向 陽，于 淞，徐 嬙，程相林，朱玉帆，勞彩蓮，顏小飛，程 強

太陽能供電的土壤剖面水分動態(tài)原位自動監(jiān)測系統(tǒng)的研制

向 陽1，于 淞1，徐 嬙1，程相林1，朱玉帆1，勞彩蓮1，顏小飛2，程 強1※

（1. 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院，北京 100083； 2.北京林業(yè)大學(xué)工學(xué)院，北京 100083）

目前，商業(yè)化的土壤水分傳感器在野外觀測土壤剖面含水率時仍然存在測量深度不可調(diào)節(jié)、多傳感器探頭之間的互換誤差、野外長期監(jiān)測供電困難、成本較高等問題。為此，該研究設(shè)計并研制了一種太陽能供電的可實現(xiàn)野外長期工作的介電管式土壤剖面水分原位自動監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)組成包括：傳感器模塊、主控模塊、太陽能供電模塊和參數(shù)設(shè)置軟件。測量時，先將PVC管垂直安裝至待測土壤中，安裝過程不擾動土壤結(jié)構(gòu)，主控與存儲模塊控制土壤含水率傳感器在PVC管中上下移動測量土壤含水率，并同步記錄土壤深度。此外，該系統(tǒng)可以根據(jù)實際需求通過PC機參數(shù)設(shè)置軟件進行靈活設(shè)定測量參數(shù)（傳感器測量深度、測量深度間隔和測量周期）。針對該系統(tǒng)的性能與測量精度開展了相關(guān)測試與觀測試驗，功耗測試結(jié)果表明該系統(tǒng)待機功率為0.35 W，工作功率為1.4 W，太陽能電池板最大輸出功率為5 W，太陽能電池板和鋰電池配合供電的情況下能實現(xiàn)長時間續(xù)航；土壤含水率傳感器在砂土和粉壤土中的標(biāo)定試驗表明：該系統(tǒng)測量結(jié)果與實際土壤體積含水率高度吻合，標(biāo)定曲線決定系數(shù)2均大于0.99；經(jīng)過校正后，該系統(tǒng)探頭深度定位的標(biāo)準(zhǔn)偏差在0.2 cm以內(nèi)。在兩種質(zhì)地土壤的滴灌試驗結(jié)果表明：該系統(tǒng)分別在6和15 mL/min兩種滴水速率下均能準(zhǔn)確獲取土壤剖面含水率的動態(tài)變化過程，為觀測作物生長狀態(tài)和根區(qū)水分變化、制定合理的灌溉策略以及研究并檢驗土壤入滲水動態(tài)模型提供了可靠的技術(shù)支持和保障。

土壤水分；傳感器；土壤剖面；低功耗；太陽能供電；原位自動監(jiān)測

0 引 言

土壤含水率是反映土壤墑情狀況的一個重要參數(shù)，不僅影響水分的入滲、再分布、表層水分蒸發(fā)和植物的蒸騰作用，同時也對許多生物基本的生化過程有著重要的影響[1-3]。土壤水分在空間和時間上都具有很強的變異性，而土壤垂直方向的空間變異顯著強于水平方向[4]。由于土壤剖面水分分布不均勻，植物根系的密度分布和吸水能力受到不同深度土壤含水率的影響[5-6]。例如，冬小麥的根系主要分布在0～40 cm土層中，最深可達100 cm；蘋果樹的根系主要分布在0～80 cm中，最深可達200 cm[7-10]。因此，實時獲取土壤剖面水分的變化無論對判斷植物水分狀態(tài)、預(yù)判最佳灌溉時間等科學(xué)研究還是對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理都有重要指導(dǎo)意義[11]。

