四端法土壤電導率原位快速檢測傳感器設計與試驗

鐘翔君，楊 麗，張東興，崔 濤，和賢桃，杜兆輝

（1. 中國農業大學工學院，北京 100083；2. 農業農村部土壤-機器-植物系統技術重點實驗室，北京 100083）

0 引言

以現代信息技術與農業知識為基礎的無人農場，能夠實現農業生產全過程的信息感知、定量決策、智能控制、精準投入和個性化服務，可以有效地提高資源利用率、解放勞動生產力，是未來農業的重要發展方向[1-3]。土壤信息的快速獲取是無人農場關鍵的數據來源，可為變量施肥、變量播種[4-6]及其他土壤改良作業等精準作業的定量決策提供有效的數據支撐。土壤電導率[7-9]作為土壤肥力的重要組成部分，能反映土壤質量和物理性質的豐富信息，對作物的生長發育起重要作用，因此快速獲取土壤電導率信息對推動現代農業生產精準管理具有重要的意義。

目前，土壤電導率的測量方式主要有：實驗室異位檢測[10-12]及現場檢測法。實驗室異位檢測方法應用較廣，但需要先進行田間采樣，并將土樣帶回實驗室進行檢測，工作量大、檢測效率低且成本高，不適于現代農業生產所需的大規模、快速高效的需求。為解決上述問題，國內外學者也先后開展了眾多土壤電導率現場測量方面的試驗研究，主要包括：基于電磁感應原理的非接觸測量法[13-14]、基于TDR（Time domain reflectometry）原理的時域反射法[15-17]及基于電位差原理的“電流-電壓”四端法。其中，基于電磁感應原理的非接觸測量方式，操作方便，但是儀器的設計復雜，成本高且易受外界環境干擾。基于TDR原理的土壤電導率測量方式，多應用于便攜式產品，雖然測量方便，但價格昂貴，不適于大面積動態檢測應用。而四端法相較于前兩種具有設計方便、可操作性強等優勢，被廣泛采用。國外電導率檢測設備已應用于大田土壤電導率的信息動態采集[18-20]。目前，國內相關專家也進行了研究，陳玲等[21]設計了便攜式土壤電導率實時分析儀，并研究了土壤電導率隨含水率和鹽分含量的變化關系。趙燕東等[22]設計了土壤多參數復合測試儀，可以同時測量土壤含水率、電導率及溫度等多個參數。可見，實現土壤電導率信息的動態快速獲取是當前研究的關鍵方向，國內相關專家對土壤電導率的快速獲取進行了有益的探索并開發了一些產品[23-25]，但是在田間動態信息檢測方面距離國外仍有一定差距。且目前田間電導率采集在農業生產前進行，需要專門的電導率檢測設備對種植田塊開展大范圍數據采集并生成電導率空間分布圖，實際農業生產時再通過查詢空間分布圖的信息指導實際作業，該方式操作繁瑣、費時費力，同時檢測的電導率值由于時間滯后原因，難以準確反映農業生產各環節（如播種）實施過程中的真實電導率情況。

針對以上問題，本文基于交流“電流-電壓”四端法原理，采用STM32處理器為核心，設計一種快速檢測土壤電導率傳感器，配合GPS設備實現土壤電導率信息及位置信息的同步獲取，并通過WiFi模塊實現傳感器數據的無線通信，實現電導率信息的實時檢測與顯示、定時存儲與無線傳輸，旨在為加快土壤電導率信息的動態原位獲取技術的研究與推廣應用提供軟硬件參考，有助于推動現代農業生產精準管理進程。

1 傳感器檢測原理和結構

1.1 工作原理

電導率傳感器的工作原理如圖1所示，形狀尺寸相同的四探針（標號1、2、3、4）均與土壤直接接觸。其中，恒流交流源所提供激勵信號的外側兩探針（標號1、4）為輸入端，中間兩探針（標號2、3）作為輸出端，通過檢測輸出端兩電極的電壓差和經過精密電阻的電流，即可換算出土壤的電導率信息。

當測量對象的橫截面積和長度確定時，電導率與其成函數關系。但是，由于土壤是一種非常不規則、組成成分復雜的測量對象，橫截面積及長度難以確定，其電導率的計算公式[24]為

