基于FDR的土壤含水率检测仪的设计

1、西北农林科技大学 2010 级硕士研究生学位论文开题报告基于FDR的土壤含水率检测仪的设计The design of FDR soil moisture detector学 院： 机电与电子工程学院 学科、专业： 农业电气化与自动化 研 究 方向： 智能化检测与技术 研 究 生： 宋克鑫 指 导 教师： 郭文川 教授 研究生通过开题论证日期： 年 月 日开题论证委员会主席签名： 开题论证委员会委员签名： 1.选题的目的和意义水是生命之源，是一切生物存在的基本保证。水是干旱区最重要的控制因素（唐立松、张佳宝和程心俊 2002），是植物生存的主要限制因子（刘发民，张应华和仵彦卿 2002）。随着全

2、球人口数量的急剧增加，水在农业上工业上使用量都急剧增加，造成了全世界范围内水资源短缺问题的急剧恶化。农业作为人类生存最为重要的基本产业也面临着前所未有的水资源危机。水资源稀少导致越来越多的研究工作者将目光投向了节水灌溉这一领域。所以发展节水灌溉型现代化农业势在必行，而且通过实时测量土壤水分含量反映农作物成长情况是未来农业的发展方向。中国作为世界上人口最多的国家，其粮食问题尤为重要。由于中国平原面积相对于总体面积来说比较少，农村人口数量很大，在全国范围内推广大型机械化农业还不太现实，而西北干旱半干旱地区面积很大，水的制约因素尤为明显，精细农业已经成为中国现代化农业发展的必要阶段。精细农业是指基于

3、变异的田间管理手段。传统农业认为农田管理是均一的，就是在施肥管理上都是用统一量来进行。实际上，农田中是存在很大差别的，传统农业的做法有很大弊端，第一浪费了资源，第二破坏了环境。精细农业本身是一种可持续发展的管理方式，为了完成这一目标必须有以下三个方面的工作：一是田间数据；二是作业决策；三是机器完成。这三方面中的第一方面尤为重要，只有将田间数据实时地精确地采集出来，才能对农业系统做出正确的决策，才能使得机械执行获得效益最大化。科技发展使得传感器技术日益成熟，在实时性和精确性都有大幅度提高，使得精细农业和自动化农业越来越容易实现。土壤含水率是精细农业中的一项重要指标，是土壤中水分的直观反映，在节水

4、灌溉系统中有着非常重要的意义。根据精细农业的概念，一块耕地的水分情况不是均一的，而是存在很大的差距。通过实时测量不同子地域的土壤含水率，控制不同子地域灌溉系统来保证植物所必须的水分，以达到最优生长。土壤水分的动态变化反映了作物的水分供需状况，对土壤水分及其变化的监测是生态、农业、水文、环境和水土保持研究工作中的一个基础工作（李兴涛，尹盟毅，赵晓峰，等 2010）。土壤含水率检测方法已经发展了半个多世纪，而且对土壤含水率检测的研究仍然在继续，越来越多测量技术的出现使得土壤含水率检测方法日益完善。1922年，Gardner就开始从事张力计快速测定非饱和土壤张力的研究；1939年，ShawBauer

5、开始利用埋入土壤的热电线电阻变化进行土壤水分快速测量的研究；1950年，中子衰减法开始被应用于快速测量土壤含水量；1976年，Topp和Davis首先将时域反射法引入土壤水分快速测量的研究；1983 年，Hainsworth试验利用X射线快速测量土壤湿度；1991年，Whalley利用近红外的方法快速测量土壤含水量取得了一定的研究成果（马涛 2008）。以上都是国外学者对于土壤含水率检测技术研究出的突出成果。土壤含水率检测可以分为三类：一类是直接测量土壤含水率，也叫做直接法。比如烘干法、中子仪法、测量土壤传导性的各种方法TDR（时域反射法：Time Domain Reflectometry）、

