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

向 阳，于 淞，徐 嫱，程相林，朱玉帆，劳彩莲，颜小飞，程 强

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

向 阳1，于 淞1，徐 嫱1，程相林1，朱玉帆1，劳彩莲1，颜小飞2，程 强1※

（1. 中国农业大学信息与电气工程学院，北京 100083； 2.北京林业大学工学院，北京 100083）

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5 W，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。

土壤水分；传感器；土壤剖面；低功耗；太阳能供电；原位自动监测

0 引 言

土壤含水率是反映土壤墒情状况的一个重要参数，不仅影响水分的入渗、再分布、表层水分蒸发和植物的蒸腾作用，同时也对许多生物基本的生化过程有着重要的影响[1-3]。土壤水分在空间和时间上都具有很强的变异性，而土壤垂直方向的空间变异显著强于水平方向[4]。由于土壤剖面水分分布不均匀，植物根系的密度分布和吸水能力受到不同深度土壤含水率的影响[5-6]。例如，冬小麦的根系主要分布在0～40 cm土层中，最深可达100 cm；苹果树的根系主要分布在0～80 cm中，最深可达200 cm[7-10]。因此，实时获取土壤剖面水分的变化无论对判断植物水分状态、预判最佳灌溉时间等科学研究还是对农业生产管理都有重要指导意义[11]。

近几十年来各种不同的土壤含水率测定方法应运而生[1,12]。其中基于介电原理的测量方法以其操作便捷、测量精度较高等优点被广泛关注[13-17]。为了快速获取准确的土壤水分信息，学者们进行了大量相关研究[11,18-23]。针对土壤垂直剖面的水分信息测量，Sun等[14]设计了一种停走式土壤水分-阻力复合式圆锥指数仪，实现了不同深度土壤含水率的测量，但是该设备是半自动化测量，体积较大，耗费人力，且不能进行长期定点观测。Evett等[24]在垂直方向上按照一定间隔安装多个传感器测量土壤剖面水分信息，但是使用多个探头安装不方便、传感器之间存在互换误差且只能定点测量。TRIME公司生产的管式TDR（T3 44-mm Tube Access Probe）可实现不同深度的土壤含水率测量，但是测量过程耗费人力，探头昂贵，市场售价在万元人民币以上，测量成本很高。Sentek公司以Dean等[25]研制的土壤水分测量系统样机为基础，生产了Diviner 2000和EnviroSCAN两款产品可实现不同深度的土壤含水率测量，但是Diviner 2000和EnviroSCAN测量的最小深度间隔为10 cm，Diviner 2000的弊端与TRIME的管式TDR相同。而另一款EnviroSCAN使用多探头自动采集土壤剖面不同深度的水分数据，虽然降低了人力成本，但是探头之间会有互换误差，长时间使用会出现探头精度漂移，且价格较为昂贵，市场售价在万元人民币以上；此外，EnviroSCAN需要额外电源供电才能实现长期监测，显然不适合没有电源的野外环境。Gao等[26]设计的土壤剖面水分传感器利用在20、30和50 cm深度位置安装3个传感器探头采集土壤含水率数据，通过反演推算来实现0～100 cm深度土壤含水率的测量，虽然实现土壤剖面多深度土壤含水率的测量，但是测量深度最小间隔是10 cm，且对不同土壤环境的适应性不是很理想。Ramadan等[27]设计的光伏土壤水分监测站通过在土壤水分传感器探头上安装四个探针来实现监测不同深度土壤水分含量，但是其探头间存在互换误差。

就目前的研究现状而言，前人提出的土壤剖面水分测量方法或系统普遍存在观测深度分辨率低、多传感器探头间存在互换误差、价格昂贵、野外供电困难的缺点。为克服上述弊端，本文以介电理论为基础，拟设计一种太阳能供电的能够在垂直剖面精细尺度上获取土壤含水率的低成本测量系统，并对系统性能进行测试与评估。

