FDR土壤水分监测仪器设计

　　引言

　　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.