近幾十年來各種不同的土壤含水率測定方法應(yīng)運而生[1,12]。其中基于介電原理的測量方法以其操作便捷、測量精度較高等優(yōu)點被廣泛關(guān)注[13-17]。為了快速獲取準(zhǔn)確的土壤水分信息，學(xué)者們進行了大量相關(guān)研究[11,18-23]。針對土壤垂直剖面的水分信息測量，Sun等[14]設(shè)計了一種停走式土壤水分-阻力復(fù)合式圓錐指數(shù)儀，實現(xiàn)了不同深度土壤含水率的測量，但是該設(shè)備是半自動化測量，體積較大，耗費人力，且不能進行長期定點觀測。Evett等[24]在垂直方向上按照一定間隔安裝多個傳感器測量土壤剖面水分信息，但是使用多個探頭安裝不方便、傳感器之間存在互換誤差且只能定點測量。TRIME公司生產(chǎn)的管式TDR（T3 44-mm Tube Access Probe）可實現(xiàn)不同深度的土壤含水率測量，但是測量過程耗費人力，探頭昂貴，市場售價在萬元人民幣以上，測量成本很高。Sentek公司以Dean等[25]研制的土壤水分測量系統(tǒng)樣機為基礎(chǔ)，生產(chǎn)了Diviner 2000和EnviroSCAN兩款產(chǎn)品可實現(xiàn)不同深度的土壤含水率測量，但是Diviner 2000和EnviroSCAN測量的最小深度間隔為10 cm，Diviner 2000的弊端與TRIME的管式TDR相同。而另一款EnviroSCAN使用多探頭自動采集土壤剖面不同深度的水分?jǐn)?shù)據(jù)，雖然降低了人力成本，但是探頭之間會有互換誤差，長時間使用會出現(xiàn)探頭精度漂移，且價格較為昂貴，市場售價在萬元人民幣以上；此外，EnviroSCAN需要額外電源供電才能實現(xiàn)長期監(jiān)測，顯然不適合沒有電源的野外環(huán)境。Gao等[26]設(shè)計的土壤剖面水分傳感器利用在20、30和50 cm深度位置安裝3個傳感器探頭采集土壤含水率數(shù)據(jù)，通過反演推算來實現(xiàn)0～100 cm深度土壤含水率的測量，雖然實現(xiàn)土壤剖面多深度土壤含水率的測量，但是測量深度最小間隔是10 cm，且對不同土壤環(huán)境的適應(yīng)性不是很理想。Ramadan等[27]設(shè)計的光伏土壤水分監(jiān)測站通過在土壤水分傳感器探頭上安裝四個探針來實現(xiàn)監(jiān)測不同深度土壤水分含量，但是其探頭間存在互換誤差。

就目前的研究現(xiàn)狀而言，前人提出的土壤剖面水分測量方法或系統(tǒng)普遍存在觀測深度分辨率低、多傳感器探頭間存在互換誤差、價格昂貴、野外供電困難的缺點。為克服上述弊端，本文以介電理論為基礎(chǔ)，擬設(shè)計一種太陽能供電的能夠在垂直剖面精細尺度上獲取土壤含水率的低成本測量系統(tǒng)，并對系統(tǒng)性能進行測試與評估。

1 設(shè)備組成及原理

1.1 系統(tǒng)組成與功能

該系統(tǒng)由土壤含水率傳感器模塊（含PVC導(dǎo)管）、主控模塊、太陽能供電模塊和參數(shù)設(shè)置軟件組成，系統(tǒng)組成如圖1所示。傳感器模塊用來測量土壤剖面含水率，主控模塊控制整個系統(tǒng)的正常運行，太陽能供電模塊采用鋰電池和太陽能電池板（安裝于控制箱頂部）的配合為該系統(tǒng)提供電能，PC機上的參數(shù)設(shè)置軟件通過藍牙和主控與存儲模塊通訊，可根據(jù)實際需要設(shè)置傳感器測量深度、測量深度間隔和測量周期，該系統(tǒng)的總體內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。該系統(tǒng)使用的PVC管外徑只有25 mm，安裝時用鉆孔工具在土地上鉆出對應(yīng)安裝孔即可，避免使用大型打鉆設(shè)備，安裝方便。

測量時，先將PVC管垂直安裝至待測土壤中（長度可以根據(jù)實際測量情況進行定制，最大長度為2 m，根據(jù)觀測對象根系分布確定試驗的PVC導(dǎo)管長度），主控模塊控制土壤含水率傳感模塊在PVC管中上下移動測量土壤含水率，并同步記錄土壤深度信息。測量過程中，傳感器探頭首先在自身重力的牽引下，通過步進電機緩慢轉(zhuǎn)動繞線輪勻速釋放多芯電纜實現(xiàn)其自身的勻速下降；然后步進電機反向勻速轉(zhuǎn)動繞線輪勻速回收多芯電纜，在多芯電纜的牽引下實現(xiàn)傳感器探頭勻速上升，傳感器探頭在勻速上升的同時，每移動設(shè)定的間隔深度后進行土壤含水率的測量。

1.太陽能電池板 2.控制箱蓋子 3.電池 4.控制箱 5.繞線輪 6.系統(tǒng)控制板 7.PVC導(dǎo)管 8.傳感器 9.電纜 10.接近開關(guān) 11.步進電機

1.Solar panel 2.Control box cover 3.Battery 4.Control box 5.Reel 6.System control panel 7.PVC conduit 8.Sensor 9.Cable 10.Proximity switch 11.Stepper motor

