CN103149241A - 基于电磁波传输原理的土壤水分测量装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于电磁波传输原理的土壤水分测量装置及其方法，传感模块、信号预处理模块和数据采集处理模块，其中，传感模块由方波信号发生器和传输线连接构成，信号预处理模块包括限幅放大电路、直流偏置电路和整形电路；数据采集处理模块包括微处理器；本发明使用方波信号发生器产生方波振荡，且方波频率随着埋设在土壤介质中的传输线的传播延时变化而变化，通过信号预处理电路对方波信号整形，接入微处理器测量信号的频率，通过标定进一步得到土壤水分含量。本发明提供的是一种思路简单、巧妙、易于操作、易于实现、低成本的土壤水分测试方法。

Description

基于电磁波传输原理的土壤水分测量装置及其方法

技术领域

本发明属于农业自动监测、智能传感技术领域，特别是一种智能型的土壤水分探测装置及方法。 

背景技术

中国水资源人均占有量仅为2240 m³，约仅为世界人均的1/4，是世界最缺水的13个国家之一。然而由于不合理利用水资源，我国却在极度缺水的同时，大量的浪费有限的水资源，尤其是在农业灌溉领域。作为世界农业大国的中国来说，施行节水灌溉，寻求高效的土壤水分探测技术尤为重要。进行土壤水分情况的实时监测能够帮助我们在水资源日益短缺的情况下节约用水、高效用水、合理运用水资源。 

目前实时的测量土壤水分主要是依赖介电物理方法，成熟的有TDR（时域反射法）、FDR（频域反射法）和SWR（驻波率法），其中TDR和FDR是国外的专利技术，测量精度高，但是成本极高。尤其是TDR仪器，入射和反射间的时间差仅仅是10-9秒数量级，对如此短暂的滞后时间进行准确测量，从无线电测量技术的角度看难度极大，从而导致传统的TDR土壤水分测试仪器成本极其昂贵，一台高达数万美元。TDR土壤水分测试仪器昂贵的身价，使得它只能装备于我国极少数的科研单位，无法大量应用于农田土壤墒情的实时监测与节水灌溉自动控制领域中。而SWR法，虽然成本大有降低，但测量精度相对低，受盐分影响大。 

中国专利号CN2422643公开了一种新型土壤水分测量传感器，该实用新型使用高频振荡器产生高频激励信号激励中心探头及与同轴电缆传输线的屏蔽层相连接的外围探头，再通过检波电路来测量土壤水分。当传感器探头插入土壤后，高频振荡器产生50MHz~100MHz的正弦波信号，该电磁波通过同轴电缆传输线在土壤中传播，土壤含水量的变化引起土壤介电常数和阻抗的变化，在同轴电缆传输线的两端出现驻波的波峰与波谷，并引起两端电压的变化，同轴电缆传输线两端的正弦信号电压经过两路检波滤波电路变换为直流电压。通过测量该直流电压测量土壤容积含水量。此方法使用了高频率振荡和信号处理电路输出与土壤水分相关的电压，要得到土壤的水分数字信号，还必须增加ADC采集电路等，由 于硬件电路比较复杂，成本难以降低。 

中国专利号CN101017133公开了一种基于红外辐射的土壤水分测量仪，主要由分别与单片机的串行口连接的RS232接口电路、液晶显示器、红外发射电路、光探测器、红光发射电路、键盘、数据存储器和放置在光探测器和土壤样品盒中间聚光系统组成，利用一定波长近红外线照射被测物体时不同水分对其吸收程度不同的原理制成的。由于采用了纯光学的方法，从而减小了土壤类型和土壤颗粒大小对测量结果的影响，提高了水分测试的灵敏度和精确度，但是复杂的光学系统及其配套的信号处理电路成本难以降低。 