式中σ為土壤電導率，mS/cm；d12、d13、d24、d23表示探針間距，cm；UR表示精密電阻兩端的電壓，V；R表示精密電阻的阻值，Ω；ΔV表示中間兩探針之間的電壓，V。當四個探針的排布間距相等（D1=D2=D3=k），即按照Wenner組態排布時，土壤電導率的計算公式[25]為

式中ΔE表示土壤電導，mS。

由上式可知，在已知探針間距k和精密電阻阻值R的情況下，只需要獲取精密電阻兩端的電壓UR及中間兩探針之間的電壓ΔV，即獲取ΔE的數值后，可計算得到土壤的電導率值。

1.2 整體結構

依據上述土壤電導率測量原理，設計了如圖2所示的土壤電導率傳感器，主要由按鍵、LCD液晶顯示模塊、主殼體、外接串口端、傳感器探針、SD卡模塊、STM32單片機最小系統、WiFi無線模塊、探針接口、恒流源模塊、DDS信號發生模塊、信號采集模塊、有效值轉換模塊、差分放大模塊、電源模塊等組成。其中檢測和數據處理模塊作為核心，采用STM32處理器為核心處理單元，LCD1602液晶顯示模塊采用四線制通信，供電電壓5 V，用于實時顯示電導率傳感器的輸出值；集成SD卡存儲模塊，實現數據的實時保存；集成以ESP8266為核心的WiFi無線模塊，實現數據的無線傳輸。傳感器四根探針均為長度65 mm、直徑3 mm的不銹鋼實心材質，探針間以20 mm的間距通過螺帽固定于PVC固定板上，與主殼體通過屏蔽線連接，避免信號交叉干擾。以上可以看出，設計的傳感器的整體結構緊湊，體積小，可以裝配到農業機具各行的作業單體上，進行不同作業行的土壤電導率的實時檢測與作業參數的在線調整。

工作時，傳感器探針與土壤直接接觸，通過內部的信號產生模塊，使得兩端的探針形成一個穩定的交流源，土壤電導率的不同使得中間兩根探針間的電壓差發生變化，通過信號的采集與處理，將數據實時顯示在LCD屏幕上，并實時將數據存儲到內部SD卡上。工作時，可通過LED信號燈的工作狀態判斷傳感器是否正常工作，通過按鍵進行數據發送等操作。

2 傳感器設計

2.1 硬件結構設計

2.1.1 硬件電路總體結構

設計的土壤電導率傳感器硬件電路總體結構如圖3所示，主要包括STM32處理器及核心電路模塊、電源電路模塊、交流信號源模塊、有效值檢測電路模塊及其他外圍電路等。有效值檢測電路模塊包括差分信號放大電路、有效值轉換電路以及信號采集電路。其中，設計的STM32處理器及核心電路是整個土壤電導率傳感器的核心單元，負責控制DDS芯片輸出正弦波信號，并將采集到的傳感器信息進行處理及傳遞。

工作時，電源模塊為各個單元模塊提供有效的電源輸入；STM32處理器通過控制交流信號源模塊的AD9833信號發生模塊輸出一個正弦波信號，產生的正弦波信號經LM324搭建的恒流電路整流、穩壓后，輸出具有穩定電流的正弦波信號；穩壓后的正弦波經過精密電阻到金屬探針的輸入電極將正弦波輸入到土壤中，在土壤中產生一個穩定的信號源；然后分別將精密電阻兩端和探針輸出電極的差分信號經AD623儀表放大器模塊放大，并將放大后的差分信號送入AD736交直流轉換器模塊將正弦波轉化為有效電壓值；轉換后的兩路電壓及鋰電池的輸出電壓經PAC1934電壓電流采集模塊完成數據的采集，實時采集數據的同時監控系統電源的穩定性；最后STM32處理器再將對應電壓值讀取并進一步處理，完成數據的顯示、存儲與通信。

