高精度土壤湿度在线监测系统设计与应用

王艳霞 唐忠林

摘 要 设计一种低成本水力发电、在线监测土壤湿度的智能喷灌系统。系统以低功耗单片机MSP430作为主控芯片，基于水动力转换实现能量的稳定收集、存储和再利用。土壤湿度传感器采用叉指电极结构型电容器，通过高精度数字转换芯片PCAP01实现对土壤湿度实时在线监测的功能。實验验证结果表明，该土壤监测系统湿度测量值与标准值的相对误差均小于1%，测量数据准确可靠，实时性好，抗干扰能力强，完成了智能喷灌系统中对关键参数的高精度监测技术研究与实现。

关键词 智能喷灌系统;土壤湿度监测;PCAP01;叉指电极;传感器

中图分类号：S24 文献标志码：B DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2022.15.043

我国是一个农业大国，用世界约7%的耕地养活了世界20%的人口，人均拥水量只有世界平均水平的1/4，水资源不足问题已经成为严重制约我国社会经济快速发展和农业发展的重要因素。因此研究有效可行的节水灌溉方案具有紧迫的现实意义[1-2]。

土壤湿度代表土壤含水量，是土壤重要的物理性质之一[3-4]。实时、在线的土壤湿度监测，是现代集约化农业生产中实现自动精确灌溉的必要技术手段，在节约农业用水、优化作物生长等方面发挥着重要作用。

1  土壤湿度监测系统设计

为满足智能农业的节水灌溉需要，土壤湿度在线监测系统设计为多节点监测模式[5]。各监测节点按照星型网络架构，通过无线通讯方式与控制中心交互数据及指令，拓扑结构示意见图1。

以单节点为例进行说明，智能喷灌系统主要由控制中心模块、单片机主控模块、水动力供电模块、微电容采集模块和无线传输模块组成，组成结构如图2所示。

其中，控制中心和单片机主控模块作为单节点的上位机和下位机[6]。上位机主要采用Labview软件进行编程和界面设计[7]，完成数据采集、数据转换及工作状态等信息的存储和显示功能。下位机以单片机为控制核心，通过SPI总线实现与微电容测量芯片的信息交互，通过叉指电极结构的电容传感器实现对土壤湿度的采集功能 [8-9]。

2  PCAP01工作原理

系统采用高精度电容数字测量芯片PCAP01AD实现对土壤湿度传感器输出微电容的测量[10]。在10 pF基准电容且测量速率为5 Hz时，该芯片的精度可以达到6 aF。

电容芯片测量原理如图3所示。PCAP01内部通过充放电原理实现对微电容的测量。在测量过程中，一个传感器的电容和一个参考电容被连接到同一个放电电阻，组成一个Low-pass低通滤波。

电路上电时，基准电容Cref会充电至电源电压，充电完成后，再通过内部选定的放电电阻R1进行放电，放电阈值电压为Vth。PCAP01内部高精度时间数字转换器TDC会记录整个放电过程，得到一个放电时间常数τref。当对待测电容CN执行相同的充放电过程时，同样可得到被测电容的放电时间常数τN[11]，充放电时序如图4所示。

如公式（1）所示，放电时间比等于被测电容CN与基准电容Cref之比。

[τNτref=CNCref]  （1）

被测电容的取值一般应尽量接近基准电容，以降低增益偏移。本电路适用于测量0～3.5 nF的电容，如需测量更高的电容值，可通过在外部连接一个小电阻Rdisch_ext来实现。

3  系统硬件设计

系统充分利用喷灌系统的水动力，综合运用锂电池储能技术与智能电源管理技术，实现持续稳定的能量收集、存储与供应。通过叉指电容技术与微电容采集芯片相互配合的模式，实现对土壤湿度的在线监测功能。

整个系统硬件设计主要包括参数采集与控制模块、能量采集与管理模块、土壤湿度在线采集模块及无线传输模块。

3.1  能量采集与管理模块

系统基于水力发电和电源管理技术，有效克服有源电网和太阳能发电的缺点，实现喷灌作业的智能化充放电管理，根据剩余电量和土壤水消耗速度，自动调节用电策略，保证系统全程自主供电模式。

3.2  参数采集与控制模块

本模块以低功耗单片机MSP430作为主控芯片，合理设置工作和休眠策略，使一次喷灌后的锂电池能量储备可以支持一个水消耗周期。设计空气湿度、环境温度和光照度等环境参数检测电路，结合叉指电容土壤湿度传感器在线监测数据和作物的生长特性[12-13]，自适应计算或根据控制中心指令调节伺服阀的启停与开度，同时统计每次的喷灌用水量和间隔时间信息。该模块可与无线传输模块交换数据，接受控制中心的无线指令并执行相应动作，或根据指令要求上传数据。

