一種土壤剖面水分傳感器的節(jié)點(diǎn)電路設(shè)計(jì)

一種土壤剖面水分傳感器的節(jié)點(diǎn)電路設(shè)計(jì)由婷二王新忠2,劉飛③(1.上海理工大學(xué)光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，上海200093;2.江蘇大學(xué)江蘇省農(nóng)業(yè)裝備與智能化高技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇鎮(zhèn)江212013；3.上海汽車(chē)集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心，上海201804)摘要：為實(shí)現(xiàn)土壤剖面不同深度水分的同時(shí)測(cè)量，研制了一種土壤剖面水分傳感器，對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)部分的電路進(jìn)行了設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，具有功耗低、成本低等特點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:應(yīng)用此電路的傳感器，輸出電壓隨著土壤體積含水量的增加而減小;與烘干法所測(cè)得的土壤水分實(shí)際值相比，傳感器的最大絕對(duì)測(cè)量誤差為-5.10%；傳感器用于土壤剖面不同深度的土壤水分測(cè)量，水分梯度變化明顯，性能良好。關(guān)鍵詞：水分；傳感器；土壤剖面；節(jié)點(diǎn)電路中圖分類(lèi)號(hào)：S24文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1000-^787(2013)03-01414)3DesignofnodecircuitforasoilprofilemoisturesensorYOUTing1,WANGXin-zhong2,LIUFei3(1.SchoolofOptical-ElectricalandComputerEngineering,UniversityofShanghaiforScienceandTechnologytShanghai200093,China；2.High-techKeyLaboratoryofModernAgriculturalEquipment&IntelligentizationofJiangsuProvince,JiangsuUniversity,Zhei\)iang212013,China；3.TechnicalCenterofSAICMotor,Shanghai201804,China)Abstract:Inordertoachievesoilmoisturemeasurementofdifferentdepthsofsoilprofile,asoilprofilemoisturesensorisdesigned,especiallycircuitofsensornodeisdesignedandimplementedwhichislow-costandlowpowerconsumption.Theexperimentalresultsshowthatthesensoroutputvoltagewiththiscircuitdecreaseswithsoilmoisturecontentincreasing,andbycomparingtheactualvalueofthesoilmoisturewiththesensormeasurements,themaximumabsoluteerrorofsensoris—5.10%.Thesensorcanbeusedformeasurementofsoilmoistureatdifferentdepthofsoilprofile,moisturegradientchangeisapparent,theperformanceisgood.Keywords：moisture;sensor；soilprofile;nodecircuit收稿日期：2012-08-27收稿日期：2012-08-27水分是土壤的重要組成部分，是影響植物生長(zhǎng)和發(fā)育的重要因素，同時(shí)也是評(píng)價(jià)土壤質(zhì)量的一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)⑴。實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確獲取土壤剖面水分信息，及時(shí)了解土壤水分空間立體分布,對(duì)研究作物需水規(guī)律、實(shí)現(xiàn)節(jié)水灌溉有著非常重要的意義〔2方，因此，針對(duì)土壤剖面水分傳感器的研究也具有重要的實(shí)用價(jià)值。然而，目前土壤水分傳感器絕大多數(shù)為探針結(jié)構(gòu)"電或平面極板結(jié)構(gòu)⑼，不適于測(cè)量土壤剖面不同深度或較深層的土壤含水量，即存在局限性:一是傳感器探頭長(zhǎng)度有限僅能測(cè)量土壤表層含水量;二是若要實(shí)現(xiàn)土壤剖面不同深度的水分同時(shí)測(cè)量，須沿土壤剖面穿插多只傳感器，費(fèi)時(shí)費(fèi)力,探頭同時(shí)工作，功耗較大。為此,本文研制一種新型的土壤剖面水分傳感器，該傳感器由若干節(jié)點(diǎn)、數(shù)據(jù)采集及處理模塊、電源模塊等組成,其中，傳感器節(jié)點(diǎn)是總體電路的核心部分。本文主要對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)部分的電路進(jìn)行了設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，采用此電路的土壤剖面水分傳感器成本低、功耗低，且能夠自動(dòng)、連續(xù)監(jiān)測(cè)土壤剖面的動(dòng)態(tài)含水量。1土壤剖面水分傳感器概述土壤剖面水分傳感器主要由若干傳感器節(jié)點(diǎn)、數(shù)據(jù)采集及處理模塊、電源模塊等組成,總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。傳感器節(jié)點(diǎn)將土壤含水量轉(zhuǎn)換成直流電壓信號(hào);數(shù)據(jù)采集與處理模塊負(fù)責(zé)“喚醒”傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行土壤水分測(cè)量，將所采集測(cè)量數(shù)據(jù)分析處理并存儲(chǔ);電源模塊供給傳感器節(jié)點(diǎn)、數(shù)據(jù)采集及處理模塊穩(wěn)定電能。

