对于绝大多数植物，土壤湿度在60%-85%为最佳生长环境，含水量低于65%~69%田间持水量时光合速率随土壤含水量的增大而增大，高于65%~69%田间持水量时，光合速率随土壤含水量的增加而降低[4]；低于40%或者大于90%时，光合作用会受阻，导致植物生长不良[5]。
然而，现阶段对于土壤湿度的检测和测量范围大多数仍然是Topp停留在0~22%。
另外，土壤湿度的测量和探讨也基本限制在土壤介电常数与土壤湿度的关系
上，虽然对绝大多数的土壤已经足够，但是对于一些比较特殊的土壤结构，如红
壤，其土壤中含大量的Fe和Al，土壤固相介电常数增大，当湿土中磁铁矿含量大于5%就可以使介电常数偏大，而红壤中的磁铁矿含量可以达到15%，显然使用统一的介电常数与湿度关系表达式以难以模拟红壤等特殊土壤的含水量情况。
对于使用土壤电容特性表达土壤含水量的研究极少[6]。
1.2国内外研究现状
1.2.1国外土壤测量技术方法发展现状
土壤水分快速测量在工农业生产和自动化系统中具有巨大的应用潜力，许多
学者对于土壤水分快速检测技术的进行了大量的研究。
在此领域内起步最早的是
外国的众多学者，并取得了骄人的成果，为土壤检测技术奠定了理论基础。
1922年，Gardner从土壤的张力角度对土壤湿度快速测量进行了研究，此后的10年对于土壤的非饱和性与土壤张力的关系有了更加深刻的研究[7]；1939年，Bauer从土壤电导性质对土壤的含水量关系进行了研究，他将热导电阻埋入途中，建立土壤电阻特性与含水量之间的关系[8]；1940年，Anderson将音频电桥理论引入到土壤含水量检测中[9]；1950年，Belende提出了利用中子衰减原理对土壤含水量进行快速检测，两年后GardnerKirknam再次证明了中子法的有效性和可行性，此后由于中子法具有高精确度等特点被广为称颂，后因中子法具有辐射等重大副作用被政府所取缔；1976年，Topp等首次利用TDR（时域反射法）原理对土壤进行了快速测量的研究，通过大量的试验研究，提出了Topp全经验公式，这大大的推动了土壤快速检测仪的发展，对土壤检测仪的应用具有跨时代的意义，使土壤水分检测得到了学者和农业种植业的广泛重视；1999年，龚元石等证实TDR测量法受容重和温度影响；2004年，Hook等使用TDR测量仪进行土壤含水率测量，研究结果表明TDR受盐分影响较大[10]；2009年，冯炜等利用TDR原理设计了相关测试仪，其测量误差在4%左右。
1983年，Hainsworth等以X-射线为理论基础对土壤快速水分检测进行了可性能分析[11]；1991年，Whalley提出了利用红外线检测法，此后该理论被日本学者引用并付诸于大量的研究试验，最终让红外线土壤水分传感器横空出世；1992年，Wagenningen等开创了FDR（频域反射法）技术，并基于FDR原理开发了相应的传感器，为FDR法的批量生产提供了关键性技术支撑，FDR法一致性较差（孙宇瑞等2006），需要大量的校验，这是该仪器进行移植时的重大缺陷，但校验后检测准确度非常高（陈海波等2009）；1999年，赵燕东等利用驻波法对土壤含水量进行了测量和分析[12]，证实了驻波法的准确性；2002年，赵燕东等对驻波法的测量范围进行了分析；2003年，ARS与瓦尔蒙特公司合力开发了智能红外湿度检测计；2013年，郭文川等研究了土壤容重和温度对FDR传感器的影响，并建立了土壤容重、温度与FDR传感器输出信号的关系模型，该研究为温度补偿和容重补偿提供了理论依据。
1.2.2国内土壤测量技术方法发展现状
1960年前后，我国在实验室条件下使用射线法土壤含水量试验；十九世纪70年代，西安电子科技大学开发了SVJ-3型微波水分测定仪；1982年，巫新民、
王伟等利用阻抗方法对土壤含水量进行了检测研究；此外，随着国家对该项目的
重视，相关高校和研究机构都从事与土壤水分测试技术的研究，其中陈本华等对
毛细管张力法展开了研究，马孝义等针对介电常数法进行过大量的试验工作；2002年，王一鸣教授等人对驻波法进行了深入研究，并成功研制SWR型传感器。
经过半个多世纪的研究，我国在土壤水分快速测量技术方面的研究也从用传统的烘干方法到电阻法、电容法、驻波法、射线法等快速高效的方法方向上发展。
就目前的情况而言，这些测量方法的测量精度基本都受到传感器精度的限制。
为此，国内迫切的致力于高精度、体积小、功耗低、稳定性强、成本低的土壤水分检测仪的研发，并在国家自然科学基金、国家“863”项目等课题项目中进行立项，力求投入大量的人力物力推动土壤水分检测的快速发展，发明和创造出符合中国农业国情的在线式实时土壤检测仪和物美价廉的便捷式水分测量仪[13]。