圖2 測量系統(tǒng)總體內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖和實物圖

Fig.2 Internal structure drawing and photograph of measuring system

1.2 傳感器模塊設(shè)計

由于水的相對介電常數(shù)（20 ℃下為81）遠大于干土的相對介電常數(shù)（約為3），因此可通過測量含水土壤的相對介電常數(shù)來間接測定土壤的體積含水率[22]。該系統(tǒng)采用的是穩(wěn)定性好、測量精度較高的頻域土壤水分傳感器作為測量裝置[28-29]。對于基于電容的測量，傳感器探頭內(nèi)部的高頻振蕩器（100 MHz）通過探頭外部的一對平行環(huán)形金屬電極產(chǎn)生一個邊緣場，該邊緣場穿透PVC導(dǎo)管延伸到土壤中，基于土壤成分之間的介電差異來測量土壤的體積含水率，高頻率下的測量結(jié)果對鹽分不敏感。其測量原理如圖3所示。當(dāng)土壤含水率發(fā)生變化時，傳感器周圍介電常數(shù)的變化引起阻抗（Z）的變化：

式中Z為阻抗輸出，Ω；為含水土壤的介電常數(shù)，0為內(nèi)部平衡阻抗，Ω；U和U為檢波電路的輸出電壓，V。利用運算放大器放大U和U之間的差值，最后得到傳感器的輸出值0，其計算公式為

式中A為運算放大器的增益。將公式（2）帶入公式（1）可以得到輸出傳感器電壓0的最終表達式為

傳感器探頭內(nèi)部為空腔結(jié)構(gòu)，用來放置土壤含水率傳感器檢測電路板。其目的是減少傳感器檢測電路與傳感器電極之間的傳輸線距離，從而減少因傳輸線帶來的干擾。該系統(tǒng)使用的PVC管外徑為25 mm，內(nèi)徑為23 mm。為保證傳感器探頭能順利地在PVC管道中移動，將傳感器探頭主體設(shè)計為圓柱體，其外壁與PVC管內(nèi)壁間預(yù)留些許間隙（<1 mm）。其模型圖如圖4所示。傳感器探頭頂端有金屬片，用于被接近開關(guān)感知從而實現(xiàn)傳感器位置校準(zhǔn)。

1.3 主控模塊設(shè)計

1.3.1 主控模塊硬件設(shè)計

主控模塊包括：微控制器（STM32F103RCT6）、步進電機驅(qū)動（AT2100）、步進電機、無線藍牙（HC-06）、接近開關(guān)、TF存儲卡、繞線輪等。微控制器通過步進電機驅(qū)動芯片控制步進電機的正反轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)傳感器探頭在PVC管道中上下移動。傳感器輸出端連接著微控制器內(nèi)部的模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊（ADC），通過模數(shù)轉(zhuǎn)換將傳感器輸出模擬量電壓值轉(zhuǎn)化為數(shù)字量并和當(dāng)前傳感器深度值同時存儲起來。微控制器芯片的片上外設(shè)有RTC（Real Time Clock）模塊，可為該系統(tǒng)提供時間基準(zhǔn)。系統(tǒng)基于該時間基準(zhǔn)進行測量周期的控制。系統(tǒng)能在無人監(jiān)管的情況下實現(xiàn)長時間的數(shù)據(jù)采集與存儲。數(shù)據(jù)存儲在TF存儲卡中。主控模塊通過無線藍牙可與PC機上的參數(shù)設(shè)置軟件進行通訊。

接近開關(guān)安裝在傳感器探頭的起始位置（PVC管最上端），在感知到傳感器探頭接近后，接近開關(guān)會向微控制器發(fā)出一個信號，微控制器控制步進電機停止轉(zhuǎn)動，以保證每次測量時傳感器探頭的起始位置一致。傳感器探頭在測量時的實時位置通過步進電機的驅(qū)動脈沖計數(shù)確定。微控制器通過發(fā)給步進電機驅(qū)動芯片的脈沖個數(shù)來控制傳感器探頭在PVC導(dǎo)管內(nèi)的移動距離，詳見1.3.3節(jié)。此外，繞線輪內(nèi)部為中空結(jié)構(gòu)，在軸線上一端安裝有導(dǎo)電滑環(huán)，多芯電纜通過導(dǎo)電滑環(huán)保證對傳感器探頭的供電和通信不受繞線輪旋轉(zhuǎn)所干擾。

1.3.2 主控模塊軟件設(shè)計

對于該系統(tǒng)而言，其各項功能是通過軟件和硬件配合實現(xiàn)，相較于硬件而言，軟件算法的設(shè)計是實現(xiàn)其復(fù)雜多樣功能的關(guān)鍵。圖5為該系統(tǒng)的軟件流設(shè)計程圖。

系統(tǒng)開機后首先進行硬件和傳感器位置初始化，然后等待上位機電腦設(shè)置配置參數(shù)和下達開始測量命令，如果在指定時間內(nèi)未收到上位機的設(shè)置命令，就按照系統(tǒng)默認測量參數(shù)設(shè)置。每一輪測量周期開始后，系統(tǒng)控制步進電機使傳感器探頭開始勻速移動，完成測量后進入休眠狀態(tài)以減少設(shè)備對電能的消耗，延長野外工作續(xù)航時間，等待下次測量開始時喚醒系統(tǒng)。

