橘园无线土壤水分传感器的设计与实现.pdf

1 4 6 传感器与微系统( T r a n s d u c e r a n d Mi c r o s y s t e m T e c h n o l o g i e s ) 2 0 1 1年 第 3 0卷 第 7期 p 前沿技术 、 橘 园无线土壤水分传感器 的设计与 实现 李加念 ，洪添胜 ， 冯瑞珏，岳学军， 李震 ，文韬 ( 华南农业大学 工程学 院，广东 广州 5 1 0 6 4 2 ) 摘要：为了达到以一种低成本方式实时采集土壤水分信息用于指导橘园的节水灌溉， 根据土壤电阻率 随土壤含水率 变化 的原理 ， 设计了一种土壤 水分传感 器。为克服恒 定直流 电压测 量时探针 电极 的极 化效 应的影响， 提出了一种以 H桥正反脉冲间歇电压信号作为激励信号的测量方法。采用无线收发模块 C C 2 4 2 0 ， 实现了传感器与上位机之间的无线通信与数据无线传输。利用电源管理技术和睡眠机制， 提高 了电池的使用寿命。对传感器进行了标定， 并在土壤含水率为 1 3 6- 5 0 2 的范围内进行了验证实验， 结果表明： 当土壤含水率在2 1 1 一 4 1 5 范围内， 测量的平均误差为 2 8； 当土壤含水率小于2 1 1 或大于 4 1 5时 ， 测量 的平均误差为 5 2。 关键词：橘园；土壤含水量； 传感器； 无线通信 中图分类号 ：T N6 0 9 文献标识码 ：A 文章编 号 ：1 0 0 0 - -9 7 8 7 ( 2 0 1 1 ) 0 7 - - 0 1 4 6 - 0 3 一 一 n 。 De s i n a nd i m pl e m e nt a t i 0 n 0 t wi r e l e s s s o i l m o i s t ur e S e nS 0 r a p pl i e d i n c i t r us o r c h a r ds L I J i a n i a n ，H O N G T i a n s h e n g ， F E N G R u i - j u e ， Y U E X u e - j u n ， L I Z h e n ， WE N T a o ( S c h o o l o f E n g i n e e r i n g ， S o u t h C h i n a A g r i c u l t u r a l U n i v e r s i t y ， Gu a n g z h o u 5 1 0 642 ， C h i n a ) Abs t r a c t：I n o r d e r t o g ui de wa t e r s a v i ng i r r i g a t i o n o f c i t r us o r c h a r d s t h r o u g h r e a l t i me c o l l e c t i n g s o i l mo i s t u r e wi t h a l o w c o s t wa y， a s o i l wa t e r c on t e n t s e ns o r i s de v e l o pe d， a c c o r di n g t o t h e p rinc i p l e t h a t s o i l r e s i s t i v i t y v a r i e s wi t h t h e s o i l mo i s t u r e c o n t e n t I n o r d e r t o e l i mi n a t e o r r e d uc e po l a riz a t i o n e f f e c t s c a u s e d by p r o b e e l e c t r o de wh e n me a s u r i n g wi t h a c o n s t a n t DC v o l t a g e ， a me a s u r i n g me t h o d， wh i c h u s e s t h e p o s i t i v e a n d n e g a t i v e a n d i n t e r mi t t e n t v o l t a g e pu l s e g e n e r a t e d by a H brid g e c i r c ui t i n s t e