2.1.2 電源電路設計

電源電路模塊是傳感器的基礎單元，為了防止不同模塊間信號的干擾，電源電路分別為各個模塊電路單獨供電，保證各個模塊的有效工作。如圖4所示，由于供電電源為12 V鋰電池，DDS電路、LCD液晶屏、信號采集電路等均需要5 V供電，STM32處理器及核心電路均需要3.3 V供電，另外，交直流轉換電路、恒流源電路均需要±5 V供電，需要對輸入電源進行穩壓、降壓以及電平轉換處理。圖4a中采用濾波及穩壓電容對鋰電池電源進行濾波及穩壓，用于保證裝置的輸入電壓穩定可靠；圖4b、4c中分別采用了SGM2200及ASM1117-3.3穩壓器，用于將濾波穩壓后的12 V電源降壓至5 V及將5 V電壓降壓至3.3 V，圖中的兩個降壓電路僅用于為LCD液晶屏、STM32處理器供電，其他模塊的供電電源單獨設置，以保證每個模塊工作的穩定性；圖4d中采用TC7660電壓逆變器實現+5 V電壓與-5 V電壓的轉換，其中，C17為儲能電容，由于轉換后會產生一定的壓降，所以在LV引腳與VOUT引腳增加了濾波及穩壓電路，保證輸出電壓的穩定性。設計的電源模塊，除了12 V直流電源穩壓電路為共用電路之外，各個模塊所需的5、3.3及±5 V電源均單獨設置了降壓及電平轉換電路，各部分互不干擾。

2.1.3 交流信號源電路設計

為了給裝置提供一個穩定可靠的正弦信號電流，設計了以AD9833芯片為中心的正弦信號發生電路，如圖5所示。該DDS電路無需外部元件，保持低功耗的同時控制了成本，主要包括一個25 MHz的參考時鐘、一個精密電阻和多個去耦電容，用數字方式產生0～12.5 MHz范圍的正弦波；同時與STM32處理器通過三線式串行（SPI）接口（對應6、7、8引腳）進行通信，編程調整方便。DDS信號發生電路產生的正弦信號濾波后，經VOUT引腳傳遞到LM324芯片組成的恒流源中，該系列芯片是帶有差分輸入的四運放集成電路，除電源共用外，四組運放相互獨立，保證輸出的電壓更加穩定。

2.1.4 有效值檢測電路模塊設計

有效值檢測模塊主要對流經精密電阻及傳感器探針回饋的電壓差信號進行有效檢測，并將得到的信息傳遞到STM32處理器中。該模塊主要由差分放大電路、有效值轉換電路及信號采集電路組成，設計的電路原理圖如圖6所示。

由于最終采集的信號為交流信號且幅值較小，因此采用差分儀表放大器對其進行放大，如圖6a所示。采用AD623放大器及外圍電路組成的差分放大電路，分別對流經精密電阻R29和傳感器探針的微弱信號進行差分放大。AD623是一款低成本、高精度的儀表放大器，功耗低成本低，符合設計要求。該電路采用±5 V供電，由12 V電源降壓至5 V后，再轉換為負電源。芯片的Ref是輸出電壓基準引腳，由于采取了±5 V供電方式，因此將該引腳接AGND，定義零輸出電壓；輸入端配有串聯的電阻片，用于防止過載造成芯片損壞，適用于所有的增益及上電、斷電過程；該放大電路增益可以通過更換R30阻值的方式進行調節；同時，輸出部分有低通濾波電路，初始通過頻率為3 MHz，可通過修改阻容參數設置所需通過頻率。

為了方便對檢測到的信息進行讀取，需要將交流電壓波形轉換為直流電壓，設計了如圖6b所示的有效值轉換電路。該電路主要由高精度、靈敏性好的AD736轉換器及其外圍電阻組成，采用±5 V供電，+Vs、-Vs引腳與輸入電源之間均并聯一0.01μF的電容以消除電路中的高頻干擾；Cc與COM引腳串聯了一個10μF的電容，起到隔直作用；同時，輸入端設置了雙向限幅二極管，起到過壓保護作用。

如圖6c所示設計了以PAC1934檢測器及其外圍電路組成的信號檢測電路，以實現對信息的有效提取。該芯片可以采集電壓電流信號到相應通道的電壓寄存器，再通過IIC與單片機通信，單片機便可讀取相應寄存器的電壓值數據。其中，差分輸入主要是相對于取樣電阻來設置的，通過采集取樣電阻兩端的差分電壓，便可以計算出流過取樣電阻的電流值，PAC1934有四個通道此系統只用到三個通道，1通道懸空，2通道可以用來檢測電池的電量和耗電情況，3通道采集精密電阻兩端的差分電壓值，4通道采集探針端的差分電壓值。

