基于SWR传感器的耕地土壤水分检测系统
发布时间：2021-11-20 05:54
土壤水分含量是耕地灌溉设计的重要依据,耕地土壤水分的检测对农业生产具有相当的必要性。为寻找便利的土壤水分检测方法,以传感器技术为基础,建立了基于SWR（Standing Wave Ratio）传感器的耕地土壤水分检测系统。对该水分检测系统进行实地测试,其检测结果与烘干法的差值最高为4.80%,最高值在3处取得。对降雨、蒸发情况和不同深度土壤水分综合分析,结果表明浅层土壤受降雨蒸发影响较大,中层土壤水分变化滞后,深层土壤水分几乎没有变化。对一年中不同深度土壤水分活跃程度进行分析,数据显示土壤依据水分活跃程度可分为4层。
【文章来源】：黑龙江工业学院学报(综合版). 2020,20(10)
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
TDR传感器示意图
FD传感器包括正弦波源和由阻抗相位变换电路构成的检测电路[10]。将相同的正弦信号作为信号源和参比，信号源进入阻抗生成电流，将探针介入阻抗后即可将其等效为相位为α的并联容导电路。信号源在参比中也会形成电流，经过相位变化后相位为β。若参比电压最值确定，则输出电压直流分量为相位α与参比电压幅度的函数。改变β即可对输出电压进行调整。结合式(2)可算出探针阻抗的等效容导，最终获得土壤介电常数。SWR法的核心是对土壤介电常数变化引起的驻波比变化进行测量，采用类似TDR法的两次反射驻波比进行介电常数计算。由于三种传感器测量原理不同，其精度与测量值也会产生一定的差异，因此在检测前对三种传感器进行适用性测试，传感器型号分别为Trim pico32 TDR传感器、Decagon GS3 FD传感器与BD-II SWR传感器。首先在室内采用标准水分法对传感器进行标定，然后在室外降雨情况下进行耕地土壤水分测试，结果如图2所示，可以看出三种传感器测试准确度均较高。测试结果表明三种传感器稳定性均大于99.8%,TDR、FD与SWR传感器测量准确率分别为96%、88%和90%。采用一元方差分析法对图2中测量准确率差异进行显著性分析，结果表明显著性水平为0.05时，利用方差分析法分析F(两个均方的比值分布)，F=1.33<F0.05(2,174)=3.06，说明三种传感器对耕地土壤水分测试的结果不具有显著性差异。
土壤检测站包含太阳能电源、土壤水分传感器、数据采集器、避雷针、GPRS无线终端等设备。土壤水分传感器定时对不同深度、不同土层的耕地土壤进行水分检测，数据采集器将检测数据进行模数转换与编码、加密。加密后的数据流通过RS232串口传输至GPRS终端，并被打包发送到GPRS网络，最终被远程监测中心接受。由于三种传感器对土壤水分的检测性能不具备显著性分析，因此采用成本最低的SWR传感器进行设计布点。选用BD-II型SWR传感器作为土壤水分传感器，数据采集装置使用ATmegal28单片机，GPRS无线传输装置选用AL-GPRS-5100。首先，为建立能够测量8层土壤的水分检测系统，需要对SWR传感器进行标定。将8支SWR传感器分别插入已配好的具有一定单位体积含水率的土壤进行重复测量，通过数据采集装置获取传感器测得的电压值。以烘干法对测试土壤含水率进行计算，并以最小二乘法对测得电压值与土壤含水率进行线性拟合。设拟合出的标定方程为θ=k×ΔU-b，其中k、b为拟合参数，ΔU为传感器测得电压值。8支SWR传感器标定参数如表1所示，可以看出8支传感器标定拟合程度均满足要求。在进行标定后，对土壤水分传感器进行耕地土壤实地安装。在需要进行土壤水分检测的点位挖掘深度为5m的井，将垂直井整理平整。采用图3所示的安装方法将8支传感器分别垂直安装在深度为0.2m、0.5m、0.8m、1m、2m、3m、4m、5m处后回填，安装时需保证只有连接线露在土壤外。将所有传感器与数据采集装置连接，将写入IP信息的GPRS模块与数据采集装置连接，实现数据的采集与传输。
本文编号：3506706
【文章来源】：黑龙江工业学院学报(综合版). 2020,20(10)
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
TDR传感器示意图
FD传感器包括正弦波源和由阻抗相位变换电路构成的检测电路[10]。将相同的正弦信号作为信号源和参比，信号源进入阻抗生成电流，将探针介入阻抗后即可将其等效为相位为α的并联容导电路。信号源在参比中也会形成电流，经过相位变化后相位为β。若参比电压最值确定，则输出电压直流分量为相位α与参比电压幅度的函数。改变β即可对输出电压进行调整。结合式(2)可算出探针阻抗的等效容导，最终获得土壤介电常数。SWR法的核心是对土壤介电常数变化引起的驻波比变化进行测量，采用类似TDR法的两次反射驻波比进行介电常数计算。由于三种传感器测量原理不同，其精度与测量值也会产生一定的差异，因此在检测前对三种传感器进行适用性测试，传感器型号分别为Trim pico32 TDR传感器、Decagon GS3 FD传感器与BD-II SWR传感器。首先在室内采用标准水分法对传感器进行标定，然后在室外降雨情况下进行耕地土壤水分测试，结果如图2所示，可以看出三种传感器测试准确度均较高。测试结果表明三种传感器稳定性均大于99.8%,TDR、FD与SWR传感器测量准确率分别为96%、88%和90%。采用一元方差分析法对图2中测量准确率差异进行显著性分析，结果表明显著性水平为0.05时，利用方差分析法分析F(两个均方的比值分布)，F=1.33<F0.05(2,174)=3.06，说明三种传感器对耕地土壤水分测试的结果不具有显著性差异。
土壤检测站包含太阳能电源、土壤水分传感器、数据采集器、避雷针、GPRS无线终端等设备。土壤水分传感器定时对不同深度、不同土层的耕地土壤进行水分检测，数据采集器将检测数据进行模数转换与编码、加密。加密后的数据流通过RS232串口传输至GPRS终端，并被打包发送到GPRS网络，最终被远程监测中心接受。由于三种传感器对土壤水分的检测性能不具备显著性分析，因此采用成本最低的SWR传感器进行设计布点。选用BD-II型SWR传感器作为土壤水分传感器，数据采集装置使用ATmegal28单片机，GPRS无线传输装置选用AL-GPRS-5100。首先，为建立能够测量8层土壤的水分检测系统，需要对SWR传感器进行标定。将8支SWR传感器分别插入已配好的具有一定单位体积含水率的土壤进行重复测量，通过数据采集装置获取传感器测得的电压值。以烘干法对测试土壤含水率进行计算，并以最小二乘法对测得电压值与土壤含水率进行线性拟合。设拟合出的标定方程为θ=k×ΔU-b，其中k、b为拟合参数，ΔU为传感器测得电压值。8支SWR传感器标定参数如表1所示，可以看出8支传感器标定拟合程度均满足要求。在进行标定后，对土壤水分传感器进行耕地土壤实地安装。在需要进行土壤水分检测的点位挖掘深度为5m的井，将垂直井整理平整。采用图3所示的安装方法将8支传感器分别垂直安装在深度为0.2m、0.5m、0.8m、1m、2m、3m、4m、5m处后回填，安装时需保证只有连接线露在土壤外。将所有传感器与数据采集装置连接，将写入IP信息的GPRS模块与数据采集装置连接，实现数据的采集与传输。
本文编号：3506706
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