智能检测与工业控制--农田相对土壤湿度研究

1、II摘要随着淡水资源的不断紧张和稀缺，合理有效的利用好水资源已成为农业灌溉技术的一个重点话题。在我国，农业灌溉用水占淡水使用量比例很大一部分，且据有关数据显示，节水灌溉技术可以有效节水 30%60%，鉴于此，借助于先进的技术实现使现代农业信息化、自动化、网络化，推行自动化灌溉系统、发展节水灌溉技术势在必行1。本文以农业灌溉的实际意义为出发点，经过对单频、双频信号源利弊的探讨，选定以双频作为采集土壤参数的信号源，着重研究了相对土壤湿度 30%-100%范围内土壤容值与相对土壤湿度的相关性；在原理上，采用电容法作为检测土壤湿度的理论依据；在单元电路设计上，通过对通用改进模型电路的等效处理，推算出高

2、、低频通路单元参数，并对电源转换模块和温度采集模块给予研究和详细的设计分析。 文章最后将电容湿度检测仪与当前使用非常广泛的频域水分检测仪进行综合性试验对比，分析了电容法在精度上的优缺点，并将综合平均误差控制在 3%以内，完全符合农业灌溉对湿度检测仪的技术要求（5%）。本文考虑温度补偿算法对试验结果的影响，符合农作物种植在不同季节温差导致的测量偏差的实际情况，并给出了相对土壤湿度温度补偿算法公式。 本文中的在线式土壤检测仪具有实用性高、可移植性强、低成本、高稳定性等，为农业自动化灌溉中的湿度检测提供了一定参考文本。而本设计的不足之处是较低湿度时的绝对误差较大，原因可能是由于低湿度条件下电容量较小

3、，土壤中的电阻参量占主导作用，而电阻率受矿物质含量、金属含量、盐度等影响较大。关键词：相对土壤湿度 双频 容值检测 数据拟合IIIAbstractAs the freshwater shortage capacity gets shortage and overusing, it has become an hot topics, of irrigaton technology,that how to make a rational and efficient path to water-using.In China, agricultural irrigation accounts for

4、a significant proportion of freshwater use, and according to statistics, water-saving irrigation technology can effectively Saving 30% to 60%.In view of this, how to shift the agricultural to agricultural informatization、agriculture automation and network, along with the high-tech to improve the wat

5、er-saving technology and develop automated irrigation ,are on the agenda.This paper,focus on the relative value of soil moisture content ranges 30% -100%,then devised a method for measuring the capacitance value of the soil. The dual-band has been chose to collected soil parameters which provided an

6、 important theoretical basement about the development of measure soil moisture by using the soil moisture sensor. Using soil capacitance value represents the relative moisture of soil and fitting data regression curves.In this paper,the comparison has aslo made between the capacitance method and the

7、 frequency domain moisture detector test method widely used currently.The pratical advantage in accuracy is aslo analysised and showed that the combined average error is less than 3%,fully in line with agricultural irrigation humidity detector technology requirements (5%).What more，the impact of tem

8、perature compensation aslo is aken into account,makes in line with crops grown in different seasonal temperature measurement error due to the actual situation.At the end of the paper,a suggestion has been expressed about choosing a reasonalbe signal resource，then，the reference advice of both the sin

9、gle-frequency and dual-band detection of soil electrical properties test.This paper is provide an new path to soil line detector with high availability, portability, low cost, high stability and other characteristics. The deficiency of this design is the bigger absolute when the moisture is low,the

10、reason may be the samaller capacitance when soil moisture is low so that the resistance parameter palys a major role,and mineral content,metal content and solinity have a big effect on the resistivity. Keywords: Relative soil moisture Dual frequency Capacitance detection Data fitting 目录摘要IAbstractII

