土壤水分-基质势-温度复合传感器研制

土壤水分、基质势是描述土壤持水特性的重要参数,不同类型土壤的水分特征曲线存在明显差异。目前在野外环境下通常采用传感器分离测量法测定土壤水分特征曲线,但因土壤的空间异质性导致较大的测量误差。为此,该研究设计了一种可同步测量土壤水分、基质势和温度的复合传感器,主要组成部分包括32位MCU主控芯片、继电器切换模块、介电水分/基质势测量模块和温度测量模块,主控芯片通过控制继电器切换实现土壤水分、基质势和温度的同步测定,同时进行温度校正。采用森林土壤、农田壤土和砂土对复合传感器进行性能测试、标定和观测试验,并与商业化仪器的测量结果进行对比。结果表明：在干燥至近饱和范围内,复合传感器测定的土壤水分和基质势均具有良好的单调性,决定系数R2均大于0.98,土壤体积含水率和基质势的测量范围分别为0%～40%和-1 500～-15 kPa,水分和基质势的响应时间分别为450 ms和150 s。采用商业化仪器分离测量方法与本文复合传感器分别同步测定森林土壤、农田壤土和砂土的水分特征曲线,2种方法测得的土壤水分特征曲线的皮尔逊相关系数均大于0.96。本文研制的复合传感器可以实现不同类型土壤水分特征曲线的准确测...     

土壤水分剖面测量系统设计与应用性能检验

针对农田环境下观测不同作物根区土壤水分变化的实际需要,研制了一种可快速获取0～200 cm深度范围内土壤剖面含水率的传感器及其测量系统。其中水分传感器工作原理为基于电容边缘场效应测量电极周围介质的介电常数,与土壤接触采用PVC套筒式结构,深度测量为霍尔磁敏传感器阵列,测量系统数据处理平台为PDA。对于测量方法的理论研究,该文给出了传感器工作原理的解析分析,进一步提出了传感器应用性能检验的试验方法。结果表明,该传感器性能指标达到实际应用需求,具备应用推广价值。     

三深度土壤水分传感器的研制及试验

针对当前植物根区不同深度下土壤含水量测量存在的传感器安装困难、对原位土壤扰动大以及传感器间一致性差等问题,该文基于阻抗法设计了一种三深度土壤水分传感器。该传感器不仅可以同时测量3个不同深度的土壤含水量,并且在安装时对原位土壤扰动极小。试验标定结果显示,该传感器具有较高的精度,所测的土壤含水量与烘干法所得的实际含水量非常吻合,决定系数R2和均方根误差(RMSE,root mean square error)分别达到0.996和0.013 cm3/cm3;传感器可适用于多种不同质地的土壤,在3种不同质地土壤中的输出灵敏度均大于1V/(cm3/cm3)。传感器的输出与土壤体积含水量呈现良好的线性关系,对黏土、砂土及壤土的决定系数R2分别达到0.983、0.965和0.975;土壤水分入渗试验结果进一步表明,该传感器性能良好,3个不同深度的传感器电极具有较高的一致性,在壤土和砂土样本中3个深度传感器电极的输出,相对误差分别小于2%和5%。     

基于双传感器数据融合的土壤湿度测量与建模

为了克服TDR-3土壤湿度传感器所测量的土壤湿度数据受土壤硬度的影响,得到客观的水分/土壤的质量百分比,设计并制作基于TDR-3土壤湿度传感器和土壤硬度计的土壤湿度测量装置。装置标定时,通过逆向烘干法精确计算水分与土壤的质量百分比,进行土壤湿度(c)、土壤硬度(ψ)和TDR-3传感器输出电压(U)三因素正交试验,用Matlab软件进行二元曲线拟合,构建三者间的数学关系。试验表明,融合TDR-3传感器的输出电压和土壤硬度计的硬度数据后,装置可直接测量出土壤水分的质量百分比,与理论含水率的最大误差为4.75%。相对于单纯使用TDR-3土壤湿度传感器测量土壤湿度,装置的测量精度显著提高。对同一土样测量的最大重复性误差为0.83%,模型具有一定的可靠性与鲁棒性。该文可为开发更加精确的土壤湿度传感器提供参考。     