1 设备组成及原理

1.1 系统组成与功能

该系统由土壤含水率传感器模块（含PVC导管）、主控模块、太阳能供电模块和参数设置软件组成，系统组成如图1所示。传感器模块用来测量土壤剖面含水率，主控模块控制整个系统的正常运行，太阳能供电模块采用锂电池和太阳能电池板（安装于控制箱顶部）的配合为该系统提供电能，PC机上的参数设置软件通过蓝牙和主控与存储模块通讯，可根据实际需要设置传感器测量深度、测量深度间隔和测量周期，该系统的总体内部结构图如图2所示。该系统使用的PVC管外径只有25 mm，安装时用钻孔工具在土地上钻出对应安装孔即可，避免使用大型打钻设备，安装方便。

测量时，先将PVC管垂直安装至待测土壤中（长度可以根据实际测量情况进行定制，最大长度为2 m，根据观测对象根系分布确定试验的PVC导管长度），主控模块控制土壤含水率传感模块在PVC管中上下移动测量土壤含水率，并同步记录土壤深度信息。测量过程中，传感器探头首先在自身重力的牵引下，通过步进电机缓慢转动绕线轮匀速释放多芯电缆实现其自身的匀速下降；然后步进电机反向匀速转动绕线轮匀速回收多芯电缆，在多芯电缆的牵引下实现传感器探头匀速上升，传感器探头在匀速上升的同时，每移动设定的间隔深度后进行土壤含水率的测量。

1.太阳能电池板 2.控制箱盖子 3.电池 4.控制箱 5.绕线轮 6.系统控制板 7.PVC导管 8.传感器 9.电缆 10.接近开关 11.步进电机

1.Solar panel 2.Control box cover 3.Battery 4.Control box 5.Reel 6.System control panel 7.PVC conduit 8.Sensor 9.Cable 10.Proximity switch 11.Stepper motor

图2 测量系统总体内部结构图和实物图

Fig.2 Internal structure drawing and photograph of measuring system

1.2 传感器模块设计

由于水的相对介电常数（20 ℃下为81）远大于干土的相对介电常数（约为3），因此可通过测量含水土壤的相对介电常数来间接测定土壤的体积含水率[22]。该系统采用的是稳定性好、测量精度较高的频域土壤水分传感器作为测量装置[28-29]。对于基于电容的测量，传感器探头内部的高频振荡器（100 MHz）通过探头外部的一对平行环形金属电极产生一个边缘场，该边缘场穿透PVC导管延伸到土壤中，基于土壤成分之间的介电差异来测量土壤的体积含水率，高频率下的测量结果对盐分不敏感。其测量原理如图3所示。当土壤含水率发生变化时，传感器周围介电常数的变化引起阻抗（Z）的变化：

式中Z为阻抗输出，Ω；为含水土壤的介电常数，0为内部平衡阻抗，Ω；U和U为检波电路的输出电压，V。利用运算放大器放大U和U之间的差值，最后得到传感器的输出值0，其计算公式为

式中A为运算放大器的增益。将公式（2）带入公式（1）可以得到输出传感器电压0的最终表达式为

传感器探头内部为空腔结构，用来放置土壤含水率传感器检测电路板。其目的是减少传感器检测电路与传感器电极之间的传输线距离，从而减少因传输线带来的干扰。该系统使用的PVC管外径为25 mm，内径为23 mm。为保证传感器探头能顺利地在PVC管道中移动，将传感器探头主体设计为圆柱体，其外壁与PVC管内壁间预留些许间隙（<1 mm）。其模型图如图4所示。传感器探头顶端有金属片，用于被接近开关感知从而实现传感器位置校准。

1.3 主控模块设计

1.3.1 主控模块硬件设计

主控模块包括：微控制器（STM32F103RCT6）、步进电机驱动（AT2100）、步进电机、无线蓝牙（HC-06）、接近开关、TF存储卡、绕线轮等。微控制器通过步进电机驱动芯片控制步进电机的正反转，从而实现传感器探头在PVC管道中上下移动。传感器输出端连接着微控制器内部的模数转换模块（ADC），通过模数转换将传感器输出模拟量电压值转化为数字量并和当前传感器深度值同时存储起来。微控制器芯片的片上外设有RTC（Real Time Clock）模块，可为该系统提供时间基准。系统基于该时间基准进行测量周期的控制。系统能在无人监管的情况下实现长时间的数据采集与存储。数据存储在TF存储卡中。主控模块通过无线蓝牙可与PC机上的参数设置软件进行通讯。