1.3.3 傳感器探頭深度控制方法

該系統(tǒng)中的步進電機為傳感器探頭的上下移動提供動力。步進電機通過減速器增加輸出扭矩從而提高步進電機開始轉(zhuǎn)動瞬間的可靠性。繞線輪上有均勻分布的螺旋溝槽，能使多芯電纜單層均勻分布于繞線輪外側(cè)。該系統(tǒng)采用的步進電機規(guī)格為兩相四線，其步距角度參數(shù)為1.8°。步進電機驅(qū)動芯片工作模式的脈沖細分?jǐn)?shù)（n）為16細分。減速器的減速比（0）為57/11，繞線輪的繞線部分外徑（0）為5 cm。微控制器向步進電機驅(qū)動芯片發(fā)送脈沖，調(diào)節(jié)并控制傳感器探頭的移動距離。理論脈沖個數(shù)與傳感器移動距離之間的關(guān)系為[30]

式中0為減速器的減速比，n為步進電機驅(qū)動芯片工作模式的脈沖細分?jǐn)?shù)，0為繞線輪繞線部分的直徑，cm；為傳感器探頭單向?qū)嶋H移動距離，cm。

測量時，微控制器按照設(shè)定的測量深度和測量深度間隔根據(jù)公式（4）計算步進電機控制芯片所需的脈沖個數(shù)，從而實現(xiàn)對傳感器探頭位置的精確控制。

1.4 太陽能供電模塊設(shè)計

太陽能供電模塊包括：太陽能電池板（額定電壓為18 V、額定電流為278 mA、峰值功率為5 W）、鋰電池電池組（12 V 12 000 mA·h）、電壓轉(zhuǎn)換芯片（MP2359）、太陽能電池管理芯片（LTC4121）、鋰電池管理芯片（LTC2944）。根據(jù)LTC4121官方數(shù)據(jù)手冊給出其輸入電壓范圍為4.4～40 V，輸出電壓可根據(jù)外圍電路中調(diào)節(jié)電阻的阻值進行調(diào)節(jié)。該系統(tǒng)采用的鋰電池組為三串兩并鋰電池組，額定電壓為12.6 V。通過配置LTC4121外圍調(diào)節(jié)電阻使其輸出電壓滿足鋰電池組充電需求。LTC2944具有溫度、電壓和電流測量功能。微控制器通過IIC通信讀取LTC2944測得的鋰電池組的電壓、電流值，實現(xiàn)對鋰電池工作狀態(tài)的監(jiān)視，以延長鋰電池的壽命。MP2359將太陽能電池管理芯片輸出的電壓和鋰電池組輸出的電壓轉(zhuǎn)換為微控制器、傳感器等可用的電壓為整個系統(tǒng)提供電能。

1.5 參數(shù)設(shè)置軟件設(shè)計

參數(shù)設(shè)置軟件運行于Windows系統(tǒng)的個人電腦上，通過無線藍牙與主控模塊進行通信，可對該測量系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)進行設(shè)定。開發(fā)上位機軟件的環(huán)境為Microsoft Visual Studio Community 2019，編程語言為C#。具體開發(fā)流程本文不進行詳細介紹。

2 試驗方案

2.1 系統(tǒng)性能測試

2.1.1 供電極限測試

該系統(tǒng)在不同的測量參數(shù)（測量深度、測量深度間隔、測量周期）下系統(tǒng)消耗電能的功率也不同。該系統(tǒng)采用一塊3S鋰電池進行供電。在供電極限測試當(dāng)中，在無光照的情況下進行續(xù)航時間測試。系統(tǒng)的測量深度設(shè)定為60 cm，測量深度間隔為1 cm，測量周期為5 min。此外，在無光照的情況下系統(tǒng)進行不間斷工作，觀測電池電壓變化。

2.1.2 傳感器定位精度測定與校正

由于多芯電纜繞在繞線輪上與繞線輪之間有間隙，根據(jù)公式（4）理論計算得出的傳感器探頭移動距離與實際移動距離會產(chǎn)生偏差，所以需要通過試驗對理論脈沖個數(shù)進行校準(zhǔn)。試驗過程通過上位機下達指令，使傳感器探頭移動到指定深度位置。設(shè)定下降深度分別為10、30、50、70 cm，并用米尺（量程100 cm，精度0.1 cm）測量傳感器探頭實際下降深度，每組試驗重復(fù)5次并記錄實際每個深度下5次傳感器探頭實際下降的深度，然后帶入公式（5）計算偏差。