土柱入渗性能自动检测装置研制与试验

为实现室内竖直土柱入渗性能的自动检测,研制了一种土柱入渗性能自动检测装置。该装置主要由传感器位置调节装置、土样盛放装置、供水装置、检测和控制模块、电源模块和上位机显示存储模块组成,采用压力应变式传感器检测入渗过程的累积入渗量,采用介电常数土壤水分传感器检测土壤含水率的变化,进而推断湿润锋的运移位置。基于这2种传感器,实现土柱入渗过程自动检测。采用水头为10 mm,容重为1.15、1.20和1.25 g/cm~3的红壤土进行室内土柱入渗试验,检验该装置的性能。结果表明:1)9个试验和18个检测位置,土壤水分传感器进出土柱成功率为100%,表明该装置运行可靠;2)与烘干法相比,土壤水分传感器检测得到土壤含水率的最大相对误差为-4.4%,检测结果比较准确;3)与人工观测湿润锋位置相比,土壤水分传感器推算出的湿润锋位置最大相对误差为-12.9%,说明土壤水分传感器检测湿润锋的运移效果比较明显;4)压力应变式传感器检测累积入渗量与人工实测得到的数据对比,最大相对误差为2.27%。该装置可作为土柱入渗自动检测试验平台。     

基于特征选择和GA-BP神经网络的多源遥感农田土壤水分反演

土壤水分是影响水文、生态和气候等环境过程的重要参数,而微波遥感是农田地表土壤水分测量的重要手段之一。针对微波遥感反演农田地表土壤水分受植被覆盖影响较大的问题,该研究提出了一种基于特征选择和GA-BP神经网络(Genetic Algorithm-Back Propagation neural network)的多源遥感农田地表土壤水分反演方法。首先对Sentinel-1微波遥感数据和Sentinel-2光学遥感数据进行预处理并提取21个特征参数;然后采用差分进化特征选择(Differential Evolution Feature Selection,DEFS)算法从21个特征中选出包含10个参数的最优特征子集,并利用主成分分析(Principal Component Analysis,PCA)法将特征子集进行降维;之后建立BP神经网络,采用遗传算法(GeneticAlgorithm,GA)对BP网络的节点权值进行优化,使用降维后的特征矩阵和部分实测土壤含水量数据对BP网络进行训练;最后利用训练好的GA-BP网络对研究区土壤水分进行反演,并利用实测数据对反演结果精度进行对比验证。试验结果表明,该研究反演结果的决定系数为0.789 3,均方根误差为0.028 7 cm~3/cm~3,相比单纯使用GA-BP神经网络,加入DEFS和PCA之后决定系数提高了0.215 7,同时均方根误差降低了0.029 5 cm~3/cm~3。该结果展示了DEFS和PCA算法在土壤水分反演最优特征集选择的有效性,为多源遥感农田地表土壤水分反演提供了新思路。     

可装配式土壤温度传感器设计与试验

土壤温度是土壤墒情监测的重要参数之一,它影响着土壤中一系列的物理、化学和生物化学过程,并与作物生长、发育及生理过程关系密切。目前土壤温度测量技术与设备主要源于工业领域,应用比较成熟,但在农田土壤墒情、气象环境、水文、地理等领域具体应用过程中,存在结构针对性不足、敏感元件及探头选择盲目、测量方式不科学等问题。该文针对以上问题,在分析农田土壤温度测量特殊需求、常用传感器结构与特征、敏感元件选型的基础上,对土壤温度传感器进行优化设计,将感知区域缩短为2cm,提出探头导管分离可装配式结构,采用不同长度玻璃钢塑料管组合装配方式,能够灵活满足地温单点、多点、多层测量,并通过试验分析比较了该传感器与传统传感器在结构、封装材料、测量精度、测量插入方式的差异。结果表明,该传感器精度不超过±0.2℃,20℃跨度响应时间小于100s,水平、垂直测量差异稳定缩小到±0.2℃以下。该传感器减少了结构、封装、测量方式等因素的影响,提高了土壤温度测量科学性、准确性。     

基于ZigBee和PDA的农田信息无线传感器网络

为了实现农田信息的实时采集、处理与可视化,缩短数据采集和处理间的时差,开发了基于ZigBee和PDA的农田信息无线传感器网络。系统由集成ZigBee协调器的PDA和带传感器的路由节点组成。通过无线传感器网络,用户手持PDA可实时动态访问田间信息,并控制传感器的供电电源开关,以节省功耗。采集的田间信息包括土壤水分、土壤温度、土壤电导率、空气温湿度。其中土壤温度、空气温湿度传感器为数字式传感器,土壤水分、土壤电导率传感器为模拟传感器。节点通信距离试验表明,正常工作条件下,40 m距离的丢包率只有0.092,满     