11、第 1 章 引 言11.1 研究意义11.2 国内外研究现状11.2.1 国外土壤测量技术方法发展现状11.2.2 国内土壤测量技术方法发展现状21.3 研究目标与内容31.3.1 研究目标31.3.2 研究内容3第 2 章 农田自动化总体管控方法42.1 农田自动化管控方法42.2 农田智能气象系统42.3 终端控制器62.4 总线分配器72.4.1 总线分配器原理72.4.2 总线分配器应用7第 3 章 土壤湿度检测电路单元设计93.1 信号源选取93.2 农田土壤湿度单元检测总方案93.3 土壤介质等效模型103.4 土壤湿度检测等效电路113.4.1 高频等效电路113.4.2 低频等

12、效电路133.5 温度采集模块14第 4 章 实验及分析154.1 试验土壤样本154.2 试验土壤配制154.4 土壤测试仪164.5 电压-电容数据转换164.6 结论与建议17参考文献19第 1 章 引 言1.1 研究意义 水是生命之源，是植物生长不可或缺的重要物质，是工农业生产中不可替代的自然资源。中国淡水资源相对稀缺，特别是平均水平过低，仅约为世界人均水平的 1/4，而农业用水占全部用水的 70%80%2。然而目前中国农业用水使用效率极其低下，在供给和输水的过程中所产生的漏水，不合理灌溉等造成了淡水资源的很大浪费。相关统计显示：全球农业水资源利用率仅为 40%。为此，提高灌溉效率、合

13、理管理和利用水资源对解决水资源供需矛盾和农业可持续发展具有深远和重大的意义。施行有效土壤湿度检测网络有利于水资源的合理管控，土壤湿度检测作为农业自动化灌溉系统中的关键技术，它的精确测量在一很大程度上决定着植物的最优生长，对提高灌溉效率具有切实意义。 根据土壤相对湿润度(R)的干旱等级指标，可以分为 60%<R 为无旱，50 <R60 为轻度干旱，40 <R50 为中度干旱，30 <R40 为重度干旱，R30 为特别重度干旱3。对于绝大多数植物，土壤湿度在 60%-85%为最佳生长环境，含水量低于 65%69%田间持水量时光合速率随土壤含水量的增大而增大，高于65%69%

14、田间持水量时，光合速率随土壤含水量的增加而降低4；低于 40%或者大于 90%时，光合作用会受阻，导致植物生长不良5。然而，现阶段对于土壤湿度的检测和测量范围大多数仍然是 Topp 停留在 022%。 另外，土壤湿度的测量和探讨也基本限制在土壤介电常数与土壤湿度的关系上，虽然对绝大多数的土壤已经足够，但是对于一些比较特殊的土壤结构，如红壤，其土壤中含大量的 Fe 和 Al，土壤固相介电常数增大，当湿土中磁铁矿含量大于 5%就可以使介电常数偏大，而红壤中的磁铁矿含量可以达到 15%，显然使用统一的介电常数与湿度关系表达式以难以模拟红壤等特殊土壤的含水量情况。对于使用土壤电容特性表达土壤含水量的研

15、究极少6。1.2 国内外研究现状 1.2.1 国外土壤测量技术方法发展现状 土壤水分快速测量在工农业生产和自动化系统中具有巨大的应用潜力，许多学者对于土壤水分快速检测技术的进行了大量的研究。在此领域内起步最早的是外国的众多学者，并取得了骄人的成果，为土壤检测技术奠定了理论基础。1922年，Gardner 从土壤的张力角度对土壤湿度快速测量进行了研究，此后的 10 年对于土壤的非饱和性与土壤张力的关系有了更加深刻的研究7；1939 年，Bauer 从土壤电导性质对土壤的含水量关系进行了研究，他将热导电阻埋入途中，建立土壤电阻特性与含水量之间的关系8；1940 年，Anderson 将音频电桥理论