式中l0為設(shè)定的下降深度，cm；l為每次實際到達的深度值，cm；為標(biāo)準(zhǔn)偏差。

2.1.3 傳感器標(biāo)定與精度檢驗

從農(nóng)田取回粉壤土（各部分質(zhì)量分?jǐn)?shù)：砂粒含量11%、粉粒含量71%、黏粒含量18%）和砂土（各部分質(zhì)量分?jǐn)?shù)：砂粒含量91.9%、粉粒含量8.1%、黏粒含量0%）過2 mm孔徑篩，再將其置于干燥箱（105 ℃，24 h）干燥。水與干燥土樣分別按照不同的體積含水率進行混合，再將配水后土樣按照干容重1.2 g/cm3裝入容器（直徑15 cm，高20 cm），密封靜置48 h使土壤中的水分達到均勻分布。標(biāo)定過程在室溫（25 ℃）下進行。標(biāo)定過程對每個土樣采集5次，取算術(shù)平均值，最后測量的傳感器電壓值和配置的實際土壤體積含水率進行擬合。為了檢驗該系統(tǒng)含水率測量精度，將水與干燥粉壤土分別按照體積含水率5%、10%、15%進行混合，分別裝入3個容器（直徑25 cm，高15 cm）中，每個容器中土樣深度為14 cm，層與層之間有1 cm厚的隔水板。容器底部中心留有直徑25 mm的孔，用于安裝PVC管。將3個容器從上到下按照體積含水率5%、10%、15%堆疊放置，最上層容器的頂部用蓋板密封，阻絕土壤與空氣之間的水分交換?；跇颖卷樞颍迷撓到y(tǒng)進行測量（在每個土樣中每隔2 cm測量一個點，每層土樣測量8個點）。

2.1.4 鋰電池電壓變化對傳感器影響試驗

本試驗將系統(tǒng)傳測量模式設(shè)置為單點測量、測量周期為1 h；傳感器置于密封的土壤環(huán)境中，系統(tǒng)同時獲取傳感器輸出電壓和鋰電池電壓，觀察鋰電池在放電時電壓變化對傳感器輸出值的影響。試驗時長為155 h，共采集到155個試驗數(shù)據(jù)。

2.1.5 鋰電池充電測試

在試驗當(dāng)中關(guān)閉步進電機電源用來模擬單點測量的工作狀態(tài)。將該系統(tǒng)安置在實驗室陽臺利用太陽能電池板對系統(tǒng)供電，系統(tǒng)自動檢測并記錄鋰電池電壓和電流狀態(tài)。同時利用山東仁科測控技術(shù)有限公司生產(chǎn)的光照度變送器采集實驗室陽臺一天的太陽光強度變化情況。由于實驗室樓層遮擋的原因，實驗室陽臺在中午12:00以后才能受到太陽光照射。

2.2 滴灌條件下土壤入滲試驗

為檢驗該系統(tǒng)在實際測量過程中的動態(tài)響應(yīng)性能，分別用兩種不同質(zhì)地的土壤樣本在不同的滴水速率下進行土壤入滲試驗。

2.2.1 滴灌條件下粉壤土入滲試驗

從農(nóng)田取回粉壤土（質(zhì)地與操作同2.1.3），再將其置于試驗室環(huán)境內(nèi)進行自然風(fēng)干。取干燥后的粉壤土樣裝入一個直徑為15 cm、高度為50 cm的容器中，將本測量系統(tǒng)的PVC管安裝在土樣中（圖6）。在土樣最上方以6 mL/min的速率將水滴入土樣中，同時用該系統(tǒng)測量（測量深度為45 cm，測量深度間隔為1 cm，測量周期為5 min）緩慢入滲過程土壤含水率的動態(tài)變化。試驗時長為2 775 min，采集到555個試驗數(shù)據(jù)。

2.2.2滴灌條件下砂土入滲試驗

按照圖6試驗裝置將試驗土樣換成砂土（質(zhì)地與操作同2.1.3），滴水速率設(shè)置為15 mL/min。用該系統(tǒng)測量（測量深度為44 cm，測量深度間隔為1 cm，測量周期為2 min）快速入滲過程土壤含水率的動態(tài)變化。試驗時長為66 min，采集到33個試驗數(shù)據(jù)。

2.3 大田觀測試驗

為檢驗本文開發(fā)的測量系統(tǒng)在大田環(huán)境中的實際測量效果，于2021年3月26日起在北京市小湯山國家精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)研究示范基地（試驗區(qū)地理位置為116° 26' 39″ E，40°10'43″N）進行了田間試驗（以3月26日至4月2日的測量數(shù)據(jù)為例）。在基地的冬小麥?zhǔn)痉短镏?，根?jù)測量系統(tǒng)中PVC導(dǎo)管的尺寸在土壤中開孔并將PVC導(dǎo)管埋入，安裝測量系統(tǒng)。在參數(shù)設(shè)置軟件中將測量深度、測量間隔深度和測量周期分別設(shè)置為80 cm、5 cm和1 h。