接近开关安装在传感器探头的起始位置（PVC管最上端），在感知到传感器探头接近后，接近开关会向微控制器发出一个信号，微控制器控制步进电机停止转动，以保证每次测量时传感器探头的起始位置一致。传感器探头在测量时的实时位置通过步进电机的驱动脉冲计数确定。微控制器通过发给步进电机驱动芯片的脉冲个数来控制传感器探头在PVC导管内的移动距离，详见1.3.3节。此外，绕线轮内部为中空结构，在轴线上一端安装有导电滑环，多芯电缆通过导电滑环保证对传感器探头的供电和通信不受绕线轮旋转所干扰。

1.3.2 主控模块软件设计

对于该系统而言，其各项功能是通过软件和硬件配合实现，相较于硬件而言，软件算法的设计是实现其复杂多样功能的关键。图5为该系统的软件流设计程图。

系统开机后首先进行硬件和传感器位置初始化，然后等待上位机电脑设置配置参数和下达开始测量命令，如果在指定时间内未收到上位机的设置命令，就按照系统默认测量参数设置。每一轮测量周期开始后，系统控制步进电机使传感器探头开始匀速移动，完成测量后进入休眠状态以减少设备对电能的消耗，延长野外工作续航时间，等待下次测量开始时唤醒系统。

1.3.3 传感器探头深度控制方法

该系统中的步进电机为传感器探头的上下移动提供动力。步进电机通过减速器增加输出扭矩从而提高步进电机开始转动瞬间的可靠性。绕线轮上有均匀分布的螺旋沟槽，能使多芯电缆单层均匀分布于绕线轮外侧。该系统采用的步进电机规格为两相四线，其步距角度参数为1.8°。步进电机驱动芯片工作模式的脉冲细分数（n）为16细分。减速器的减速比（0）为57/11，绕线轮的绕线部分外径（0）为5 cm。微控制器向步进电机驱动芯片发送脉冲，调节并控制传感器探头的移动距离。理论脉冲个数与传感器移动距离之间的关系为[30]

式中0为减速器的减速比，n为步进电机驱动芯片工作模式的脉冲细分数，0为绕线轮绕线部分的直径，cm；为传感器探头单向实际移动距离，cm。

测量时，微控制器按照设定的测量深度和测量深度间隔根据公式（4）计算步进电机控制芯片所需的脉冲个数，从而实现对传感器探头位置的精确控制。

1.4 太阳能供电模块设计

太阳能供电模块包括：太阳能电池板（额定电压为18 V、额定电流为278 mA、峰值功率为5 W）、锂电池电池组（12 V 12 000 mA·h）、电压转换芯片（MP2359）、太阳能电池管理芯片（LTC4121）、锂电池管理芯片（LTC2944）。根据LTC4121官方数据手册给出其输入电压范围为4.4～40 V，输出电压可根据外围电路中调节电阻的阻值进行调节。该系统采用的锂电池组为三串两并锂电池组，额定电压为12.6 V。通过配置LTC4121外围调节电阻使其输出电压满足锂电池组充电需求。LTC2944具有温度、电压和电流测量功能。微控制器通过IIC通信读取LTC2944测得的锂电池组的电压、电流值，实现对锂电池工作状态的监视，以延长锂电池的寿命。MP2359将太阳能电池管理芯片输出的电压和锂电池组输出的电压转换为微控制器、传感器等可用的电压为整个系统提供电能。

1.5 参数设置软件设计

参数设置软件运行于Windows系统的个人电脑上，通过无线蓝牙与主控模块进行通信，可对该测量系统的相关参数进行设定。开发上位机软件的环境为Microsoft Visual Studio Community 2019，编程语言为C#。具体开发流程本文不进行详细介绍。

