土壤水分管式传感器硬件系统设计

郝泽亮　钟国财　谢东东　潘庭龙

摘 要：目前市场上广泛应用的土壤水分传感器大多以探针式为主，该类传感器只能检测土壤表层水分，且探针要与土壤直接接触，因此会破坏土壤结构。鉴于此，文中以STM32单片机为核心，基于智能感知、无线传输、电子信息等物联技术，研发一种新型管式传感器，可以同时测量同一剖面不同深度的土壤参数，且对土壤环境无破坏，对于水利、智能灌溉、精准农业等具有重要的现实意义，在我国这样一个农业大国，具有广阔的市场前景。

关键词：管式传感器；土壤水分测量；边缘场效；无线传输

中图分类号：TP212；S951.4+1 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2018）03-00-04

0 引 言

我国是一个拥有13亿人口的发展中农业大国，农业的稳定发展对我国具有十分重要的意义[1]。与发达国家相比，我国农业用水的利用率还极其低下，农业用水的浪费现象普遍存在。只有大力发展现代农业，保证农产品的充足供应，才能确保我国经济持续快速发展，实现“两个一百年”的奋斗目标[2]。 水资源在农业应用中起着至关重要的作用，土壤水分含量是影響农作物生长过程的重要物理参数[3]。 在当前水污染严重、淡水资源紧缺的情况下，研究和推广节水技术和设备、发展节水农业是提高水资源利用率的一条重要途径[4]。 因此，研究开发土壤墒情传感器，实现对土壤的实时监控对农业的发展至关重要[5]。目前，市场上关于土壤水分的检测仪器几乎都以与土壤直接接触的探针式传感器为主。若要实现土壤剖面的水分测量，需要沿剖面埋设探针式传感器，导致严重破坏土壤结构，难以满足对土壤剖面含水率进行测量的需求[6]。 鉴于此，本文设计研制了一款管式土壤水分检测传感器，能够在检测水分的同时检测温度，可以连续实时地对不同深度的水分和温度进行测量。

土壤主要由固体颗粒、水分、气体三部分组成。土壤含水率是表示土壤中水分含量的基本概念，一般用土壤质量含水率（θm）和土壤体积含水率（θv）两种基本方法表示。

频域分解法是1992年荷兰学者Hilhorst提出来的。该法利用矢量电压的测量技术，通过施加合适的高低频率将土壤介电常数的实部与虚部分离开来。其中，由介电常数的虚部可以推导出土壤含水率，常数的虚部与土壤的电导率有较强的相关性，由此即可换算出土壤的盐分含量。单纯从测量土壤水分含量来看，基于频域分解法的水分检测仪器不管在研究初期还是批量化生产应用的过程都比驻波比法要难，因此只有经历不断的技术革新才足以进入市场。

1 土壤水分管式传感器方案设计

本文所设计的是基于电容边缘场效应的土壤水分管式传感器，该传感器工作于埋设在土壤的PVC管体中，需要与专用的采集设备配套使用[7]，该传感器的优点是测量探头不与土壤直接接触，且可以同时测量同一剖面不同深度的水分。探头采用的核心部件是压控振荡芯片MC1648。采集到的数据通过GPRS无线通信统一发送至远程服务器，土壤水分管式传感架构框图如图1所示。图中无线传输模块采用SIM900模块，通过GPRS通信协议与远程服务器进行数据传输。

2 传感器的结构设计

本文所设计的是一种新型管式土壤传感器，PVC套管垂直埋入土壤中，每个套管中嵌有多个探头节点，测量深度可通过增减探头节点的个数具体而定。几何结构如图2所示。

每个传感器探头节点都由一对形状大小一致且相对平行的铜环构成。铜环的外径为55 mm，内径为53 mm，高度为25 mm，两个铜环之间的间距为10 mm，套管采用PVC材质，内径为57 mm，厚度大约3 mm左右，节点之间的距离设置为10 cm，即可以同时测量同一剖面相隔10 cm的土壤参数。传感器设计时应避免铜环晃动或与PVC套管产生较大摩擦，套管底部应做好密封处理，防止水分渗入损坏传感器。传感器埋入土壤后没有特殊情况一般不取出。

采用该结构的传感器探头不与土壤直接接触，不会破坏土壤结构，采集到的数据可靠性较好；传感器采用管式结构，可同时测量同一剖面不同深度的土壤水分及温度，且测量深度可由具体要求而定。

3 硬件电路设计

3.1 传感器探头电路设计

土壤水分管式传感器的探头电路由振荡电路、整型电路以及分频电路三部分组成，具体如图3所示。一对金属铜环充当电容连接入电路与电感L组成LC振荡电路，选择合适的电感L值使得谐振频率位于80～150 MHz，经过整形、分频送往单片机处理。

