基于高频电容原理的土壤剖面水分传感器研究*

王新忠，刘 飞，由 婷

(1.江苏大学江苏省农业装备与智能化高技术研究重点实验室，江苏镇江212013;2.上海理工大学光电信息与计算机工程学院，上海200093)

0 引言

通过获取土壤水分信息能及时了解土壤墒情，对节水灌溉起着重要的前导性作用，是现代精细农业技术的重要基础［1，2］。而土壤含水量随时间而变化，实时、准确测量土壤剖面水分含量和空间立体分布对研究土壤水分运动规律、作物需水规律，精确控制灌溉和排水有着重要的意义。在诸多领域，如研究降雨在农田环境下的运移过程［3］，理解田间土壤剖面中农用化学物质的迁移特征［4］;掌握灌溉后的土壤水分空间立体分布情况，及时了解作物根系区域水分有效吸收情况、淋溶作用，优选作物最佳灌溉时机和阈值［5］;测量森林中树木根系土壤含水量［6，7］等，都迫切需要进行土壤剖面不同深度的水分测量。现行土壤水分传感器大多数局限于探针式结构，探针长度有限，只能进行土壤表层含水量测量。若要实现土壤剖面水分测量，不仅需多个传感器穿插于土层，布设困难、费时费力，前期工作量相当大，而且长期连续测量，探针容易腐蚀，影响测量精度。土壤剖面多个传感器穿插，同时工作也会导致功耗较大。对于面向土壤剖面水分的传感测量，国外已开始开展相关研究并形成了相关产品，而国内在这方面的研究刚刚起步。

为此，本文基于高频电容原理，研制一种土壤剖面水分传感器，主要对传感器节点、数据采集及处理模块的硬件电路进行设计以及传感器软件设计，形成一种低成本、低功耗，可自动、连续监测土壤剖面动态含水量的传感器。

1 土壤水分传感器测量原理

传感器的测量原理就是基于高频电磁边缘场效应，传感器探头充当高频振荡器并联LC谐振回路的电容元件，周围土壤为其电介质，它所表征的介电常数主要依赖于土壤含水量［8］。当土壤含水量发生变化时，即土壤表征的介电常数发生变化时，探头感知的等效电容发生变化，继而高频振荡器的输出频率也发生变化，经信号调理后传感器输出的直流电压信号也发生了改变，变化的直流电压信号即可反演出土壤含水量。

外接并联LC谐振回路的高频振荡器输出频率为

式中 L和C0分别为谐振回路中固定电感与电容;Cp为寄生电容;Cs为基于高频电磁边缘场效应，传感器探头所感知的土壤等效电容，其容量与探头周围的土壤及探头本身的寄生电容有关［9］，亦即

式中 g与探头的几何结构(电极面积、电极间距等)有关;ε为土壤介电常数，考虑到不同土壤类型会给水分测量带来影响，由 Herkelrath 经验公式［10］，即

式中 θv为土壤体积含水量，a0与a1是与土壤类型相关常数。

高频振荡器输出的频率f经过信号调理后可转换成直流电压信号，即有

式中 k为正比例常数，可根据后级电路进行适当调整，前提是确保信号不失调。

联立式(1)，式(2)，式(3)，式(4)可得

由此可知，通过测量传感器的输出电压即可反演计算得到土壤的体积含水量。

2 土壤剖面水分传感器设计

2.1 土壤剖面水分传感器结构设计

水分传感器整体结构如图1所示，根据实际土壤水分的具体测量深度要求，首先将单个或多个传感器节点以10 cm长的倍数作为彼此间隔组合装配卡嵌于PVC绝缘棒构成单杆多节“竹”形结构，数据采集与处理模块内嵌于绝缘棒最上端，然后将装配好节点的绝缘棒放入事先埋入土壤的PVC套管中，分别将套管的最上端和最下端通过密封顶盖和圆锥堵头进行密封装配。

图1 土壤剖面水分传感器结构示意图Fig 1 Structure diagram of soil profile moisture sensor

2.2 土壤剖面水分传感器硬件设计

2.2.1 总体设计

如图2所示，传感器主要由若干传感器节点、数据采集及处理模块等组成。传感器节点将土壤含水量转换成直流电压信号;数据采集与处理模块包括单片机、多路开关、电源模块、存储模块、接口电路、备用端口等，其根据设定指令程序由单片机“唤醒”传感器节点进行土壤水分测量，将所采集测量数据分析处理并存储。

图2 土壤剖面水分传感器硬件电路框图Fig 2 Hardware circuit block diagram of soil profile moisture sensor

2.2.2 水分传感器节点设计

传感器节点硬件电路主要由探头、高频振荡电路、小信号放大电路、整形/分频电路、F/V电路等组成，如图3。

探头采用圆环结构，2个圆环电极上下正对嵌套于PVC绝缘棒。环状电极材质选用紫铜，外径25 mm，内径23 mm，轴向长度为20 mm，2个电极轴向间距为10 mm。电极外部涂覆有绝缘层，防止探头被氧化，影响测量精度。探头由50—3高密编带屏蔽同轴电缆线引出连接PCB电路板，电缆线内嵌于绝缘棒中。高频振荡电路主要由MC1648P组成。MC1648P是集成差分对管振荡器，采用ECL工艺，最高工作频率可达225 MHz，该集成器件利用对管的对称性减少了高次谐波的影响，内部集成的AGC电路使得输出信号幅度的平坦度较好。在MC1648P的12脚(Tank)和10脚(Bias)之间外接并联LC谐振回路，即构成了低失真的高频振荡电路。这其中，探头J1基于高频电磁边缘场效应感知土壤充当谐振回路的可变电容器。考虑到频率越高传感器受土壤电导的影响越小，但是频率过高会受到外界电磁干扰，趋肤效应越明显、检测电路设计越困难［1］，综合分析后设定谐振回路起振频率为115 MHz，并将PCB电路板给予金属屏蔽。小信号放大电路即为由高频低噪晶体管2SC3355等组成的共射极放大电路，实现前级高频小信号幅值放大。整形/分频电路利用MB504和SN74HC393N的典型电路应用，进行高频正弦波信号的64×16×16=16384分频，同时将其整形为方波信号。F/V电路基于LM331N的典型F/V转换应用，将前级低频频率信号转换成直流电压，即作为传感器节点的输出信号。

