基于单片机原理的土壤盐分实时观测系统

孟宪萌,尹茂生,朱 炎,刘登峰

(1.中国地质大学(武汉) 环境学院，湖北 武汉 430078；2.西安理工大学水利水电学院，陕西 西安710048)

土壤盐渍化、咸水下移、海水入侵等是土壤和地下水所面临的严峻环境问题。对土壤中盐分运移规律的研究可以为该类实际问题的解决提供科学的理论依据，对实现地下水资源科学管理、土壤盐渍化防治有着重要的意义。土壤中盐分浓度的观测可为土壤盐分运移问题的研究提供不可或缺的数据支撑。根据研究空间尺度的不同，土壤盐分运移研究可分为野外区域研究与室内实验研究。在野外区域研究中，对土壤盐分浓度的观测一般采用定点取样观测的方法，该方法可满足野外研究所需精度较低的要求。室内实验研究是研究土壤盐分运移规律的重要方法，一般采用水箱或土柱作为土壤盐分运移场进行室内土壤盐分运移实验。在室内土壤盐分运移实验中，使用较为普遍的土壤盐分浓度观测方法有两种：一种为直接取样观测法；另一种为传感器观测法。直接取样观测法是通过在盐分运移场的边壁留取样孔，观测时打开取样孔，取一定量的溶液进行测试，从而获取每个观测孔处相应时间的土壤水溶液盐分浓度值。该方法对水箱或土柱的设计要求较为简单，获取的溶液信息较为完整，但取样过程中对土壤盐分运移场内流场的扰动较大，且在水压较高或者较低时取样较为困难。随着土壤盐分传感器技术的发展，传感器观测法以其精度高、操作方便、不破坏流场等诸多优点在土壤盐分浓度观测中得到越来越普遍的应用。目前，在土壤盐分观测中使用较为普遍的传感器为石墨电极传感器，该传感器配有温度补偿功能的热敏电阻，具有性能稳定、灵敏度高、响应时间短等特点。

现有用于土壤盐分浓度观测的传感器及观测仪器均采用单点单次观测，能够对多点进行实时土壤盐分浓度观测的系统较为少见。然而，在土壤盐分运移试验过程中，为了能够全面监测土壤盐分的运移过程，常需要对多个点位同时进行土壤盐分浓度观测。除此之外，土壤盐分的运移过程常常需要持续几天甚至十几天的时间，而且在土壤盐分运移过程中均需要对土壤盐分浓度进行实时观测。目前所用的土壤盐分浓度观测仪器在完成多点长时间实时观测任务时均存在较大的困难，或需耗费大量的人力和物力。

本文利用单片机原理，以现有的单个FJA-10型土壤盐分传感器为基础，开发了土壤盐分实时观测系统，可实现对多个土壤盐分传感器读数进行实时显示、记录、传输，并基于C语言开发的上位机软件，可通过有线、无线方式与单片机连接，实现对数据采集频率、信号转换方程系数的设定与更改，同时可观测各传感器实时读数并绘制土壤盐分浓度变化曲线，较好地实现了对土壤盐分的多通道进行实时观测。

1 系统原理

土壤盐分实时观测系统主要包含3个功能模块，分别为信号采集单元、数据处理单元、上位机控制单元(即上位机软件)。

1.1 信号采集单元

信号采集单元主要由土壤盐分传感器构成。根据测定对象的不同，原位测定土壤盐分浓度的方法可分为土壤溶液电导率法和土壤表观电导率法。其中，土壤表观电导率法具有反应时间快、对土壤含水率没有严格要求、测定范围广等特点，但该方法所得结果受到土壤含水量、土壤质地、温度等诸多因素的影响，其测定精度较差，因此主要被应用于对精度要求不高的室外观测。

