土壤濕度和pH值監(jiān)測確保優(yōu)良種植環(huán)境，促進數字化轉型下的糧食安全

“保障好中國14億人的糧食安全，就是對世界巨大的貢獻?！?國務院總理李克強在最近國務院的一場會議中指出。民以食為天，14億人口大國的糧食安全是重中之重，保障糧食安全事關國家安全和發(fā)展大局，是推進農業(yè)農村現(xiàn)代化的首要任務。按照黨中央、國務院部署，近年來各地各有關部門全力抓好農業(yè)生產，糧食連年豐收，重要農產品供給充裕，做到了谷物基本自給、口糧絕對安全，為促進經濟社會穩(wěn)定發(fā)展提供了堅實支撐。

在國家推進各行業(yè)數字化轉型的今天，提高糧食安全也離不開科技的應用。農作物的高產量高品質培育離不開良好的生長環(huán)境，包括合適的溫度、濕度、土壤酸堿度以及光照條件等，為此電子數碼科技可以發(fā)揮積極作用促進農業(yè)種植的數字化轉型，例如土壤監(jiān)測。本文說明如何測量土壤濕度和pH值，以及基于溫度測量電路進行溫度補償的設計思路。

土壤pH值和水分含量監(jiān)測是科學種植的關鍵

保持適當的土壤含水量和ph值是植物種植者在任何生產規(guī)模中的基本要求。土壤水分不足直接轉化為任何植物的光合作用下降，以及其他重要的豆科作物如大豆的固氮等生物過程的下降。而施肥或自然現(xiàn)象對土壤的影響會極大地影響土壤酸堿度，從而導致基本微生物和土壤養(yǎng)分的減少。在一些作物中，早期生長階段土壤酸堿度的不當導致生長速率和最終產量下降。

傳統(tǒng)種植靠經驗對土壤進行判斷，已經不能適應當前科技時代的要求了，為了測量這些土壤特性，開發(fā)人員需要設計高成本效益模擬信號鏈，能夠將原始數據轉換成特定土壤測量應用所需的有用信息。

圖1所示電路是一種完整的單電源、低功耗、高精度解決方案，用于土壤濕度和pH值測量，包含溫度補償功能。該電路針對容性土壤濕度傳感器進行了優(yōu)化，這類傳感器對水的鹽度不敏感，并且不會隨著時間推移而受到侵蝕。

該電路還能測量土壤pH值，此功能適合多種不同應用。電路所需總電流（不包括濕度傳感器）最大值僅為1.95 mA。利用脈寬調制(PWM)信號，僅在需要使用濕度傳感器的很短時間內使能傳感器，可以最大程度地減少其所需額外功耗。

圖1 土壤濕度、pH值和溫度測量的簡化電路

pH值測量

對于大多數農作物，最適宜的土壤pH值是5.2到8.0。所有植物都會受極端pH值影響，但它們對酸度和堿度的耐受程度有很大不同。有些植物能在寬范圍的pH值下生長良好，但也有些植物對酸度或堿度的細小變化非常敏感。

可使用組合pH電極來測量pH值。它由一個參考電極和一個環(huán)繞其周圍的同心玻璃電極組成。pH電極產生一個對應于土壤pH值的小直流電壓。對測得的pH值進行評估，確 定其是否在特定作物生長所需的pH值范圍內。然后利用該方法，通過提升pH值（增加鈣等酸性中和劑）來校正土壤酸度，或通過降低pH值（如增加硫）來降低堿度。

因為pH傳感器一般具有較高的阻抗輸出（約1 GΩ），無法驅動ADC輸出，所以需要一個高精度運算放大器來緩沖傳感器輸出。由于傳感器的輸出阻抗高，為了最小化偏置誤差，低運算 放大器輸入偏置電流就非常重要。在本電路設計中，使用了ADA4661-2 軌到軌運算放大器。pH傳感器提供雙極性輸出，輸出的最大信號為±414 mV。AD7124的內部偏置生成器可用于將其輸入共模電壓設置為 AVDD/2, 從而在傳感器輸出端產生 AVDD/2 ± 414。

電路利用ADA4661-2精密運算放大器緩沖高阻抗pH值探針輸出并驅動ADC。ADA4661-2是一款雙通道、精密、軌到軌輸入/輸出放大器，針對低功耗、高帶寬和寬工作電源電壓范圍應用進行了優(yōu)化。為使流經高輸出阻抗（約1 GΩ）pH傳感器的偏置電流引起的失調誤差最小，典型輸入偏置電流為0.15 pA。ADA4661-2的失調電壓僅有150 μV。

pH傳感器輸出是雙極性信號，25°C時最大值為±414 mV。AD7124-8采用單電源工作，因此pH探針應偏置到地以上，使其處于AD7124-8的可接受共模范圍之內。AD7124-8的集成特性之一是其內部偏置電壓發(fā)生器，它將一個通道的共模電壓設置為AVDD/2或1.65 V。這個來自ADC的偏置電壓被施加于pH探針屏蔽層，并將傳感器輸出設置為1.65 V ±414 mV（25°C時）。

pH值測量的溫度補償

圖2 RTD溫度測量電路

pH值測量通常需要溫度補償，因為溫度對pH探針的靈敏度有重大影響。pH探針在25°C時的理想輸出為59.154 mV/pH，但會隨著被測樣本的實際溫度而變化。溫度測量采用三線電阻溫度檢測器(RTD)進行，如圖2所示。該溫度測量電路是一個基于24位Σ-Δ型ADC AD7124-8的3線式Pt100電阻溫度檢測器(RTD)系統(tǒng)。pH值測量的溫度效應可利用RTD溫度來補償。

土壤濕度測量

影響農作物生長和產量的一個重要因素是土壤水含量。因此，土壤濕度測量對農業(yè)灌溉系統(tǒng)中的水保護十分重要。當今業(yè)界使用的常見土壤濕度傳感器大多是容性傳感器。容性傳感器測量土壤的水含量，土壤總量中的水量會影響介電常數。水的相對介電常數εr = 80，遠大于土壤中其他元素的相對介電常數，如礦物質(εr = 4)、有機物質(εr = 4)和空氣(εr = 1)等。土壤中水含量的變化會引起介電常數變化，進而導致電容改變。

濕度傳感器將測得的探針間電容轉換為直流電壓，該直流電壓直接接入ADC以轉換為對應的體積含水量(VWC)。

本文總結

物聯(lián)網技術的普及促使越來越多的企業(yè)開發(fā)利用在土壤檢測、測量、轉換方面的專業(yè)技術，以及對物聯(lián)網生態(tài)系統(tǒng)的深入研究，構建了完整的從傳感器到云端的解決方案，將讓農場主能夠在整個種植周期內做出更好的決策，最終改善農作物的品質，提高經濟效益和環(huán)境成效。本文的示范電路為土壤濕度和酸堿度檢測提供了一個經驗證的信號鏈解決方案。