在农田土壤墒情的实时监测与节水灌溉自动控制领域中，如何在保证土壤水分测量精度、满足应用需求的前提下，简化测量装置，降低测量成本成为土壤水分探测技术的一项难题。 

发明内容

本发明的目的在于提供一种土壤水分探测装置及方法，本发明利用频率变化替代了传统TDR确定反射时间差的算法，利用方波信号发生器产生频率随传输线延时变化的方波信号，根据已知电磁波传输理论，建立探测到的信号频率与土壤体积水分含量之间的关系，满足土壤水分测量实时性要求，高精度，低成本，且操作简单，易于批量生产。 

实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于电磁波传输原理的土壤水分测量装置，包括传感模块、信号预处理模块和数据采集处理模块，其中，传感模块由方波信号发生器和传输线连接构成，信号预处理模块包括限幅放大电路、直流偏置电路和整形电路；数据采集处理模块包括微处理器；方波信号发生器产生高频方波振荡信号，通过传输线将高频方波振荡信号传输给信号预处理模块，高频方波振荡信号经预处理模块进行整形预处理，由数据采集处理模块的微控制器采集方波振荡信号的频率，然后根据方波振荡信号的频率和土壤介质水分含量之间的关系进行计算，获得待测土壤介质的水分含量。 

一种基于电磁波传输原理的土壤水分测量方法，方波信号发生器产生的方波振荡信号通过埋设在待测土壤中的传输线，产生延时，使得方波振荡信号的频率变低；方波振荡信号通过信号预处理模块进行整形；然后输入信号采集处理模块，信号采集处理模块采集方波振荡信号的频率，根据信号频率与介电常数之间的关 系，以及土壤介电特性，最终计算获得待测土壤水分含量。 

本发明与现有技术相比，其显著优点：本发明装置利用方波信号发生器产生频率随传输线延时变化的方波信号，根据已知电磁波传输理论、土壤介电特性等，建立探测到的方波振荡信号频率与土壤体积水分含量之间的关系，测得土壤体积含水量。该装置包括传感模块、信号预处理模块、信号采集处理模块，结构简单，成本低，易于批量生产，普遍应用，且这种新型的测量方法精度高，满足土壤水分测量实时性要求。  

附图说明

图1是背景技术中TDR土壤水分测量方法示意图。 

图2是本发明土壤水分测量方法及其装置组成框图。 

图3是频率测量原理图。 

图4是方波信号发生器的组成框图。 

图5是TMS320F2812频率测量硬件图。 

具体实施方式

一种基于电磁波传输原理的土壤水分测量方法及装置，包括：传感模块、信号预处理模块和数据采集处理模块，其中，传感模块包括方波信号发生器和传输线，信号预处理模块包括限幅放大电路、直流偏置电路和整形电路；数据采集处理模块包括微处理器，方波信号发生器产生高频方波振荡信号，通过传输线将高频方波振荡信号传输给信号预处理模块，高频方波振荡信号经预处理模块进行整形预处理，由数据采集处理模块的微控制器采集方波振荡信号的频率，然后根据方波振荡信号的频率和土壤介质水分含量之间的关系进行计算，获得待测土壤介质的水分含量。  

该装置中，其中所述的方波信号发生器采用ECL（射极耦合逻辑）电路，用于产生高频方波振荡信号，其基本门电路工作在非饱和状态，具有相当高的速度，平均延迟时间可达几个纳秒甚至亚纳秒数量级，产生信号频率高，且产生的信号频率与传输线传输延时有关。 

所述的扁平传输线外层包裹绝缘层，防止土壤介质电导率对测量结果的影响，测量时埋设在待测土壤介质中，与方波信号发生器以及信号预处理电路连接，起延时作用。 

所述的信号预处理模块包括限幅放大电路、直流偏置电路和整形电路，用于将被测信号变换为0~3.3V的方波信号，再进入信号采集处理模块实现频率测量。  

所述的信号采集处理模块微控制器单元为DSP TMS320F2812，内部集成定时器和捕获单元用于测量方波信号频率，为了提高系统的可靠性，增加了一个自我校准测试，即在测量之前，可通过软件设置产生1MHz的标准脉冲信号，送到信号调理模块的输入端，检测测量结果是否正确，从而达到自我校准的目的。信号采集处理模块还包括电源控制电路、键盘单元、LCD显示、通信接口电路。测量完成后, 可由键盘设置相关参数，通过LCD以及PC机同步显示测量结果。 