16、引入到土壤含水量检测中9；1950 年，Belende 提出了利用中子衰减原理对土壤含水量进行快速检测，两年后 Gardner Kirknam 再次证明了中子法的有效性和可行性，此后由于中子法具有高精确度等特点被广为称颂，后因中子法具有辐射等重大副作用被政府所取缔；1976 年，Topp 等首次利用 TDR（时域反射法）原理对土壤进行了快速测量的研究，通过大量的试验研究，提出了 Topp 全经验公式，这大大的推动了土壤快速检测仪的发展，对土壤检测仪的应用具有跨时代的意义，使土壤水分检测得到了学者和农业种植业的广泛重视；1999 年，龚元石等证实 TDR 测量法受容重和温度影响；2004 年，H

17、ook 等使用 TDR 测量仪进行土壤含水率测量，研究结果表明 TDR 受盐分影响较大10；2009 年，冯炜等利用 TDR 原理设计了相关测试仪，其测量误差在 4%左右。1983 年，Hainsworth 等以 X-射线为理论基础对土壤快速水分检测进行了可性能分析11；1991 年，Whalley 提出了利用红外线检测法，此后该理论被日本学者引用并付诸于大量的研究试验，最终让红外线土壤水分传感器横空出世；1992 年，Wagenningen 等开创了 FDR（频域反射法）技术，并基于 FDR 原理开发了相应的传感器，为 FDR 法的批量生产提供了关键性技术支撑，FDR 法一致性较差（孙宇瑞等

18、 2006），需要大量的校验，这是该仪器进行移植时的重大缺陷，但校验后检测准确度非常高（陈海波等 2009）；1999 年，赵燕东等利用驻波法对土壤含水量进行了测量和分析12，证实了驻波法的准确性；2002 年，赵燕东等对驻波法的测量范围进行了分析；2003 年，ARS 与瓦尔蒙特公司合力开发了智能红外湿度检测计；2013 年，郭文川等研究了土壤容重和温度对 FDR 传感器的影响，并建立了土壤容重、温度与 FDR 传感器输出信号的关系模型，该研究为温度补偿和容重补偿提供了理论依据。 1.2.2 国内土壤测量技术方法发展现状 1960 年前后，我国在实验室条件下使用射线法土壤含水量试验；十九世纪

19、70 年代，西安电子科技大学开发了 SVJ-3 型微波水分测定仪；1982 年，巫新民、王伟等利用阻抗方法对土壤含水量进行了检测研究；此外，随着国家对该项目的重视，相关高校和研究机构都从事与土壤水分测试技术的研究，其中陈本华等对毛细管张力法展开了研究，马孝义等针对介电常数法进行过大量的试验工作；2002 年，王一鸣教授等人对驻波法进行了深入研究，并成功研制 SWR 型传感器。经过半个多世纪的研究，我国在土壤水分快速测量技术方面的研究也从用传统的烘干方法到电阻法、电容法、驻波法、射线法等快速高效的方法方向上发展。就 目前的情况而言，这些测量方法的测量精度基本都受到传感器精度的限制。为此，国内迫切

20、的致力于高精度、体积小、功耗低、稳定性强、成本低的土壤水分检测仪的研发，并在国家自然科学基金、国家“863”项目等课题项目中进行立项，力求投入大量的人力物力推动土壤水分检测的快速发展，发明和创造出符合中国农业国情的在线式实时土壤检测仪和物美价廉的便捷式水分测量仪13。1.3 研究目标与内容 1.3.1 研究目标 （1）土壤湿度与介电常数关系模型的对比分析和研究。 （2）设计一种土壤湿度检测方法，将土壤容值与土壤湿度进行有效的数据转换。 （3）通过大量的试验和对数据的分析，拟合电容值与土壤湿度回归方程，通过分析不同拟合方式并选取最佳的拟合方程。 （4）在一定精度条件下较为准确的测量出土壤的相对含

