摘要：以電磁波時(shí)域反射（TDR）為理論基礎(chǔ)，對(duì)已有的地質(zhì)體參數(shù)原位檢測(cè)儀進(jìn)行升級(jí)改造，使其更加適用于耕地土壤環(huán)境，研究基于TDR理論的多參數(shù)測(cè)試儀，著重闡述了復(fù)合式探頭的研制、儀器前端機(jī)的開發(fā)、高速數(shù)據(jù)采集與處理模塊以及數(shù)據(jù)通信模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，從而對(duì)污染耕地的水、熱、電及基礎(chǔ)化學(xué)參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，為準(zhǔn)確地評(píng)估耕地的污染情況打下基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：耕地污染；電阻率檢測(cè)；測(cè)量?jī)x

中圖分類號(hào)：S237 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0439-8114（2016）10-2652-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.10.051

Abstract：Using advanced design concept， achieved a number of new technological breakthroughs， developed more parameters in situ monitoring and data transmission system with the advanced level. On this basis， combining with the characteristics of multiple factors joint action in soil pollution evaluation， constructed soil information fusion model. Measuring the polluted soil property data， applied data fusion algorithm to the specific processing， thus extracted the valuable soil pollution index in a large number of discrete data.

Key words：cultivated land pollution； resistivity testing； measuring instrument

隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，尤其是重工業(yè)的發(fā)展，使得環(huán)境所受到的影響持續(xù)加劇，而幾乎所有的污染成分最終會(huì)返回至土壤里，農(nóng)業(yè)耕地污染是當(dāng)前十分嚴(yán)峻的問題。由于受環(huán)境元素的復(fù)雜性、變異性及元素間相互作用、相互制約等諸多因素的影響，對(duì)耕地污染的界定和污染程度的評(píng)估存在定性和定量等方面的困難，使得對(duì)污染耕地的治理缺乏可靠的科學(xué)依據(jù)[1，2]。通過相對(duì)簡(jiǎn)易的方法對(duì)污染耕地的范圍以及污染程度進(jìn)行確定與評(píng)估，是當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。近年來，研究者通過引入土壤電阻率法，對(duì)土體的污染范圍和擴(kuò)散規(guī)律進(jìn)行檢測(cè)和推定，并取得一些成果[3，4]。土壤電阻率是多因素綜合作用的復(fù)雜過程，單獨(dú)考量電阻率來評(píng)估耕地的污染是不科學(xué)的，必須綜合考慮土壤的各類參數(shù)。馮蒼旭[5]提出了地質(zhì)體多參數(shù)原位自動(dòng)監(jiān)測(cè)的測(cè)量方法，陳偉[6]以TDR理論為依據(jù)研制了土壤多參數(shù)聯(lián)合監(jiān)測(cè)儀器。測(cè)量得到的數(shù)據(jù)可以通過融合技術(shù)，分析各參數(shù)之間的關(guān)聯(lián)性，更加準(zhǔn)確地評(píng)估污染區(qū)的污染情況[7]。本研究在此基礎(chǔ)上，引入電磁波時(shí)域反射理論，對(duì)現(xiàn)有的地質(zhì)體參數(shù)原位檢測(cè)儀進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化，使其更加適用于耕地土壤環(huán)境的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)污染耕地的水、熱、電參數(shù)準(zhǔn)確簡(jiǎn)便測(cè)量，從而為下一步數(shù)據(jù)融合及污染評(píng)估打下基礎(chǔ)。

1 測(cè)量原理分析

耕地污染相關(guān)的參數(shù)有許多種，其中較為主要的包括：①耕地土壤的水屬性，相關(guān)的參數(shù)由土壤中的水微流速、含水率等；②耕地土壤的熱屬性，相關(guān)參數(shù)為土壤溫度和熱導(dǎo)率；③耕地土壤的電屬性，主要參數(shù)即為土壤的電阻率。已經(jīng)證實(shí)以上的所有屬性均能夠體現(xiàn)出耕地污染的分布情況與嚴(yán)重程度[6]。在耕地污染評(píng)估時(shí)，如果僅僅以電阻率對(duì)耕地受污染程度和范圍進(jìn)行評(píng)估，其準(zhǔn)確率尚顯不足。對(duì)耕地土壤樣本的多個(gè)參數(shù)（水屬性、熱屬性、電屬性）進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，并分析諸多參數(shù)互相的影響與聯(lián)系，進(jìn)而形成基于多參數(shù)融合的耕地污染評(píng)估模型。

