土壤水分測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

楊梅 王琪

摘 要 TDR是一種對(duì)反射波進(jìn)行分析的遙控測(cè)量技術(shù)，在遙控位置掌握被測(cè)量物件的狀況。TDR時(shí)域反射技術(shù)是測(cè)量傳輸線特性阻抗的主要工具?；诖?，選用時(shí)域反射（TDR）技術(shù)測(cè)量土壤水分，設(shè)計(jì)了TDR土壤水分測(cè)量系統(tǒng)，通過(guò)測(cè)試分析證明本設(shè)計(jì)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)水分?jǐn)?shù)據(jù)，整體工作狀況高速時(shí)效無(wú)故障。

關(guān)鍵詞 TDR；土壤水分；檢測(cè)數(shù)據(jù)

中圖分類號(hào)：TP2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2018.11.098

1 TDR土壤水分測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

TDR土壤水分傳感器分為主體和探測(cè)單元兩個(gè)主要部分，其中相位比較器組成、射頻信號(hào)發(fā)生器、三端口環(huán)形器、射頻信號(hào)分路器、同軸電纜、相位比較器組成）構(gòu)成了TDR土壤傳感器的主體部分[1]。

信號(hào)發(fā)生器通過(guò)有源晶振（100 Hz）來(lái)發(fā)出一個(gè)單一頻率的正弦電壓信號(hào)；射與信號(hào)發(fā)生器相連的頻道信號(hào)分配器該正弦電壓信號(hào)分成2個(gè)；環(huán)形器共分為3個(gè)端口，分別與相位比較器、信號(hào)分配器、探測(cè)單元相連。

相位比較器和信號(hào)發(fā)生器的另一端通過(guò)電纜延遲連接，接收信號(hào)發(fā)生器的信號(hào)，與環(huán)形器相連一端接收被探測(cè)單元的返回信號(hào)，并比較發(fā)送信號(hào)和返回來(lái)信號(hào)兩者的相位，并將差值轉(zhuǎn)換為可以測(cè)量的直流電壓信號(hào)。環(huán)形器與探測(cè)單元部分相連，用于接收信號(hào)與分離信號(hào)；探測(cè)單元通過(guò)同軸電纜與環(huán)形器相連，利用環(huán)形器傳送的電壓信號(hào)當(dāng)成一個(gè)參考的信號(hào)[2]。

1.1 TDR土壤水分傳感器電路設(shè)計(jì)

TDR土壤水分傳感器電路主要包括7部分，分別是電源、信號(hào)源、信號(hào)分配器、環(huán)形器、同軸電纜、相位比較器等。

射頻信號(hào)源采用的是一個(gè)頻率為100 MHz高頻正弦電壓信號(hào)源，射頻信號(hào)源通過(guò)發(fā)出正弦電壓信號(hào)，來(lái)為整個(gè)系統(tǒng)提供持續(xù)穩(wěn)定的可測(cè)信號(hào)。

射頻信號(hào)分路器的主要作用是將信號(hào)源發(fā)出的信號(hào)分成兩個(gè)不同的傳輸路徑，這兩個(gè)傳輸路徑分別是將信號(hào)發(fā)送到環(huán)形器中，通過(guò)延時(shí)電纜將正弦電壓信號(hào)發(fā)送到相位比較器中。

環(huán)形器是具有很多端口的器件，其組成材料為微波鐵氧體，信號(hào)在環(huán)形器里的傳輸特點(diǎn)為單向傳輸。當(dāng)電壓信號(hào)通過(guò)信號(hào)分配器后，需要利用環(huán)形器來(lái)分離發(fā)送的入射信號(hào)和經(jīng)過(guò)探測(cè)單元反射回來(lái)的信號(hào)。本課題采用三端口環(huán)形器。

環(huán)形器的兩邊，一邊是通過(guò)檢測(cè)單元被反射回來(lái)的信號(hào)，另一邊是由延時(shí)電纜傳輸過(guò)來(lái)的原始信號(hào)，兩種信號(hào)分別于相位差檢測(cè)器的輸入端相銜接，最終測(cè)得對(duì)應(yīng)的電壓值，運(yùn)用電壓值來(lái)表明土壤的含水量。在相位測(cè)量時(shí)，本課題使用的ADI公司的AD8302芯片是第一款可以使用在RF/IF幅值以及相位檢測(cè)單一的集成化芯片，可以檢測(cè)兩個(gè)信號(hào)間的相位以及幅值頻率能夠達(dá)到2.7 GHz。它特點(diǎn)是需要的外部元件少，對(duì)于相位測(cè)量、幅值測(cè)量是一個(gè)完整包含接受、傳輸、程序的完全集成。AD8302包含一對(duì)密集匹配的解調(diào)對(duì)數(shù)放大器，每一個(gè)都有著60 dB的檢測(cè)范圍，透過(guò)收集他們的輸出差值，檢測(cè)兩個(gè)輸入信號(hào)間的幅值比或者增益是能夠使用的，其工作原理如圖1所示。