21、水率，综合误差达到 3%以内。 1.3.2 研究内容 （1）选择适合电容法检测土壤湿度的介电模型，对模型进行等效电路处理，建立电信号与土壤湿度数据关系。 （2）对土壤特性进行分析，研究不同频率对土壤中各种电特性的影响，选取适当频率的信号源。 （3）对田间自动化管控系统，终端控制、总线分配器的研究。 （4）检测电路前端设计，单元设计，温度采集与电源转换模块设计。 （5）拟合方式分析与对比，湿度检测仪对比与误差分析。第 2 章 农田自动化总体管控方法田间土壤湿度检测是田间自动化总体管控方法的中心环节14，也是本文研究的重点。为了较为系统的了解田间土壤湿度检测技术，本章将对田间自动化总体管控方法做简

22、要介绍和概述。2.1 农田自动化管控方法 图 2-1 为 Zigbee 组建而成的田间自动化管控方法，主服务器通过 RS232 串口可以直接与总线分配器连接，控制总线分配器从而控制终端控制器与终端设备通信，终端设备将检测到的检测值上传到主服务器 PC 端或智能气象站系统；PC主服务器也可通过 Zigbee 组成无线网络，通过无线网络与终端设备进行通信，主服务器可收集和控制整个农田群的终端设备，进而对整个农田网络的土壤湿度进行在线检测和控制。图 2-1 Zigbee 无线检测网络2.2 农田智能气象系统 田间气象自动化观测对提高农业气象业务有重大意义，它是防灾减灾、适应现代气象发展的重要举措，通

23、过此系统，可以实时对土壤环境和田间气候进行监测，趋利避害，真正掌握植物生长的实时信息。如图 2-2 为田间智能气象系统：图 2-2 田间智能气象系统该系统可通过参数设置对植物生长情况进行相应的最佳设置，使相应的植物在最佳生长环境下生长；采集控制可设置采集数据的频率；数据获取相当于中断控制，可手动或机械的对数据进行获取；数据显示可将采集的数据以图像的形式显示在 PC 机或智能气象站系统中；执行设备控制机电控制器实施相应施肥、灌溉、补光等动作；自动报警系统为气象出现紧急情况所产生的报警系统。 如图 2-3 所示为农田智能气象系统工作原理，图中，无线传输模块可根据通讯距离分为短距离、中距离、远距离三

24、种无线传输方式15，经过考察最后选定ZigBee网络作为无线传输模块。 信息采集系统包括雨量测量、风速检测、风向检测、光照采集、气压检测、土壤含水量检测、空气湿度检测、土壤 PH 值检测、空气温度检测、土壤湿度检测以及今后的土壤养分检测和水培含氧量检测等。图 2-3 农田智能气象系统工作原理2.3 终端控制器 手动控制时，当点击控制键，PC 机收到命令后，将发送控制指令，并等待响应，如果此时终端控制器收到数据后，马上响应成功，则 PC 机指示操作成功。这个操作动作速度是不由 PC 机控制的（每点一次操作，PC 机只发一次命令）。如果中断控制器来不急处理，可以不用发应答信息，此时 PC 机将以黄

25、色取待操作键，直到下次轮询时，如果操作成功，则指示操作成功。 需要定时控制的设备采用双电源供电，初始由总线管理控制，节点运行后由自身定时控制，有效时间内可以远程控制关闭设备。这样有助于产品绿色节能化，并保证每个设备不会失控。也可以由总线一直供电控制。 整个系统采用巡检模式，设备采集控制终端节点理论上是可以无穷数。但实际是需要功率支持，所以一般是小功率控制（1.5A 以下），多条分时控制，每条总线视节点设备最低功耗电流值加最大动作电流增加 20%余量进行布点 。当脱机终端控制时，反馈信号都由终端控制器接收，控制器进行相应的信息处理，终端控制器构架如图 2-4 所示：图 2-4 终端控制器构架PC

26、 选择是否由终端控制器进行终端服务的脱机控制平台，当由 PC 机的软件修护和更新够完善，脱机的终端控制器具有极其优良的便利和使用特性16，脱机控制节省了大部分的人力和物理，稳定性等方面都十分值得信赖。2.4 总线分配器 2.4.1 总线分配器原理 总线分配器是全双工 RS232 总线通讯扩展板，作为整个系统的总线控制器，通过232串口线挂接到总线上，同时扩展6个232接口供其它模块挂接到总线上。总线控制器的每路 232 串口可以独立全双工传输互不影响，当挂接的设备出现故障（甚至短路）时总线控制器可以自动辨别设备状态（工作、故障等），并将此接口屏蔽，避免了因一路通讯故障而影响整个系统的运行。整个