TDR（電磁波時(shí)域反射理論）發(fā)射源所發(fā)出的電磁脈沖傳輸至土壤里并繼續(xù)向前傳播，而傳播的過程所反饋的一些數(shù)值可以較為精確地體現(xiàn)出土壤的電阻率。耕地土壤均擁有特定的電阻率，這是其獨(dú)特的性質(zhì)，而電阻率的具體數(shù)值則與其內(nèi)部的多個(gè)因素相關(guān)?；赥DR原理的采集卡捕捉并分析處理反射波，最終得到測(cè)量對(duì)象的電阻率，并將該值存儲(chǔ)至存儲(chǔ)單元中。溫感單元能夠準(zhǔn)確獲取測(cè)量目標(biāo)的土溫?cái)?shù)據(jù)，將該值視為測(cè)量目標(biāo)的實(shí)時(shí)溫度。污染耕地?zé)釋?dǎo)率的測(cè)量是通過獲取熱脈沖發(fā)出并持續(xù)一定時(shí)間的溫度數(shù)據(jù)，計(jì)算溫度參數(shù)相對(duì)于時(shí)間參數(shù)的線性回歸，最終獲取測(cè)量的熱導(dǎo)率數(shù)據(jù)，結(jié)合含水率與熱導(dǎo)率的關(guān)系獲取含水率數(shù)據(jù)。在已經(jīng)獲取了污染耕地?zé)釋?dǎo)率與含水率的前提下，通過測(cè)量探針之間的溫度差就能最終獲取污染耕地的微流速數(shù)據(jù)[5]。

2 儀器結(jié)構(gòu)與工作流程

測(cè)量?jī)x應(yīng)能夠?qū)ν寥酪韵轮饕獏?shù)進(jìn)行測(cè)量，包括有：土壤含水的微流速、含水率、實(shí)時(shí)溫度、熱導(dǎo)率、電阻率。監(jiān)測(cè)儀器主要由電源、信號(hào)源、信號(hào)接收裝置、模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換裝置以及存儲(chǔ)和控制設(shè)備等電路共同構(gòu)成，其中信號(hào)源產(chǎn)生測(cè)量土壤參數(shù)所需的脈沖波。信號(hào)接收裝置不但含有反射波的接受器件，也含有溫度數(shù)據(jù)和時(shí)間的檢測(cè)器件。為了減少系統(tǒng)功耗和增強(qiáng)使用靈活性，通過8052單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)測(cè)量、模數(shù)轉(zhuǎn)換以及自控，從而使系統(tǒng)的體積盡可能降低，增強(qiáng)其易用性。存儲(chǔ)和控制裝置則含有定時(shí)功能與測(cè)量功能，借助DS12887實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的定時(shí)功能，具體的測(cè)量與控制通過中央處理單元加外部控制模塊共同構(gòu)成。前端設(shè)備以232接口和外部電腦終端進(jìn)行通信，同時(shí)也支持以GPRS無線傳輸?shù)姆绞竭M(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞。圖1為其組成結(jié)構(gòu)。

前端機(jī)把從測(cè)量目標(biāo)中獲取的具體信息存儲(chǔ)進(jìn)RAM中，同時(shí)在定時(shí)芯片中寫入下1個(gè)數(shù)據(jù)獲取的時(shí)間點(diǎn)，結(jié)合程序中的相關(guān)事件與參數(shù)觸發(fā)監(jiān)測(cè)的具體流程。該功能涵蓋了測(cè)量脈沖的產(chǎn)生以及各類參數(shù)的測(cè)量，因此其作用十分關(guān)鍵。圖2所示為其具體的工作流程。