1.2 TDR土壤水分傳感器探測(cè)單元設(shè)計(jì)

TDR探頭包含平板式、兩針式、三針式以及多針式等，種類繁多。結(jié)合不同探頭的特點(diǎn)，四針式探頭是各類探頭中具有比較突出的優(yōu)點(diǎn)。對(duì)土的抗干擾性能較好，更接近于同軸電纜的結(jié)構(gòu)。檢測(cè)信號(hào)信噪比高，檢測(cè)信號(hào)易于分析。為此，本實(shí)驗(yàn)選用了四針探針。

1.3 TDR土壤水分傳感器信號(hào)處理

原始信號(hào)和通過(guò)檢測(cè)單元反射信號(hào)通過(guò)AD8302的傳輸，并最終檢測(cè)到的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，由單片機(jī)ATmega8L完成。土壤水分傳感器的信號(hào)通過(guò)信號(hào)中獲得，模擬信號(hào)的變化電路的數(shù)字信號(hào)由將ATmega8L單片機(jī)AD（如圖2所示）來(lái)完成，把土壤含水量的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號(hào)信息。

1.4 TDR土壤水分無(wú)線組網(wǎng)傳輸

TDR土壤水分傳感器信號(hào)傳輸有許多選取的方法，整體上包含有線傳輸方式以及無(wú)線傳送方法兩大類。本文選用ZigBee技術(shù)對(duì)TDR土壤水分傳感進(jìn)行信號(hào)的傳輸?；赥DR技術(shù)的土壤水分信號(hào)傳輸基本原理如圖3所示。

實(shí)時(shí)采集的土壤水分測(cè)試數(shù)據(jù)通過(guò)MCU數(shù)字化處理后傳輸?shù)絑igbee模塊。Zigbee模塊接收數(shù)據(jù)后再通過(guò)發(fā)送端將數(shù)據(jù)通過(guò)RS232串口協(xié)議傳輸?shù)絇C機(jī)。本文選用星型無(wú)線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)并配置其初始條件。

2 TDR土壤水分測(cè)量系統(tǒng)測(cè)試與分析

2.1 水分標(biāo)定測(cè)試

采用烘干法對(duì)土壤水分進(jìn)行標(biāo)定，并通過(guò)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合。

Y=18.591X 3-38.2437X 2+36.2991X-1.2353 （1）

式（1）中，X、Y分別表示電壓值與含水量。

選取多組2小時(shí)測(cè)量數(shù)據(jù)，并將其標(biāo)定值與測(cè)試值進(jìn)行比較，經(jīng)過(guò)式（1）擬合后的結(jié)果分別如表1、圖4所示。

由此可知，測(cè)試數(shù)據(jù)很好地?cái)M合在擬合曲線附近，平均誤差小于3%，符合預(yù)期設(shè)計(jì)期望值。

2.2 無(wú)線組網(wǎng)Zigbee傳輸測(cè)試

1個(gè)Zigbee接收端與2個(gè)Zigbee發(fā)送端組成星型無(wú)線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。MCU將實(shí)測(cè)模擬信號(hào)通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換后發(fā)送到Zigbee模塊，Zigbee模塊通過(guò)RS232串口協(xié)議將數(shù)據(jù)信息通過(guò)發(fā)送端發(fā)送到上位機(jī)，并在上位機(jī)顯示器實(shí)時(shí)顯示測(cè)試數(shù)據(jù)。

經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)，本文設(shè)計(jì)的TDR土壤水分測(cè)量系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)水分?jǐn)?shù)據(jù)，并快速傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，整體工作狀況高速時(shí)效無(wú)故障。

3 結(jié)語(yǔ)

深入探討了TDR傳感的基本原理和在土壤中的傳感原理，設(shè)計(jì)了TDR土壤水分測(cè)量系統(tǒng)。通過(guò)測(cè)試分析證明本設(shè)計(jì)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)水分?jǐn)?shù)據(jù)，整體工作狀況高速時(shí)效無(wú)故障。將來(lái)，重點(diǎn)研究怎樣優(yōu)化數(shù)據(jù)的傳送方法，減小傳送的信息量，提升傳輸信息的準(zhǔn)確性以及達(dá)成云數(shù)據(jù)共享。

參考文獻(xiàn)：

[1] 姜明梁，方嫦青，馬道坤.基于TDR的土壤水分傳感器設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J].農(nóng)機(jī)化研究，2017（8）：147-153.

[2] 陸明，劉惠斌，王晨光，等.新型TDR土壤水分測(cè)定儀SOILTOP-200的開發(fā)及應(yīng)用[J].水利化信息，2017（2）：31-37.

（責(zé)任編輯：劉昀）