發(fā)布時間：2020-11-02 11:20

　　 高效、快速監(jiān)測不同深度的土壤含水率信息,在線掌握土壤剖面水分變化趨勢,對研究農(nóng)作物的水分需求情況、實現(xiàn)農(nóng)田智慧灌溉具有十分重要的意義,也是物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下實現(xiàn)農(nóng)業(yè)信息化、智能化的重要基礎(chǔ)。為了實現(xiàn)對不同深度土壤含水率的測量,滿足現(xiàn)代智慧灌溉中物聯(lián)網(wǎng)采集節(jié)點對土壤垂直剖面水分感知的需求,本文研究設(shè)計了一款便攜式土壤剖面水分傳感器。通過試驗對傳感器的各項性能進(jìn)行了檢驗,結(jié)果表明其可以初步滿足實際土壤水分監(jiān)測需求,且能夠應(yīng)用于智慧灌溉農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的采集節(jié)點中,本文研究的主要工作包括:(1)為了避免傳統(tǒng)探針式結(jié)構(gòu)土壤水分傳感器與土壤直接接觸造成腐蝕影響測量精度,解決因探針長度不足而難以簡單快速監(jiān)測土壤深層含水率等問題,本文設(shè)計了一款以環(huán)形金屬電極為測量探頭的非接觸測量結(jié)構(gòu),并通過高頻結(jié)構(gòu)仿真軟件HFSS對環(huán)形電極的不同結(jié)構(gòu)尺寸和不同電極間距進(jìn)行了仿真,由仿真結(jié)果討論分析確定了具有最佳感測范圍的探頭結(jié)構(gòu)組合。(2)采用壓控振蕩器和環(huán)形電極組成的高頻LC并聯(lián)諧振電路設(shè)計了傳感器測量節(jié)點的采集電路,通過測量得到的輸出頻率反演出被測土壤的體積含水率值;設(shè)計了可以分時控制測量不同土壤深度傳感器探頭的測量端控制電路,控制電路采用AVR單片機(jī)作為微處理器,硬件上完成了對采集電路輸出頻率和溫度的測量等功能;同時設(shè)計了可以用來和測量端進(jìn)行有線或無線通信的手持端控制系統(tǒng),具有簡單的人機(jī)交互功能,預(yù)留了物聯(lián)網(wǎng)采集節(jié)點接口。(3)在設(shè)計完成的硬件電路的基礎(chǔ)上,采用Arduino語言(基于C語言)進(jìn)行傳感器軟件部分的嵌入式編程,分別設(shè)計實現(xiàn)了傳感器測量端的控制部分、頻率測量部分、溫度測量部分、土壤含水率轉(zhuǎn)換算法部分、有線通信部分、無線通信部分以及手持端的按鍵顯示程序部分等軟件功能,通過軟硬件聯(lián)合調(diào)試使得傳感器可以滿足實際測量需求。(4)通過對不同體積含水率土樣的試驗和驗證,構(gòu)建了傳感器的土壤體積含水率模型:θv = 0.8644 ×NV2-0.0888 ×NV-0.0035,R2 = 0.9963;通過三個功能試驗分別檢測了本設(shè)計的傳感器,結(jié)果表明:不同采集節(jié)點之間具有較好一致性(相對誤差絕對值范圍為0.00～1.17%)、傳感器測量結(jié)果具有較好的可復(fù)現(xiàn)性(相對誤差絕對值范圍是0.00～1.49%)以及穩(wěn)定性(最大相對誤差為2.12%);對不同種類壤質(zhì)適應(yīng)性較好(相關(guān)系數(shù)R2 = 0.9644,RMSE=0.0423);與市售傳感器的測量結(jié)果差異較小(RMSE=0.0205)。
【學(xué)位單位】：南京農(nóng)業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2017
【中圖分類】：TP212;S152.7
【部分圖文】：

Ｆｉｇ．?１－１?Ｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ?ｍｅｔｈｏｄｓ?ａｎｄ?ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ?ｏｆ?ｓｏｉｌ?ｗａｔｅｒ?ｃｏｎｔｅｎｔ??１．２．１．１?土壤水分烘干法??烘干法［１６］的具體方法是先后稱量土樣在烘干之前和之后的質(zhì)量，再由公式（１－１）??可得到土壤的質(zhì)量含水率：??Ｗ－Ｗ??０？＝?＾ｘｉｏｏ％?（１－１）??％??式中，妒——濕土質(zhì)量，％——干土質(zhì)量，——土壤質(zhì)量含水率。??烘干法的測量結(jié)果直觀、準(zhǔn)確度高并且量程大。土壤含水率的監(jiān)測設(shè)備基本都采??用此方法來標(biāo)定。但是烘干法的缺點是不能實時快速測量，測量周期較長，不適于當(dāng)??前農(nóng)田物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下水分感知和數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨螅郏保罚荨：娓煞ǖ臏y量步驟從取樣、烘干、??稱重到人工計算耗時漫長，一般需要２４小時左右，測量的實效性較差［１８］。??１．２．１．２?土壤水分張力計法??１９２２年，Ｇａｒｄｎｅｒ１１９１為了測量土壤含水量，使用張力計得到非飽和土壤水的張力；??

