FDR土壤水分監(jiān)測(cè)儀器設(shè)計(jì)

　　引言

　　土壤水分測(cè)量在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中是一項(xiàng)十分重要的內(nèi)容，它對(duì)及時(shí)掌握各地土壤旱澇災(zāi)情，合理安排灌溉資源，都具有非常重要的意義。然而，由于缺乏先進(jìn)的測(cè)量手段，現(xiàn)在各地氣象觀測(cè)站主要使用人工鉆/取土，用烘干法來(lái)完成測(cè)墑工作，不僅對(duì)取土地塊及操作過程要求較高、費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且精確度不高、連續(xù)性差。

　　本文介紹的FDR(Frequency Domain Reflectometry)土壤水分自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀在國(guó)內(nèi)外研究的基礎(chǔ)上，以圓環(huán)電容作為傳感器來(lái)檢測(cè)土壤水分，采用高性能單片機(jī)對(duì)高頻頻率信號(hào)計(jì)算處理、控制，大容量非易失性SRAM保存采集數(shù)據(jù)，利用公用頻段無(wú)線通信模塊(或GPRS)進(jìn)行通信，采用C/S(Client/Server)編程架構(gòu)建立土壤水分網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)。

　　系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　本系統(tǒng)由硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)兩部分組成。硬件設(shè)計(jì)包括電容式傳感器、探測(cè)器、數(shù)據(jù)采集器、無(wú)線通信模塊(或GPRS)、終端計(jì)算機(jī)和數(shù)據(jù)中心服務(wù)器，負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)土壤水分監(jiān)測(cè)和傳輸；軟件設(shè)計(jì)包括單片機(jī)C51編程和WAN、LAN上Borland C++Builder6.0編程，進(jìn)行高頻頻率信號(hào)和土壤水分轉(zhuǎn)換計(jì)算、數(shù)據(jù)入庫(kù)和瀏覽(系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)如圖1)。

　　硬件設(shè)計(jì)

　　采用單片機(jī)和計(jì)算機(jī)通訊技術(shù)，電容傳感器將LC振蕩器的振蕩頻率信號(hào)變換后輸出至探測(cè)器，探測(cè)器根據(jù)建立的頻率－水分?jǐn)?shù)學(xué)模型，分別計(jì)算出各層水分，把水分?jǐn)?shù)據(jù)發(fā)送給采集器，采集器通過RS-485信道與探測(cè)器通訊，即時(shí)采集當(dāng)前水分，通過無(wú)線模塊(或GPRS)發(fā)送至計(jì)算機(jī)上的監(jiān)控軟件進(jìn)行接收和處理。

　　土壤水分FDR電容傳感器

　　根據(jù)圓環(huán)電容傳感器測(cè)量原理，土壤含水量的不同，引起圓環(huán)電容的介質(zhì)變化，于是電容值就會(huì)改變，從而引起LC 的振蕩頻率變化，傳感器把高頻信號(hào)變換后輸出到單片機(jī)。

　　探測(cè)器

　　探測(cè)器接收采集器采集數(shù)據(jù)命令，在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)輪詢每個(gè)要測(cè)量的傳感器，測(cè)量頻率信號(hào)，并根據(jù)建立的頻率－水分?jǐn)?shù)學(xué)模型，分別計(jì)算出水分，然后通過RS-485總線，把水分?jǐn)?shù)據(jù)發(fā)送給采集器。同時(shí)，探測(cè)器也接收終端計(jì)算機(jī)通過采集器發(fā)送的參數(shù)配置數(shù)據(jù)命令，對(duì)計(jì)算參數(shù)進(jìn)行重新配置并存儲(chǔ)這些參數(shù)。

　　采集器

　　采集器是上位機(jī)和探測(cè)器的緩沖部分，由三部分組成：連接板LY0103，處理板LY0105和無(wú)線收發(fā)模塊LY0107。具有RS-485、RS-232和無(wú)線通訊接口，完成對(duì)傳感器、后臺(tái)管理軟件的數(shù)據(jù)交換工作，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集命令控制、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和無(wú)線發(fā)送等功能。

　　無(wú)線通信模塊

　　無(wú)線數(shù)據(jù)通信模塊基于現(xiàn)場(chǎng)安裝的實(shí)際環(huán)境，采用微功率、ISM頻段工作頻率，無(wú)需申請(qǐng)頻點(diǎn)的無(wú)線通信方式。LY0107選用400兆赫茲的無(wú)線收發(fā)模塊，完成現(xiàn)場(chǎng)和機(jī)房的數(shù)據(jù)交換。此外，開發(fā)出GPRS傳輸模塊，實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守地點(diǎn)的土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)傳輸。

　　軟件設(shè)計(jì)

　　軟件設(shè)計(jì)包括單片機(jī)Keil C51編程和終端計(jì)算機(jī)Borland C++ Builder 6.0(簡(jiǎn)稱BCB6.0)編程。其中核心部分是Windows操作系統(tǒng)下基于C/S(Client/Server)編程架構(gòu)的土壤水分網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)，該軟件由土壤水分采集、瀏覽和服務(wù)器軟件三部分組成。

　　單片機(jī)Keil C51編程

　　探測(cè)器與采集器的軟件采用Keil C51設(shè)計(jì)，既有一般高級(jí)語(yǔ)言的特點(diǎn)，又能直接對(duì)單片機(jī)系統(tǒng)的硬件進(jìn)行操作，表達(dá)和運(yùn)算能力較強(qiáng)。具有生成代碼效率高，支持浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算等特點(diǎn)，設(shè)計(jì)的軟件結(jié)構(gòu)清晰、有條理，便于以后的擴(kuò)展、移植和維護(hù)。

　　BCB6.0編程

　　土壤水分網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控軟件采用C/S結(jié)構(gòu)，遵循TCP網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議，使用Windows Socket API和SQL Server后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)，在河南省氣象寬帶網(wǎng)的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)土壤水分的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集、入庫(kù)、瀏覽和分析等，及時(shí)了解各地的土壤水分動(dòng)態(tài)變化，結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

　　系統(tǒng)檢驗(yàn)

　　為了檢驗(yàn)FDR土壤水分儀的測(cè)量精度和穩(wěn)定性，在河南省鄭州市農(nóng)業(yè)試驗(yàn)站用常規(guī)烘干法測(cè)得的數(shù)據(jù)與FDR(GStar-I型)、Smart、TDR三種土壤水分自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀器進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，結(jié)果如圖3、圖4所示。

　　從上述試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比曲線和點(diǎn)距圖相關(guān)分析可知：GStar-I型FDR土壤水分儀曲線走勢(shì)和最接近烘干法，相關(guān)性好于TDR等觀測(cè)結(jié)果，該儀器的土壤水分觀測(cè)結(jié)果具有較高的可信度和參考價(jià)值。

　　目前，在前期試驗(yàn)成功的基礎(chǔ)上，該儀器在河南省安陽(yáng)、焦作、盧氏、鄭州、駐馬店和南陽(yáng)等國(guó)家基本觀測(cè)站安裝，運(yùn)行良好。

　　結(jié)語(yǔ)

　　FDR式傳感器在實(shí)際的測(cè)試過程中能夠較好地反映土壤水分變化規(guī)律，儀器值和人工實(shí)測(cè)值相對(duì)誤差在10%以內(nèi)。該傳感器精度高，使用簡(jiǎn)單, 安裝、調(diào)試、標(biāo)定、維護(hù)方便,具有較好的可操作性、實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性。

　　參考文獻(xiàn)：

　　1. Calibration of the Sentek Pty Ltd Soil Moisture Sensors, Sentek Pty Ltd 2001.