PROSAIL模型和水云模型耦合反演农田土壤水分

土壤水分的实时、动态监测对农业生产及作物估产有着非常重要的意义。该文提出一种光学和雷达遥感半经验耦合模型,该模型通过引入植被覆盖度将作物覆盖下的散射贡献与裸露地表的直接散射贡献区分开,结合水云模型和PROSAIL模型对农田区域土壤水分进行反演研究。结果表明：该耦合模型模拟得到的后向散射系数与实测值之间具有较好的线性关系,在HH和VV极化下决定系数R2分别为0.792和0.723,RMSE分别为0.600和0.837 dB。同时该模型对农田区域土壤水分的反演精度也较高,其R2为0.809,RMSE为0.043 cm3/cm3。因此该模型可以有效分离农田作物及裸露土壤对雷达信号的影响,准确建立地表直接后向散射贡献与土壤水分的关系,为大面积复杂地表类型覆盖区域的土壤水分反演提供研究思路和理论支持。     

太阳能供电的土壤剖面水分动态原位自动监测系统的研制

目前,商业化的土壤水分传感器在野外观测土壤剖面含水率时仍然存在测量深度不可调节、多传感器探头之间的互换误差、野外长期监测供电困难、成本较高等问题。为此,该研究设计并研制了一种太阳能供电的可实现野外长期工作的介电管式土壤剖面水分原位自动监测系统。该系统组成包括:传感器模块、主控模块、太阳能供电模块和参数设置软件。测量时,先将PVC管垂直安装至待测土壤中,安装过程不扰动土壤结构,主控与存储模块控制土壤含水率传感器在PVC管中上下移动测量土壤含水率,并同步记录土壤深度。此外,该系统可以根据实际需求通过PC机参数设置软件进行灵活设定测量参数(传感器测量深度、测量深度间隔和测量周期)。针对该系统的性能与测量精度开展了相关测试与观测试验,功耗测试结果表明该系统待机功率为0.35 W,工作功率为1.4 W,太阳能电池板最大输出功率为5W,太阳能电池板和锂电池配合供电的情况下能实现长时间续航;土壤含水率传感器在砂土和粉壤土中的标定试验表明:该系统测量结果与实际土壤体积含水率高度吻合,标定曲线决定系数R~2均大于0.99;经过校正后,该系统探头深度定位的标准偏差在0.2 cm以内。在两种质地土壤的滴灌试验结果表明:该系统分别在6和15 mL/min两种滴水速率下均能准确获取土壤剖面含水率的动态变化过程,为观测作物生长状态和根区水分变化、制定合理的灌溉策略以及研究并检验土壤入渗水动态模型提供了可靠的技术支持和保障。     

便携式土壤湿度检测装置用于精准灌溉决策系统

采用最先进的技术进行精准灌溉是现代农业发展的必然趋势,但在准确预测被监测区域的土壤湿度时,面临一个两难的处境:少量土壤湿度固定检测点不能良好地反映作物区域土壤墒情信息,而大量布置传感器检测点又使得投资成本较大。因此该文设计了一种便携式土壤检测装置,同时基于该装置构建了一个精准灌溉决策系统,并把该系统应用于田间的精准灌溉决策。该系统由便携式土壤湿度检测装置和上位机决策软件2部分组成,其中便携式土壤湿度检测装置由FDR原理土壤水分传感器MS-10、低功耗单片机C8051F410、蓝牙无线传输模块、数据显示模块以及部分外围电路组成,可以独立实现时间记录、数据存储和实时显示。经过试验标定,装置的允许最大误差为2.2%,设计精度为95%;上位机决策软件分为数据接收模块、分布式二进制一致性算法模块和系统操作界面3个子模块,分别采用Visual Basic、Matlab和Matlab GUI设计而成,实现对便携式装置所采集数据的无线传输、归一化处理和数据融合处理,能够根据不同区域划分和不同作物灌水下限进行相应的运算,从而得到估计精度较高、区域大小可调的多尺度精准灌溉决策信息。最后通过30 m×30 m草坪的土壤湿度为检测参数的田间验证,该系统的平均决策准确率大于90%,且可以根据需要增减检测点个数。因此既可以独立应用,也可以作为固定检测方式的有效补充,实现作物区域土壤湿度信息的精确采集,有效提高水资源利用率。     