27、总线可以以星形方式组网（总线控制器依次串接的方式扩展总线），组网方式灵活多变，便于现场实际的安装，以及预留总线挂接口。挂接到总线上的设备均严格按照通讯协议传输数据进一步的增强了系统可靠性（尤其是机电控制器类的执行设备）。和工业上应用的 modelbus 比较具有智能诊断，挂接灵活，更可靠等优点。 PC 机与总线分配器进行串口全双工通信，当 PC 机发送信号“1”或者“0”，总线分配器接收到信号“1”或者“0”的同时将信号传递给下级的终端设备；当 6 个串口的任意串口有一个发生“异常”，异常信号传递给总线分配器，从而传送到 PC 机或终端控制器上进行数据处理，判断是哪种指标发生异常，并对此做出正

28、确的处理。2.4.2 总线分配器应用 总线分配器是农业自动化的一个重要端口扩展模块，用于将总线进行分配和扩展，在总线分配器下可用于接相同或不同的终端设备，例如：湿度控制子系统，温度控制子系统，光照控制子系统，CO2 控制子系统，水肥控制子系统，水流速子系统或另一个总线分类器。当连接另一个总线分配器的时候，此系统又可继续延伸扩展下去，又可连接下一个湿度、温度、光控、CO2 控制等子系统，实现多参数测量的目的，总共的参数与扩展端口的个数的推导公式满足 5n+1 的关系，其中：n 是总线分配器端口个数。如图 2-5 图所示，为总线分配器与 PC 上位机和终端子系统结构连接原理。图 2-5 总线分配器

29、原理光照传感器，CO2传感器，土壤传感器等检测电路每隔 20s-30s 采集一次数据，并将数据显示在 LED 上。当采集的数值超过或者低于标准规定的植物生长的最佳值，PC 机通过接收到的数据进行相应的处理。例如小麦的生长湿度一般为 75%左右为最佳，当湿度低于 60%不利于小麦的生长，那么当湿度低于 60%时，PC 机控制土壤机电控制器，从而进行水补偿；反之，但湿度大于 90%时不利于小麦的生长，水泵停止工作；当湿度大于 95%甚至更高时，发生洪涝，此时，PC 机指挥水泵进行抽水动作以保护小麦的合理生长环境。第 3 章 土壤湿度检测电路单元设计本章将对土壤湿度检测电路单元设计进行分析和阐述。通

30、过对单信号源与双信号源的差异分析，选取了适合开发条件的双频作为介电参数采集的信号源；借鉴对介电模型的讨论结果，本章将较为详细的介绍通用改进模型，并对高、低频等效电路的参数选取，电源转换模块，温度采集模块等给予分析设计。3.1 信号源选取 土壤成份比较复杂，它是水、空气、土壤三者的混合物，其电特性参数包含电阻量、电容量和微量电感量17。现阶段，主流的土壤湿度检测仪都基本采用单频率信号源作为探测信号，如基于频域法的 SM2901，KM2802B，LT-CG-S/D 等系列水分传感器，基于时域法的 GWI-AQUA-TEL-TDR 传感器，基于驻波法的BZH12-SWR3 传感器等。单频率信号源在频

31、率足够高（大于 15.9MHz）时，容抗值会很小，在相对土壤湿度较高时，容抗值只有上百欧姆甚至几十欧姆，而土壤中的阻抗值达到 10k 左右，两者的并联阻抗约等于容抗值。而根据结果表明：频率在 100-500MHz 的范围内，土壤的微观电特性具有很好的一致性，所以选择 100MHz-500MHz 的高频信号是比较好的单频信号源。 单频信号源的优点在于信源单一，电路简单，转换为湿度时考虑的变量较少，便于快速计算，而不足之处在于易受土壤盐度、金属含量等导电介质的影响18，因为导电介质过高时，土壤阻抗急速下降，与容抗并联后的阻抗将产生相对较大的波动，致使测量结果出现偏差。 本文采用双频信号源，虽然在电