2.2 軟件設計

2.2.1 主程序軟件設計

傳感器的主程序基于C語言設計完成，主要實現信號的產生、數據的定時讀取、存儲、顯示與通訊等功能，如圖7所示。工作開始時，電源模塊完成各模塊所需的電源轉換，保證各部分的有序供電。供電完成后，首先完成各個系統模塊硬件和系統參數的初始化，主要包括時鐘、按鍵、串口、IIC、DDS、ADC等初始化；實時讀取系統時鐘的時間，STM32處理器按照固定的時間間隔，對采集的土壤電導率信息進行分析和處理，同時對GPS位置信息進行有效解析并獲取，此外，設定的固定時間間隔還可為數據存儲及發送提供有效的參考時間；通過SPI完成對DDS模塊的設置與通信，通過IIC完成數據的讀取，并通過RS232串口完成數據的發送。

2.2.2 GPS位置信息獲取

為實現取樣點電導率信息與位置信息（經緯度）的同步獲取，傳感器內部集成了GPS信息獲取驅動單元，外設GPS接收機可通過預留的RS232串口與STM32單片機進行通信，定時解析獲取GPS設備的經緯度與時間信息。GPS接收機輸出格式是采用NMEA-0183數據協議，包含了定位時間、經緯度、高度、速度、日期等信息，以獨立相關的ASCII碼傳遞信息，不同數據流間以逗號隔開。工作時，首先系統上電完成各個模塊的啟動，主程序完成各部分硬件及關鍵參數初始化以后，開啟定時器負責數據的采集和發送，同時開始解析GPS報文的數據。其中，GPS報文信息存放在緩存寄存器數組中，首先通過判斷字符串開頭信息“$”，并以此作為數據的起始端；通過一個接收狀態標記變量判斷數組的狀態，解析出寄存器中報文的長度并判斷這組報文是否接收完畢，并通過不同的逗號（“，”）標記讀取不同數據流的信息（本文只讀取經緯度和時間信息）并進行數據轉換。其中，STM32單片機控制定時器每隔一定的時間間隔讀取信息，以降低功耗。

2.2.3 無線通信軟件設計

考慮到復雜性的田間作業環境，為方便實際操作，將WiFi模塊設置成AP模式，將其配置為無線網絡的中心節點，供別的設備接入，組成一個局域網。相較于有線傳輸的方式，無線傳輸在硬件架設及使用的機動性、可拓展性方面均有明顯的優勢。首先將傳感器WiFi模塊作為TCP（Transmission Control Protocol）服務器，并依據指令配置服務器的屬性參數（熱點名稱、密碼及加密方式），波特率設置為115 200 bit/s，手機或平板電腦等終端設備作為客戶端與其連接通信。傳感器讀取、處理后帶有位置和時間信息的數據，通過單片機RS232串口與ESP8266 WiFi無線模塊連接，實現與手機或平板電腦等終端設備的數據無線傳輸，最多可支持5個終端設備（客戶端設備）進行連接。

3 傳感器試驗

3.1 試驗材料與方法

土壤樣本取自河北省廊坊市（39°19'N，116°17'E）的砂壤土，有機質質量分數為1.51%。以五點采樣法在約660 m2的農田區域中采集0～20 cm的耕層土壤，采樣時將表層的石塊及動植物殘體清除，以保證土壤樣本的完整性。將取到的土壤充分混合后裝入密封袋中，帶回實驗室進行下一步處理。

將田間采集的部分土壤置于若干個直徑100 mm的培養皿中，用恒溫干燥箱（DHG-9123A型，上海）在45 ℃條件下烘干24 h至恒質量后，取出冷卻至常溫。按照《HJ 802-2016土壤-電導率的測定-電極法》[26]相關要求，對烘干的土壤樣品進行縮分、研磨和過2 mm樣品篩后備用。