6、FDR（频域反射法：Frequency Domain Reflectometry）等；另一类是测量土壤的基质势，如张力计法、电阻块法、干湿计法等；第三类是非接触式的间接方法，如远红外遥测法、地面热辐射测量法、声学方法等。烘干法主要缺点是无法在线快速测量，测量的周期长；对于土壤有一定的破坏作用。中子仪法难以测量浅层土壤含水量，而且极易造成射线泄露污染环境。张力计法的测量范围很大程度上受土质影响，而且存在严重的滞后和回环影响测量速度。近红外反射法受土壤表面粗糙程度和土壤表面水分孔隙充满状况的影响，同时对土壤深层含水量测量需要对土壤开槽。在这些方法中，TDR、FDR等都可以进行土壤含水率连续性测量，

7、但是利用TDR方法制作的测量仪非常昂贵。FDR有着低廉简便、快速准确、连续测定的优点，但是制约因素较多，对于测量土壤含水率有一定难度。总之，FDR可以方便快捷的得到连续的土壤含水率，但是在适用性上有一定的欠缺，测量之前要进行与烘干法对比标定校准，来减小误差。研究FDR土壤含水率检测仪是因为其他方法缺点都很难克服，无法满足土壤含水率检测的需要。单片机作为非常成熟的简单控制芯片，和FDR技术相结合具有很大的使用价值。本设计旨在开发一款基于单片机并运用FDR技术的土壤含水率动态监测仪。基于单片机的FDR土壤含水率动态监测仪的开发和应用，解决了土壤水分和盐分浓度快速实时采集问题，对于精细农业的发展有着

8、重要的意义。2.选题的依据2.1 频域反射法频域反射仪（Frequency Domain Reflectometry），简称FDR，是利用电磁脉冲原理，根据电磁波在土壤中传播频率来测试土壤的表观介电常数,来得到土壤容积含水量。土壤中成分非常复杂，主要有四种成分：土壤固体成分、土壤缝隙中的空气、束缚水和自由水。Topp（1980）等人提出时域反射方法，并推出土壤含水率和土壤介电常数有着某种关系，通过统计数学中数值逼近理论的理论分类法找出了不同种类土壤含水量与介电常数间的多项式关系： （1）Topp等人的这一公式对于土壤含水率检测具有跨时代的意义，揭开了电磁方法测量土壤水分的时代。当时Topp等人

9、根据电磁波在不同介电常数的介质中传播时其行进速度会有所改变的物理现象提出了时域反射法。土壤中的四种主要成分中水的介电常数最大（79），远远大于其他成分（空气为1、土壤固体为3-7），因此土壤介电常数主要依赖于土壤含水率。FDR法就是运用一个电极插入土壤中形成电容，电极之间的土壤成为电介质，电容和振荡器形成一个调谐电路。其公式如下： （2）根据调谐电路这一理论，频率和电容建立了联系，当然电容在电极距离、面积都一致的情况下和介电常数有关，介电常数主要由水分决定，这就达到了通过测量频率反映土壤含水率的目的。基于上述原理，FDR传输线上的最大电压（起始电压）为： （3）其中为振荡器输出的电压振幅，为反

10、射系数。结合处的最大电压为： （4）振幅差额为： （5）其中，反射系数为： （6）代表传输线的阻抗，代表插入到基质中的探测器的阻抗。同轴传输线的阻抗Z决定于它的物理尺寸和绝缘材料的介电常数。 （7）和分别是信号导体和屏蔽导体的半径。(郭卫华，李波，张新时，等 2003)很多研究者都做过土壤含水率与介电常数之间的关系公式，这些公式有很多，都不尽相同，这是由于土质、环境因素和相对误差要求不同造成的。由于FDR方法中土壤含水率与介电常数之间关系因土质不同和不同，所以希望通过实验方法来推导归纳出适合于西北干旱半干旱地区土质的土壤含水率和介电常数的关系式。运用FDR的土壤水分传感器检测原理是同相检波。由