东北黑土区TDR测定农田土壤含水量的室内标定

土壤水分标定是利用TDR监测农田土壤水分过程中的必要环节.以东北黑土区农田土壤剖面深度上的4种典型介质（黑土层、母质层、过渡层、砂砾层）为试验对象,利用“由湿到干”的土柱试验方法,用烘干法对TDR进行室内标定研究.结果表明：1）TDR内置土壤标定曲线测定的含水量明显低于烘干法测量的含水量.在TDR法土壤含水量标定时,指数关系比线性关系具有更高的标定精度.2）单一介质的TDR法土壤含水量标定曲线对自身介质的标定精度高（最大绝对误差3.2％）.3）混合介质的TDR法土壤含水量标定曲线的标定精度较高（最大绝对误差6.6％）,可用于不同介质TDR法土壤含水量标定.本研究结果可用于研究区及类似区域修订TDR法含水量测定结果.     

基于无线传感网的荔枝园智能节水灌溉双向通信和控制系统

为提高水资源利用率和灌溉智能化管理的需要,设计了以无线传感器网络技术为核心的荔枝园节水灌溉控制系统,该系统的无线通信模块选择CC2530模块,传感器模块包括空气温湿度传感器DHT22,光照强度传感器GY-30,土壤水分含量传感器TDR-3以及一些外围电路,精确采集荔枝园温度、湿度、光照度和土壤含水率等多项环境信息,通过无线传感器网络、通用分组无线服务技术(General Packet Radio Service,GPRS)和互联网进行数据的传输,保证了传输的实时性和远程性,实现了对荔枝园环境的实时监控;同时,远程服务器和网站上都对荔枝园的土壤含水率的阈值进行了设定,当土壤含水率的值超过了阈值,服务器或者网站就会自动发送相关命令对相应的电磁阀进行控制,实现双向控制。分析、测试了系统的功耗和通信距离,在空旷地带,节点的双向有效通信距离达1 205 m,在荔枝园中双向有效通信距离达81.5 m。在传感器节点系统工作周期为30 min情况下,根据试验结果估算出,两节额定容量为3 000 m A·h的3.7 V锂电池串联可使传感器节点持续工作时间最大为500 d,可使电磁阀控制节点工作5 a以上。试验结果表明,该系统运行稳定,网络平均丢包率为3.87%,能够准确监测荔枝园信息采集和控制电磁阀工作,实现和控制荔枝园智能节水灌溉双向通信。     

节水灌溉自动控制系统的研究

为了节约植物灌溉用水，提高水资源使用效率，该文采用单片机、传感器、RS-485网络、无线通讯以及变量控制等技术，设计了一套闭环控制的精准灌溉控制系统。该系统由中央监控计算机、灌溉监测控制器、土壤水分传感器和阀门控制器组成。其中，底层传感器和阀门控制器通过RS-485总线连接至灌溉监测控制器，灌溉监测控制器通过无线通讯模块与中央监控计算机相连。该系统实现了土壤含水率的在线自动监测，并依据植物的土壤含水率灌溉阈值自动控制灌溉系统。试验表明，该系统可以达到精准灌溉的要求，结合植物的土壤含水率生存阈值和最大生物量     

茶园信息采集无线传感器网络节点设计

针对茶园中所存在的无线通信障碍问题,该文设计了一款适合茶园信息采集的无线传感器网络节点。节点以ATmega128为核心,nRF905射频芯片及其外围电路作为无线通信模块,SHT11空气温湿度传感器和TDR-3土壤含水量传感器及其外围电路作为传感器模块,并以该节点为硬件平台编写了通信协议、应用程序和后台管理软件。分析、测试了节点的功耗和通信距离,在空旷地带,节点的有效通信距离达到150 m,与Micaz节点对比室内外通信距离分别提高了200%和150%。在广东省英德茶园基地进行了组网试验测试,结果表明：网络平均丢包率为0.84%,传感器感知精度达到98.2%,能够满足茶园信息采集的应用要求。     