所述的通信接口电路连接所述的微控制器单元，并通过RS232接口与上位PC机通信，实现数据交互。 

所述的微控制器单元设有电源控制电路接口，与电源控制电路连接。 

所述的微控制器单元测量频率采用多周期测量法，将被测信号和标准信号分别输入到两个计数器, 其实际闸门时间是被测信号周期的整数倍，消除了对被测信号计数时产生的计数误差，其精度仅与闸门时间和标准频率有关。 

本发明还包括预先确定土壤介电常数ε_a与土壤体积水分含量θ之间的函数关系式： 

$\mathrm{\θ}=-5.3\×{10}^{-2}+2.92\×{10}^{-2}{\mathrm{\ϵ}}_a-5.5\×{10}^{-4}{\mathrm{\ϵ}}_a^2+4.3\×{10}^{-6}{\mathrm{\ϵ}}_a^3$

土壤介电常数ε_a与土壤体积水分含量θ之间的函数关系还可以用一个近似理想的线性方程表示： 

$\mathrm{\θ}=0.115\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_a}-0.176(0.05\≤\mathrm{\θ}\≤0.45)$

土壤介电常数ε_a与传输线传输延时t之间的函数关系： 

                  （其中c表示光速，l表示传输线长度） 

因此在一定范围（0.05≤θ≤0.45）有： 

， （其中f表示干土样本介质测得频率，f_x表示待测土壤介质测得频率） 

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。 

结合图1和图2，本发明引入扁平电缆传输线，有效地避免了传统TDR方法测 量土壤水分时高频高精度时间采样困难的问题，用频率的变化代替时间，反映土壤体积水分含量情况。因此只需要采集信号的频率，再根据预先确定好的频率变化与土壤体积水分含量之间的关系，实现土壤水分含量的快速测量。 

常用的测频方法主要有直接测频法、直接测周法以及多周期测量法。直接测频法高频段的精度较高，但在低频段的精度较低；直接测周法则恰恰相反。结合图3，采用的多周期测量法综合直接测频法和直接测周法的优势，不仅可测量的频率区间大，且精度高。 

结合图4，本发明提供的装置中，方波信号发生器是一种特殊的输电线路振荡器，用于产生50MHz~100MHz的方波信号，且振荡信号频率随传输线传输延时变化而变化，本发明采用的是Motorola公司生产的一款线接收器MC10H116，属于ECL电路元器件，典型的传输延迟仅为1.0ns。信号发生器的输出端与埋设在待测土壤的传输线相连接，高频振荡信号通过传输线传播，受土壤介电特性的影响，传播速度跟土壤介电常数之间关系： ，其中c表示光速，k_a表示土壤介电常数。根据土壤介电特性，干土以及空气等的介电常数仅为1~4，而水分的介电常数在80左右，这意味着水分含量的多少对土壤的介电特性起决定性作用。因此可以推断出，土壤水分含量越大，介电常数越大，传播速度越慢，方波信号的频率越小。 

结合图5，本发明选用美国德州仪器公司的一款高速、高精度的工业控制芯片——TMS320F2812作为核心处理单元。它运算速度快，工作时钟频率达150 MH z，指令周期可以达到6. 67 ns以内，低功耗（核心电压1. 8 V，I/ O口电压3. 3 V）。本发明主要利用EVA中的2个通用定时器（T1和T2 ），2个捕获单元（CAP1和CAP3），EVB中的1个通用定时器（T3），进行多周期测量保证频率测量的准确度和精度，从根本上保证了本发明用于土壤水分含量测量的可靠性。信号首先经过限幅放大、直流偏置、整形电路，变换为0~ 3. 3 V的方波信号，然后再进入DSP，利用其定时器和捕获单元实现频率的测量。为了提高系统的可靠性，增加了一个自我校准电路，即在测量之前，可通过软件设置产生1 MH z的标准脉冲信号，送到信号调理模块的输入端，检测测量结果是否正确, 从而达到自我校准的目的。 