11、同一正弦波发生器产生的正弦信号作为测试信号源和参考信号源，检波电路由阻抗变换电路和相位变换电路组成，相位变换电路可以精确地得到相位。信号源在阻抗输入通道产生电流，在参考通道产生电流。通过阻抗变换器将阻抗为的探针接入阻抗输入通道，则探针两端的电压为。由于可以等效为一个电容和一个电导的并联，所以它是复数形式，而它的相位将受到参考电流的影响，随其变化而变化。原理如图1所示。图1 FDR测量原理Fig 1 Testing principle of FDR参考电流通过一个相位变换器的电阻或电容时，产生一个与阻抗变换器输出电压有一定关系的电压，这两个电压通过一个乘法器后，得到含有二次谐波的连续正弦信号。若

12、令 （8） （9）这两个信号通过乘法器相乘的结果为 （10）式（10）中前一项为乘法器输出信号的直流分量，后一项为交流分量，其频率为乘法器输入信号的2倍，通过低通滤波器可将其滤掉，则乘法器的输出变为 （11）当参考电压幅值一定时，乘法器的输出是与的函数。通过设置参考电路的相位角，使其依次等于和，代入式（11）可得： （12） （13）这样，通过参考通道的相位变换就可以计算出探头阻抗的等效电容和电导。等效电容和电导的大小最终反映到介电常数和电导率上，对土壤水分测量来说，介电常数主要由土壤含水量来决定的。所以，通过探头阻抗的等效电容和电导的计算可以求得土壤含水量。其理想频率为2030MHz之间。2

13、.2 技术依据单片机技术经过多年发展到现在已经非常成熟，可以完成功能比较简单的小系统的控制要求，而且价格非常低廉，成为小型设备中必不可少的核心控制芯片。同时，键盘、显示、通信芯片及程序已经普遍。通过集成技术可以将其集中到很小的电路板上，可以随身携带，将上述技术综合可以搭建成一个土壤检测终端。3.国内外研究概况3.1 FDR和TDR方法土壤含水率国外研究概况现代技术大都是由国外率先发展起来的，TDR和FDR也是如此。TDR法是利用电磁波在不同介质中的传播速度的差异来测定土壤含水率。TDT 理论模型早在1939年就已建立，最初用于电信业查找电缆断点。（杨胜利，刘洪禄和吴文勇等 2009）加拿大科学

14、家Topp、Davis和Annan（1980）发表了土壤水分含量的电磁测定：在同轴传输线的测量（Electromagnetic determination of soil water content: Measurements in coaxial transmission lines），从此揭开了以同轴传输线为测量媒介的时域反射法。其测量频率在20MHz和1GHz范围内，对于不同土壤类型有着不错的效果。1985年，Topp和Davis将其用于农田的水分测定。上文提到了TDR的优势在于与传统土壤水分测定法比较，具有不破坏样本、快速、简单、可连续测定等优点，并且可以实现数据自动采集。在连接电缆的

15、选择方面：1989年Zegelin、White和Jenkins发表了改进应用时域反射计测量土壤含水量和电导率的场探头（Improved field probes for soil water content and electrical conductivity measurement using time domain reflectometry）。在文章中指出，由于探头和同轴连接电缆自检的阻抗失配，使得探头遭受到不必要的噪音和信息丢失。为了解决这一难题，他们采用了50同轴电缆直接与3针形TDR探头连接测定，得到了公众的认可。Petersen、Thomsen和Moldrup等于1995年将2

16、针形TDR直接与50同轴电缆连接取得了成功，2针形TDR也得到了迅速的发展。Hook和Livingston将50同轴电缆用75的电视天线代替，并通过实验证明对测定结果没有任何影响。在测针间隔方面：探针直径和间距的比必须满足适度（）的要求（Petersen M，Thomsen A， Moldrup P， 等 1995）。此外，直径和间距与TDR探头准确测定土壤十分的最小埋深有关。测针长度方面：实践中应用TDR进行土壤水分测定时为保证测定结果的精确可靠，探头的探针长度不能太长也不能太短。国外研究者都总结了相关关系式。其实TDR测定速度快捷，使用简单，结果准确，受环境因素影响小等优点深受欢迎，等到了