a d o f a c o n s t a n t DC v o l t a g e a s t he e x c i t a t i o n s i g n a l ， i s pu t f o r wa r d A wi r e l e s s t r a ns c e i v e r mo du l e CC2 42 0 i S i n v o v l e d t o r e a l i z e wi r e l e s s c o mmun i c a t i o n b e t we e n t h e s e n s o r a n d u p p e r c o mp u t e r B a t t e r y l i f e i s i mp r o v e d b y i mp l o y i n g p o we r ma n a g e me n t a n d s l e e p me c h a n i s ms T h e s e n s o r i s c a l i b r a t e d a n d e x p e rime nt s o f v a l i d a t i o n f o r t h e s en s o r i s t a ke n wi t h t he s o i l mo i s t u r e c o n t e nt f r o m 1 36 一 5 0 2 ， a nd t h e r e s ul t s s ho w t ha t t h e a v e r a g e e r r o r o f t h e s e n s o r i s 2 8 ， wh e n t he s o i l mo i s t u r e c o nt e n t i s i n r a n g e o f 21 1一 41 5 ；t h e a v e r a g e e r r o r i s 5 2 ， wh e n s o i l mo i s t u r e c o n t e n t i s b e y o n d t h e r a n ge Ke y WO r ds：c i t r u s o r c h a r d s；s o i l mo i s t u r e c o n t e n t ；s e n s o r ；wi r e l e s s c o mmun i c a t i o n 0引 言 土壤水分是土壤的重要组成部分，是农作物生长过程 与产量的重要影 响 因素 。土壤 水分 的测量 是精 细农 业 中实施节水灌溉的基础 ， 对节水灌溉起着指导性作用。 而且通过测量土壤水分还能及时了解土壤墒情 ， 对作物需 水规律的研究也具有重要的现实意义 J 。柑橘是我国南 方经济地位最重要的果树之一， 其种植面积和产量均居世 界第一 ， 已经成为我国南方主产区农村经济的一大支 柱产业 ， 但我国柑橘单位面积的产量一直处于较低的水平， 远远低于美国 J 。柑橘生产实践证明： 水利条件直接影响 着柑橘 的产量和 品质 。因此 ， 根据土壤含 水情 况对柑橘 园 实施精确灌溉， 对提高柑橘的产量和品质有着重要的意义。 而橘园土壤水分信息的实时获取， 就需要利用土壤水分传 感器技术 。 作为土壤水分检测的关键技术之一， 土壤水分传感器 技术的研究 近年来取得了一定的发展， 出现 了很多新方 法 ， 但由于土壤本身的复杂性， 使得任何一种测量方法 都存在一定的误差 ， 这就给土壤水分传感器技术和方法 的研究留下了很大的空间。在农业信息化建设的实践中， 信 息采集技术是不可或缺的重要环节 J 。 目前 ， 基于传感 收稿 日期 ： 2 0 1 0 - 1 0 - 2 1 基金项 目： 公益性行业( 农业 ) 科研专项经费资助项 目( 2 0 0 9 0 3 0 2 3 )；现代农业产业技术体系建设专项资金资助项 目( 2 0 0 7 1 4， 2 0 0 7 - 4 3 1 ) 第 7期 李加念， 等 ： 橘园无线土壤水分传感器的设计与实现 1 4 7 器的现场数据信息采集主要有有线和无线 2种模式 ， 考 虑到成本的原因， 在采集点分散或远距离的野外， 有线模式 遇 到了瓶颈 ， 而无 线通信技术为其提供 了重要支撑 ， 并 开始应用于土壤水分的无线数据采集n ， ” 。 本文利用无线通信技术与上位机进行通信， 实现测量 数据的无线传输， 既可使上位机能实时地获取橘园的土壤 含水情况， 又可为上位机的灌溉系统提供决策依据。 