1.3研究目标与内容
1.3.1研究目标
（1）土壤湿度与介电常数关系模型的对比分析和研究。
（2）设计一种土壤湿度检测方法，将土壤容值与土壤湿度进行有效的数据
转换。
（3）通过大量的试验和对数据的分析，拟合电容值与土壤湿度回归方程，
通过分析不同拟合方式并选取最佳的拟合方程。
（4）在一定精度条件下较为准确的测量出土壤的相对含水率，综合误差达
到3%以内。
1.3.2研究内容
（1）选择适合电容法检测土壤湿度的介电模型，对模型进行等效电路处理，
建立电信号与土壤湿度数据关系。
（2）对土壤特性进行分析，研究不同频率对土壤中各种电特性的影响，选
取适当频率的信号源。
（3）对田间自动化管控系统，终端控制、总线分配器的研究。
（4）检测电路前端设计，单元设计，温度采集与电源转换模块设计。
（5）拟合方式分析与对比，湿度检测仪对比与误差分析。
第2章农田自动化总体管控方法
田间土壤湿度检测是田间自动化总体管控方法的中心环节[14]，也是本文研究的重点。
为了较为系统的了解田间土壤湿度检测技术，本章将对田间自动化总体管控方法做简要介绍和概述。
2.1农田自动化管控方法
图2-1为Zigbee组建而成的田间自动化管控方法，主服务器通过RS232串口可以直接与总线分配器连接，控制总线分配器从而控制终端控制器与终端设备通信，终端设备将检测到的检测值上传到主服务器PC端或智能气象站系统；PC主服务器也可通过Zigbee组成无线网络，通过无线网络与终端设备进行通信，主服务器可收集和控制整个农田群的终端设备，进而对整个农田网络的土壤湿度进行在线检测和控制。
图2-1Zigbee无线检测网络
2.2农田智能气象系统
田间气象自动化观测对提高农业气象业务有重大意义，它是防灾减灾、适应现代气象发展的重要举措，通过此系统，可以实时对土壤环境和田间气候进行监测，趋利避害，真正掌握植物生长的实时信息。
如图2-2为田间智能气象系统：
图2-2田间智能气象系统
该系统可通过参数设置对植物生长情况进行相应的最佳设置，使相应的植物
在最佳生长环境下生长；采集控制可设置采集数据的频率；数据获取相当于中断
控制，可手动或机械的对数据进行获取；数据显示可将采集的数据以图像的形式
显示在PC机或智能气象站系统中；执行设备控制机电控制器实施相应施肥、灌
溉、补光等动作；自动报警系统为气象出现紧急情况所产生的报警系统。
如图2-3所示为农田智能气象系统工作原理，图中，无线传输模块可根据通讯距离分为短距离、中距离、远距离三种无线传输方式[15]，经过考察最后选定ZigBee网络作为无线传输模块。
信息采集系统包括雨量测量、风速检测、风向检测、光照采集、气压检测、
土壤含水量检测、空气湿度检测、土壤PH值检测、空气温度检测、土壤湿度检
测以及今后的土壤养分检测和水培含氧量检测等。
图2-3农田智能气象系统工作原理
2.3终端控制器
手动控制时，当点击控制键，PC机收到命令后，将发送控制指令，并等待
响应，如果此时终端控制器收到数据后，马上响应成功，则PC机指示操作成功。
这个操作动作速度是不由PC机控制的（每点一次操作，PC机只发一次命令）。
如果中断控制器来不急处理，可以不用发应答信息，此时PC机将以黄色取待操
作键，直到下次轮询时，如果操作成功，则指示操作成功。
需要定时控制的设备采用双电源供电，初始由总线管理控制，节点运行后由
自身定时控制，有效时间内可以远程控制关闭设备。
这样有助于产品绿色节能化，
并保证每个设备不会失控。
也可以由总线一直供电控制。
整个系统采用巡检模式，设备采集控制终端节点理论上是可以无穷数。
但实
际是需要功率支持，所以一般是小功率控制（1.5A以下），多条分时控制，每条总线视节点设备最低功耗电流值加最大动作电流增加20%余量进行布点。
当脱机终端控制时，反馈信号都由终端控制器接收，控制器进行相应的信息处理，终端控制器构架如图2-4所示：
图2-4终端控制器构架
PC选择是否由终端控制器进行终端服务的脱机控制平台，当由PC机的软
件修护和更新够完善，脱机的终端控制器具有极其优良的便利和使用特性[16]，脱机控制节省了大部分的人力和物理，稳定性等方面都十分值得信赖。
2.4总线分配器
2.4.1总线分配器原理
总线分配器是全双工RS232总线通讯扩展板，作为整个系统的总线控制器，
通过232串口线挂接到总线上，同时扩展6个232接口供其它模块挂接到总线上。