17、迅速的发展。但是含水量的变化能够显著导致介电常数的改变，由于探针的几何长度有限，对如此短暂的滞后时间进行准确测量，导致无线电测量的技术难度很大（只掌握在少数发达国家手中），因而，基于时域反射法的设备成本很高，不可能适应中国农业的现状。1992年荷兰瓦格宁根农业大学学者Hilhorst在经过了大量的研究之后提出了频域分解方法（Frequency Domain Decomposition）。他认为在某一理想测试频率下可以对土壤介电常数进行分解，该法利用矢量电压测量技术，在某一理想测试频率(20-30MHz)下将土壤的介电常数虚部可得到土壤的电导率，由分解出的介电常数实部换算出土壤含水率。1993年

18、，Hilhorst等人设计开发出了一种用于FDR土壤水分传感器的专门芯片ASIC（Application Specific Integrated Circuit），提高了FDR土壤水分传感器的可靠性，且大大地降低了生产成本，使FDR土壤水分传感器走向生产推广阶段。 Hilhorst从实验中得出：理想的测试频率为20-30MHz之间。但在该频段土壤的介电常数受土质影响又非常敏感，即该方法的测量结果受土质的影响比较大。3.2 国内研究现状国内由于起步较晚，导致许多国内学者借鉴国外研究进展并加以改进。张学礼、胡振琪和初士立于2005年的论文中提到：对于减少TDR仪器探针的几何长度及提高测定精度的可能

19、性，许多学者为此进行了不懈努力，他们都对如何尽可能地缩短探针长度做了深入的理论与实验研究，其结论是TDR探针的长度不可能小于10cm。由于TDR太过昂贵，不适合中国农业现状，故而国内TDR方面的研究较少。土壤水分测量还是集中在FDR和SWR两种技术上。驻波比法（SWR）通过测量传输线上的驻波率可以达到测量土壤体积含水率的目的。中国农业大学的赵燕东和王一鸣提出了基于该原理的土壤含水率检测方法，并制作了土壤含水率检测仪，经过实验得出该法是一种高性能的测量方法（赵燕东和王一鸣 2002）。其实驻波比法是FDR法的一种特殊形式。 厉玉生、申双和在2007年设计了一种FDR土壤水分检测仪，该检测仪采用单

20、片机和计算机通讯技术，电容传感器将LC振荡器的振荡频率信号转换后输出至探测器，探测器根据建立的频率水分数学模型，分别计算出各层水分，把水分数据发送给采集器，采集器通过RS485信道与探测器通讯，即时采集当前水分，通过无线模块（或GPRS）发送至计算机上的监控软件进行接收和处理。经过实际测试，该FDR式传感器能够较好地反映土壤水分变化规律，相对误差在10%以内。王军、贺智涛在2008年利用北京奥作AZS-2型FDR技术测试探头和单片机AT89S8252开发了土壤含水率检测电路，该电路由水分传感器、信号调理电路、显示电路、微处理器等几部分组成，测量的数据可经由串口传到上位机。相对误差不超过3%。高

21、磊于2010年研究发现基于FDR技术的土壤水分传感器测量土壤水分时存在明显的温度效应，所测的体积含水量与温度之间均呈线性递增关系。频率信号作用于土壤时，土壤的介电常数可以表示为一个复数形式： (8)其中实部是理想情况下的土壤等效介电常数，虚部则表示由于电导等因素导致的电磁能量损耗。当电场加在具有有机质和矿物质盐类土壤上时，有机质和矿物质，如金属离子会形成电导，这个电导的存在干扰了土壤电容的测定，严重影响土壤水分测定精度。利用附加电阻方法，通过数学运算，计算出土壤模型中电容分量，间接地消除电导对测定电容分量影响，该方法对测量土壤含水率具有通用性（王晓雷，胡建东，江敏，等 2009）。3.3 现有

22、研究存在问题通过参阅大量文献，发现现有研究存在以下不足之处：1. 土壤的介电常数受土质的影响很大，导致FDR方法测量结果受土质的影响。2. 其测量精度比较低，满足不了精细农业的需要。3. 成本上比较高，不被农田管理者所接受。4. 建立的描述土壤含水率与介电参数关系的数学模型过于复杂，不利于开发快速的土壤含水率测量仪。4.研究内容1. 探明土壤含水率和温度、盐度、土壤容重、土壤颗粒形状等对于土壤介电常数影响的规律，通过人工神经网络建立电导率、土壤含水率、温度和盐度等的关系模型。2设计电路，尤其是FDR检测部分的高频电路部分（2030MHz）。3. 设计基于单片机土壤含水率测量仪（FDR）的硬件部

