便携式土壤剖面水分传感器的设计与实现

发布时间：2020-11-02 11:20

　　 高效、快速监测不同深度的土壤含水率信息,在线掌握土壤剖面水分变化趋势,对研究农作物的水分需求情况、实现农田智慧灌溉具有十分重要的意义,也是物联网环境下实现农业信息化、智能化的重要基础。为了实现对不同深度土壤含水率的测量,满足现代智慧灌溉中物联网采集节点对土壤垂直剖面水分感知的需求,本文研究设计了一款便携式土壤剖面水分传感器。通过试验对传感器的各项性能进行了检验,结果表明其可以初步满足实际土壤水分监测需求,且能够应用于智慧灌溉农业物联网的采集节点中,本文研究的主要工作包括:(1)为了避免传统探针式结构土壤水分传感器与土壤直接接触造成腐蚀影响测量精度,解决因探针长度不足而难以简单快速监测土壤深层含水率等问题,本文设计了一款以环形金属电极为测量探头的非接触测量结构,并通过高频结构仿真软件HFSS对环形电极的不同结构尺寸和不同电极间距进行了仿真,由仿真结果讨论分析确定了具有最佳感测范围的探头结构组合。(2)采用压控振荡器和环形电极组成的高频LC并联谐振电路设计了传感器测量节点的采集电路,通过测量得到的输出频率反演出被测土壤的体积含水率值;设计了可以分时控制测量不同土壤深度传感器探头的测量端控制电路,控制电路采用AVR单片机作为微处理器,硬件上完成了对采集电路输出频率和温度的测量等功能;同时设计了可以用来和测量端进行有线或无线通信的手持端控制系统,具有简单的人机交互功能,预留了物联网采集节点接口。(3)在设计完成的硬件电路的基础上,采用Arduino语言(基于C语言)进行传感器软件部分的嵌入式编程,分别设计实现了传感器测量端的控制部分、频率测量部分、温度测量部分、土壤含水率转换算法部分、有线通信部分、无线通信部分以及手持端的按键显示程序部分等软件功能,通过软硬件联合调试使得传感器可以满足实际测量需求。(4)通过对不同体积含水率土样的试验和验证,构建了传感器的土壤体积含水率模型:θv = 0.8644 ×NV2-0.0888 ×NV-0.0035,R2 = 0.9963;通过三个功能试验分别检测了本设计的传感器,结果表明:不同采集节点之间具有较好一致性(相对误差绝对值范围为0.00～1.17%)、传感器测量结果具有较好的可复现性(相对误差绝对值范围是0.00～1.49%)以及稳定性(最大相对误差为2.12%);对不同种类壤质适应性较好(相关系数R2 = 0.9644,RMSE=0.0423);与市售传感器的测量结果差异较小(RMSE=0.0205)。
【学位单位】：南京农业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2017
【中图分类】：TP212;S152.7
【部分图文】：

Ｆｉｇ．?１－１?Ｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ?ｍｅｔｈｏｄｓ?ａｎｄ?ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ?ｏｆ?ｓｏｉｌ?ｗａｔｅｒ?ｃｏｎｔｅｎｔ??１．２．１．１?土壤水分烘干法??烘干法［１６］的具体方法是先后称量土样在烘干之前和之后的质量，再由公式（１－１）??可得到土壤的质量含水率：??Ｗ－Ｗ??０？＝?＾ｘｉｏｏ％?（１－１）??％??式中，妒——湿土质量，％——干土质量，——土壤质量含水率。??烘干法的测量结果直观、准确度高并且量程大。土壤含水率的监测设备基本都采??用此方法来标定。但是烘干法的缺点是不能实时快速测量，测量周期较长，不适于当??前农田物联网环境下水分感知和数据传输的需求［１７］。烘干法的测量步骤从取样、烘干、??称重到人工计算耗时漫长，一般需要２４小时左右，测量的实效性较差［１８］。??１．２．１．２?土壤水分张力计法??１９２２年，Ｇａｒｄｎｅｒ１１９１为了测量土壤含水量，使用张力计得到非饱和土壤水的张力；??

ｅ（ｃｏ）?＝?￡＇｛ｃｏ）－?ｊ?ｅ＂｛（〇）?（２－１）??其中虚部代表介质损耗，实部代表介质的极化程度，如图２－１所示，??实部随频率Ｗ增加而缓慢降低，在ｌｇｗ接近１０的时候出现陡降拐点，同时虚部??在ｌｇ？介于８到丨０的区间随《增加而增加，等于１０的时候达到一个极大值。??Ｅ，ｋ＿＿、??＿２??图２－１介质色散和损耗??Ｆｉｇ．２－１?Ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ?ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ?ａｎｄ?ｌｏｓｓ??介质损耗的定义是在电场中，单位体积电介质在单位时间内把电能转换成内能??１１??

所耗费的能量。介电损耗会引起器件参数变化，致使电路不稳定，并且加速介质老化，??造成介质的热击穿破坏等恶劣影响。故利用介电法设计电路的过程中应当尽量消除介??质损耗。而从图２－１中可以看到，ｌｇ似在１２？１４的范围内实部几乎维持不变，虚??部恒为零，几乎没有介质损耗，但是考虑到ｌｇ？大于１０的时候电路频率已经大??于１０ＧＨｚ属于超高频了，实现难度巨大、可靠性低并且成本高昂，所以综合考虑设??计难度和性能需求，一般设计取频率ｌｇ？为８？９，此时介质损耗较低，介电常数实部??又趋于平稳，且对应的频率为１００ＭＨｚ？１０００ＭＨｚ，属于可接受的设计范围。??按照土壤的微观结构能够以土壤颗粒的尺寸分成砂土、粘土和壤土，颗粒尺寸和??空气间隙的差异，会对介电常数造成很大的影响。Ｈｉｌｈｏｓｔ和Ｄｉｒｋｓｅｎ对这三种土壤介??电常数进行了研宄［５７］，其实部随外电场频率变化有着显著差异，但当外电场频率处于??１００ＭＨｚ到５００ＭＨｚ的时候
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本文编号：2866984