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FDR土壤水分监测仪器设计

发布时间:2020-06-30 17:43:29 阅读: 来源:木板材厂家

引言

本文引用地址:土壤水分测量在农业生产中是一项十分重要的内容,它对及时掌握各地土壤旱涝灾情,合理安排灌溉资源,都具有非常重要的意义。然而,由于缺乏先进的测量手段,现在各地气象观测站主要使用人工钻/取土,用烘干法来完成测墒工作,不仅对取土地块及操作过程要求较高、费时费力,而且精确度不高、连续性差。

本文介绍的FDR(Frequency Domain Reflectometry)土壤水分自动监测仪在国内外研究的基础上,以圆环电容作为传感器来检测土壤水分,采用高性能单片机对高频频率信号计算处理、控制,大容量非易失性SRAM保存采集数据,利用公用频段无线通信模块(或GPRS)进行通信,采用C/S(Client/Server)编程架构建立土壤水分网络监控系统。

系统设计

本系统由硬件设计和软件设计两部分组成。硬件设计包括电容式传感器、探测器、数据采集器、无线通信模块(或GPRS)、终端计算机和数据中心服务器,负责实时土壤水分监测和传输;软件设计包括单片机C51编程和WAN、LAN上Borland C++Builder6.0编程,进行高频频率信号和土壤水分转换计算、数据入库和浏览(系统总体设计如图1)。

硬件设计

采用单片机和计算机通讯技术,电容传感器将LC振荡器的振荡频率信号变换后输出至探测器,探测器根据建立的频率-水分数学模型,分别计算出各层水分,把水分数据发送给采集器,采集器通过RS-485信道与探测器通讯,即时采集当前水分,通过无线模块(或GPRS)发送至计算机上的监控软件进行接收和处理。

土壤水分FDR电容传感器

根据圆环电容传感器测量原理,土壤含水量的不同,引起圆环电容的介质变化,于是电容值就会改变,从而引起LC 的振荡频率变化,传感器把高频信号变换后输出到单片机。

探测器

探测器接收采集器采集数据命令,在规定的时间内轮询每个要测量的传感器,测量频率信号,并根据建立的频率-水分数学模型,分别计算出水分,然后通过RS-485总线,把水分数据发送给采集器。同时,探测器也接收终端计算机通过采集器发送的参数配置数据命令,对计算参数进行重新配置并存储这些参数。

采集器

采集器是上位机和探测器的缓冲部分,由三部分组成:连接板LY0103,处理板LY0105和无线收发模块LY0107。具有RS-485、RS-232和无线通讯接口,完成对传感器、后台管理软件的数据交换工作,实现数据采集命令控制、数据存储和无线发送等功能。

无线通信模块

无线数据通信模块基于现场安装的实际环境,采用微功率、ISM频段工作频率,无需申请频点的无线通信方式。LY0107选用400兆赫兹的无线收发模块,完成现场和机房的数据交换。此外,开发出GPRS传输模块,实现无人值守地点的土壤水分数据传输。

软件设计

软件设计包括单片机Keil C51编程和终端计算机Borland C++ Builder 6.0(简称BCB6.0)编程。其中核心部分是Windows操作系统下基于C/S(Client/Server)编程架构的土壤水分网络监控系统,该软件由土壤水分采集、浏览和服务器软件三部分组成。

单片机Keil C51编程

探测器与采集器的软件采用Keil C51设计,既有一般高级语言的特点,又能直接对单片机系统的硬件进行操作,表达和运算能力较强。具有生成代码效率高,支持浮点数运算等特点,设计的软件结构清晰、有条理,便于以后的扩展、移植和维护。

BCB6.0编程

土壤水分网络监控软件采用C/S结构,遵循TCP网络传输协议,使用Windows Socket API和SQL Server后台数据库,在河南省气象宽带网的基础上,实现土壤水分的网络数据采集、入库、浏览和分析等,及时了解各地的土壤水分动态变化,结构框图如图2所示。

系统检验

为了检验FDR土壤水分仪的测量精度和稳定性,在河南省郑州市农业试验站用常规烘干法测得的数据与FDR(GStar-I型)、Smart、TDR三种土壤水分自动监测仪器进行对比试验,结果如图3、图4所示。

从上述试验数据对比曲线和点距图相关分析可知:GStar-I型FDR土壤水分仪曲线走势和最接近烘干法,相关性好于TDR等观测结果,该仪器的土壤水分观测结果具有较高的可信度和参考价值。

目前,在前期试验成功的基础上,该仪器在河南省安阳、焦作、卢氏、郑州、驻马店和南阳等国家基本观测站安装,运行良好。

结语

FDR式传感器在实际的测试过程中能够较好地反映土壤水分变化规律,仪器值和人工实测值相对误差在10%以内。该传感器精度高,使用简单, 安装、调试、标定、维护方便,具有较好的可操作性、实时性和稳定性。

参考文献:

1. Calibration of the Sentek Pty Ltd Soil Moisture Sensors, Sentek Pty Ltd 2001.

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