3 結(jié)果和討論

3.1 系統(tǒng)測試

3.1.1 供電極限結(jié)果與分析

系統(tǒng)的測量深度設(shè)置為60 cm，測量點間隔距離設(shè)置為1 cm，測量周期設(shè)置為5 min，在無光照射的情況下，系統(tǒng)電池的續(xù)航時間測試中共續(xù)航3 510 min，采集到的數(shù)據(jù)為1 404個。功耗測試結(jié)果表明工作功率為1.4 W，待機功率為0.35 W。根據(jù)二者的大小關(guān)系，在無光照情況下，當(dāng)測量周期為1 h、測量深度為60 cm、測量點間隔距離為1 cm時，系統(tǒng)能續(xù)航13 d左右。圖7為系統(tǒng)在不間斷測量狀態(tài)下（無待機狀態(tài)下的極限測試）電池電壓的變化情況。從圖中可以看出電池放電均勻，能夠連續(xù)穩(wěn)定工作約4 d。

3.1.2 傳感器定位精度測定與校正

通過公式（4）可以計算出傳感器探頭每移動1 cm需要的脈沖個數(shù)為1 056個。根據(jù)公式（5）計算標(biāo)準(zhǔn)偏差分析后結(jié)果如圖8所示。從圖中看出隨著深度的增加，傳感器實際移動深度與設(shè)定深度的偏差在不斷增大，累計誤差系數(shù)為0.03 cm/cm，測量深度范圍的平均標(biāo)準(zhǔn)偏差約為1 cm。出現(xiàn)這種結(jié)果的原因是多芯電纜的直徑比繞線輪上溝槽直徑小，致使纏繞在繞線輪上多芯電纜所在的環(huán)形區(qū)域直徑比理論值小，從而導(dǎo)致在理論脈沖下傳感器探頭移動的距離小于設(shè)定值。通過實際觀測，最終傳感器探頭每移動1 cm需要的脈沖個數(shù)校正為1 088個。經(jīng)過校準(zhǔn)后提升了系統(tǒng)的定位精度，累計誤差系數(shù)為0，測量深度范圍的平均標(biāo)準(zhǔn)偏差小于0.2 cm。在實際測量中，該系統(tǒng)能按照設(shè)定要求控制傳感器探頭到達土層的指定深度，為精確獲取每一個深度土層的土壤水分信息提供了有力保證。

3.1.3傳感器標(biāo)定與精度檢驗結(jié)果

在傳感器標(biāo)定試驗中，如圖9所示為傳感器的標(biāo)定曲線。

a. 土壤水分傳感器標(biāo)定曲線

a. Calibration curves of soil moisture sensor

b. 分層土壤含水率

b. Soil moisture content measurement at layered soils

圖9 兩種質(zhì)地土壤水分傳感器標(biāo)定曲線及分層土壤含水率測量結(jié)果

Fig.9 Calibration curves of soil moisture sensor with two soil textures and result of soil moisture content measurement at layered soils

由圖9a可以看出兩種質(zhì)地土樣的體積含水率（Volumetric soil moisture content）與傳感器輸出電壓均呈二次曲線關(guān)系，2分別為0.991 6和0.996 5。傳感器精度檢驗試驗結(jié)果如圖9b所示，系統(tǒng)測得的3層土樣的剖面水分，呈階梯狀變化。通過傳感器測定的每一層土樣的含水率平均值（第一層：0.050±0.002 cm3/cm3，第二層：0.100±0.006 cm3/cm3，第三層：0.150±0.001 cm3/cm3），表明該系統(tǒng)測量結(jié)果與實際土壤體積含水率高度吻合。傳感器在每一層土樣中測量的第一個點和最后一個點由于受1 cm隔水板的影響，其測量值低于實際土壤體積含水率。在整個試驗結(jié)果中可以看出，該系統(tǒng)通過利用脈沖計數(shù)與接近開關(guān)的配合能很好的控制傳感器探頭在實際測量中的位置，精確地測量出不同深度的土壤剖面水分信息。