1 总体 结构设计 本文所设计的传感器的总体结构见图 l ， 它由探针电 极、 传感器电路、 信息采集与处理单元 、 无线收发模块、 电 池、 电源电路 、 天线和塑料外壳组成。探针电极由不锈钢材 料制成 ， 长 5 0 0 mm， 直径 5 m m， 两 探针 间距 3 5 mm。为能实 现不同土壤深度的水分测量 ， 只让探针末端的不锈钢直接 与土壤接触， 其余部分均经过绝缘处理， 而且考虑到易于在 土壤中插拨， 将探针末端设计成圆锥状。传感器电路将探 针电极感应的信号转换成相应的电压信号后， 再送至信息 采集与处理单元进行处理， 实现土壤水分信息的采集。无 线收发模块用来实现传感器与上位机的无线通信和数据无 线传输。传感器以电池供电， 经电源电路 向传感器的各个 部分提供合适的工作电压 ， 并利用电源管理技术， 提高电池 的使用寿命 。 电池 塑料外壳 收发模 块 电路 与采集处理单元 器电路 电极 图 1 传感器节点总体结构示意图 F i g 1 Ov e r a l l s t r u c t u r e d i a g r a m o f s e n s o r n o de 2 土壤水分的测量原理与方法 2 1 土壤水分的测量原理 土壤是一种固、 液、 气的三相混合物 ， 具有导电性 ， 其结 构的等效电气模型 如图 2所示， 当加上激励信号 E时， 通过土壤的 电流可用下式来表示 可E+ E e ， 十 ， 式 中 为被测土壤 的电阻 ， R 2 C为被 测土壤 极化 时间 常 数。由式 ( 1 ) 知 ， 给土壤加上恒 定的直 流电压 E后 ， 经过过 渡过程 ， 通过土壤的电流逐渐趋于平稳。此时 R 2 C支路为 断路， 直流电压 E与此时的电流的比值即为土壤电阻 。 过 渡过程 的时 间 t 一般 不会大 于 5 0 0 ms 1 7 。因此 ， 可 通过 测量土壤 电阻的方式来测量土壤含水率 。 土壤电阻可通过线性分压电路间接测量， 其测量示意 图如图3所示。R 为待测土壤的电阻， R为分压电阻， 为 激励电压， 输出电压 U 为电阻R上的压降， 其值为 图 2土壤结构等效 电气模型 t Fi g 2 Eq u i v a l e n t e l e c t r i c a l mo d e l o f s o i l s t ru c t u r e = R E ( 2 ) 当R J R时 = R E ， ( 3 ) 式 中 为被 测土壤 电导 ， 可 以看 出 ， 当 时 ， 输 出电 压与 电导呈线性关系 。 图3线性分压测量电路原理 图 Fi g 3 P r i n c i p l e di a g r a m o f l i ne a r v o l t a g e - d i v i d e r me a s u r i n g c i r c u i t 2 2土壤水分 的测量方法 为避免 以恒定直 流激励 电压 进行测 量 时， 探针 电极 产 生极化 而影响测量精度， 采用 H桥正反脉冲间歇电压信 号作为激励电压源。一个完整测量周期的激励信号的时序 如 图 4所示 ， 先给探针 电极正 向通 过时间 t ， 然后 给电极反 向通电时间 t ， 以中和正向通 电时产生 的极化 电荷 ， 最后 电 极不通过并等待时间 t 。 ， 以让土壤 自动中和那些剩余的没 有被 中和的极化 电荷 。由于加在 电极 两探针上 的 2个相反 的电流通路方向的激励信号是通过 H桥电路来进行切换 的， 所以， 将这种方法拟命名为 H桥正反脉冲间歇电压法。 反向 5 v 厂 = 图 4 激励信号时序图 F i g 4 Ti me s e q u e nc e c h a r t o f e x c i tat i o n s i g n a l 相应 的测 量电路如 图 5所示 ， H桥 电路 由 2只 P N P三 极管 Q 1 ， Q 2和2只 N P N三极管 Q 3 ， Q 4组成， 其导通状态由 A T m e g a 8 L单片机的4个 I O口 P D 0 ， P D 1 ， P D 2和 P D 3控 制。当 Q 1 ， Q 3导通时， 探针电极正向通电； 当 Q 2 ， Q 4导通 时， 探针电极反向通 电。信号的采样发生在正向通电时间 t 结束时刻， 由 A T m e g a S L单片机内部集成的1 0位 A D转 换器完成 。 