用電子秤稱取20.00 g篩后土壤樣品于250 mL三角瓶中，并按照質量比1:5的配比加入100 mL的蒸餾水，制成土壤溶液。將裝有土壤溶液的三角瓶置于往復式水平振蕩器（HY-4A型，常州）中振動30 min，結束后取下三角瓶靜置30 min。過濾后將溶液分別轉移至離心管并置于高速離心機（HR/T16M型，湖南）中離心分離30 min，將離心分離后的上清液置于100 mL燒杯中，用標準電導率儀（DDB-303A型，上海）測量其電導率值。該儀器選自上海儀電科學儀器股份有限公司，采用DJS-1C型鉑黑電極，可測量0～10 000μS/cm范圍的電導率，可進行手動溫度補償，精度較高，其測量結果可作為樣本的準確電導率。

3.2 傳感器標定試驗

為保證采集的電導率數據的準確性，需要對傳感器進行標定。試驗前，抽取10份1 kg土壤樣本置于托盤，分別均勻噴灑120 mL經蒸餾水稀釋后的不同濃度KCl溶液，制備成10個不同電導率梯度（0.269、0.341、0.435、0.522、0.619、0.703、0.797、0.885、0.973及1.062 mS/cm）的土壤樣本（含水率均低于15%），以降低含水率對電導率測量結果的影響[27]。將樣本攪拌均勻并靜置后，用設計的電導率傳感器測量其電導率的值。參考美國材料與試驗協會（ASTM）D5391-1999(2009)試驗標準[28]，將測量溫度設置為25 ℃左右，以降低溫度對電導率測的影響。試驗均重復3次測量并記錄平均值。按照3.1節的操作方法將樣本制備成土壤溶液，用DDB-303A型便攜式電導率儀測量樣本溶液的電導率，得到其標準值，并對試驗數據進行擬合分析。

3.3 傳感器工作穩定性試驗

為進一步明確傳感器的工作穩定性，選取3.1節配置的5組不同電導率梯度（0.269、0.435、0.619、0.797、0.973 mS/cm）的土壤樣本，測量溫度為25 ℃左右，每組靜態連續測量50組數據，得到傳感器在不同電導率濃度下連續測量數據。

3.4 傳感器性能對比試驗

選用目前市面上廣泛應用的精訊暢通公司JXBS-3001型傳感器和設計的電導率傳感器進行對比試驗，測量土壤樣本電導率。該傳感器是基于時域反射原理的電導率測量方法，信號源產生的信號經過土壤時，信號會產生相應的衰減，通過監測信號的衰減值來確定被測土壤的電導率[29]。該傳感器對于土壤狀況的檢測，多是采用全部埋入或是探針全部插入被測介質中進行，但不能應用于田間動態檢測，其內部芯片封裝采用國外進口，穩定性可有效保證，且該傳感器在國內廣泛應用于大棚等農業設施及野外環境檢測中。考慮到設計的電導率傳感器最終要應用到實際農業生產相關環節，因此，在相同的試驗條件及相鄰的時間段內進行兩種傳感器的對比試驗，以反映設計的傳感器與該傳感器實際工作情況，驗證其工作性能。

1）檢測精度對比試驗

采用3.1節方法隨機配置5種不同濃度的土壤電導率樣本，測量溫度為25 ℃，分別采用JXBS-3001型傳感器和設計的電導率傳感器對每個土壤樣本重復測量5次，并記錄其平均值。測量完的樣本按照3.1節的操作方法將樣本制備成土壤溶液，用DDB-303A型便攜式電導率儀測量樣本溶液的電導率，作為其標準值。

2）響應時間對比試驗

將JXBS-3001型傳感器和設計的電導率傳感器分別通過串口與電腦通信，設置同樣的數據發送間隔200 ms，即兩種傳感器均按照200 ms的頻率向電腦實時發送檢測數據。首先選取3.1節制備的其中一份土壤樣品（電導率為0.485 mS/cm），并將JXBS-3001型傳感器通電，傳感器在空氣中靜置一段時間后，打開串口調試助手開始接收數據，然后將其插入到準備好的土壤樣品中，保存串口助手中的試驗數據；隨后，按照相同的步驟獲取該傳感器從土壤中轉移到空氣中的數據變化。同理，采用相同的方式對設計的電導率傳感器進行試驗。分別獲取兩種傳感器在“空氣-土樣”及從“土樣-空氣”兩種狀態下的數據變化情況，并對比兩組試驗的數據。

