高效、快速監(jiān)測(cè)不同深度的土壤含水率信息,在線(xiàn)掌握土壤剖面水分變化趨勢(shì),對(duì)研究農(nóng)作物的水分需求情況、實(shí)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(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)信息化、智能化的重要基礎(chǔ)。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)不同深度土壤含水率的測(cè)量,滿(mǎn)足現(xiàn)代智慧灌溉中物聯(lián)網(wǎng)采集節(jié)點(diǎn)對(duì)土壤垂直剖面水分感知的需求,本文研究設(shè)計(jì)了一款便攜式土壤剖面水分傳感器。通過(guò)試驗(yàn)對(duì)傳感器的各項(xiàng)性能進(jìn)行了檢驗(yàn),結(jié)果表明其可以初步滿(mǎn)足實(shí)際土壤水分監(jiān)測(cè)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(diǎn)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(cè)量精度,解決因探針長(zhǎng)度不足而難以簡(jiǎn)單快速監(jiān)測(cè)土壤深層含水率等問(wèn)題,本文設(shè)計(jì)了一款以環(huán)形金屬電極為測(cè)量探頭的非接觸測(cè)量結(jié)構(gòu),并通過(guò)高頻結(jié)構(gòu)仿真軟件HFSS對(duì)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(cè)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(jì)了傳感器測(cè)量節(jié)點(diǎn)的采集電路,通過(guò)測(cè)量得到的輸出頻率反演出被測(cè)土壤的體積含水率值;設(shè)計(jì)了可以分時(shí)控制測(cè)量不同土壤深度傳感器探頭的測(cè)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(duì)采集電路輸出頻率和溫度的測(cè)量等功能;同時(shí)設(shè)計(jì)了可以用來(lái)和測(cè)量端進(jìn)行有線(xiàn)或無(wú)線(xiàn)通信的手持端控制系統(tǒng),具有簡(jiǎn)單的人機(jī)交互功能,預(yù)留了物聯(lián)網(wǎng)采集節(jié)點(diǎn)接口。(3)在設(shè)計(jì)完成的硬件電路的基礎(chǔ)上,采用Arduino語(yǔ)言(基于C語(yǔ)言)進(jìn)行傳感器軟件部分的嵌入式編程,分別設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了傳感器測(cè)量端的控制部分、頻率測(cè)量部分、溫度測(cè)量部分、土壤含水率轉(zhuǎn)換算法部分、有線(xiàn)通信部分、無(wú)線(xiàn)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(guò)軟硬件聯(lián)合調(diào)試使得傳感器可以滿(mǎn)足實(shí)際測(cè)量需求。(4)通過(guò)對(duì)不同體積含水率土樣的試驗(yàn)和驗(yàn)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(guò)三個(gè)功能試驗(yàn)分別檢測(cè)了本設(shè)計(jì)的傳感器,結(jié)果表明:不同采集節(jié)點(diǎn)之間具有較好一致性(相對(duì)誤差絕對(duì)值范圍為0.00～1.17%)、傳感器測(cè)量結(jié)果具有較好的可復(fù)現(xiàn)性(相對(duì)誤差絕對(duì)值范圍是0.00～1.49%)以及穩(wěn)定性(最大相對(duì)誤差為2.12%);對(duì)不同種類(lèi)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(cè)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(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2017
【中圖分類(lèi)】：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(chēng)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(cè)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(cè)設(shè)備基本都采??用此方法來(lái)標(biāo)定。但是烘干法的缺點(diǎn)是不能實(shí)時(shí)快速測(cè)量，測(cè)量周期較長(zhǎng)，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�。烘干法的測(cè)量步驟從取樣、烘干、??稱(chēng)重到人工計(jì)算耗時(shí)漫長(zhǎng)，一般需要２４小時(shí)左右，測(cè)量的實(shí)效性較差［１８］。??１．２．１．２?土壤水分張力計(jì)法??１９２２年，Ｇａｒｄｎｅｒ１１９１為了測(cè)量土壤含水量，使用張力計(jì)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(shí)部代表介質(zhì)的極化程度，如圖２－１所示，??實(shí)部隨頻率Ｗ增加而緩慢降低，在ｌｇｗ接近１０的時(shí)候出現(xiàn)陡降拐點(diǎn)，同時(shí)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(shí)候達(dá)到一個(gè)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(chǎng)中，單位體積電介質(zhì)在單位時(shí)間內(nèi)把電能轉(zhuǎn)換成內(nèi)能??１１??

所耗費(fèi)的能量。介電損耗會(huì)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(jì)電路的過(guò)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(shí)部幾乎維持不變，虛??部恒為零，幾乎沒(méi)有介質(zhì)損耗，但是考慮到ｌｇ？大于１０的時(shí)候電路頻率已經(jīng)大??于１０ＧＨｚ屬于超高頻了，實(shí)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(jì)難度和性能需求，一般設(shè)計(jì)取頻率ｌｇ？為８？９，此時(shí)介質(zhì)損耗較低，介電常數(shù)實(shí)部??又趨于平穩(wěn)，且對(duì)應(yīng)的頻率為１００ＭＨｚ？１０００ＭＨｚ，屬于可接受的設(shè)計(jì)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(huì)對(duì)介電常數(shù)造成很大的影響。Ｈｉｌｈｏｓｔ和Ｄｉｒｋｓｅｎ對(duì)這三種土壤介??電常數(shù)進(jìn)行了研宄［５７］，其實(shí)部隨外電場(chǎng)頻率變化有著顯著差異，但當(dāng)外電場(chǎng)頻率處于??１００ＭＨｚ到５００ＭＨｚ的時(shí)候
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