毛文莉

(辽宁润中供水有限责任公司，沈阳 110166)

基于GPS技术的土壤水分测量仪的研制与应用

毛文莉

(辽宁润中供水有限责任公司，沈阳 110166)

针对精准农业中实施节水灌溉的要求，研制了测量土壤含水量的定位测量仪。DATAFO-1测量仪的硬件由单片机、土壤水分探头、GPS接受机、SMP水分传感器、RS-232接口、键盘、LCD显示、数据存储器等组成。文章介绍了GPS数据的接受和处理方法，传感器的输出特征及程序设计方法。能够对各类土壤水分进行在线实时测量，可应用于节水灌溉、精细农业等，同时在水利、气象等领域也有广泛的应用。

土壤水分；精准农业；节水灌溉；DATAFO—1测量仪；快速测量

在当前精准农业的发展方向中，变量灌溉是其主要方向之一，是节水农业的有力保障措施。为此，作者基于GPS定位技术，研制了土壤水分测量仪。这种仪器可以满足当前精准农业对农田信息精确监测的需求。其应用可以分为2个方面：①在田间采样时，利用单片机系统的RS-232串行口，并连接GPS接收机上的串行口，可以实现与GPS接收机之间的通讯传输；同时，测量土壤含水量采用单片机的一个模拟信号作为输入端口，与土壤水分传感器—SMP探头相连实现；然后，将GPS接收机上传输过来的的地理、位置、时间等数据结合，形成一个综合的数据块，并存储在RAM 中，可以实现数据及时传输到上位机，进行数据处理；②田间采样结束后，通过单片机的RS-232串行口，连接上位机的RS—232串行口，可以将保存在RAM中的数据块输到上位机，实现数据处理过程，并在计算上上生成土壤水分分布图，用来监测田间土壤墒情，实现变量精准灌溉[1]。

1 利用GPS接口实现变换坐标

1.1 系统配置接收机与接口

系统配置的接收机是GPS25接收机(OEM型、GARMIN公司研制生产)。这种接收机采用的供电装置是+5V电源，同时可以跟踪12颗卫星，用于获取卫星上的定位数据。其优点是性价比高，功耗低，体积小，但是功能较强等特点。

同时，系统配置的接口是标准的RS一232C 串行接口，比如本系统用的是TXD1、RXD1接口。外部设备，如计算机、MCU 等，可以利用该接口对GPS25接收机进行参数设置，以及对GPS的定位数据直接进行接收。

1.2 定位数据的格式

GPS25接收机的定位数据格式采用NMEA一0183标准格式。GPS25接收机采用ASCII字符串，设计了多种语句格式，如GPGSV、GPGGA、GPRMC 以及GPGSA等格式。本系统设计时，采用的是GPRMC格式。这种格式包含了GPS的常见信息；也含有多个数据项，数据项与数据项之间用逗号分格。每条语句均以回车和换行符进行结尾[2]。

1.3 GPS变换坐标

GPS接收机中的坐标数据采用的是WGS—84坐标系，而我国采用的坐标系有北京-54坐标系、西安-80坐标系、当地以及其他平面坐标系等。为了GPS输出的经度、纬度和高度等位置数据与测量成果实现统一，GPS测量出的数据需进行坐标转换。

1.3.1 大地坐标转换成空间直角坐标

设任一地点M，GPS输出的大地坐标为(B，L，H)，则空间直角坐标系(X，Y，Z)为：

X=(N+H)cosBcosL
Y=(N+H)cosBsinL
Z=[N-(1-e2)+H]sinB

(1)

式中：N代表椭圆球的曲率半径；e代表椭圆球的第一偏心率。

1.3.2 不同坐标系之间的坐标转换

不同坐标之间采用Bursa模型，一般通过求解7个转换参数来实现转换，即：

(2)

式中：x,y,z为新坐标系坐标；x′,y′,z′为原坐标系坐标；△x0,△y0,△z0为坐标系原点平移量，εx,εy,εz为旋转参数，m表示尺度因子。

两套坐标系间的坐标转换只要知道所需7个参数值，就可以进行转换。而在实际应用中，可以根据需要舍弃某些微量参数，如只选择3、4、5或者6个参数就可以进行三维坐标系间的转换。