23、分。4. 利用单片机C语言编写土壤含水率测量仪的软件部分。5. 编写土壤含水率测量仪和PC机通信部分程序。6. 通过土壤含水率测量仪测量和烘干法测量进行对比、矫正，得到相对误差。5.研究方法及技术路线5.1 研究方法5.1.1 设计检测仪硬件结构本系统拟采用AT89S52单片机作为检测仪的控制核心，主要由系统电源、信号处理电路、传感器采集模块、键盘、液晶显示电路、GSM模块电路以及RS232总线接口等组成。硬件原理框图如图2所示：图2 硬件原理框图Fig.2 Hardware block diagram（1）单片机部分AT89S52单片机与MCS-51单片机产品兼容，能够进行1000次擦写，程

24、序存储器采用自带的8kFLASH存储器，数据存储器使用片内256字节的RAM；并具有32位I/O总线，三个16位定时器/计数器，以及全双工串行口和片内晶振及时钟电路。单片机通过传感器采集到的数据信息，利用实验得出的数学模型来进行计算。传感器的数量是由影响因素决定的，不唯一，所以单片机要处理信号采集过程中的冲突问题。单片机还要负责数据的传输，这里包括GSM模块，RS232接口，以及液晶显示。（2）传感器采集部分介电常数的检测：采用一定阻抗的探针来检测土壤的介电常数，正弦发生器的信号分别进入阻抗输入通道和参考通道。通过乘法器处理，再通过低通滤波器，可将介电常数和电导率转换成电压。温度的检测：温度对

25、于土壤含水率与介电特性的关系有着显著的影响，由于现在还不知道其二者的精确度，故温度传感器芯片还不好选择。选择误差合适、经济的温度传感器芯片检测温度信息，将其转化成电压。土壤容重和盐度的检测：希望寻找到可靠的土壤盐度传感器，为单片机提供影响参数。如果不能实现，则采用键盘输入单片机的方法来完成测量。（3）信号处理电路部分信号处理电路部分主要包括相位变换器、乘法器、滤波器、放大器等电路，为传感器的测量进行支持，同时测量信号通过A/D转换芯片处理，变成数字信号便于单片机采集和处理。同时信号处理电路将不同传感器的信号分配到不同通道，已解决数据采集冲突的问题。这里涉及到高频电路中的相关知识，设计需注意高频

26、电路的设计技巧。（4）电源电路部分电源电路有三个部分，第一是市电转化部分，将220V交流电源转化为直流低压，给予仪器芯片用电。另一个部分是电池转化部分，通过4个串联5号电池给予仪器芯片用电。还有一部分是产生高频正弦波的正弦发生器，为FD法检测提供信号源。（5）液晶显示、键盘输入及串口通信液晶显示拟采用带有汉字字库的LCD12232液晶显示屏，可以直观地将土壤含水率、温度、盐度、土壤容重等信息显示出来。他具有功耗低、供应电压范围宽等特点；具有2560位显示RAM（80*8*4），能够满足语气的显示内容。键盘输入涉及到数字键、开关键、测量键、复位键、选择键、确认键、取消键、移动键和数据传输键，按键

27、数量很多，需要通过编程进行选择，对软件要求很高。其功能就是完成基本的参数输入、测量、保存、查询和传输等功能。串口通信采用RS232技术，将数据传输给PC机，使得PC机的操作平台整理数据。5.1.2 设计检测仪的软件（1）仪器软件设计主程序：完成系统初始化和各个子程序的调用键盘输入子程序：实现键盘所设按键功能。通信子程序：完成单片机和PC机之间的通信。液晶显示子程序：完成土壤含水率、温度、盐度、土壤容重和存储数据的显示。土壤含水率计算程序：将传感器采集并由信号处理电路转换的影响因素通过数学模型计算求出土壤含水率。功能选择程序：对于多种情况进行选择调用。这一部分主要采用单片机C语言进行程序的编写，