根据预先确定好的关系式： 

， （其中f表示干土样本介质测得频率，f_x表示待测土壤介质测得频率） 

可知，为了获得土壤体积水分含量，还需要预先测量信号通过埋设在干土中的传输线的频率，并预先设置到DSP中。这样测试完成后，DSP根据设定的相应运算，获得土壤体积水分含量，通过LCD 显示测量结果，同时可通过RS-232传送给PC机显示测量结果。 

根据图2和图4，利用本发明测量土壤水分含量主要包括以下步骤： 

第一步：将传输线完全埋设到待测的土壤介质中，传输线的两端分别与方波信号发生器和信号预处理电路连接； 

第二步：信号发生器产生方波信号，通过传输线产生传输延时，经过信号预处理电路输入F2812，进行频率测量； 

第三步：频率测量完成后，F2812根据预先设定的函数关系，运算获得土壤水分含量容积值； 

第四步：通过键盘进行参数设置，由LCD以及PC机同步显示测量结果。 

Claims (8)

1.一种基于电磁波传输原理的土壤水分测量装置，其特征在于：包括传感模块、信号预处理模块和数据采集处理模块，其中，传感模块由方波信号发生器和传输线连接构成，信号预处理模块包括限幅放大电路、直流偏置电路和整形电路；数据采集处理模块包括微处理器；方波信号发生器产生高频方波振荡信号，通过传输线将高频方波振荡信号传输给信号预处理模块，高频方波振荡信号经预处理模块进行整形预处理，由数据采集处理模块的微控制器采集方波振荡信号的频率，然后根据方波振荡信号的频率和土壤介质水分含量之间的关系进行计算，获得待测土壤介质的水分含量。

2.根据权利要求1所述的基于电磁波传输原理的土壤水分测量装置，其特征在于：信号预处理模块还包括D触发器，所述限幅放大电路、直流偏置电路、整形电路和D触发器依次连接。

3.根据权利要求1所述的基于电磁波传输原理的土壤水分测量装置，其特征在于，所述的传输线为扁平传输线，该传输线埋设在待测土壤介质中。

4.根据权利要求1所述的基于电磁波传输原理的土壤水分测量装置，其特征在于：所述方波信号发生器为传输线振荡器，采用开关门延时时间纳秒级的线接收器形成环形振荡，振荡信号频率为50~100MHz。

5.根据权利要求1所述的基于电磁波传输原理的土壤水分测量装置，其特征在于：所述数据采集处理还包括电源控制电路、键盘单元、LCD显示、通信接口电路，分别与微控制器相应接口相连接；微控制器主频频率为100MHz以上，微控制器内部集成定时器和捕获单元用于测量方波信号频率。

6.一种基于电磁波传输原理的土壤水分测量方法，其特征在于：方波信号发生器产生的方波振荡信号通过埋设在待测土壤中的传输线，产生延时，使得方波振荡信号的频率变低；方波振荡信号通过信号预处理模块进行整形；然后输入信号采集处理模块，信号采集处理模块采集方波振荡信号的频率，根据信号频率与介电常数之间的关系，以及土壤介电特性，最终计算获得待测土壤水分含量。

7.根据权利要求6所述的基于电磁波传输原理的土壤水分测量方法，其特征在于：所述的微控制器测量方波振荡信号的频率采用多周期测量法，将被测信号和标准信号分别输入到两个计数器， 其实际闸门时间是被测信号周期的整数倍。

8.根据权利要求6所述的基于电磁波传输原理的土壤水分测量方法，其特征在于：还包括预先确定频率与土壤体积水分含量θ之间的函数关系式：

$\mathrm{\θ}=0.115\frac{\mathrm{ct}}{l}-0.176$ ， $t=\frac{1}{f_x}-\frac{1}{f}$

其中：c表示光速，l表示传输线长度，t表示传输线延时

f表示干土样本介质测得频率，f_x表示待测土壤介质测得频率。

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