3 關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 復(fù)合式探頭的研制

3.1.1 熱脈沖傳感器 基于物理學(xué)的熱傳導(dǎo)理論，復(fù)合式探頭由3根探針構(gòu)成[5，6]。其中，位置在中央的探針充當(dāng)脈沖發(fā)生單元，而兩側(cè)的探針配置了溫度傳感單元，能夠?qū)崟r(shí)獲取被側(cè)目標(biāo)的溫度與溫差數(shù)據(jù)。在具體的實(shí)現(xiàn)中，以不銹鋼管作為探針的組成材料。在探針之內(nèi)設(shè)置加熱絲以及溫感單元，這些部件都會(huì)影響到探針的直徑尺寸。而其直徑直接與其長(zhǎng)度相關(guān)，因此對(duì)于探針的要求是其長(zhǎng)度與直徑的比值必須超過30。探針的內(nèi)徑與外徑分別為2.5和3.5 mm，管壁厚0.5 mm。

熱脈沖傳感器在測(cè)量中需要完成：熱脈沖的產(chǎn)生、溫度及溫差值的獲取等，因此溫感單元是必要的部件之一。本研究選取基于PN的溫感單元，優(yōu)點(diǎn)是輸出信號(hào)的強(qiáng)度與靈敏度均比較好。為了保證測(cè)量精度，在溫感單元的設(shè)計(jì)上，除正向電壓外，還增設(shè)了10 μA正向恒流。

3.1.2 TDR探頭的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 探頭使用的是標(biāo)準(zhǔn)同軸電纜。同軸電纜的作用首先是進(jìn)行信號(hào)的傳導(dǎo)，其次是作為探頭。同軸電纜的最中央部分是金屬芯線作為正極；第二層至第四層依次為介電體、屏蔽層、保護(hù)層，其中將屏蔽層作為負(fù)極。因?yàn)槭菍?duì)耕地的電阻率進(jìn)行測(cè)量，所以利用同軸電纜的正負(fù)極作為探針?？紤]到測(cè)量?jī)x的探針與TDR探針無論是構(gòu)成還是材料均比較接近，將二者組合成復(fù)合式探頭。時(shí)域反射理論所研發(fā)的探針專門測(cè)量耕地中的反射波，假若其探針的長(zhǎng)度不足，就不能夠在電磁波時(shí)間差的測(cè)量上達(dá)到所需的精度；但是如果探針長(zhǎng)度過大，又會(huì)因?yàn)殡娮杪市?yīng)而導(dǎo)致信號(hào)大幅衰減。綜合考慮后，圖3所示為最終確定的探頭結(jié)構(gòu)。

由圖3可知，探頭上的探針是3個(gè)不銹鋼器件構(gòu)成的，探頭探針的內(nèi)徑與外徑分別為3.5和2.5 mm，管壁厚0.5 mm。其中，位居中央的探針和同軸電纜正極相互連接，其余的則和其負(fù)極連接。

3.2 儀器前端機(jī)的開發(fā)

儀器前端機(jī)由6個(gè)單元構(gòu)成：電源供給單元、晶振時(shí)鐘單元、中央處理單元、數(shù)據(jù)采集單元、控制單元、通信單元。在實(shí)際測(cè)量中，需要獲取4個(gè)參量值，所有的數(shù)據(jù)共用采集單元，單元的采集速度較慢，優(yōu)勢(shì)是精度能夠達(dá)到較高的值，中央處理單元選用8052單片機(jī)。該單元內(nèi)置了模數(shù)轉(zhuǎn)換等功能，系統(tǒng)的性能和集成度均較優(yōu)異。基于8052單片機(jī)的中央處理單元而開發(fā)的熱脈沖采集單元如圖4所示。

3.2.1 熱脈沖測(cè)量單元 主要測(cè)量目標(biāo)的實(shí)時(shí)溫度、溫差以及時(shí)間，其中通過內(nèi)置的定時(shí)單元進(jìn)行時(shí)間的測(cè)量。具體的實(shí)現(xiàn)是基于8052單片機(jī)，通過其多路控制寄存單元的選擇，對(duì)信號(hào)放大倍數(shù)進(jìn)行控制，如果放大倍率是32，則測(cè)量溫度參量值；放大倍率是128，則測(cè)量溫差值。

3.2.2 熱脈沖控制單元 該單元的核心是8052單片機(jī)，文獻(xiàn)[5]所開發(fā)的系統(tǒng)采用了MSC1210單片機(jī)，考慮到MSC1210管腳的名稱和功能與傳統(tǒng)的8052單片機(jī)是一樣的，但MSC1210添加了一些管腳用來支持其特定的功能，而該系統(tǒng)目前不涉及這些功能，出于成本原因，最終選取了8052單片機(jī)。單元的主要組成部分是定時(shí)單元、通信單元以及熱脈沖發(fā)生器。圖5所示為熱脈沖控制模塊的流程。