一傳感野節(jié)點(diǎn)-...—（傳感It節(jié)點(diǎn)-■數(shù)據(jù)采集與處理模塊..?T竹膨描節(jié)點(diǎn)1-電源模塊圖1土壤剖面水分傳感器總體結(jié)構(gòu)框圖Fig1Overallblockdiagramofsoilprofilemoisturesensor傳感器的結(jié)構(gòu)如圖2所示，若干傳感器節(jié)點(diǎn)以10cm的倍數(shù)作彼此間隔卡嵌于PVC絕緣棒構(gòu)成單桿多節(jié)“竹”形結(jié)構(gòu)。實(shí)際測(cè)量時(shí)，將裝配好節(jié)點(diǎn)的絕緣棒放入事先埋入土壤的PVC套管中即可。pvc絕緣管傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)采集與?/處理模塊PVC絕緣棒圖數(shù)據(jù)采集與?/處理模塊Fig2Structurediagramofsoilprofilemoisturesensor2傳感器節(jié)點(diǎn)的工作原理與具體實(shí)現(xiàn)2.1工作原理不同物質(zhì)的介電常數(shù)不同,其中水的介電常數(shù)是80.4,固體物質(zhì)約3~7,空氣為1。土壤是由空氣、固體物質(zhì)、水等組成的多孔電介質(zhì)，其中，水的介電常數(shù)遠(yuǎn)大于土壤中其他物質(zhì)組成的介電常數(shù)，這說(shuō)明土壤所表征的介電常數(shù)主要依賴(lài)于土壤含水量的變化口叫，因此，通過(guò)測(cè)量土壤介電常數(shù)可以間接測(cè)量土壤體積含水量。傳感器節(jié)點(diǎn)的工作原理就是基于高頻電磁邊緣場(chǎng)效應(yīng)，傳感器探頭充當(dāng)高頻振蕩器并聯(lián)LC諧振回路的電容元件，周?chē)寥罏槠潆娊橘|(zhì)。當(dāng)土壤含水量發(fā)生變化，即土壤表征的介電常數(shù)發(fā)生變化時(shí)，探頭所感知的等效電容將發(fā)生變化，繼而高頻振蕩器的輸出頻率也變化,經(jīng)信號(hào)調(diào)理后傳感器節(jié)點(diǎn)輸出的直流電壓信號(hào)也發(fā)生了改變。最后，由變化的直流電壓信號(hào)即可反演出土壤含水量。2.2具體實(shí)現(xiàn)2.2.1傳感器節(jié)點(diǎn)電路組成如圖3所示，傳感器節(jié)點(diǎn)硬件電路主要由探頭、高頻振蕩電路、小信號(hào)放大電路、整形/分頻電路、F/V電路等組成。1）探頭:探頭J1采用圓環(huán)結(jié)構(gòu),2個(gè)偵環(huán)紫銅電極上下正對(duì)嵌套于PVC絕緣棒。2）高頻振蕩電路:差分對(duì)管集成振蕩芯片MC1648P構(gòu)成高頻振蕩電路,L1,C5實(shí)現(xiàn)其外接并聯(lián)LC諧振回路的頻率起振，起振頻率設(shè)定為115MHz。探頭J1基于高頻電磁邊緣場(chǎng)效應(yīng)感知土壤，表征充當(dāng)了諧振回路中的可變電容元件,其容量與探頭J1周?chē)寥兰捌浔旧淼募纳娙莸认嚓P(guān)。3）小信號(hào)放大電路:小信號(hào)放大電路由2SC3355構(gòu)成,實(shí)現(xiàn)前級(jí)輸出高頻小信號(hào)的幅值放大，放大倍數(shù)控制在5~10倍。4）整形/分頻電路：整形/分頻電路山MB504和SN74HC393N組成，實(shí)現(xiàn)高頻正弦波信號(hào)的64x16x16=16384分頻,同時(shí)將其整形為方波信號(hào)。5）F/V變換:F/V變換由LM331N實(shí)現(xiàn),即將前級(jí)低頻頻率信號(hào)轉(zhuǎn)換成直流電壓，作為傳感器節(jié)點(diǎn)的輸出信號(hào)。圖3傳感器節(jié)點(diǎn)硬件電路原理圖Fig3Principlediagramofhardwarecircuitofsensornode2.2.2傳感器節(jié)點(diǎn)電路的工作流程傳感器節(jié)點(diǎn)的工作流程如圖4所示，當(dāng)土壤含水量發(fā)生變化時(shí)，探頭J1基于高頻電磁邊緣場(chǎng)效應(yīng)感知土壤所充當(dāng)?shù)母哳l振蕩潛振回路的可變電容發(fā)生變化，從而導(dǎo)致振蕩電路輸出不同頻率的高頻正弦信號(hào);接著,頻率信號(hào)被傳送至小信號(hào)放大電路，進(jìn)行幅值放大;然后，整形/分頻電路將高頻正弦波信號(hào)分頻,并整形為方波信號(hào);最后，F(xiàn)/V電路將低頻頻率信號(hào)轉(zhuǎn)換成直流電壓，并將其作為傳感器節(jié)點(diǎn)的輸出。3土柱實(shí)驗(yàn)與結(jié)果應(yīng)用上述土壤剖面水分傳感器節(jié)點(diǎn)，配置數(shù)據(jù)采集與處理模塊、電源模塊進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。其中，數(shù)據(jù)采集與處理模塊配置了單片機(jī)、多路開(kāi)關(guān)、存儲(chǔ)模塊、接口電路等。單片機(jī)選用Atmegal28L,多路開(kāi)關(guān)選用CD4051,存儲(chǔ)模塊選用存儲(chǔ)容量為64kB的AT24C64；接口電路采用MAX3232芯片完成電平轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)PC和Atmegal28L的通