2 试验方案

2.1 系统性能测试

2.1.1 供电极限测试

该系统在不同的测量参数（测量深度、测量深度间隔、测量周期）下系统消耗电能的功率也不同。该系统采用一块3S锂电池进行供电。在供电极限测试当中，在无光照的情况下进行续航时间测试。系统的测量深度设定为60 cm，测量深度间隔为1 cm，测量周期为5 min。此外，在无光照的情况下系统进行不间断工作，观测电池电压变化。

2.1.2 传感器定位精度测定与校正

由于多芯电缆绕在绕线轮上与绕线轮之间有间隙，根据公式（4）理论计算得出的传感器探头移动距离与实际移动距离会产生偏差，所以需要通过试验对理论脉冲个数进行校准。试验过程通过上位机下达指令，使传感器探头移动到指定深度位置。设定下降深度分别为10、30、50、70 cm，并用米尺（量程100 cm，精度0.1 cm）测量传感器探头实际下降深度，每组试验重复5次并记录实际每个深度下5次传感器探头实际下降的深度，然后带入公式（5）计算偏差。

式中l0为设定的下降深度，cm；l为每次实际到达的深度值，cm；为标准偏差。

2.1.3 传感器标定与精度检验

从农田取回粉壤土（各部分质量分数：砂粒含量11%、粉粒含量71%、黏粒含量18%）和砂土（各部分质量分数：砂粒含量91.9%、粉粒含量8.1%、黏粒含量0%）过2 mm孔径筛，再将其置于干燥箱（105 ℃，24 h）干燥。水与干燥土样分别按照不同的体积含水率进行混合，再将配水后土样按照干容重1.2 g/cm3装入容器（直径15 cm，高20 cm），密封静置48 h使土壤中的水分达到均匀分布。标定过程在室温（25 ℃）下进行。标定过程对每个土样采集5次，取算术平均值，最后测量的传感器电压值和配置的实际土壤体积含水率进行拟合。为了检验该系统含水率测量精度，将水与干燥粉壤土分别按照体积含水率5%、10%、15%进行混合，分别装入3个容器（直径25 cm，高15 cm）中，每个容器中土样深度为14 cm，层与层之间有1 cm厚的隔水板。容器底部中心留有直径25 mm的孔，用于安装PVC管。将3个容器从上到下按照体积含水率5%、10%、15%堆叠放置，最上层容器的顶部用盖板密封，阻绝土壤与空气之间的水分交换。基于样本顺序，用该系统进行测量（在每个土样中每隔2 cm测量一个点，每层土样测量8个点）。

2.1.4 锂电池电压变化对传感器影响试验

本试验将系统传测量模式设置为单点测量、测量周期为1 h；传感器置于密封的土壤环境中，系统同时获取传感器输出电压和锂电池电压，观察锂电池在放电时电压变化对传感器输出值的影响。试验时长为155 h，共采集到155个试验数据。

2.1.5 锂电池充电测试

在试验当中关闭步进电机电源用来模拟单点测量的工作状态。将该系统安置在实验室阳台利用太阳能电池板对系统供电，系统自动检测并记录锂电池电压和电流状态。同时利用山东仁科测控技术有限公司生产的光照度变送器采集实验室阳台一天的太阳光强度变化情况。由于实验室楼层遮挡的原因，实验室阳台在中午12:00以后才能受到太阳光照射。

2.2 滴灌条件下土壤入渗试验

为检验该系统在实际测量过程中的动态响应性能，分别用两种不同质地的土壤样本在不同的滴水速率下进行土壤入渗试验。

2.2.1 滴灌条件下粉壤土入渗试验

从农田取回粉壤土（质地与操作同2.1.3），再将其置于试验室环境内进行自然风干。取干燥后的粉壤土样装入一个直径为15 cm、高度为50 cm的容器中，将本测量系统的PVC管安装在土样中（图6）。在土样最上方以6 mL/min的速率将水滴入土样中，同时用该系统测量（测量深度为45 cm，测量深度间隔为1 cm，测量周期为5 min）缓慢入渗过程土壤含水率的动态变化。试验时长为2 775 min，采集到555个试验数据。

