一种新型的土壤电导率远程实时监测系统设计与制作

刘 成 齐 锦 西北大学 陕西西安 710127

【文章摘要】

本文设计并制作了一种可以实时在线监测土壤电导率的无线传感器系统，传感器可以长期埋藏于被监测区域的土壤中，监测土壤的电导率，反映土壤中含水量和可溶盐的多少， 能够广泛的应用于农业生产、文物保护、环境监测等领域。实验结果，该装置能够在户外的应用环境下长期稳定的工作，具有精度高、响应快、功耗低、无线数字收发、不扰动原有土壤等优点。

【关键词】

土壤电导率；实时；无线

【Abstract】

In this paper,a wireless sensorsystem was designed and made,which can monitor oil electrical conductivity in the way that real-time and on line.Sensorwasburied in the monitoring regionof the soil,monitors soil electrical conductivity and reflects the trends of soluble salt and moisture content.This system can be widelyapplied in the field ofagricultural production,the protection of cultural relics,environmental monitoring and so on.The experimental results thatthis system we designed can be used in theapplication environment ofout door long-term and stability. This system has the advantages of high precision,fast response,low power consumption,wireless digital transceiver and undisturbedoriginalsoiletc.

【Key Words】

Soil electrical conductivity; real time. Wire less

0 引言

土壤学的研究结果表明土壤电导率能不同程度地反映土壤中的盐分、水分、有机质含量、土壤质地结构和孔隙率等参数的大小，而这些因素恰好对农作物的生长、品质和最终的产量等起决定性作用，实时在线监测土壤电导率的大小，采取针对性的措施补充土壤中的水分、肥料、改善土壤质地结构等，对于提升作物品质、提高最终产量有较大的指导意义。

目前，测量土壤电导率的方法主要有：土壤溶液的实验室测量方法、利用充满盐溶液的多孔陶瓷测量土壤溶液的电导率、时域反射法、频域传输法、原位四电极法等。土壤溶液的实验室测量方法具有较高精度，但每次测量都需要人工提取土壤溶液，测试时间较长，测试成本也高，并且会多次破坏土壤结构，无法快速准确地在线检测土壤电导率的变化。Kemper WD 等首次提出了利用一个充满一定浓度的盐溶液（KCl）的“多孔陶瓷电导池”来测量土壤的电导率的方法，将充满KCI 溶液的多孔陶瓷传感器埋设在待检测的土壤中， 电导池中的溶液与土壤溶液通过浓度差扩散平衡，从而表示了土壤溶液的浓度，但这种传感器操作复杂，要求待检测土壤有较高的湿度，并且过一段时间需要校验一次，也无法实时在线监测土壤电导率的变化。Dalton 在1984 年首次用TDR 测定土壤的电导值，国内一些学者对使用TDR 测定土壤的盐分进行部分研究，但是所使用的土壤含盐量大都低于１％，电路结构复杂，并且这种方法使用了高频电磁波， 易受干扰。原位四电极法是一种基于欧姆定律的“电流- 电压”测量方法，该方法原理简单，操作方便，本文基于原位四电极的原理，论述了原位四电极法检测土壤电导率的相关原理，设计了用于采集土壤电导率的外部结构，制作了信号采集与调理电路，实现了低功耗控制，完成了土壤盐分传感器实时数据的无线收发功能。实验结果表明，本文所设计的土壤盐分实时数据远程无线收发系统具有稳定性强，检测精度高，使用维护方便等特点。

1 原位四电极法测量土壤电导率原理

Wenner 和Schlumberger 于上世纪20 年代就提出了四电极法，由于该方法能够消除电极极化效应，后来被应用于土壤电导率测量等方面。四电极法测土壤电导率的原理如图1 所示，其中J、M、N、K 分别为四个电极，它们之间不直接相连，将这四个电极埋入土壤后，四个电极被土壤连接导通，I 为通过回路的恒定电流，只要J、K 之间的电阻满足在一定的范围之内，电流就维持一个很定值，是电压采集电极，满足 ，根据电极结构与测量点的不同，四电极法测土壤电导率可分为Wenner、Schlumberger、Polar-dipole 三种组态：

图1 Wenner 和Schlumberger 组态测量电导率原理

图2 Polar-dipole 组态

1） Wenner 组态，当JM = NK = MN = a 时：

（ 1）

2） Schlumberger 组态，当JM = NK = a-b/2，JK = 2a，MN = b 时：

（ 2）

3） Polar-dipole 组态，当四电极排列如图 2 时：

（ 3）

其中为土壤电导率（单位：S/m）， a，b，c，d 为各个电极之间的距离，恒流源电流为一很定值，通过测量M、N 之间的电压差即可获得土壤电导率值 。

2 土壤电导率远程实时监测系统

2.1 系统整体工作原理

该系统主要包括图3 所示的7 个模块：1）信号采集前，主要端负责采集土壤电导率信息；2）信号调理电路，四电极将土壤电导率转换成微弱的电压信号，该信号幅度小、噪声大，需要进行方法滤波处理；3）A/D 转换电路，为了单片机能够识别和编码土壤电导率信号，A/D 转换电路主要完成将0~3.3V 之间的模拟电压转换成12 位的数字信号；4）电源管理电路， 受单片机控制，在需要采集信息的时候，电源管理模块接通电池与整个电路，在不采集信号时，电源管理模块断开电池与这个电路的链接，已达到节省能量的目的； 5）单片机控制器，单片机负责链接无线通信模块与信号采集电路，一方面完成数字信号的编码压缩，另一方面对整个系统的电源进行管理，尽可能的降低系统功耗，延长续航时间；6）无线通信模块，主要负037

实验研究

Experimental Research

电子制作