32、路设计、信号处理和转换等方面都更加复杂，但在一定程度上弥补单频信号源的不足，为了保证测量的精度，必要的牺牲是值得的。值得注意的是，采用高、低双频对土壤电特性参数进行检测将受所选器件和芯片本身的限制19，能够提供的信源受到一定的限制；根据土壤中的电抗特性可以推算出采信源频率的选取应该在（100kHz，300kHz），但双频时候若都选择在此区间，则两个频率太接近而无法很好的分离而产生很强的信号干扰很难用滤波器滤除，选取双频信源时，较高频率最好在较低频率的 50 倍以上。3.2 农田土壤湿度单元检测总方案 如图 3-1 是测量土壤湿度检测总方案，MSP430 将低频方波经过整形，转化成正弦波，正弦波

33、经低通滤波器和运算放大器产生 4V 的正弦波，正弦波进入到探针 A；MSP430 的外部高频晶振经 8 分频后通过整形、高通滤波器和运算放大器产生 4V 正弦波同时进入到探针 A 上。探针 A 上的信号经过土壤介质到达探针 B，探针 B 上的高、低频信号分别经过高通、低通滤波器网络，分别进入各自的选频网络，再经过运放、整流、ADC 采样后给 MSP430 中进行数据处理。探针 T 将为空心钢管，钢管底端安放 DB18B20 温度传感器，探针 T 采集土壤的温度，将温度数据给单片机 MSP430，单片机将接收到的湿度信号和温度信号经过特定的算法转换成“相对土壤湿度”，数据经过串口、Zigbee

34、无线网络提交给 PC机上，在 PC 机上进行数字和模拟图像显示和实时监测。图 3-1 土壤湿度检测总方案 3.3 土壤介质等效模型 频率在 1k10MHz 之间时，土壤中的寄生电容和寄生电感的参量在都非常小20，忽略这两个参量从而建立了土壤湿度测量的数学模型如图 3-2 所示：图 3-2 土壤介质模型 （3-1）其中，Cx、Rx 分别是土壤的电容值和电阻量，采用负载法测量运放的输出电阻 Ro 为 42。3.4 土壤湿度检测等效电路 用 T 型选频网络将高、低频混合信号进行分离，分离后的信号分别进入集成运算放大器输入端进行信号加强，检测通路如图 3-3 所示：图 3-3 高、低频检测通路3.4.

35、1 高频等效电路 根据运放的虚短虚断的概念将电路等效为如图 3-4。图 3-4 高频等效电路 根据电流叠加定理知： (3-2)根据运放的虚断概念知： (3-3)电流电路相关知识建立相关电路关系： (3-4) (3-5) (3-6) (3-7) MSP430 单片机内部参考电压 Vref 为 2.5V，单片机发送 2V 左右的方波经波形转换成 Vi=4V 正弦波，V是高频信号采集的输入点电压，VH经放大倍数 AH的运放和半波整流到达 12 位 ADC（0212-1）中进行数据采集，则 ADC 端的电压： （3-8） 而 ADC 内部电压关系有 （3-9）等效电路总阻抗 (3-10) 将式 (3-

36、2)， (3-3)， (3-4)，(3-5)，(3-6)带入(3-7)中得：推导出 ZH的值：（3-11）将（3-8）带入（3-11）中得： （3-12）AH： 高频信道中集成运算放大器的放大倍数 WH： 高频信号频率 RH： 高频信号进入运算放大器端的输入阻抗 LH： 高频滤波网络电感参数 CH： 高频滤波网络电容参数 Vi： 高频信号信源电压，其值为 4V RO： 信源输出阻抗 ZH： 高频信号时探针两端的等效阻抗 VHDAC：高频信道 ADC 采样电压值3.4.2 低频等效电路 同理将低频同路电路等效为如图 3-5：图 3-5 低频等效电路 根据 3.4.1 对高频等效电路的分析，可以同