信，它在關(guān)斷模式下,僅耗電1A0探頭J探頭J】感知上場(chǎng)充與振揚(yáng)電路外接諧報(bào)回捋的可變電容探頭J】感知上場(chǎng)充與振揚(yáng)探頭J】感知上場(chǎng)充與振揚(yáng)電路外接諧報(bào)回捋的可變電容Fig4Workingflowchartofcircuitofmoisturesensornode實(shí)驗(yàn)設(shè)置3種不同體積含水量的土樣,并依次放入塑料桶中，使每種形成10cm的高度，以此模擬具有不同水分層的土柱。在傳感器上設(shè)置3個(gè)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)間間隔10cm,以此對(duì)土柱進(jìn)行測(cè)量。實(shí)驗(yàn)表明:傳感器用于土壤剖面不同深度的水分測(cè)量,水分梯度變化明顯。如圖5所示，對(duì)比分析烘干法所得土壤水分實(shí)際值與傳感器測(cè)量值，相關(guān)系數(shù)牙=0.9682,傳感器的最大絕對(duì)測(cè)量誤差為一5.10%,在可接受范圍之內(nèi)。05050505322JJ.OO.O.O.O.0.0.0050505322JJ.OO.O.O.O.0.0.O.2

O.3

O.O.2

O.3

O.4O.圖5土壤剖面水分測(cè)■的實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig5Experimentalresultofsoilprofilemoisturemeasurement4結(jié)束語(yǔ)本文研制r一種電容式土壤剖面水分傳感器,對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)部分的硬件電路進(jìn)行了研究和設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)表明：應(yīng)用此電路的傳感器最大絕對(duì)測(cè)量誤差為-5.10%；同時(shí)將(上接第140頁(yè))李先懿，莫曉亮，陳國(guó)榮.基于石英晶體微天平的聚酰酰亞胺濕度傳感器[J].真空科學(xué)與技術(shù)學(xué)報(bào),2012,30(4):355一58.[3jHorzumN,TasciogluD,OkurS,etal.HumiditysensingpropertiesofZnO-basedfibersbyelectrospinningLJJ.Taianta,2011,85(2):1105-1111.[4]OkurS,KusM,OzclF,etal.Humidityads()q)tionkineticsofca-lix[4]arenederivativesmeasuredusingQCMtechniquefJ]?Ta-Ianta,2010,81(1-2)：248-251.[5]SunYL,ChenYZ,WuRJ,etalPoly(L-lactide)stabilizedgoldnanoparticlesbasedQCMsensorforlowhumiditydetection[J].Taianta,2007,126(2)：441-446.[6WangXF,DingB,YuJY,etal.Quartzcrystalmicrobalance-basednanofibrousmembranesforhumiditydetection:Theoretical

多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行組合，可對(duì)土壤剖面不同深度的水分同時(shí)進(jìn)行測(cè)量，水分梯度變化明顯，適合我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需要。參考文獻(xiàn)：宋韜,鮑一丹，何勇.利用光譜數(shù)據(jù)快速檢測(cè)土壤含水量的方法研究〔J].光譜學(xué)與光譜分析,2009,29(3)：675-677.王曉雷，胡建東，江敏，等.附加電阻法快速測(cè)定土壤含水率的試驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2009,25(10)：76-81.羅錫文，臧英,周志艷.精細(xì)農(nóng)業(yè)中農(nóng)情信息采集技術(shù)的研究進(jìn)展[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2006,22(1)：167-172.GaskinGJ,MillerJD.Measurementofsoilwatercontentusingasimplifiedimpedancemeasuringtechnique[JJAgricEngKes,1996,63(1):153-160.SunYurui,MaDaokun,LinJianhui,etal.Animprovedfrequencydomaintechniquefordeterminingsoilwatercontent_JJ.Pedosphere,2005,15(6)：805-812.趙燕東，王一鳴.基于駐波率原理的土壤水分測(cè)量方法的研究[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2002,33(4)：109-111,121.李秀春，劉洪祿，楊培嶺-SMP-01土壤水分傳感器研制[匚?中國(guó)農(nóng)村水利水電,2002(1)：38一39.L8]孫宇瑞.土壤探針阻抗計(jì)算方法的理論分析與實(shí)驗(yàn)研究[Jl.土壤學(xué)報(bào),2002,39(1)：120-126.李加念，洪添勝，馮瑞玨，等.基于真有效值檢測(cè)的高頻電容式土壤水分傳感器[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2011,27(8)：216—221.PaltineanuIC,StarrJL.Real-timesoilwaterdynamicsusingniultisensorcapacitanceprobes:Laboratorycalibration[J].SoilSciSocAmJ,1997,61(