3 信 息采集与无线 数据传输 土壤水分信息的采集与数据无线传输的硬件实现如 一 一 1 4 8 传 感 器 与 微 系 统 第 3 0卷 PD0 图 5 传感器测量 电路原理图 F i g 5 Pr i n c i p l e d i a g r a m o f n so r me a s u r i n g c i r c ui t 图6 的框图所示 ， 单片机是整个传感器的核心 ， 它控制着传 感器的工作状态， 如启动土壤水分传感器电路进行测量、 水 分信息采集与处理、 控制 C C 2 4 2 0模块进行数据的无线收发 等。其中， C C 2 4 2 0是 T I 公司生产的符合 I E E E 8 0 2 1 5 4规 范的 2 4 G H z 射频芯片 ， 具有低 工作 电压 ( 2 1 3 6 V) 、 低 功耗 ( 接收为 l 9 7 m A， 发送 为 1 7 4 m A) 的特点 ， 数 据传输 率高达 2 5 0 k b p s ， 而且其外 围接 口电路简单 ， 只需通 过 四线 S P I 总线与单片机相连， 即可实现对 C C 2 4 2 0进行无线数据 传输 的控制 。 图 6 土壤水分传感器信 息采集与无线数据传输原理框 图 Fi g 6 Bl o c k d i a g r a m o f i n f o r ma tio n a c q u i s i tio n a n d wi r e l e s s da t a t r a ns m i s s i o n o f t h e s e n s o r 4 电源管理 本文选用型号为6 L R 6 1的金霸王 9 V碱性电池作为供 电电源， 经过电源电路降压稳压后再供给各电路单元使用， 如图 7所示 。 图 7电源稳压 电路 F i g 7 Po we r s u p pl y r e g u l a t o r c i r c uit 5 土壤水分传感器的标 定与验证 实验 土壤样 品取 自于雷州半 岛幸 福农场 的红壤 。将取 来的土壤经过风干、 捣碎、 除杂等操作后， 再用 1 mm的分样 筛过筛以备用。然后从备用土样中取出若干份， 分别加入 水配成含水率为 1 2 6一 5 1 8的1 7个不同水平的待测 土样 ， 对传感器进行标定。实验结果如图8所示。 为了验证传感器标定数据的准确性 ， 以相同的方法， 配 制了9个不同含量水平的土壤样品， 对传感器进行验证， 实 验结果见表 1 。 由上表可以看出： 从土壤含水量较低的 1 3 6至接近 于土壤饱和状态的5 0 2的含水量范围内， 传感器的测量 精 度略有不同： 当土壤含水量在2 1 1 一 4 5 1 之间时 ， 皿 目 * 如 图 8 土壤水分传 感器 的标定测试结果 Fi g 8 Ca l i b r a tin g t e s t r e s ul t s o f s o i l wa t e r c o n t e n t s e n so r 表 1 土壤水分传感器验证测试结果 Ta b 1 Va l i da t i o n t e s t i n g r e s ul ts o f s o i l wa t e r c o n t e n t s e n so r 土 样 1# 2 带 3 非4 静 5# 6# 7#8非 9# 实际值 ( ) 1 3 6 1 7 4 2 1 1 2 5 7 3 O 3 3 5 9 4 1 5 4 7 8 5 0 2 测量值 ( ) 1 2 7 1 6 6 2 1 8 2 6 3 3 l 1 3 5 0 4 2 8 4 5 4 4 7 9 相对误差( )6 6 4 6 3 3 2 3 2 6 2 5 3 1 5 0 4 6 测量误差相对而言较小 ， 其平均误差 为 2 8 ； 当土壤 含水 量小于2 1 1 或大于4 5 1 时， 测量的误差相对而言较 大， 其平均误差为 5 2。但这样的误差能满足实际的工 程应用要求 。 6 结论 本文根据 土壤 导 电性能 随土壤 含水率 变化 的原理 ， 研 制了一种以电池供电的无线土壤水分传感器， 实时采集橘 园的土壤水分信息 ， 可布置在上位机的附近范围内与上位 机进行无线通信 ， 通信距离可达 2 0 0 m， 并将测量结果无线 传输至上位机 ， 为上位机的灌溉决策等提供依据。提出了 一 种 H桥正反脉冲间歇电压信号作为激励信号的测量方 法 ， 很大程度地消除或 减小 了恒压 直流 测量 时探针 电极 的 极化效应的影响。