多路数据采集与处理模型的设计及水分传感器埋设位置优化

为优化土壤水分传感器的埋设位置,该文针对宁夏日光温室滴灌黄瓜田间的土壤水分传感器埋设位置进行优化试验,确定出最佳埋设深度和宽度。利用最小二乘法对澳大利亚生产的MP406土壤水分传感器进行标定,得到水分利用效率的拟合值与实测值的相关性系数为0.9906。设计了多路数据自动采集监测与灌溉系统,可同时获取不同处理的18个水分传感器数据,通过远程客户端实时下载和监控水分数据并实现自动灌溉,通过远程手机短信监控功能,进行手机短信命令控制一个或多个处理的实时灌溉,系统可同时测量不同处理的灌水量。计算水分利用效率和产量,分析传感器水分数据的差异和相关系数,确定出土壤水分传感器在宁夏日光温室滴灌黄瓜田间的最佳埋设深度和宽度位置,该研究方法为确定土壤水分传感器的埋设深度及宽度提供可行的参考方案。     

新型FDR土壤水盐一体传感器标定研究与应用

运用新型频域反射(FDR)技术和分频技术,实现传感器水盐同时测量。因土壤质地、容重等差异,土壤水盐标定是利用FDR监测土壤水盐过程中的必要环节。以东北壤土为试验对象,利用"由湿到干,由小到大"的土壤水盐运动规律,通过土柱试验,用烘干法和土壤溶液电导率法对FDR进行室内标定研究。同时,将时域反射(TDR)式水盐传感器作为对照系,进行稳定性、精准度比较。结果表明:1)经土壤水分标定曲线校正后,FDR式水盐一体传感器具有很高的测量精度,可达±1%~3%;2)在土壤里对同一水盐含量进行百次重复测定,TDR传感器水分平均值为20.07%,相对标准偏差为0.18%;盐分(电导率)平均值为0.29 m S/cm,相对标准偏差为11.06%;新型FDR传感器水分平均值为20.08%,相对标准差为0.21%;盐分(电导率)平均值为0.31m S/cm,相对标准差为8.49%。新型FDR土壤水盐一体传感器可用于农田土壤连续水盐监测,提供稳定、精确的基础数据,结合数据分析软件,指导种植生产。     

机载非接触式近红外土壤墒情检测系统研制

针对探针式土壤水分传感器插入土壤后因反馈点固定而需大量布点、成本高、破坏耕层等问题，该研究提出一种基于法布里-珀罗干涉近红外传感器的非接触式土壤墒情在线检测系统。系统硬件部分由机载自动检测装置、电气控制箱和北斗双天线实时差分定位系统（Real Time Kinematic，RTK）组成。整套系统样机的试制包括：传感器的选型和模块设计封装、升降检测装置设计、传感器避障与采样点北斗定位、土壤含水量预测建模、软件中的二次开发和系统与润禾2ZBA-2型移栽机的集成等。田间试验结果表明：当移栽机以0.3 m/s速度行进时，土壤水分传感器参比校准后进行土壤水分的测定，5 s内工控机上实时显示水分含量值，水分含量预测值与实测值的相对误差范围为0.18%～14.46%，平均相对误差7.77%，所测水分值结合北斗RTK系统测得的定位坐标生成土壤表层含水率分布图，为后续喷灌、滴灌等变量灌溉提供参考依据。     

基于GPS和SMS技术的土壤养分水分速测系统的研究

为了满足精确施肥中对高密度、全面的农田土壤信息采集、数据无线传输和施肥决策的需要,本系统利用计算机技术和无线数传技术(SMS)对GPS、GIS和土壤养分水分速测系统进行有机集成.一方面通过AT891v55单片机,使差分GPS和土壤水分测定仪有机集成,实现土壤采样、水分测定、定位一体化;另一方面研制开发了集成针对石灰性褐土的速测值向常规值转换模型的土壤养分速测仪,并利用BENQ M22 SMS数传模块实现土壤养分速测系统与土壤养分管理决策系统的远程数据通讯和资源共享;同时利用Visual Basic和MapObjects控件集成GIS,实现具有空间属性的土壤养分数据可视化管理和分析处理.     

附加电阻法快速测定土壤含水率的试验

为了消除电容土壤水分检测中电导影响,提出了基于附加电阻的高频电容土壤水分测定技术,分析了高频电容土壤水分传感器的机理, 建立了基于附加电阻的高频土壤水分数学模型,通过求解土壤水分引起的电容因子,消除了电导的影响,设计了基于附加电阻的平行板电容传感器土壤水分测试电路,并进行土壤测试试验。结果表明：土壤水分引起的电容值与土壤的质量含水率在1%～22%范围内呈线性关系,且基于附加电阻的高频电容土壤水分的测试值 小于2%。