2 水分传感器的设计

2.1 所需含水量

(3)

2.2 SMP型传感器理论依据

SMP型土壤水分传感器具有使用简单，直流输入、直流输出、输出性能一致性好、测量经度高、响应速度快等特点。传感器外壳为全封闭设计，4根不锈钢探针，圆柱式防水探头，进行定点监测和在线测量可直接插入或长期埋入土壤中使用，防水性好，不受腐蚀。

根据传输线理论，绝缘材料介电常数以及集合尺寸可以决定同轴传输线的特性阻抗Z0：

(4)

式中：R,r为屏蔽层与信号线之间的半径。

如图1，将一段土壤同轴线LS作为绝缘材料，并串接一段同轴线L0(已知介电常数)，那么，位于分界面j处的反射系数ρ为：

ρ=(Zs-Z0)/(Zs+Z0)

(5)

式中：ZS、Z0分别为LS和L0的特性阻抗。

将正弦激励电压加入到L0的输入端时，会产生一种驻波。当L0的长度为1/4波长，va代表激励电压的幅度时，输入点电压峰值为：

vi=va(1-ρ)

(6)

分界面j电压峰值为：

vj=va(1+ρ)

(7)

因此，可以推导出：

vj-vi=2vaρ

(8)

(9)

式中：C为LS的结构常数。

图1 同轴传输线理论电路原理图

2.3 SMP型传感器电路设计

根据SMP型传感器理论，可以设计出电路原理图。见图2，即：电路的激励信号为100 MHz正弦波，驻波的波谷和波峰分别位于L0的输入端和分界面J；通过差分放大、输出调节等技术手段，利用绝缘材料LS介电常数的变化值，转换为输出电压的变化值。这样就可以间接测定土壤含水量。

图2 SMP土壤水分传感器电路原理图

3 手持式数据采集器的设计

3.1 数据采集器的菜单示意图

图3和图4分别为数据采集器的按键布设及功能示意图和测试的主界面。可以在实际操作中进行设定。

图3 数据采集器按键布设及功能示意图

图4 数据采集器的测试主界面

3.2 上位机(电脑)软件主界面

图5为上位机软件主界面，可以实现读文件、存文件、取数据和退出，右侧显示小区号、采样数以及平均体积含水量，左侧的为各个采样点的经纬度和体积含水量。

图5 上位机(电脑)软件主界面

测量仪的软件系统采用C51语言编程实现。程序通过FranklinC51编译器编译，并利用All-07固化器实现硬件实现。测量仪软件系统的功能主要有：上位机通讯、数据存储、 GPS数据接收与识别、键盘扫描、显示以及水分信号的采样计算等等。

4 试 验

用本测量仪在辽宁省阜新县建设镇进行了土壤水分测定试验。测量所得数据用ARCVIER软件进行绘图处理，图6为该地的土壤水分分布图，图中颜色愈深，代表土壤的含水率愈高。由图中可以看出，该地农田中土壤水分分布是不均匀的，可以划分成不同的区域。因此，在精准农业中，不同的区域应采用差异灌溉，实现节水、高效、精准灌溉的目的。

图6 土壤水分分布图

5 结 语

土壤水分测量仪能对测量点位置精确定位的基础上，实现对土壤含水率的快速测量。同时，在测量后续处理中，可以利用GIS软件生成农田土壤墒情分布图，对精准农业中高效节水灌溉提供直观科学指导。此外，在今后的研究中，还可以在该测量仪的基础上继续研制土壤水分实时在线测量系统，以及田间滴灌、喷灌等的实时控制系统，从而为实现自动控制和节水高效灌溉提供新型途径。

[1]李义,程本军.基于土壤入渗模型的研究[J].黑龙江水利科技,2013,41(03):13-14.

[2]吕雄杰,陆文龙,宋治文，等.土壤水分空间变异研究[J].安徽农业科学,2008,36(05):1999-2001.

1007-7596(2014)12-0031-03

2014-06-28

毛文莉(1985-)，女，湖北老河口人，工程师，从事水利工程管理和水资源合理利用研究。

S152.7

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