目前应用于室内实验观测的土壤盐分浓度传感器大多采用土壤溶液电导率法。1959年，Kemper首次提出并研制了土壤溶液电导率法传感器，其主要构件为多孔陶瓷片以及镶嵌其中的土壤盐分传感器元件。当传感器埋入土壤中时，土壤中溶液在基质势的作用下进入陶瓷片，并经过一段时间的离子扩散使陶瓷片内的离子浓度与土壤溶液盐分浓度逐渐达到一致，从而可测量出土壤溶液的盐分浓度。目前应用较多的Cat No 5500型和TYC-2型土壤盐分传感器均是基于以上测试原理并加入热敏元件进行改进的，其可以测得25℃条件下的土壤盐分标准浓度值，已在土壤盐分运移研究中有着广泛的应用。基于多孔陶瓷理论的土壤盐分传感器具有精度高、操作简单、读数稳定等优点，但该类传感器一般需要较长的反应时间且对土壤含水率有一定的要求。如TYC-2型土壤盐分传感器在土壤中达到平衡时需要的反应时间为18～24 h，且土壤最小含水率不能低于12%。

FJA-10型土壤盐分传感器是在传统陶瓷铂电极传感器的基础上进行改进的，其采用了石墨电极和具有温度补偿作用的热敏电阻，具有电极灵敏度高、电极性能稳定、适用于高电导等特点，由于该传感器主要是基于电场反应原理，因此相对于传统陶瓷原理传感器在反应时间上具有质的提高，经测试反应时间一般小于20 s。然而，FJA-10型土壤盐分传感器的读数精度相对传统陶瓷铂电极传感器有稍许减小，据测试其相对平均偏差一般在5%～10%，且易受到土壤质地的影响，土壤盐分浓度观测值相对于纯溶液土壤盐分浓度值偏小。

对于野外试验，由于空间尺度较大，其土壤盐分运移速度相对较慢；对于室内实验，其空间尺度较小，土壤盐分运移速度相对较快。为了使土壤盐分实时观测系统具有较为广泛的适用性，其信号采集单元采用南京传滴仪器设备有限公司提供的反应灵敏的FJA-10型土壤盐分传感器以及与其配套使用的FJA-11型土壤盐分传感器变送器。当然，基于单片机原理的土壤盐分实时观测系统具有较强的兼容性和开放性，使用者也可以根据不同的实际需要选择相应的信号采集装置。

1.2 数据处理单元

数据处理单元是土壤盐分实时观测系统的核心，负责对整个系统的工作进行控制，对信号进行处理、储存和显示。根据土壤盐分浓度观测的需要，数据处理单元需要实现以下功能：①同时对多个传感器所采集的信号进行识别与转换；②将识别的土壤盐分浓度观测值以特定格式储存到相应的存储设备中；③对土壤盐分浓度观测值进行实时显示；④与PC端上位机连接，以便通过PC端对土壤盐分实时观测系统的工作状态进行设置和更改。为了实现土壤盐分实时观测系统的以上功能，基于单片机原理的数据处理单元包含处理器、模数转换器、SD储存卡、蓝牙串口、液晶显示屏等模块。其中，处理器是数据处理单元的控制核心，其根据事先录入的程序来控制模数转换、SD储存卡的读写、蓝牙通信和液晶显示屏等功能模块的分工协作；模数转换器负责将数据采集单元输出的连续模拟信号转换成能够被处理器直接使用的时间、幅度离散的数字信号；SD储存卡为土壤盐分浓度观测数据提供必要的存储空间；蓝牙串口可以为上位机与单片机的数据传输和信息交流提供无线通道；液晶显示屏可以显示多个传感器的观测值和观测时间。

1.3 上位机控制单元

土壤盐分实时观测系统在对土壤盐分浓度进行观测时，根据不同的工作条件和土壤质地，为了提高数据的精度和有效性，需要对观测频率和一些转换方程参数进行设置和更改，因此需要利用上位机控制单元对单片机进行控制，以实现以上功能需求。而上位机控制单元即上位机软件基于C语言开发，可以增强软件的可读性和稳定性。

2 系统结构

土壤盐分实时观测系统主要由FJA-10型土壤盐分传感器、FJA-11型土壤盐分传感器变送器、土壤盐分浓度观测仪、上位机控制单元和电源管理单元组成，具体结构如图1所示。