（1）振荡电路

该部分电路使用的是压控振荡芯片MC1648，与E1648相比其功能没有太大区别，只是封装类型不同。MC1648是SOP-8贴片封装，E1648是14引脚直插式的。 MC1648的TANK与BIAS引脚与电感L1、铜环P1相连构成振荡电路。其中，T1为互感线圈，其作用是滤波抑制干扰，信号经OUT引脚连接一个电容输出，振荡频率大约为80～150 MHz。土壤湿度发生改变时，金属铜环构成的电容P1有效容值也会变化，从而引起输出频率的变化。

（2）分频电路

OUT引脚输出的是谐振电路产生的高频正弦波信号，该信号无法直接送至STM32单片机进行处理，因此需要进行分频处理。本文的设计是对高频进行两次分频，首次分频采用MC12080芯片，该芯片具有÷10/÷20/÷40/÷80多种分频级数，通过设置SW1、SW2和SW3的高低电平来确定分频倍率，12080的最大工作频率高达1.1 GHz，可以满足需求。本文将SW1与SW3悬空，置SW2为高电平，将第一级设置为40分频。第一级分频电路如图5所示。

经过第一级分频后，振荡频率大约为3～4 MHz，需进行第二次分频，此时使用74HC4040作为二级分频芯片，具体如图6所示。

（3）整形电路

振荡电路产生的是正弦波信号，而最后需要测量的是振荡信号的频率，因此在第一级分频电路后加一个比较器LMV7239M7X，将正弦波信号整形为同频率的方波信号，由1号引脚 Vout输出。

3.2 主控器设计

（1）单片机电路设计

单片机采用的是ST公司基于ARM3设计的STM32F103系列单片机，该单片机属于增强型系列，具有多个串口和丰富的外设资源，足以满足本设计的要求。基于时钟芯片DS1302Z的实时时钟电路、晶体振荡电路以及STM32内部的时钟电路组成了单片机的时钟方式。根据硬件连接的不同，分为内部时钟与外部时钟，依照不同的需求选用时钟电路。两个晶体振荡电路XT1CLK与XT2CLK构成单片机的外部时钟，XT1CLK接32.768 kHz的晶振，与单片机的OSC32引脚相连接，XT2CLK接8 MHz的石英晶体振荡器，分别与单片机的OSC-IN，OSC-OUT引脚连接。实时时钟电路如图8所示。

（2）唤醒电路

由于土壤传感器可能埋设在距离监控中心较远的地点，除了后面所要提及的采用特殊供电方式，设备也应尽量减少电能的消耗。由于土壤水分含量是一个渐变过程，相邻两个测量时间间隔一般比较长，因此除了测量时间，其余空闲时间应使单片机处于休眠或待机状态。但出于现实意义考虑，需要外加一个按键，在单片机的休眠期间按下按键能够实现即时测量，具体电路如图9所示。

图9中，1，2号引脚接指示灯，3，4号引脚接外部按键。若需要即时测量则按下按键，此时3，4号引脚接通，松开按键后，STM32唤醒，引脚PA0上出现一个上升沿将单片机唤醒，STM32开始采集数据，同时单片机的PA1引脚置予短时间的高电平。将三极管Q13导通，1，2号引脚间的指示灯亮起，指示操作完成。

（3）电源监测电路

土壤传感器须长时间安置在农田中，距离控制中心较远，这就給传感器的维护带来不便。本设计采用光伏蓄电池互补供电模式，为了增强供电的可靠性，需要对稳压后的太阳能光伏电压以及蓄电池电压进行监测。

ADS1115是一个具有16位分辨率的高精度模数转换器，能够以高达每秒860个采样数据的速率执行转换操作，ADS115具有一个多路复用器，可提供2个差分输入或4个单端输入。利用A/D转换芯片ADS1115对光伏电压及蓄电池电压进行单端采集，电路如图10所示，其中PV+，P-分别是太阳能光伏的正负极，BAT+，B-分别是蓄电池的正负极。ADS11115的工作范围是2～5.5 V，为了确保输入电压不超过测量范围需预先做分压处理。

3.3 电源模块设计

为了不破坏土壤结构，传感器一经安装完成，应尽可能少拆除。因此供电问题是首要考虑的问题，为了解决远距离供电问题，采用光伏+储能蓄电池互补的供电方式，太阳能给系统供电的同时给储能电池充电，在没有光照的时候储能电池供电。为了延长供电时间，除了方案所提及的采用光伏蓄电池互补供电模式，在传感器探头测量模块与中心处理器数据处理模块应尽量降低功耗，如多探头轮流供电。当需要进行数据采集时进行供电，其余空闲时间使该模块进入休眠状态或停止供电，尽量减少电能的消耗。电源模块整体架构如图11所示。