ｅ（ｃｏ）?＝?￡＇｛ｃｏ）－?ｊ?ｅ＂｛（〇）?（２－１）??其中虛部代表介質(zhì)損耗，實部代表介質(zhì)的極化程度，如圖２－１所示，??實部隨頻率Ｗ增加而緩慢降低，在ｌｇｗ接近１０的時候出現(xiàn)陡降拐點，同時虛部??在ｌｇ？介于８到丨０的區(qū)間隨《增加而增加，等于１０的時候達(dá)到一個極大值。??Ｅ，ｋ＿＿、??＿２??圖２－１介質(zhì)色散和損耗??Ｆｉｇ．２－１?Ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ?ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ?ａｎｄ?ｌｏｓｓ??介質(zhì)損耗的定義是在電場中，單位體積電介質(zhì)在單位時間內(nèi)把電能轉(zhuǎn)換成內(nèi)能??１１??

所耗費的能量。介電損耗會引起器件參數(shù)變化，致使電路不穩(wěn)定，并且加速介質(zhì)老化，??造成介質(zhì)的熱擊穿破壞等惡劣影響。故利用介電法設(shè)計電路的過程中應(yīng)當(dāng)盡量消除介??質(zhì)損耗。而從圖２－１中可以看到，ｌｇ似在１２？１４的范圍內(nèi)實部幾乎維持不變，虛??部恒為零，幾乎沒有介質(zhì)損耗，但是考慮到ｌｇ？大于１０的時候電路頻率已經(jīng)大??于１０ＧＨｚ屬于超高頻了，實現(xiàn)難度巨大、可靠性低并且成本高昂，所以綜合考慮設(shè)??計難度和性能需求，一般設(shè)計取頻率ｌｇ？為８？９，此時介質(zhì)損耗較低，介電常數(shù)實部??又趨于平穩(wěn)，且對應(yīng)的頻率為１００ＭＨｚ？１０００ＭＨｚ，屬于可接受的設(shè)計范圍。??按照土壤的微觀結(jié)構(gòu)能夠以土壤顆粒的尺寸分成砂土、粘土和壤土，顆粒尺寸和??空氣間隙的差異，會對介電常數(shù)造成很大的影響。Ｈｉｌｈｏｓｔ和Ｄｉｒｋｓｅｎ對這三種土壤介??電常數(shù)進(jìn)行了研宄［５７］，其實部隨外電場頻率變化有著顯著差異，但當(dāng)外電場頻率處于??１００ＭＨｚ到５００ＭＨｚ的時候
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3 王吉星;丘宗書;;土壤水分傳感器無線網(wǎng)絡(luò)化設(shè)計[J];水利水文自動化;2009年01期

4 張樹人;;一種固體水分傳感器的研究及應(yīng)用[J];傳感器與微系統(tǒng);2007年03期

5 齊偉紅,尚少革,侯麗杰;2235紅外水分傳感器的使用及維護(hù)[J];紙和造紙;2000年06期

6 陳淑杰，李娟，李桂成;煙絲水分傳感器的研制[J];傳感器技術(shù);1996年01期

7 陳金坤;;被膜電容法水分傳感器的探討[J];福建水產(chǎn);1988年01期

8 王風(fēng)姣;王振華;張金珠;李文昊;;水分傳感器位置及灌水閾值對膜下滴灌棉花生理指標(biāo)及產(chǎn)量的影響[J];節(jié)水灌溉;2018年05期

9 沈偉;常燦燦;李然;;在線水分傳感器設(shè)計[J];電子世界;2015年15期

10 王景才;夏自強(qiáng);楊建青;黃燕紅;楊桂蓮;;土壤水分傳感器田間比測實驗研究[J];水利信息化;2012年02期

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3 趙燕東;土壤水分快速測量方法及其應(yīng)用技術(shù)研究[D];中國農(nóng)業(yè)大學(xué);2002年

4 王海蘭;喬木體水分的測試技術(shù)及其監(jiān)測系統(tǒng)的研究[D];北京林業(yè)大學(xué);2011年

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9 賀蕾;微型TDR土壤水分傳感器影響因素研究及其應(yīng)用模型建立[D];新疆農(nóng)業(yè)大學(xué);2016年

10 劉蓓;土壤含鹽量和溫度對FDR土壤水分傳感器檢測模型的影響研究[D];西北農(nóng)林科技大學(xué);2014年

本文編號：2866984