图1 土壤盐分实时观测系统结构图Fig.1 Structure of soil saline real-time observation system

FJA-11型土壤盐分传感器变送器是与FJA-10型土壤盐分传感器配套使用的信号转换装置，可以将FJA-10型土壤盐分传感器输出的电导信号转换成可以被土壤盐分浓度观测仪识别的电压信号，土壤盐分传感器的盐分浓度测量范围为0.01～0.30 mol/L，最小读数为0.01 mol/L，配套测量精度优于5%，土壤盐分传感器变送器采用12 V直流供电。

基于单片机原理的土壤盐分浓度观测仪的控制核心主要采用基于ARM Cortex-M3内核的32位处理器STM32F103RCT6；模数转换器采用两片8通道24位Δ-Σ型模数转换器ADS1256，实现对最多16个传感器信号进行转换；存储模块采用两张8G容量SD储存卡轮流储存，每张卡储存周期为24 h，数据存储格式为TXT格式(见图2)，方便对数据进行后期处理；蓝牙串口模块采用HC-05型蓝牙模块，可自由设定主机或从机，实现单片机与上位机之间的信息传递；液晶显示屏模块采用2.5寸液晶显示屏，可实时显示多个传感器上采集的土壤盐分浓度值和观测时间。

图2 土壤盐分浓度数据存储格式(浓度单位为mol/L，时间单位为s)Fig.2 Storage format of soil saline concentration data (units of concentration and time are mol/L and second,respectively)

电源管理单元给土壤盐分实时观测系统提供12 V、5 V、3.3 V的直流电压输出。12 V电压供给FJA-11型土壤盐分传感器变送器，5 V电压供给模数转换器，3.3 V电压供给微控制器、液晶显示屏等系统其他部分。其中12 V直流电压由外部适配器接入，其输出电流为2 A，可满足系统16路传感器变送器的电流需求；5 V直流电压由高效率降压稳压器LM2676S-5.0提供，其转换效率高达94%，大大降低了系统的功耗；3.3 V直流电压由低压降压稳压器AMS1117-3.3提供，该芯片具有过热切断和限流功能。另外，土壤盐分实时观测系统还带有一块容量为6 800 mAh的12 V锂电池作为备用电源，以保证在交流供电出现问题时仪器的正常运转，备用电源能够维持系统连续工作7 h。

上位机控制单元分为5个区域，分别为用户设置区、测量控制区、数值显示区、绘图区和方程参数区。其中，用户设置区主要用来设置蓝牙串口编号、采样间隔时间和控制测量系统的开关；测量控制区主要显示SD储存卡的容量、余量以及控制液晶显示屏的开关和是否显示探头的校正参数区；数值显示区用来实时显示16路通道的土壤盐分浓度数值；绘图区可实时绘制多通道的土壤盐分浓度变化趋势图，让使用者更直观地掌握数据变化；方程参数区一般是隐藏的，只有在测量控制区勾选“显示方程参数”方框时，此区才会展开，方便使用者对信号转换参数进行设置。上位机控制单元的界面效果，见图3。

图3 土壤盐分实时观测系统中上位机控制单元的界面效果图Fig.3 Interface effect picture of host computer software in the soil saline real-time observation system注：方程中y表示溶液浓度，单位为mol/L;x表示变送器的输出信号值。

3 系统信号转换关系及精度分析

土壤盐分实时观测系统的土壤盐分浓度测量主要是基于土壤溶液盐分浓度与电导率之间良好的相关关系。具体信号关系转换过程为：前端土壤盐分传感器测得土壤溶液的电导率之后，经变送器转换输出与电导率成线性关系的电压信号，并将电压信号传给土壤盐分浓度观测仪；土壤盐分浓度观测仪中的模数转换器对电压信号进行识别，并根据转换方程将电压信号转换为土壤盐分浓度值进行后续显示、储存和传输。系统信号转换关系流程，见图4。下面将对土壤盐分实时观测系统中两种主要的对应关系，即电导率-电压、电导率-土壤盐分浓度之间的关系进行分析论述。

图4 土壤盐分实时观测系统信号转换关系流程图Fig.4 Relationship flow chart of signal conversion in the soil saline real-time observation system