3.3  土壤湿度在线采集模块

本系统主要通过PCAP01芯片完成对土壤湿度传感器电容值的在线采集和转换功能，测量电路图见图5。本电路采用单个传感器接地的连接方式，其中C0为基准电容，C1为被测电容（土壤湿度监测传感器输出电容）。为减少寄生电容对测量结果的影响，验证电路板中电容接口模块的走线尽可能短。

ACAM公司为PCAP01提供了标准固件03.01.xx，通过SPI或者I2C总线下载到芯片中，并合理配置内部寄存器的参数，实现对被测电容的高精度测量。

土壤湿度传感器采用叉指电极结构和双面PCB工艺，每块PCB采用双层板结构，板厚1.6 mm，电极宽度W与电极间隔G均为0.5 mm，电极占空比为50%[14]。叉指电容传感器实物如图6所示。

3.4  无线传输模块

本系统中自动灌溉网络采用星型拓扑结构，各节点与控制中心建立无线双工通讯，节点之间不进行数据交互[15]。无线传输模块采用2.4 GHz低功耗nRF24L01芯片[16]，在喷灌节点端采用TTL串口转无线模式与单片机交互，在控制中心采用USB转串口模式与计算机交互，实现单网模式即可覆盖一个小型种植园的土壤湿度监测与自动灌溉需求。

4  系统软件设计

4.1  主程序设计

软件程序主要用于实时监测灌溉节点处的土壤湿度、空气湿度、空气温度、光照度等种植环境参数，并根据种植环境参数智能计算，自动控制喷灌作业，包括喷灌的启停和喷灌水量的伺服阀PID调节。以一个浇灌周期为例，图7给出了主程序流程设计图。

4.2  PCAP01配置

PCAP01在使用前需完成相关配置工作[17]，SPI通讯测试正常后，依据标准固件下载模式，按照图8所示的流程图进行该模块的配置。

其中928字节固件的配置代码如下：

void Firmware_down（void）

{  uchar addr2=0x00;  //起始地址00H

uchar addr1=0x90;  //SRAM写指令定义

int i;

for（i=1;i<=925;i++）

{  P5OUT &= 0xFE; //MOSI置低

delay （10）;

spiSendByte（addr1）; //SPI写操作

spiSendByte（addr2++）;

spiSendByte（fw[k++]）; //发送固件内容

P5OUT |= 0x01;  //MOSI拉高

delay （10）;

if（addr2 == 0xFF）  // 3次进位

{  P5OUT &= 0xFE; // MOSI置低

delay （10）;

spiSendByte（addr1）;

spiSendByte（addr2++）;

spiSendByte（fw[k++]）;//发送固件

P5OUT |= 0x01;  //MOSI拉高

delay （10）;

addr1++;

}

}

}

5  实验分析

根据测试需求，搭建系统实验验证平台，进行软硬件聯合调试，实验测试场景如图9所示。

为合理地进行基准电容匹配，实验中，将传感器置于一定湿度的土壤中，采用精密LCR数字电桥预先测试传感器的初始电容值，多次反复测量表明，电容值基本稳定在220～235 pF之间，如图10所示。故本次实验选择标称值为220 pF的基准电容。

程序通过读取Res 0和Res 1寄存器的内容，得到C0 LSB及C1/C0（ratio）的值。其中C1/C0值以24 bit数字量信号输出，高3位为整数，最大值为7，低21位为小数，最大值为0.999 999 5。其转换公式依据二进制与十进制的转换方法实现：

[a2a1a0a-1…an=a2×22+a1×21+a0×20+a-1×2-1+…+a×2-21]   （2）

（2）式中，an（n=-21、-20……1、2）为Res 1寄存器读取到的二进制数，最终通过数制转换实现对传感器C1的采集及显示功能。

实验中，提取不同湿度的土壤样本进行对比分析和测试，每次增加土壤湿度，分别测试不同湿度对应的电容值，得到PCAP01的实测值C1及由精密LCR数字电桥测试的标准值Cst，如表1所示。

将不同土壤湿度环境下的采集数据通过无线通讯方式传输至上位机，采用Labview软件进行数据的实时显示及监控，界面设计如图11所示。

通过以上实验数据分析及对比图可知，随着土壤湿度的增加，叉指电容传感器的电容值不断升高，实验所测数据与标准值之间的相对误差均小于1%。可见，基于PCAP01的电容采集与转换模块抗干扰性强，精度高，能够可靠地跟踪土壤湿度环境，实现喷灌作业的智能化控制与长期数据采集。

6  结论

本文采用叉指电极结构型电容器，通过高精度数字转换芯片PCAP01实现对土壤湿度实时在线监测的功能，实验研究结果表明，该土壤湿度在线监测系统的测试精度高，稳定性好，效率高，实时性强，在灌溉期间能够快速检测土壤水是否达到田间持水量，在消耗期间能够精确检测土壤水是否降到作物凋萎系数，为灌溉时机提供科学有效的决策。该类设计在位置测试、压力监测及MEMS等领域同样具有广阔的应用和发展前景。

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（责任编辑：易  婧）