37、理推导出低频等效电路中，得到低频时探针两端的等效阻抗： （3-13）AL： 高频信道中集成运算放大器的放大倍数 WL： 高频信号频率 RL： 高频信号进入运算放大器端的输入阻抗 LL： 高频滤波网络电感参数 CL： 高频滤波网络电容参数 Vi： 高频信号信源电压，其值为 4V RO： 信源输出阻抗 ZL： 高频信号时探针两端的等效阻抗 VLDAC：高频信道 ADC 采样电压值3.5 温度采集模块 温度对土壤水分含量的检测的影响不容忽略，本系统中设计了温度采集模块，DS18B20 因其具有成本低，功耗低，检测温度宽度大，应用电路简单等诸多优点而被广泛的应用21。其主要特性如下： (1) DS18

38、B20 在与微处理器进行双向通信时，仅需要一条口线即可。 (2) 使用 12 位 AD 转换，可将 DS18B20 的精度升至 0.0625。 (3) 工作电压宽度大，可在 3.0V5.5V 之间工作。 (4) 响应速度快，在 12 位 AD 转换时，750ms 内可将模拟量转化成数字量。 (5) “一线总线”，可将数据同时送到 CPU，传送 CRC 效验码，提升了抗干扰能力。 (6) 集成度较高，体积小，可以安放在空心探针中。 DS18B20 由四部分组成：温度传感器、非挥发的温度报警触发器 TH 和 TL、配置寄存器、64 位光刻 ROM。DS18B20 的管脚排列如图 3-6:图 3-6

39、 DS18B20 引脚 第 4 章 实验及分析 本章将对 8 种不同土壤类型进行土壤湿度的测试，并将测试数据进行转成容值数据，最后将容值数据与湿度数据进行拟合，构建回归方程，该回归方程是容值转换成的湿度值的核心方程。4.1 试验土壤样本 土壤样本选自全国不同区域，不同特性的土质，从南到北，选取了农作物生长所在的绝大多数类型的土壤，土壤类型如表 4-1 所示。恒温箱烘干法被认为是最经典和最准确的方法，是国际公认的测定土壤水分的标准方法，所有的土壤样本均在恒温箱内进行彻底的干燥，温度设定为105，烘干时间为 8h。表 4-1 测试土壤及其特性参数4.2 试验土壤配制 将烘干后将土壤加适当的水分别配

40、制成不同湿度的样本土，因为植物生长的最佳湿度为 60%-85%，而在植物的育苗期需水量往往到达 90%甚至 100%，所以，准确测量 60%-100%的含水量对农业生产和自动化灌溉与控制有着至为重要的意义22，为此 30%-70%以 10%为最小刻度，70%-100%以 5%为最小刻度，最后设置一个 120%的湿度点。试验土壤样本如图 4-1 所示：图 4-1 标准土壤待测样本4.4 土壤测试仪 电路经过开模后将两实心探针和一空心探针(顶端安置温度传感芯片)接到 PCB 电路板上，安装相应的配套防水工艺外壳使该测试仪具有一定防水能力，如图 4-2 所示为开发后的土壤湿度检测仪:图 4-2 土壤

41、湿度检测仪4.5 电压-电容数据转换 使用如图 5-2 所示的已开模后的土壤湿度检测仪对土壤进行测试，试验条件为室温 20±3进行测试（土壤温度 t0约为 15），以黄土壤样本为例，对每个湿度点采集到的电压数据进行统计，测试 30 次后去掉 3 个最大值、3 个最小值后求平均值，将平均值统计为表 4-2。表 4-2 黄土壤电压采集数据4.6 结论与建议本文从土壤的相对介电特性为入口，以土壤容值特性作为土壤相对湿度的研究基准，提供了检测土壤电特性的检测方法，并与主流频域法进行了试验对比分析，最终得到如下几点结论： 1.本文从土壤相对湿度为研究出发点，对比了国内外现阶段不同的检测方法和理

