FDR土壤水分監(jiān)測儀器設(shè)計

　　引言

　　土壤水分測量在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中是一項十分重要的內(nèi)容，它對及時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，由于缺乏先進的測量手段，現(xiàn)在各地氣象觀測站主要使用人工鉆/取土，用烘干法來完成測墑工作，不僅對取土地塊及操作過程要求較高、費時費力，而且精確度不高、連續(xù)性差。

　　本文介紹的FDR(Frequency Domain Reflectometry)土壤水分自動監(jiān)測儀在國內(nèi)外研究的基礎(chǔ)上，以圓環(huán)電容作為傳感器來檢測土壤水分，采用高性能單片機對高頻頻率信號計算處理、控制，大容量非易失性SRAM保存采集數(shù)據(jù)，利用公用頻段無線通信模塊(或GPRS)進行通信，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

　　本系統(tǒng)由硬件設(shè)計和軟件設(shè)計兩部分組成。硬件設(shè)計包括電容式傳感器、探測器、數(shù)據(jù)采集器、無線通信模塊(或GPRS)、終端計算機和數(shù)據(jù)中心服務(wù)器，負(fù)責(zé)實時土壤水分監(jiān)測和傳輸；軟件設(shè)計包括單片機C51編程和WAN、LAN上Borland C++Builder6.0編程，進行高頻頻率信號和土壤水分轉(zhuǎn)換計算、數(shù)據(jù)入庫和瀏覽(系統(tǒng)總體設(shè)計如圖1)。

　　硬件設(shè)計

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

　　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，于是電容值就會改變，從而引起LC 的振蕩頻率變化，傳感器把高頻信號變換后輸出到單片機。

　　探測器

　　探測器接收采集器采集數(shù)據(jù)命令，在規(guī)定的時間內(nèi)輪詢每個要測量的傳感器，測量頻率信號，并根據(jù)建立的頻率－水分?jǐn)?shù)學(xué)模型，分別計算出水分，然后通過RS-485總線，把水分?jǐn)?shù)據(jù)發(fā)送給采集器。同時，探測器也接收終端計算機通過采集器發(fā)送的參數(shù)配置數(shù)據(jù)命令，對計算參數(shù)進行重新配置并存儲這些參數(shù)。

　　采集器

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

　　無線通信模塊

　　無線數(shù)據(jù)通信模塊基于現(xiàn)場安裝的實際環(huán)境，采用微功率、ISM頻段工作頻率，無需申請頻點的無線通信方式。LY0107選用400兆赫茲的無線收發(fā)模塊，完成現(xiàn)場和機房的數(shù)據(jù)交換。此外，開發(fā)出GPRS傳輸模塊，實現(xiàn)無人值守地點的土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)傳輸。

　　軟件設(shè)計

　　軟件設(shè)計包括單片機Keil C51編程和終端計算機Borland C++ Builder 6.0(簡稱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Keil C51編程

　　探測器與采集器的軟件采用Keil C51設(shè)計，既有一般高級語言的特點，又能直接對單片機系統(tǒng)的硬件進行操作，表達和運算能力較強。具有生成代碼效率高，支持浮點數(shù)運算等特點，設(shè)計的軟件結(jié)構(gòu)清晰、有條理，便于以后的擴展、移植和維護。

　　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后臺數(shù)據(jù)庫，在河南省氣象寬帶網(wǎng)的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)土壤水分的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集、入庫、瀏覽和分析等，及時了解各地的土壤水分動態(tài)變化，結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

　　系統(tǒng)檢驗

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

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

　　目前，在前期試驗成功的基礎(chǔ)上，該儀器在河南省安陽、焦作、盧氏、鄭州、駐馬店和南陽等國家基本觀測站安裝，運行良好。

　　結(jié)語

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

　　參考文獻：

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