其中，利用DS12887時(shí)鐘芯片實(shí)現(xiàn)定時(shí)電路，該芯片內(nèi)部自帶晶體振蕩器及鋰電池，除具有時(shí)鐘功能外，它還具有114字節(jié)的通用RAM，并與廣泛應(yīng)用的DS1287、MC146818B腳對(duì)腳兼容。在振蕩器的選擇上，最終選用了工作頻率為12 MHz，如果振蕩器出現(xiàn)微弱的誤差，則以軟件調(diào)節(jié)的方式（數(shù)字微調(diào)單元）對(duì)振蕩單元進(jìn)行調(diào)整，通過這樣的調(diào)整可以在一定程度上避免因?yàn)樾酒娮璐嬖诘碾x散性而導(dǎo)致儀器的精度受到較大的影響。

3.2.3 TDR高速數(shù)據(jù)采集與處理模塊 在基于時(shí)域反射原理的測(cè)試進(jìn)程里，只有控制發(fā)射源的上升斜率足夠大，才能更加準(zhǔn)確地獲取接收信號(hào)，必須保證發(fā)射信號(hào)能夠在短時(shí)間內(nèi)上升至一個(gè)較高的值，所以發(fā)射脈沖前沿應(yīng)該比較陡峭。在研制脈沖發(fā)生單元的時(shí)候，全部采取了快速器件，用以實(shí)現(xiàn)信號(hào)發(fā)射源。經(jīng)過比較，在發(fā)射信號(hào)單元里，采用的是UC3845振蕩芯片，結(jié)合設(shè)備的需求，與文獻(xiàn)[5]所開發(fā)的系統(tǒng)相比，該芯片降低了啟動(dòng)電流，提高了最大工作頻率，完全滿足需求。因?yàn)樵诎l(fā)射測(cè)試脈沖的時(shí)候，能夠提供能量，這樣可以激勵(lì)出比較理想的時(shí)域反射信號(hào)，所以應(yīng)該提升測(cè)試信號(hào)的激勵(lì)水平。在該器件的設(shè)計(jì)里，引入的是并聯(lián)模式，選用了四路信號(hào)進(jìn)行并聯(lián)處理，因此由于并聯(lián)的效果，輸出脈沖驅(qū)動(dòng)力為單路的4倍，從而顯著增加了器件的承載力。

基于時(shí)域反射原理的測(cè)試對(duì)采樣元件的高頻參數(shù)要求比較高，器件的反射單元所擁有的輸入阻抗必須與探頭和信號(hào)源實(shí)現(xiàn)匹配。

在實(shí)地測(cè)量時(shí)，應(yīng)該盡力提升模數(shù)轉(zhuǎn)換單元對(duì)被測(cè)目標(biāo)進(jìn)行采樣的頻度，從而能夠準(zhǔn)確獲取時(shí)域反射信號(hào)，本研究引入的是等效采樣模式，雖然被測(cè)數(shù)據(jù)屬于不一樣的周期，但是對(duì)這些數(shù)據(jù)重新組合后，就能夠得到和時(shí)域反射信號(hào)等效的信息，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電阻率的測(cè)量。根據(jù)數(shù)據(jù)總線傳輸?shù)脑?，把采樣單元中所采集到的信息輸入至中央處理單元，調(diào)用相關(guān)的模塊實(shí)施數(shù)據(jù)的采集和處理。圖6所示為具體原理。

該儀器采取的是等效采樣的方法，這也是實(shí)現(xiàn)電阻率測(cè)量的核心技術(shù)之一。在實(shí)時(shí)采樣的過程中，以相同的時(shí)間間隔進(jìn)行采樣。