本文所采用的太阳能光伏阵列输出的是稳定的6 V电压，而传感器系统大多数芯片的工作电压为3.3V，因此需做降压处理。芯片工作所需的5 V电源由3.3 V升压得到。

（1）蓄电池充电管理电路

太阳能光伏降压后除了直接给传感器系统测量供电，同时也给储能蓄电池充电，整体架构如图12所示。主控芯片采用MM3077FNRE，开关器件1和开关器件2均为P沟道MOSFET，太阳能光伏与蓄电池共正极，通过开关器件1和开关器件2来控制两者的负极是否连接在一起，MM3077FNRE通过采集到的蓄电池电量来决定引脚DO，CO输出的高低电平，从而控制开关器件的通断。当蓄电池充电饱和时，开关器件1断开，蓄电池不再充电。在没有光照的条件下，由蓄电池给系统供电。为了防止电池过放，当检测到电池电量低于某个阈值时，开关器件2断开，蓄电池停止供电，由此实现了光伏+蓄电池互补供电。

（2）传感器探头供电设计

由于远距离供电带来设备维护的困难，降低设备能耗，延长工作时长就尤为重要，因此除了供电模式的特殊设计外，对传感器本身的工作模式也应做出优化。探头的供电模式设计如图13所示， 5 V电源不直接给传感器探头供电，而是通过开关器件MOSFET控制电源的接通关断。使能端EN与单片机相连，探头采集数据时，使EN输出低电平，稳压二极管D1被击穿，Q1导通，在其余空闲时间内使Q1关断，切断电源。

3.4 抗干扰性和低功耗设计

（1）抗干扰设计

硬件电路在设计之初就应考虑到各种抗干扰措施，特别是本文的高频信号电路。因此，从元器件布局到焊接，均应遵守电磁场兼容理论。本文针对抗干扰采取了以下措施：在每个芯片的VCC引脚均接有去耦电容，提高对低频噪声信号的抑制能力；PCB板上的线粗细合适，距离尽量短，布局紧凑，尽量降低信号传输过程中的损耗，空白处大面积敷铜；模拟电路部分与数字电路部分尽量分开，数字地与模拟地通过电感连接。

（2）低功耗设计

本文所设计的土壤水分传感器主要应用于农田，供电方式采用太阳能光伏+储能蓄电池互补供电模式，为解决低功耗问题，特采取以下几项措施：除测量时间外，在其余时间传感器探头停止供电，微处理器与其他芯片处于休眠或关闭状态，从而大大降低能量损耗。

在选择电路器件时，尽量采用低功耗设计的芯片，如芯片不采用直插封装而选择功耗相对较低的贴片封装等。

4 结 语

本文旨在研究一种非接触式土壤水分传感器，该传感器主要应用于农田水分测量系统，主要由水分传感器探头、主板控制器、PVC套管等组成。其主要特色在于：（1）采用管式测量方法，克服了传统针式传感器只能测量表层水分的缺点。本项目的土壤水分传感器为管式传感器，相对于传统的针式探头结构有很大的优势。从设备的使用寿命上来说，管式传感器外面是PVC套筒，不易腐蚀；从测量的准确性上来说，针式传感器在测量特定深度土壤的水分时需要把土壤挖开，把传感器埋在特定的点，这样不能保证挖开之后的土壤水分含量与挖开之前相同。而管式传感器只需要把套管插入土中，就能一次性测得同一个剖面不同深度的土壤水分含量，并且不影响土壤水分自由交换；从对土壤的保护方面来说，使用管式传感器不涉及挖开土壤，实现了对土壤最大程度的保护。（2）光储互补供电方式适合传感器长期野外作业，某些传感器所安装的农田位置距离远程控制中心较远，且已安装完成的设备不适宜经常性地拔出更换蓄电池，否则会对农作物生产环境造成扰动。本项目采取的光伏蓄电池互补供电模式能够尽可能降低传感器功耗，为其长时间野外作业提供条件，提高了远程数据采集的稳定性及持续性。（3）采用GPRS无线传输技术实现传感器远程数据采集。所谓精确农业是指由信息技术支持，根据空间变异定位、定时、定量实施的一整套现代化农事操作技术与管理系统。信息传输无疑是这一系统重要的组成部分，将采集到的土壤参数及时传输到远程服务器，供决策人员查看，为作物的最佳灌溉时机和灌溉量的选择提供参考，实现智能精确灌溉控制，极大地提高了农业生产效益。

参考文献

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