動監測系統的研制[J]. 農業工程學報，2021，37(7)：150-157. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.07.018 http://www.tcsae.org

Xiang Yang, Yu Song, Xu Qiang, et al. Development of a novel solar-powered system for in-situ automatic monitoring of soil water dynamics in a soil profile[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2021, 37(7): 150-157. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.07.018 http://www.tcsae.org