2.2.2滴灌条件下砂土入渗试验

按照图6试验装置将试验土样换成砂土（质地与操作同2.1.3），滴水速率设置为15 mL/min。用该系统测量（测量深度为44 cm，测量深度间隔为1 cm，测量周期为2 min）快速入渗过程土壤含水率的动态变化。试验时长为66 min，采集到33个试验数据。

2.3 大田观测试验

为检验本文开发的测量系统在大田环境中的实际测量效果，于2021年3月26日起在北京市小汤山国家精准农业研究示范基地（试验区地理位置为116° 26' 39″ E，40°10'43″N）进行了田间试验（以3月26日至4月2日的测量数据为例）。在基地的冬小麦示范田中，根据测量系统中PVC导管的尺寸在土壤中开孔并将PVC导管埋入，安装测量系统。在参数设置软件中将测量深度、测量间隔深度和测量周期分别设置为80 cm、5 cm和1 h。

3 结果和讨论

3.1 系统测试

3.1.1 供电极限结果与分析

系统的测量深度设置为60 cm，测量点间隔距离设置为1 cm，测量周期设置为5 min，在无光照射的情况下，系统电池的续航时间测试中共续航3 510 min，采集到的数据为1 404个。功耗测试结果表明工作功率为1.4 W，待机功率为0.35 W。根据二者的大小关系，在无光照情况下，当测量周期为1 h、测量深度为60 cm、测量点间隔距离为1 cm时，系统能续航13 d左右。图7为系统在不间断测量状态下（无待机状态下的极限测试）电池电压的变化情况。从图中可以看出电池放电均匀，能够连续稳定工作约4 d。

3.1.2 传感器定位精度测定与校正

通过公式（4）可以计算出传感器探头每移动1 cm需要的脉冲个数为1 056个。根据公式（5）计算标准偏差分析后结果如图8所示。从图中看出随着深度的增加，传感器实际移动深度与设定深度的偏差在不断增大，累计误差系数为0.03 cm/cm，测量深度范围的平均标准偏差约为1 cm。出现这种结果的原因是多芯电缆的直径比绕线轮上沟槽直径小，致使缠绕在绕线轮上多芯电缆所在的环形区域直径比理论值小，从而导致在理论脉冲下传感器探头移动的距离小于设定值。通过实际观测，最终传感器探头每移动1 cm需要的脉冲个数校正为1 088个。经过校准后提升了系统的定位精度，累计误差系数为0，测量深度范围的平均标准偏差小于0.2 cm。在实际测量中，该系统能按照设定要求控制传感器探头到达土层的指定深度，为精确获取每一个深度土层的土壤水分信息提供了有力保证。

3.1.3传感器标定与精度检验结果

在传感器标定试验中，如图9所示为传感器的标定曲线。

a. 土壤水分传感器标定曲线

a. Calibration curves of soil moisture sensor

b. 分层土壤含水率

b. Soil moisture content measurement at layered soils

图9 两种质地土壤水分传感器标定曲线及分层土壤含水率测量结果

Fig.9 Calibration curves of soil moisture sensor with two soil textures and result of soil moisture content measurement at layered soils

由图9a可以看出两种质地土样的体积含水率（Volumetric soil moisture content）与传感器输出电压均呈二次曲线关系，2分别为0.991 6和0.996 5。传感器精度检验试验结果如图9b所示，系统测得的3层土样的剖面水分，呈阶梯状变化。通过传感器测定的每一层土样的含水率平均值（第一层：0.050±0.002 cm3/cm3，第二层：0.100±0.006 cm3/cm3，第三层：0.150±0.001 cm3/cm3），表明该系统测量结果与实际土壤体积含水率高度吻合。传感器在每一层土样中测量的第一个点和最后一个点由于受1 cm隔水板的影响，其测量值低于实际土壤体积含水率。在整个试验结果中可以看出，该系统通过利用脉冲计数与接近开关的配合能很好的控制传感器探头在实际测量中的位置，精确地测量出不同深度的土壤剖面水分信息。