3.2.4 TDR高速數(shù)據(jù)采集與處理模塊 設(shè)置的數(shù)據(jù)通信模式支持2類情況：第一類情況是系統(tǒng)與電腦直連的方式進(jìn)行信息交互，文獻(xiàn)[6]采用了MAX3221芯片實(shí)現(xiàn)電平的轉(zhuǎn)換，如果不外接電容，價(jià)格偏貴。因此，本研究選取了ICL232將RS232電平（D9接口）轉(zhuǎn)換為TTL電平（單片機(jī)UART接口），其兼容性好，經(jīng)濟(jì)適用。第二類情況是以移動(dòng)通信GPRS網(wǎng)進(jìn)行通信，從而實(shí)現(xiàn)測(cè)量目標(biāo)現(xiàn)場(chǎng)的信息通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸至內(nèi)中心站。

3.3 數(shù)據(jù)通信模塊

采用GPRS遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制來支持測(cè)量?jī)x和遠(yuǎn)程信息中心站之間的連接，GPRS通信體制能夠兼容多種網(wǎng)絡(luò)，包括TCP/IP網(wǎng)絡(luò)和X.25等。本研究最終選取了基于TCP/IP的協(xié)議來實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)通信，圖7所示為遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)通信結(jié)構(gòu)。

由圖7可知，測(cè)量設(shè)備作為客戶端，中心站則作為主機(jī)端。測(cè)量?jī)x的信號(hào)在GPRS網(wǎng)絡(luò)的支持下實(shí)現(xiàn)與中心站之間的通信。測(cè)量?jī)x與中心站之間的信息交互具體流程為：在TCP的對(duì)象中設(shè)置兩個(gè)對(duì)象，一是TcpListener，二是TcpClient，以上2個(gè)對(duì)象能夠支持用戶的信息以數(shù)據(jù)流的形式進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)傳輸。所以，中心站端定義TcpListener，通過IP與端口號(hào)進(jìn)行初始化操作，而客戶端則定義TcpClient，以支持雙方發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。下面分別從中心站和客戶端兩方面闡述通信流程的實(shí)現(xiàn)。

中心站端通信流程：

1）構(gòu)建TcpListener，在函數(shù)頭文件中調(diào)用傳輸數(shù)據(jù)所需的線程函數(shù)。

2）以Socket函數(shù)的綁定功能將中心站的IP與傳輸數(shù)據(jù)所用端口號(hào)進(jìn)行綁定，同時(shí)以listen函數(shù)監(jiān)聽數(shù)據(jù)通信。

3）以Accept函數(shù)來接收客戶端連接請(qǐng)求信息，對(duì)請(qǐng)求信息進(jìn)行響應(yīng)，連接成功后創(chuàng)建用于數(shù)據(jù)發(fā)送的receive函數(shù)以及用于數(shù)據(jù)接收的send函數(shù)。

4）以fork函數(shù)存取來自客戶端的數(shù)據(jù)信息，在此函數(shù)的支持下把數(shù)據(jù)信息存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)。

5）在傳輸結(jié)束之后，以CloseListen函數(shù)關(guān)閉步驟（2）的監(jiān)聽函數(shù)。

客戶端通信流程：

1）構(gòu)建TcpClient，在函數(shù)頭文件中調(diào)用傳輸數(shù)據(jù)所需的線程函數(shù)。

2）向服務(wù)端發(fā)出網(wǎng)絡(luò)連接的請(qǐng)求信號(hào)，接收到中心站端的確認(rèn)信號(hào)后創(chuàng)建socket，同時(shí)以connect函數(shù)進(jìn)行中心站連接。

3）創(chuàng)建用于數(shù)據(jù)發(fā)送的receive函數(shù)以及用于數(shù)據(jù)接收的send函數(shù)。

4）在傳輸結(jié)束之后，以CloseClient函數(shù)關(guān)閉Socket。

4 小結(jié)

本研究對(duì)已有的地質(zhì)體參數(shù)原位檢測(cè)儀進(jìn)行升級(jí)改造，以固體的熱傳導(dǎo)方程和電磁波時(shí)域反射理論（TDR）為理論基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)的儀器可對(duì)污染耕地的含水率、孔隙率、溫度、熱導(dǎo)率、電阻率參數(shù)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)原位高精度測(cè)量。本研究所設(shè)計(jì)的測(cè)量?jī)x獲取的各類土壤參數(shù)數(shù)據(jù)，在經(jīng)過數(shù)據(jù)融合處理之后，能夠?qū)Ω氐奈廴厩闆r進(jìn)行評(píng)估，因此具有較好的應(yīng)用前景。

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