3.1.4 鋰電池電壓變化對傳感器的影響

根據(jù)獲取到的155個試驗數(shù)據(jù)繪制鋰電池電壓和傳感器輸出電壓隨時間變化曲線，如圖10所示。由圖可知，鋰電池放電過程電壓變化均勻，當(dāng)鋰電池電壓低于10.2 V時，電池電壓迅速下降，這是由于鋰電池電壓接近放電截止電壓所致。該系統(tǒng)配置的鋰電池內(nèi)部有防止鋰電池組過充電和過放電保護板。由于鋰電池內(nèi)部有防止過充電和過放電保護電路，當(dāng)鋰電池電壓低于9.225 V時，鋰電池內(nèi)部保護電路斷開，系統(tǒng)停止工作。從試驗數(shù)據(jù)中可以看出在整個試驗過程中電池電壓變化了約3.2 V，傳感器輸出電壓僅有5 mV波動變化，可見，鋰電池正常供電的情況下電池電壓變化對傳感器的輸出電壓幾乎無影響，這也表明該系統(tǒng)傳感器的穩(wěn)定性高，不受鋰電池變電壓變化的影響。

3.1.5 鋰電池充電測試結(jié)果與分析

鋰電池充電測試結(jié)果如圖11所示。由圖可知，在中午12:00之前由于光照強度較弱，太陽能電池管理芯片并不能將其轉(zhuǎn)化為鋰電池充電所需要的電壓。此時整個系統(tǒng)正常運行所消耗的電能來自于鋰電池，電流約為?0.027 A（放電狀態(tài)）。在中午12:00以后，由于太陽能電池板接收到充足的太陽光的照射，太陽能電池管理芯片將太陽能電池板輸出的電壓轉(zhuǎn)換為鋰電池充電所需要的穩(wěn)定電壓，鋰電池電壓發(fā)生跳變，從而把鋰電池輸出端電壓拉高。在中午12:00之后到15:30之前，太陽能電池板所接收的太陽光照強度大于2 200 lx，可使太陽能電池板穩(wěn)定輸出電能。此時鋰電池電流約為0.125 A（充電狀態(tài)），太陽能電池板轉(zhuǎn)化出的電能在維持系統(tǒng)正常工作的同時還能為鋰電池充電。從本試驗結(jié)果可以看出，該系統(tǒng)若安裝在陽光充足的大田，系統(tǒng)中安裝的太陽能電池板能為系統(tǒng)長期監(jiān)測土壤含水率提供了必要條件。

3.2 滴灌條件下土壤入滲試驗結(jié)果與分析

圖12給出了1、5、10、15、20、25、30、35 cm深度下粉壤土和砂土的體積含水率隨時間的變化規(guī)律。從圖中可以看出，淺層土壤體積含水率變化先于深層土壤，每層土壤含水率都是先上升，最后達到飽和，數(shù)值基本保持不變，與土壤水分入滲規(guī)律相符。在此過程中，該系統(tǒng)能夠捕捉到兩種質(zhì)地土壤表層（1 cm深度）由干到飽和的整個過程，特別是在滴水速率較快的砂土中也能很好的捕捉到這一過程，這表明該系統(tǒng)及其所搭載的土壤含水率傳感器在測量過程中動態(tài)響應(yīng)迅速。此外，由于兩次試驗中滴水速率不同，從圖12的試驗觀測結(jié)果中也可以看出：該系統(tǒng)響應(yīng)迅速，能觀測到不同滴水速率下土壤體積含水率的動態(tài)變化過程。根據(jù)圖中曲線，在10 cm深度位置，粉壤土含水率上升階段曲線的擬合直線斜率為0.000 8 cm3/(cm3·min)，砂土含水率上升階段曲線的擬合直線斜率為0.0213 cm3/(cm3·min)，很顯然粉壤土水分入滲速率遠小于砂土，這符合試驗參數(shù)設(shè)定值。

3.3 大田觀測試驗結(jié)果分析

系統(tǒng)測量的小麥根區(qū)土壤剖面水分動態(tài)變化過程如圖13所示（3月26日至4月2日）。由圖可知，0～60 cm的土壤含水率逐天降低，而60 cm以下的土壤含水率無明顯變化。此外，土壤含水率隨時間的變化率隨著土壤深度的增加而逐漸減小，這是由于返青期冬小麥根區(qū)分布主要集中在0～70 cm土壤范圍內(nèi)，但是對根區(qū)土壤水分的消耗主要集中在0～20 cm和20～40 cm土層[10]。綜上所述，大田觀測試驗結(jié)果表明：本研究開發(fā)的測量系統(tǒng)不僅能夠準(zhǔn)確、完整地表現(xiàn)出返青期冬小麥根區(qū)土壤剖面含水率的動態(tài)變化，能夠?qū)崿F(xiàn)土壤剖面水分的自動原位自動監(jiān)測，具有較高的實用價值。