3.5 傳感器現場驗證試驗

為了驗證傳感器在實際環境中的工作性能，在中國農業大學選取兩個地塊（40°03'N，116°29'E；40°00'N，116°37'E）進行土壤電導率定點獲取試驗。分別在每個地塊選取不同的位置作為測量點，進行現場電導率數據獲取及取樣工作，每個地塊選取了4個測量點共計8個測量點。測量前，用TP101型溫度傳感器獲取土壤的實際溫度。如圖8所示，測量時，首先用設計的電導率傳感器依據五點取樣法原理，分別獲取每個測量點5個位置的電導率數據，將平均值作為該測量點的電導率測量值；參考3.1的方法，對每個測量點傳感器測量位置的土壤進行采集并混合，密封后帶回實驗室進行室內分析，用恒溫干燥箱烘干獲取土樣的含水率，用DDB-303A型便攜式電導率儀測得土樣的標準電導率值。

4 結果與分析

4.1 標定試驗結果

將傳感器采集的數據與DDB-303A電導率儀記錄的數據進行擬合，結果如圖9所示。從圖中可以看出，電導率傳感器輸出的電導值與DDB-303A電導率儀測得的電導率值呈明顯線性關系，擬合曲線y=1.161x+0.272，決定系數R2=0.995，擬合度較高，表明設計的電導率傳感器在測量土壤電導率時具有較高的準確性。

4.2 工作穩定性試驗結果

對不同電導率梯度下土壤樣本的測量結果進行整合，得到傳感器工作穩定性試驗結果如圖10所示。從圖中可以看出，傳感器對各樣本電導率進行連續采樣時，數據的波動都比較小。分別計算每組數據的標準偏差，在不同電導率水平下，傳感器測量值的標準偏差均小于0.76μS/cm。試驗結果表明，設計的傳感器在不同電導率范圍內的土壤中，均有良好的工作穩定性。

4.3 性能對比試驗結果

4.3.1 檢測精度對比試驗結果與分析

對不同傳感器的測量數據整理后，結果如表1所示。從表中可以看出，隨著土壤電導率的增加，JXBS-3001傳感器和設計的電導率傳感器的測量誤差均有不同程度增大的趨勢。其中，JXBS-3001傳感器的絕對誤差為-13.8～30.3μS/cm，相對誤差為-2.46%～3.74%；設計的電導率傳感器絕對誤差為-5.9～19.4μS/cm，相對誤差為-1.05%～2.39%。結果表明，設計的電導率傳感器在以較低的生產成本條件下，測量誤差要小于JXBS-3001傳感器，測量精度可靠。

表1 電導率傳感器和JXBS-3001傳感器對比試驗結果 Table 1 Results of soil electrical conductivity sensor and JXBS-3001 sensor experiments

4.3.2 響應時間對比

對兩種傳感器從“空氣-土樣”及從“土樣-空氣”兩種狀態下的數據進行整理，將兩種傳感器數據產生變化的前一組數據作為不同工作狀態的起始數據，得到兩種傳感器在不同狀態下的數據變化結果如圖11所示，從圖中可以看出，兩種傳感器分別在“空氣-土樣”和“土樣-空氣”兩種狀態下的變化趨勢一致，在傳感器狀態發生變化后，傳感器的輸出信號均是先快速增加或減小，待變化一段時間后數據保持穩定。經過擬合計算，JXBS-3001型傳感器在兩種狀態下的響應時間均小于2.23 s，設計的電導率傳感器在兩種狀態下的響應時間均小于2.01 s，結果表明兩種傳感器在不同狀態下的響應時間相近，甚至設計的傳感器可以更快地完成不同工作狀態的切換，可以對土壤電導率信息進行快速有效獲取。

4.4 現場驗證試驗結果

測量前，用溫度傳感器測得土壤的平均溫度為20.6 ℃，對采集的數據進行整理后，結果如表2所示。從表中可以看出，地塊1的電導率與含水率值明顯高于地塊2，其中，地塊1的平均電導率為333.7μS/cm，平均土壤含水率為11.48%，測量的最大絕對誤差為25.30μS/cm，最大相對誤差為7.88%；地塊2的平均電導率為136.8μS/cm，平均土壤含水率為9.25%，測量的最大絕對誤差為-11.36μS/cm，最大相對誤差為-7.91%。綜上可以看出，利用電導率傳感器在兩地塊不同位置測量的精度接近，絕對誤差為-11.36～25.30μS/cm，相對誤差為-7.91%～7.88%，表明設計的電導率傳感器可以進行不同土壤電導率的快速有效測量。