该土壤水分传感器能测量 5 0 0 mil l 范围 内的土层深度 ， 其测量 结果 的最 大误 差为 6 6 ， 而且 ， 通 过选用高性 能电池 和 睡眠机 制 ， 大大提 高 了电池 的使 用 寿 命 ， 适合在实际生产中应用。 参考文献 ： 1 李连骏 ， 孙宇瑞 ， 林剑辉 一种 太阳能供 电的土壤 水分无线传 感器 J 江苏 大学 学 报 ： 自然 科学 版 ， 2 0 0 9 ， 3 0 ( 6 ) ： 5 4 1 5 4 4 2 罗锡文 ， 臧英 ， 周志艳 精 细农 业 中农情信 息采 集技术 的研 究进展 J 农业工程学报 ， 2 0 0 6， 2 2 ( 1 ) ： 1 6 7-1 7 1 3 王晓雷 ， 胡建东 ， 江敏 ， 等 附加 电阻法快速 测定 土壤含水 率的试验 J 农业工程学报 ， 2 0 0 9， 2 5 ( 1 0 ) ： 7 6-7 9 4 张玉 ， 赵玉 ， 祁 春节 ， 等 中 国柑 橘产业 可持续 发展制约 因素与对 策 J 中国热带农业 ， 2 0 0 7 ( 5) ： 1 O-1 1 5 冉德森 ， 周国斌 我国柑橘产业发展前景 预测 J 湖北植保 ， 2 0 0 9 ( 5) ： 4 3-4 4 6 成维 中美柑橘产业资源配置的比较研究 D 武汉： 华中 农业大学 ， 2 0 0 6 ( 下转第 1 5 2页 ) 1 5 2 传 感 器 与 微 系 统 第 3 O卷 一 个移 动 A g e n t 节点在 1 5 0 0 S中的能耗情况 和移 动过 程中所 耗时 间情况 如 图 6和 图 7所 示。对 比两 图可 以发 现， 该节点在 9 0 0 S 左右 ， 对于 E M I O T而言， 其能耗明显降 低， 这是因为此时根据 R O S E N梯度投影法根据时空二维定 位表找到最优路径 ， 可 以在短时问内到达瘫痪 的分簇 区域 ， 重构多传感器网络的拓扑， 继续保持数据传输。 耀 80 70 6O 5 0 40 30 2 0 1 O 0 50 0 1 0 00 1 50 0 实验时间 s 图 6 移动 Ag e n t 节点能耗 F i g 6 Ene r g y c o n s u m p tio n o f mo b i le a g e n t no d e 1 6O 1 4 0 1 2 0 1 0 O 8 0 6 0 0 5 0 0 1 0 0 0 1 5 0 0 实验时I可 s 图7移动 A g e n t 节点移动所耗时间 Fi g 7 M o v i n g t i m e o f m o b i l e a g e n t n o d e 5 结束语 本文提出了一种基 于物联 网技术的生态环境监测系 统。该系统可以根据监测区域 的大小和特征分为若干个 分簇， 每个分簇采用 自组织方式进行通信， 且每个传感器 节点具有生态环境分簇区域 内待监测数据类型的选择、 采 集数据、 存储数据 、 筛选有用数据信息等功能； 为了避免因 为簇头节点失效导致部分 网络瘫痪， 加入移动 A g e n t 节 点 ， 控制中心根据来 自待失效的簇头节点的时空二维定位 表结合 R O S E N梯度投影法选择最优路径， 构建移动管理 方案。仿真实验和数学分析表明： 该技术可以根据监测需 求在不同类型的采集数据之间进行切换控制 ， 具有节能、 高效和易于 管理的特点 。 参考文献 ： 1 郑 向群 ， 赵政 ， 刘东生 基 于数 据仓库的土壤环境 监测综合 挖掘模型构架 J 农业工程学报 ， 2 0 0 8 ， 2 4( 8 ) ： 1 6 2-1 6 8 2 王 向明 ，黄文 上海市环境监测 质量管理规划 探讨 J 环 境监测管理与技术 ， 2 0 1 0 ， 2 2 ( 3 ) ： 1 8 2-1 8 6 3 夏明 ， 董亚波 ， 鲁东明 ， 等 R e l i c Ne t ： 面向野外文化遗址微气 象环境监测 的高 可靠 无 线传 感 系统 J 通 信学 报 ， 2 0 0 8 ， 2 9( 1 1 ) ： 1 7 3-1 8 5 4 胡兰萍 ， 李燕 ， 张琳 ， 等 遥感 F T r I R在大气环境监测 中的 新发展 J 光谱学与光谱分析 ， 2 0 0 6， 2 6 ( 1 O ) ： 1 1 9-1 2 4 5 黄元江 G P R S支持下 的现代城市 环境监测 系统 研究 J 中 南林业科技大学学报 ， 2 0 1 0 ， 3 0 ( 7 ) ： 5 6-6 0 6 周 明 ， 黄作 维 基 