3.1.4 锂电池电压变化对传感器的影响

根据获取到的155个试验数据绘制锂电池电压和传感器输出电压随时间变化曲线，如图10所示。由图可知，锂电池放电过程电压变化均匀，当锂电池电压低于10.2 V时，电池电压迅速下降，这是由于锂电池电压接近放电截止电压所致。该系统配置的锂电池内部有防止锂电池组过充电和过放电保护板。由于锂电池内部有防止过充电和过放电保护电路，当锂电池电压低于9.225 V时，锂电池内部保护电路断开，系统停止工作。从试验数据中可以看出在整个试验过程中电池电压变化了约3.2 V，传感器输出电压仅有5 mV波动变化，可见，锂电池正常供电的情况下电池电压变化对传感器的输出电压几乎无影响，这也表明该系统传感器的稳定性高，不受锂电池变电压变化的影响。

3.1.5 锂电池充电测试结果与分析

锂电池充电测试结果如图11所示。由图可知，在中午12:00之前由于光照强度较弱，太阳能电池管理芯片并不能将其转化为锂电池充电所需要的电压。此时整个系统正常运行所消耗的电能来自于锂电池，电流约为−0.027 A（放电状态）。在中午12:00以后，由于太阳能电池板接收到充足的太阳光的照射，太阳能电池管理芯片将太阳能电池板输出的电压转换为锂电池充电所需要的稳定电压，锂电池电压发生跳变，从而把锂电池输出端电压拉高。在中午12:00之后到15:30之前，太阳能电池板所接收的太阳光照强度大于2 200 lx，可使太阳能电池板稳定输出电能。此时锂电池电流约为0.125 A（充电状态），太阳能电池板转化出的电能在维持系统正常工作的同时还能为锂电池充电。从本试验结果可以看出，该系统若安装在阳光充足的大田，系统中安装的太阳能电池板能为系统长期监测土壤含水率提供了必要条件。

3.2 滴灌条件下土壤入渗试验结果与分析

图12给出了1、5、10、15、20、25、30、35 cm深度下粉壤土和砂土的体积含水率随时间的变化规律。从图中可以看出，浅层土壤体积含水率变化先于深层土壤，每层土壤含水率都是先上升，最后达到饱和，数值基本保持不变，与土壤水分入渗规律相符。在此过程中，该系统能够捕捉到两种质地土壤表层（1 cm深度）由干到饱和的整个过程，特别是在滴水速率较快的砂土中也能很好的捕捉到这一过程，这表明该系统及其所搭载的土壤含水率传感器在测量过程中动态响应迅速。此外，由于两次试验中滴水速率不同，从图12的试验观测结果中也可以看出：该系统响应迅速，能观测到不同滴水速率下土壤体积含水率的动态变化过程。根据图中曲线，在10 cm深度位置，粉壤土含水率上升阶段曲线的拟合直线斜率为0.000 8 cm3/(cm3·min)，砂土含水率上升阶段曲线的拟合直线斜率为0.0213 cm3/(cm3·min)，很显然粉壤土水分入渗速率远小于砂土，这符合试验参数设定值。

3.3 大田观测试验结果分析

系统测量的小麦根区土壤剖面水分动态变化过程如图13所示（3月26日至4月2日）。由图可知，0～60 cm的土壤含水率逐天降低，而60 cm以下的土壤含水率无明显变化。此外，土壤含水率随时间的变化率随着土壤深度的增加而逐渐减小，这是由于返青期冬小麦根区分布主要集中在0～70 cm土壤范围内，但是对根区土壤水分的消耗主要集中在0～20 cm和20～40 cm土层[10]。综上所述，大田观测试验结果表明：本研究开发的测量系统不仅能够准确、完整地表现出返青期冬小麦根区土壤剖面含水率的动态变化，能够实现土壤剖面水分的自动原位自动监测，具有较高的实用价值。