42、论，并针对各种方法的利弊提出容值表示相对土壤湿度的优势并对可行性进行了分析，论证了利用双频来快速检测相对土壤湿度具有高灵敏度、适应宽度大受土壤土质影响小等特点23，为在线式土壤湿度检测提供了一个实用的检测方法，同时为研制开发基于容值检测土壤湿度传感器提供了一定的理论依据。 2.本文以双频作为信号探测源，弥补了单频作为信号源时易受土壤盐度、金属含量等导电介质的影响。 3.当土壤相对湿度较大时，土壤温度对土壤湿度的影响不容忽视，论文考虑了温度对检测相对土壤湿度的影响并设计了温度采集和温度补偿方案，试验显示，在相对土壤湿度较大情况下（60%以上）温差在 10 摄氏度以上将对测试精度造成 1%以上的影

43、响24，可以推算在冬季和夏季或者对于温差较大的试验田中，温度对试验结果造成的影响可达到 5%以上（湿度和容重较大时），为此温补补偿显得很有必要。 4.本文湿度检测采用电容值法，经过大量的数据进行回归拟合，土壤电容值与相对土壤湿度满足 0.2488ln(C ) 0.3821rXt，使用此公式可以很好的拟合绝大多数土质的土壤，且在金属含量较高的红壤测量上表现比较并不逊色，在综合测量精度上，平均误差较小，并在农作物生长范围内的湿度检测误差低于普通的水分检测仪，非常适合应用在农业灌溉技术和系统中。 电容法为原理的土壤湿度检测仪虽然有着相对较多的优点，但是可以提高的部分仍然不少，例如，引入高精密的容值转

44、换芯片（例如 acam 公司最新研发的Pcap01 芯片）将是一个发展趋势；随着科学的发展，在土壤湿度检测领域中，使用动态的观点建立土壤水数量与能量之间的关系，用质量和能量守恒定律及多孔介质中流体运动原理求土壤水分的动态将是未来农作物灌溉的一个重大发展方向。参考文献1 赵裕明, 田云, 史洁,等. 国内外节水灌溉技术的发展及趋势J. 黑龙江科技信息, 2014(30):244-244.2 左强. 农业水资源利用与管理M. 高等教育出版社, 2003.3 高桂芹, 花家嘉, 赵景旺. Y干旱指数在冀东春旱监测中的应用J. 中国农业气象, 2009, 30(3):431-435.4 陈玉民, 孙景

45、生. 节水灌溉的土壤水分控制标准问题研究J. 灌溉排水学报, 1997(1):24-28.5 苏淑芳, 陈彦伟. 湿度对蔬菜生长的影响及调节措施J. 河南农业, 2013(3):40-40.6 姜黛珠.蔬菜生育过程中对水分条件的要求J. 宁夏农业技术推广总站, 2009-5-5.7 Allen R G, Pereira L S, Raes D, et al. Crop evapotranspiration-Guidelines for computing crop water requirements-FAO Irrigation and drainage paper 56J. FAO, Ro

46、me, 1998, 300: 6541.8 Topp G C, Davis J L, Annan A P. Electromagnetic determination of soil water content: Measurements in coaxial transmission linesJ. Water resources research, 1980, 16(3): 7-12. 9 Roth C H, Malicki M A, Plagge R. Empirical evaluation of the relationship between soil dielectric constant and volumetric water content as the basis for calibrating soil moisture measurements by TDRJ. Journal of Soil Science, 1992, 43(1): 1-13.10 郭文川, 张鹏, 宋克鑫, 等. 塿土介电特性与水分检测频率及温度影响J. 排灌机械工程学报, 2013, 31(8): 713-718.11 吴英才. 介电常数法土壤水分测量的研究J.