于 G P R S技 术 的生 态环 境监 测 系统设 计 J 计算机测量与控制 ， 2 0 1 0 ， 1 8 ( 5 ) ： 1 2 0-1 2 5 7 杜金燕 ， 潘俊 阳 ， 孙 超 基 于高斯一 马尔 可夫模 型的海洋 环 境 辨识方法 J 计算机仿真 ， 2 0 0 9， 2 6 ( 1 2) ： 1 2-1 5 8 王臣立 ， 牛铮 ， 郭治兴 ， 等 基 于植被指 数和神 经网络 的热 带人工林 地 上 畜积 量遥 感 估 测 J 生 态环 境 学 报 ， 2 0 0 9 ， 1 8 ( 5 ) ： 1 8 3 0-1 8 3 4 作者简介 ： 王希杰 ( 1 9 7 3一) ， 男， 河南卫辉 人 ， 硕 士 ， 讲 师 ， 主 要研究方 向 为 自然语言处理 ， 信息抽取等。 声 9 p 9 p p p ( 上接第 1 4 9页 ) 7 胡建东 ， 赵向阳 ， 李振峰 ， 等 参 数调制探 针式 电容 土壤水分 传感技术研究 J 传感技术学报 ， 2 0 0 7 ， 2 0( 5 ) ： 1 0 5 7 -1 0 6 0 8 张学礼 ， 胡振琪 ， 初 土立 土壤含水量测定方法研究进 展 J 土壤通报 ， 2 0 0 5， 3 6 ( 1 )： 1 1 8-1 2 1 9 蔡 义华， 刘刚 ， 李莉 ， 等 基于无线传感 器网络的农 田信 息采集节点 设计 与试 验 J 农 业工 程学 报 ， 2 0 0 9 ， 2 5( 4) ： 1 7 6-1 7 8 1 0 牛孝 国， 朱桂芝 ， 夏宁 ， 等 基 于无线传 感器 网络 的农业 现 场数据采 集 研究 进 展 J 中国 农学 通 报 ， 2 0 0 9 ， 2 5( 2 4) ： 5 1 5-51 9 1 1 王凤花 ， 张淑娟 精细农业 田问信 息采 集关键技术 的研究 进 展 J 农业机械学报 ， 2 0 0 8， 3 9 ( 5 ) ： 1 1 2-1 1 9 1 2 俞海红 ， 何勇 ， 裘 正军 农 田信息无线远程采集和处 理系统 的研究 J 浙江大学学报 ： 农业与生命科学版， 2 0 0 6， 3 2 ( 1 ) ： 1 0 6-1 0 9 1 3 刘卉 ， 汪懋华 ， 王跃宣 ， 等 基 于无线传 感器 网络 的农 田土 壤温湿度监测系统 的设计 与 开发 J 吉林 大学 学报 ： 工 学 版， 2 0 0 8 ， 3 8 ( 3 ) ： 6 0 4-6 0 8 1 4L i Z h e n ， Wa n g Ni n g ， F r a n z e n A， e t a 1 D e v e l o p me n t o f a w i r e l e s s s e n s o r n e t w o r k s f o r fi e l d s o i l m o i s t u r e mo n i t o r i n g c 2 0 0 8 A S - ABE An n u a l I n t e r n a t i o n al me e t i n g， 2 0 0 8 1 5 B o g e n a H R， Hu i s m a n J A， O b e r d o r s t e r C， e t a1 E v alu a t i o n o f a l o w- c o s t s o i l wa t e r c o n t e n t s e n s o r f o r wi r e l e s s n e t w o r k a p p l i c a t i o n s J J o u rnal o f Hy d r o l o g y ， 2 0 0 7， 3 4 4 ( 1 -2 ) ： 3 2- 4 2 1 6 史永 臣， 隋吉东 ， 贺传琴 土壤电导率的快速测定 J 黑龙江 八一农 垦大学学报 ， 2 0 0 0， 1 2 ( 4) ： 1 5-1 8 1 7 胡均万 土壤剖 面墒情监测系统 的设计 与试 验 D 广州 ： 华 南农业大学 ， 2 0 0 6 ： 1 4-2 5 1 8 郭胜君 ， 王卫星 ， 胡均万 ， 等 基 于双极性 脉冲间歇 电压源 的 土壤电导测量仪 J 农机化研究 ， 2 0 0 8 ( 5 ) ： 3 5- 3 7 作者简介 ： 李加念 ( 1 9 8 3一) ， 男 ， 湖南道县人 ， 博 士研究 生 ， 研究方 向为 电 子信息技术 、 智能检测技术及 自动化技术应用 。 、 厦絮耀