4 结 论

本文研制了一种太阳能供电的土壤剖面水分动态原位自动监测系统。该系统采用单一传感器探头测量土壤剖面水分，标定曲线的决定系数2均大于0.99，不存在多探头互换误差，较传统多探头测量方法精度高；探头深度定位绝对误差小于0.2 cm，深度定位精确；装有大容量锂电池，在非测量阶段进入休眠状态，其工作时功率为1.4 W和待机时消耗功率为0.35 W，太阳能电池板的峰值输出功率为5 W大于该系统的消耗功率，可为该系统提供较长的续航时间，实现在野外的长期连续监测，也可用直流电源直接进行供电，在可提供市电的设施农业环境中也能够实现连续监测；可根据实际测量情况通过PC机参数设置软件对测量周期、测量深度、测量深度间隔等相关测量参数进行修改，测量方式更为灵活。系统安装过程中，只需用小孔径钻头（25 mm）在土壤中钻孔安装PVC管即可，避免使用大型打钻设备，安装方便。该系统实现了水分入渗过程中土壤剖面不同深度水分的变化规律的原位自动监测和大田环境植物生长过程中根区土壤剖面含水率原位自动监测。

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Development of a novel solar-powered system for in-situ automatic monitoring of soil water dynamics in a soil profile

Xiang Yang1, Yu Song1, Xu Qiang1, Cheng Xianglin1, Zhu Yufan1,Lao Cailian1, Yan Xiaofei2, Cheng Qiang1※

(1.,,100083,; 2.,,100083,)

Commercial sensors of soil moisture normally cannot specifically observe the customized water content of soil profile, with emphasis on unadjustable measurement depth, interchange errors among multi-sensor probes, high cost, and difficulty in power supply for long-term monitoring in the field. In this study, a novel solar-powered system was developed to in-situ and long-term monitor the water content of soil profile in the field using dielectric tube sensors. Three parts included the power supply, measurement, and storage subsystem. The power supply subsystem was composed of the solar and lithium battery for long-term monitoring of the water content of soil profile in the field. A control panel was also utilized in a measurement subsystem to control the vertical movement of a dielectric tube sensor and simultaneously measure the soil water content and depths of the soil profile. The communicated system was installed with the upper computer software through Bluetooth. The operational parameters were set flexibly in the actual requirements, including the depths, spacing distance, and measuring periods. A storage subsystem was then used to record real-time measurements of the water content of the soil profile. A series of experiments were conducted to validate the performance of the developed system. The maximum output power of the solar panel was 5 W, greater than the working power (1.4 W) and the standby power of the system (0.35 W), which can make it possible for the system to achieve long-term endurance in the sunny outdoor. The solar-powered supply test showed that the novel system satisfied the high requirements of long-term running with the combination of solar and lithium batteries. The system lasted about 13 d without light, whereas worked sustainably under sufficient light. In addition, the voltage of the lithium battery changed by 3.2 V during the whole discharge, while the output voltage of the sensor only changed by 5 mV, indicating that the output voltage of the sensor was fully independent of the voltage of the lithium battery. A drip irrigation experiment was performed on two soil samples (sand and silt loam soil) with different drip irrigation rates, further to test the position accuracy of a system. High accuracy was achieved in the measurements of soil water content with a high consistent relationship (2>0.99) between actual volumetric water contents and converted one via the calibration curves of the sensors. The novel system accurately positioned the depth of the sensor probe in the soil profile with a positioning error of less than 0.2 cm. Furthermore, the infiltration experiments in two drip irrigation showed that the developed system accurately and completely characterized the dynamic of water content in soil profiles during infiltration with different drip irrigation rates. The finding can provide reliable technical support to in-situ monitoring the crop growth state and moisture change of root zone for reasonable irrigation strategy.

soil water content; sensor; soil profile; low power consumption; solar-powered; in-situ automaticmonitoring

2020-11-28

2021-03-05

国家自然科学基金资助项目（31871527）

向阳，主要研究方向为精细农业传感器与检测设备。Email：xiangyang_office@126.com

程强，副教授，博士生导师。主要研究方向为精细农业先进传感技术与数据分析处理方法。Email：chengqiang@cau.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2021.07.018

TS210.4

A

1002-6819(2021)-07-0150-08

向阳，于淞，徐嫱，等. 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[J]. 农业工程学报，2021，37(7)：150-157. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.07.018 http://www.tcsae.org

Xiang Yang, Yu Song, Xu Qiang, et al. Development of a novel solar-powered system for in-situ automatic monitoring of soil water dynamics in a soil profile[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2021, 37(7): 150-157. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.07.018 http://www.tcsae.org