总线控制器的每路232串口可以独立全双工传输互不影响，当挂接的设备出现故障（甚至短路）时总线控制器可以自动辨别设备状态（工作、故障等），并将此接口屏蔽，避免了因一路通讯故障而影响整个系统的运行。
整个总线可以以星形方式组网（总线控制器依次串接的方式扩展总线），组网方式灵活多变，便于现场实际的安装，以及预留总线挂接口。
挂接到总线上的设备均严格按照通讯协议传输数据进一步的增强了系统可靠性（尤其是机电控制器类的执行设备）。
和工业上应用的modelbus比较具有智能诊断，挂接灵活，更可靠等优点。
PC机与总线分配器进行串口全双工通信，当PC机发送信号“1”或者
“0”，总线分配器接收到信号“1”或者“0”的同时将信号传递给下级的终端
设备；当6个串口的任意串口有一个发生“异常”，异常信号传递给总线分配器，
从而传送到PC机或终端控制器上进行数据处理，判断是哪种指标发生异常，并
对此做出正确的处理。
2.4.2总线分配器应用
总线分配器是农业自动化的一个重要端口扩展模块，用于将总线进行分配和
扩展，在总线分配器下可用于接相同或不同的终端设备，例如：
湿度控制子系统，
温度控制子系统，光照控制子系统，CO2控制子系统，水肥控制子系统，水流
速子系统或另一个总线分类器。
当连接另一个总线分配器的时候，此系统又可继
续延伸扩展下去，又可连接下一个湿度、温度、光控、CO2控制等子系统，实
现多参数测量的目的，总共的参数与扩展端口的个数的推导公式满足5n+1的关
系，其中：
n是总线分配器端口个数。
如图2-5图所示，为总线分配器与PC上
位机和终端子系统结构连接原理。
图2-5总线分配器原理
光照传感器，CO2传感器，土壤传感器等检测电路每隔20s-30s采集一次数
据，并将数据显示在LED上。
当采集的数值超过或者低于标准规定的植物生长
的最佳值，PC机通过接收到的数据进行相应的处理。
例如小麦的生长湿度一般
为75%左右为最佳，当湿度低于60%不利于小麦的生长，那么当湿度低于60%
时，PC机控制土壤机电控制器，从而进行水补偿；反之，但湿度大于90%时不
利于小麦的生长，水泵停止工作；当湿度大于95%甚至更高时，发生洪涝，此时，
PC机指挥水泵进行抽水动作以保护小麦的合理生长环境。
第3章土壤湿度检测电路单元设计
本章将对土壤湿度检测电路单元设计进行分析和阐述。
通过对单信号源与双
信号源的差异分析，选取了适合开发条件的双频作为介电参数采集的信号源；借
鉴对介电模型的讨论结果，本章将较为详细的介绍通用改进模型，并对高、低频等效电路的参数选取，电源转换模块，温度采集模块等给予分析设计。
3.1信号源选取
土壤成份比较复杂，它是水、空气、土壤三者的混合物，其电特性参数包含
电阻量、电容量和微量电感量[17]。
现阶段，主流的土壤湿度检测仪都基本采用单频率信号源作为探测信号，如基于频域法的SM2901，KM2802B，LT-CG-S/D等系
列水分传感器，基于时域法的GWI-AQUA-TEL-TDR传感器，基于驻波法的
BZH12-SWR3传感器等。
单频率信号源在频率足够高（大于15.9MHz）时，容
抗值会很小，在相对土壤湿度较高时，容抗值只有上百欧姆甚至几十欧姆，而土
壤中的阻抗值达到10k左右，两者的并联阻抗约等于容抗值。
而根据结果表明：
频率在100-500MHz的范围内，土壤的微观电特性具有很好的一致性，所以选择100MHz-500MHz的高频信号是比较好的单频信号源。
单频信号源的优点在于信源单一，电路简单，转换为湿度时考虑的变量较少，便于快速计算，而不足之处在于易受土壤盐度、金属含量等导电介质的影响[18]，因为导电介质过高时，土壤阻抗急速下降，与容抗并联后的阻抗将产生相对较大的波动，致使测量结果出现偏差。
本文采用双频信号源，虽然在电路设计、信号处理和转换等方面都更加复杂，
但在一定程度上弥补单频信号源的不足，为了保证测量的精度，必要的牺牲是值
得的。
值得注意的是，采用高、低双频对土壤电特性参数进行检测将受所选器件
和芯片本身的限制[19]，能够提供的信源受到一定的限制；根据土壤中的电抗特性可以推算出采信源频率的选取应该在（100kHz，300kHz），但双频时候若都选择在此区间，则两个频率太接近而无法很好的分离而产生很强的信号干扰很难用滤波器滤除，选取双频信源时，较高频率最好在较低频率的50倍
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