28、软硬件设计完成后，结合KEIL与PROTEUS两个软件实现软硬件的仿真，以单片机实验板进行调试，调试成功后制版。5.1.3 进行校正和误差比较对相同的土壤样品分成两份，一份通过设计的土壤含水率检测仪测量，另一部分通过传统、标准的烘干法测量水分，计算二者之间的差距。通过大量样品进行比较、计算，求得算数平均值，计算系统的相对误差。5.2 技术路线本设计的技术路线如图3所示：图3 仪器设计技术路线Fig.3 Technology roadmap of instrument design6.预期结果研制基于单片机的土壤含水率检测仪，能够实现土壤含水率、温度、盐度及相关干扰因子的实时测量，可以同PC机通

29、信，进行数据采集和整理。7.本研究预期创新点运用FDR技术，通过高频反射来测量土壤含水率，开发传感器。考虑到土壤温度、盐度、频率、土壤容重、土质等相关干扰因子。采用温度补偿、附加电阻等方法，使得测量技术更加精确。8.论文工作进展安排表1 论文工作进展安排时间研究内容2011.072011.10阅读资料，了解现代各种土壤含水率检测技术，熟悉实验仪器，确定研究方向。2011.102012.04初步确定系统控制和通信部分所用芯片的型号及硬件的选型，并进行系统各个功能模块的程序设计与电脑仿真，以及整机的模拟实验。2012.042012.09制作数据采集终端，制作控制通信部分PCD板2012.09201

30、2.11整体调试，优化设计，改善系统功能，进行误差实验。2012.112013.03撰写论文，准备答辩9.经费预算表2 经费概况支出项目金额（元）实验材料费500资料费300论文发表费1600仪器制作费1200其他费用500答辩费800总计490010.研究设备及材料1.FA2104N电子天平 上海舜宇恒平科学仪器有限公司2.E5071C矢量网络分析仪 美国安捷伦公司3.电导率仪 DDSJ-308A 雷磁 上海精密科学仪器有限公司4.恒温水浴锅 DK-98-1型 天津市泰斯特仪器有限公司5.土壤样品6.环刀、土壤筛、研钵、烧杯、试管夹、玻璃棒、铝制试验盒、保鲜膜等。8.单片机开发系统，Lab6

31、000 南京伟福有限公司9.PC机、面包板。电烙铁、万用表等。11.疑难问题（1）土壤成分非常复杂，结构也很复杂，FDR探头与土壤的接触可能因为孔隙而有巨大误差。（2）由于功能的要求，软件编程语句的数量非常巨大，如何高效而节省的编写软件也是一项巨大的考验。 （3）由于FDR技术需要高频信号，在电路中高频电路的设计成为了重中之重。另外这个电路板的设计和焊接也是难点之一。（4）最为重要的就是检测仪准确性和时效性的要求。参考文献唐立松，张佳宝，程心俊.2002.干旱区绿洲荒漠交错带土地退化及生态重建.干旱区研究, 19 (3)：43 48刘发民，张应华，仵彦卿.2002.黑河流域荒漠地区梭梭人工林地

32、土壤水分动态研究.干旱区研究，19 (1)：27 -31李兴涛，尹盟毅，赵晓峰，等.2010.GStar-1型土壤水分检测仪与人工测定土壤的含水量比较分析.科园月刊，21：54-55马涛.2008.国内外土壤水分快速测量技术浅析.中国防洪抗旱，1：31-33郭卫华，李波，张新时，等.2003.FDR系统在土壤水分连续动态监测中的应用.干旱区研究，20（4）： 247-251郭文川，朱新华.2009.国外农产品及食品介电特性测量技术及应用.农业工程学报，25（2）：308-312杨胜利，刘洪禄，吴文勇，等.2009.时域反射仪( TDR) 的应用现状与发展趋势.水资源与水工程学报，20（6）：5

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