3.1 电导率与电压之间的关系

根据FJA-10型土壤盐分传感器研发单位(南京传滴仪器设备有限公司)提供的资料，该传感器所测的电导率信号可经变送器转换成电压信号，电压值与电导率值之间具有稳定的线性关系，其相关度≥98%。基于两者之间的此种相关关系，模数转换器可将变送器输出的电压值还原回电导率值，并基于电导率值与土壤盐分浓度值之间的对应关系，可得到所测土壤的盐分浓度。

3.2 电导率与土壤盐分浓度之间的关系

当土壤盐分浓度在0.02 N～0.30 N范围内时，FJA-10型土壤盐分传感器所测的电导率值与土壤盐分浓度值之间具有良好的相关关系，其相关度≥98%，用二次方程进行拟合时，其误差小于0.4%。由于每个土壤盐分传感器在出厂之前均经过了土壤盐分浓度校正，并配有电导率-土壤盐分浓度二次拟合方程，因此，基于电导率值与土壤盐分浓度值之间的对应关系，可得到所测土壤的盐分浓度。

4 系统应用——一维土柱盐分运移试验

将土壤盐分实时观测系统应用于一维土柱盐分运移试验中，对土柱中指定点的土壤盐分浓度变化过程进行观测。该一维土柱盐分运移试验装置中多孔介质自上而下分别为砂层、黏性土层、砂层，采用定水头定浓度供水，咸水向下流动，土壤介质中盐分初始浓度为0，土壤盐分传感器分布在土柱一侧，嵌入土柱中，见图5和图6。

图5 一维土柱盐分运移试验装置Fig.5 Facility of one dimensional solution transport

图6 土壤盐分实时观测系统实测图Fig.6 Picture of soil saline real-time observation system

本次试验起止时间为2015年7月22日至2015年8月12日，土壤盐分实时观测系统持续工作时间为22 d，超过500 h。在一维土柱盐分运移试验过程中，该土壤盐分实时观测系统运行稳定，观测结果准确可靠，对土壤盐分在土柱中的浓度变化过程记录完整，证明其在土壤盐分浓度观测中具有可靠性。

5 结论与建议

本文基于单片机理论开发的土壤盐分实时观测系统可实现以下功能：

(1) 系统可对多个土壤盐分浓度观测点进行实时自动观测与记录，弥补了人为观测过程中需长时间把守、对关键时段观测数据不足等缺点。

(2) 系统可实时显示观测点处土壤盐分浓度的变化情况，方便研究人员对土壤盐分的分布情况和运移过程获得直观掌控。

(3) 系统将观测数据以TXT格式储存，数据储存格式整齐、可读性强，方便使用MATLAB等数据处理软件对数据进行后续处理和分析。此外，观测数据的存储文件容量为一整天的观测数据，即0∶00—24∶00，系统会在每天0∶00重新创建一个新的TXT文件对下一天的观测数据进行储存。

(4) 系统采用双SD储存卡交替存储使用的模式，可方便对每天的观测数据进行及时处理和分析，而不影响系统的持续观测和记录，这样能及时发现数据观测过程中的问题并采取相应的措施。

(5) 系统安装有上位机软件的计算机可通过蓝牙通讯的方式对模数转换参数以及土壤盐分浓度的读数时间间隔进行控制。

另外，土壤盐分实时观测系统还设有系统运行状态指示灯及备用电池，可以提高系统的稳定性。将该系统应用于一维土柱盐分运移试验的土壤盐分浓度观测中，系统可持续运行500 h以上，且工作性能稳定、数据观测准确，证明其在土壤盐分浓度观测中具有可靠性。

为了使土壤盐分实时观测系统在实际应用中能够得到更为准确的观测结果，本文提出以下建议：①根据土壤质地、土壤含水率、精度要求的不同，选择合适的土壤盐分传感器与土壤盐分观测仪配套使用；②受不同土壤质地、不同溶液组分的影响，该系统的土壤盐分浓度观测值会有偏差，故在测试前需对系统进行精度校正。