表2 電導率傳感器現場試驗測定值與實驗室測量標準值對比 Table 2 Comparison of field test results of soil electrical conductivity sensor with standard values measured in the laboratory

5 討 論

土壤電導率是土壤的基本理化特性，可有效反映土壤含水率、有機質含量及質地結構等不同土壤參數的綜合屬性[30]。目前土壤電導率的田間動態原位檢測是國內外相關專家及機構研究的熱點，但該環節在農業生產前進行，需提前對種植田塊進行大范圍數據采集，難以準確反映農業生產各環節實施過程中的真實電導率情況。本文基于四端法原理設計的電導率傳感器，整體結構緊湊，體積小，用于搭載在不同的農業生產機具上，實現土壤電導率的實時檢測與作業參數的在線調整。以STM32最小系統為核心，配合其他功能模塊電路，各個功能模塊及主要芯片單獨供電，保證信號的有效獲取與處理；內部集成GPS報文解析與WiFi無線通信功能，可與終端設備實現土壤電導率信息及位置信息的同步獲取與無線通信；另外，設計時為方便后期功能拓展，預留出許多功能接口，方便后期裝置的進一步優化改良。在實驗室條件下，傳感器與標準電導率呈顯著線性關系，決定系數為0.995，在不同電導率濃度的土樣中連續測量的標準偏差均小于0.76μS/cm，并在實驗室條件下（溫度25 ℃）配置了不同電導率濃度的土樣（含水率<15%），并進行了檢測精度和響應時間的對比試驗，相對誤差為-1.05%～2.39%，響應時間小于2.01 s，利用電導率傳感器在現場（溫度20.6 ℃）對地塊不同位置測量的絕對誤差為-11.36～25.30μS/cm，相對誤差為-7.91%～7.88%，表明設計的電導率傳感器可以進行不同土壤電導率的快速有效獲取。本傳感器的軟硬件設計均可為實現土壤電導率的田間動態原位檢測提供參考。

本文在試驗設計時均降低了含水率、溫度等因素對電導率測量結果的影響，但是與田間作業環境相比仍有較大的差異。下一步研究中，會針對影響電導率的環境因素（溫度、含水率等）以及影響傳感器的作業因素（速度等）開展相應田間試驗，并針對試驗結果進行相應的改進優化，以實現土壤電導率的田間動態高精度檢測。

6 結 論

1）設計了基于交流“電流-電壓”四端法的土壤電導率傳感器，以STM32處理器為核心，配合電源電路、交流信號源電路、有效值檢測電路及其他外圍電路搭建了硬件及軟件架構，集成了信息的實時檢測與顯示、定時存儲與無線傳輸等功能，實現了土壤電導率的高精度原位獲取。

2）對設計的電導率傳感器進行了試驗標定及工作穩定性試驗。標定試驗結果表明，電導率傳感器輸出的電導值與DDB-303A電導率儀測得的電導率值呈明顯線性關系，決定系數R2=0.995；工作穩定性試驗結果表明，在不同的土壤電導率水平下，測量值的標準偏差均小于0.76μS/cm，試驗結果表明本電導率傳感器在不同電導率水平下具有較高的準確性及工作穩定性。

3）在實驗室條件下（溫度25 ℃）配置了不同電導率濃度的土樣（含水率<15%），利用設計的電導率傳感器與JXBS-3001傳感器進行了土壤電導率檢測精度和響應時間對比試驗，結果表明設計的電導率傳感器絕對誤差為-5.9～19.4μS/cm，相對誤差為-1.05%～2.39%，響應時間小于2.01 s，均小于JXBS-3001傳感器，表明設計的電導率傳感器可以獲取較為可靠的測量結果。

4）利用電導率傳感器在現場（溫度20.6 ℃）對地塊不同位置進行了電導率測量，并與室內得到的結果進行對比，結果表明利用傳感器在現場測量的絕對誤差為-11.36～25.30μS/cm，相對誤差為-7.91%～7.88%，表明設計的電導率傳感器可以進行不同土壤電導率的快速有效獲取。