4 結(jié) 論

本文研制了一種太陽能供電的土壤剖面水分動態(tài)原位自動監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用單一傳感器探頭測量土壤剖面水分，標(biāo)定曲線的決定系數(shù)2均大于0.99，不存在多探頭互換誤差，較傳統(tǒng)多探頭測量方法精度高；探頭深度定位絕對誤差小于0.2 cm，深度定位精確；裝有大容量鋰電池，在非測量階段進入休眠狀態(tài)，其工作時功率為1.4 W和待機時消耗功率為0.35 W，太陽能電池板的峰值輸出功率為5 W大于該系統(tǒng)的消耗功率，可為該系統(tǒng)提供較長的續(xù)航時間，實現(xiàn)在野外的長期連續(xù)監(jiān)測，也可用直流電源直接進行供電，在可提供市電的設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境中也能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)監(jiān)測；可根據(jù)實際測量情況通過PC機參數(shù)設(shè)置軟件對測量周期、測量深度、測量深度間隔等相關(guān)測量參數(shù)進行修改，測量方式更為靈活。系統(tǒng)安裝過程中，只需用小孔徑鉆頭（25 mm）在土壤中鉆孔安裝PVC管即可，避免使用大型打鉆設(shè)備，安裝方便。該系統(tǒng)實現(xiàn)了水分入滲過程中土壤剖面不同深度水分的變化規(guī)律的原位自動監(jiān)測和大田環(huán)境植物生長過程中根區(qū)土壤剖面含水率原位自動監(jiān)測。

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Development of a novel solar-powered system for in-situ automatic monitoring of soil water dynamics in a soil profile

Xiang Yang1, Yu Song1, Xu Qiang1, Cheng Xianglin1, Zhu Yufan1,Lao Cailian1, Yan Xiaofei2, Cheng Qiang1※

(1.,,100083,; 2.,,100083,)

Commercial sensors of soil moisture normally cannot specifically observe the customized water content of soil profile, with emphasis on unadjustable measurement depth, interchange errors among multi-sensor probes, high cost, and difficulty in power supply for long-term monitoring in the field. In this study, a novel solar-powered system was developed to in-situ and long-term monitor the water content of soil profile in the field using dielectric tube sensors. Three parts included the power supply, measurement, and storage subsystem. The power supply subsystem was composed of the solar and lithium battery for long-term monitoring of the water content of soil profile in the field. A control panel was also utilized in a measurement subsystem to control the vertical movement of a dielectric tube sensor and simultaneously measure the soil water content and depths of the soil profile. The communicated system was installed with the upper computer software through Bluetooth. The operational parameters were set flexibly in the actual requirements, including the depths, spacing distance, and measuring periods. A storage subsystem was then used to record real-time measurements of the water content of the soil profile. A series of experiments were conducted to validate the performance of the developed system. The maximum output power of the solar panel was 5 W, greater than the working power (1.4 W) and the standby power of the system (0.35 W), which can make it possible for the system to achieve long-term endurance in the sunny outdoor. The solar-powered supply test showed that the novel system satisfied the high requirements of long-term running with the combination of solar and lithium batteries. The system lasted about 13 d without light, whereas worked sustainably under sufficient light. In addition, the voltage of the lithium battery changed by 3.2 V during the whole discharge, while the output voltage of the sensor only changed by 5 mV, indicating that the output voltage of the sensor was fully independent of the voltage of the lithium battery. A drip irrigation experiment was performed on two soil samples (sand and silt loam soil) with different drip irrigation rates, further to test the position accuracy of a system. High accuracy was achieved in the measurements of soil water content with a high consistent relationship (2>0.99) between actual volumetric water contents and converted one via the calibration curves of the sensors. The novel system accurately positioned the depth of the sensor probe in the soil profile with a positioning error of less than 0.2 cm. Furthermore, the infiltration experiments in two drip irrigation showed that the developed system accurately and completely characterized the dynamic of water content in soil profiles during infiltration with different drip irrigation rates. The finding can provide reliable technical support to in-situ monitoring the crop growth state and moisture change of root zone for reasonable irrigation strategy.

soil water content; sensor; soil profile; low power consumption; solar-powered; in-situ automaticmonitoring

2020-11-28

2021-03-05

國家自然科學(xué)基金資助項目（31871527）

向陽，主要研究方向為精細農(nóng)業(yè)傳感器與檢測設(shè)備。Email：xiangyang_office@126.com

程強，副教授，博士生導(dǎo)師。主要研究方向為精細農(nóng)業(yè)先進傳感技術(shù)與數(shù)據(jù)分析處理方法。Email：chengqiang@cau.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2021.07.018

TS210.4

A

1002-6819(2021)-07-0150-08

向陽，于淞，徐嬙，等. 太陽能供電的土壤剖面水分動態(tài)原位自動監(jiān)測系統(tǒng)的研制[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2021，37(7)：150-157. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.07.018 http://www.tcsae.org

Xiang Yang, Yu Song, Xu Qiang, et al. Development of a novel solar-powered system for in-situ automatic monitoring of soil water dynamics in a soil profile[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2021, 37(7): 150-157. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.07.018 http://www.tcsae.org