图3 水分传感器节点硬件电路设计框图Fig 3 Hardware circuit design block diagram of moisture sensor node

2.2.3 数据采集与处理模块设计

1)单片机选择:单片机选用ATMEL公司AVR系列的Atmega128L。该芯片基于AVR内核，是一种采用RISC结构的8位低功耗CMOS微处理器，运行速度快，内部集成有8路10位逐次逼近型A/D转换器、128kB可编程Flash，4kB的EEPROM，4kB的SRAM，4个定时器/计数器、32个通用工作寄存器、实时时钟、2个通用异步串行接口、1个串行外围接口等。芯片硬件结构简单，体积较小;工作电压为3.3 V，正常最大耗电为5 mA，空闲模式最大耗电为4 mA。

2)多路开关设计:多路开关选用CD4051，它是由数字信号控制的多路调制/选择模拟开关即为8选1模拟开关，3个二进制输入信号控制端A，B，C接受单片机控制选择8个模拟通道中的任一个进行开关状态，从而实现传感器节点的选择。工作时具有低导通电阻和很低的关态漏电流，很宽的数字控制与传输模拟信号电压范围:数字0～15 V。

3)存储模块设计:由于单片机内部自带的4 kB EEPROM不能满足数据存储要求，所以，选用存储容量为64kB的AT24C64作为扩展EEPROM。AT24C系列EEPROM是ATMEL公司的I2C总线串行CMOS型EEPROM。为减小体积，采用AT24C64的8脚TSSOP封装。A0，A1，A2为芯片地址输入脚;WP为写保护，高电平时芯片只能读而不能改写;SDA为串行数据/地址的输入/输出，SCL为串行时钟输入。由于Atmega128L内置TWI总线完全兼容I2C总线，所以，直接把SDA和SCL与单片机的TWI总线的SDA和SCL相连。

4)接口电路设计:由于Atmega128L的I/O引脚PE1，PE0和上位机PC基于RS—232C总线协议进行全双工的串行异步通信，本文采用MAX3232芯片完成电平转换，实现PC和单片机的通信。MAX3232与工业标准 MAX242和MAX232都兼容，带有2路接收器和2路驱动器，关断模式下，接收器保持有效状态，对外部设备进行监测，仅消耗1μA电源电流，大大降低了功耗。

2.3 土壤剖面水分传感器软件设计

传感器软件设计主要包括初始化程序、数据采集程序、数据处理程序、串口通信程序等。主程序流程图如图4所示，电路上电复位后，首先进行单片机的相关配置和初始化，接着进行外围器件初始化、单片机自检，然后进入低功耗待机模式。由外部中断单片机发出测量指令，传感器节点响应工作请求进行土壤水分信息采集并返回测量数据，数据经单片机处理分析后存储，根据指令可将历史数据串行通信至上位机。

图4 水分传感器主程序流程图Fig 4 Main program flow chart of moisture sensor

3 传感器实验与结果分析

3.1 水分传感器标定实验

实验室环境下，采用镇江地区典型土壤黄棕壤，取容重1.35 g/cm3，配制8种不同体积含水量的土样。采用传感器多次测量土样取平均电压值，结合烘干法测量土样实际含水量。由于传感器节点之间一致性和相关性较好，这里只给出其中一个传感器节点的标定结果，如图5所示，传感器的输出电压随着土壤体积含水量的增加而减小，这与理论分析相吻合。通过二次曲线拟合，拟合多项式为y=1.2269 x2－0.8832x+3.0989，它表示传感器输出电压 V 与土壤体积含水量θv之间的关系，相关系数R2=0.9744。

3.2 土壤剖面水分测量实验

实验室环境下，取土壤容重1.35 g/cm3，配制3种不同体积含水量的土样:0.09，0.18，0.27 m3/m3按每种含水量土样10cm的高度依次放入塑料桶中，形成具有不同水分层的土柱。取3个传感器节点彼此间隔10 cm组合装配成土壤剖面水分传感器，对土柱进行测量。如图6所示，土壤剖面不同深度水分梯度变化明显，进行重复性实验对比分析实际值与测量值，相关系数R2=0.968 2，最大绝对误差为－5.10%，在测量误差允许范围之内。

图5 土壤水分传感器标定结果Fig 5 Calibration result of soil moisture sensor

图6 土壤剖面水分测量结果Fig 6 Result of soil profile moisture measurement

4 结束语

本文针对土壤剖面水分测量，研究设计了一种高频电容式土壤水分传感器，按照低成本、低功耗的要求，主要对传感器硬件电路和软件测量部分进行了设计，土壤水分测量试验表明:研制的水分传感器最大绝对误差为－5.10%。传感器测量水分梯度变化明显，可用于土壤剖面水分测量，适合我国农林业生产需要。

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