土壤濕度和pH值監(jiān)測(cè)確保優(yōu)良種植環(huán)境，促進(jìn)數(shù)字化轉(zhuǎn)型下的糧食安全

“保障好中國(guó)14億人的糧食安全，就是對(duì)世界巨大的貢獻(xiàn)。” 國(guó)務(wù)院總理李克強(qiáng)在最近國(guó)務(wù)院的一場(chǎng)會(huì)議中指出。民以食為天，14億人口大國(guó)的糧食安全是重中之重，保障糧食安全事關(guān)國(guó)家安全和發(fā)展大局，是推進(jìn)農(nóng)業(yè)農(nóng)村現(xiàn)代化的首要任務(wù)。按照黨中央、國(guó)務(wù)院部署，近年來(lái)各地各有關(guān)部門(mén)全力抓好農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，糧食連年豐收，重要農(nóng)產(chǎn)品供給充裕，做到了谷物基本自給、口糧絕對(duì)安全，為促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)穩(wěn)定發(fā)展提供了堅(jiān)實(shí)支撐。

在國(guó)家推進(jìn)各行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的今天，提高糧食安全也離不開(kāi)科技的應(yīng)用。農(nóng)作物的高產(chǎn)量高品質(zhì)培育離不開(kāi)良好的生長(zhǎng)環(huán)境，包括合適的溫度、濕度、土壤酸堿度以及光照條件等，為此電子數(shù)碼科技可以發(fā)揮積極作用促進(jìn)農(nóng)業(yè)種植的數(shù)字化轉(zhuǎn)型，例如土壤監(jiān)測(cè)。本文說(shuō)明如何測(cè)量土壤濕度和pH值，以及基于溫度測(cè)量電路進(jìn)行溫度補(bǔ)償?shù)脑O(shè)計(jì)思路。

土壤pH值和水分含量監(jiān)測(cè)是科學(xué)種植的關(guān)鍵

保持適當(dāng)?shù)耐寥篮亢蚿h值是植物種植者在任何生產(chǎn)規(guī)模中的基本要求。土壤水分不足直接轉(zhuǎn)化為任何植物的光合作用下降，以及其他重要的豆科作物如大豆的固氮等生物過(guò)程的下降。而施肥或自然現(xiàn)象對(duì)土壤的影響會(huì)極大地影響土壤酸堿度，從而導(dǎo)致基本微生物和土壤養(yǎng)分的減少。在一些作物中，早期生長(zhǎng)階段土壤酸堿度的不當(dāng)導(dǎo)致生長(zhǎng)速率和最終產(chǎn)量下降。

傳統(tǒng)種植靠經(jīng)驗(yàn)對(duì)土壤進(jìn)行判斷，已經(jīng)不能適應(yīng)當(dāng)前科技時(shí)代的要求了，為了測(cè)量這些土壤特性，開(kāi)發(fā)人員需要設(shè)計(jì)高成本效益模擬信號(hào)鏈，能夠?qū)⒃紨?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成特定土壤測(cè)量應(yīng)用所需的有用信息。

圖1所示電路是一種完整的單電源、低功耗、高精度解決方案，用于土壤濕度和pH值測(cè)量，包含溫度補(bǔ)償功能。該電路針對(duì)容性土壤濕度傳感器進(jìn)行了優(yōu)化，這類(lèi)傳感器對(duì)水的鹽度不敏感，并且不會(huì)隨著時(shí)間推移而受到侵蝕。

該電路還能測(cè)量土壤pH值，此功能適合多種不同應(yīng)用。電路所需總電流（不包括濕度傳感器）最大值僅為1.95 mA。利用脈寬調(diào)制(PWM)信號(hào)，僅在需要使用濕度傳感器的很短時(shí)間內(nèi)使能傳感器，可以最大程度地減少其所需額外功耗。

圖1 土壤濕度、pH值和溫度測(cè)量的簡(jiǎn)化電路

pH值測(cè)量

對(duì)于大多數(shù)農(nóng)作物，最適宜的土壤pH值是5.2到8.0。所有植物都會(huì)受極端pH值影響，但它們對(duì)酸度和堿度的耐受程度有很大不同。有些植物能在寬范圍的pH值下生長(zhǎng)良好，但也有些植物對(duì)酸度或堿度的細(xì)小變化非常敏感。

可使用組合pH電極來(lái)測(cè)量pH值。它由一個(gè)參考電極和一個(gè)環(huán)繞其周?chē)耐牟Ａщ姌O組成。pH電極產(chǎn)生一個(gè)對(duì)應(yīng)于土壤pH值的小直流電壓。對(duì)測(cè)得的pH值進(jìn)行評(píng)估，確 定其是否在特定作物生長(zhǎng)所需的pH值范圍內(nèi)。然后利用該方法，通過(guò)提升pH值（增加鈣等酸性中和劑）來(lái)校正土壤酸度，或通過(guò)降低pH值（如增加硫）來(lái)降低堿度。

因?yàn)閜H傳感器一般具有較高的阻抗輸出（約1 GΩ），無(wú)法驅(qū)動(dòng)ADC輸出，所以需要一個(gè)高精度運(yùn)算放大器來(lái)緩沖傳感器輸出。由于傳感器的輸出阻抗高，為了最小化偏置誤差，低運(yùn)算 放大器輸入偏置電流就非常重要。在本電路設(shè)計(jì)中，使用了ADA4661-2 軌到軌運(yùn)算放大器。pH傳感器提供雙極性輸出，輸出的最大信號(hào)為±414 mV。AD7124的內(nèi)部偏置生成器可用于將其輸入共模電壓設(shè)置為 AVDD/2, 從而在傳感器輸出端產(chǎn)生 AVDD/2 ± 414。

電路利用ADA4661-2精密運(yùn)算放大器緩沖高阻抗pH值探針輸出并驅(qū)動(dòng)ADC。ADA4661-2是一款雙通道、精密、軌到軌輸入/輸出放大器，針對(duì)低功耗、高帶寬和寬工作電源電壓范圍應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化。為使流經(jīng)高輸出阻抗（約1 GΩ）pH傳感器的偏置電流引起的失調(diào)誤差最小，典型輸入偏置電流為0.15 pA。ADA4661-2的失調(diào)電壓僅有150 μV。

pH傳感器輸出是雙極性信號(hào)，25°C時(shí)最大值為±414 mV。AD7124-8采用單電源工作，因此pH探針應(yīng)偏置到地以上，使其處于AD7124-8的可接受共模范圍之內(nèi)。AD7124-8的集成特性之一是其內(nèi)部偏置電壓發(fā)生器，它將一個(gè)通道的共模電壓設(shè)置為AVDD/2或1.65 V。這個(gè)來(lái)自ADC的偏置電壓被施加于pH探針屏蔽層，并將傳感器輸出設(shè)置為1.65 V ±414 mV（25°C時(shí)）。

pH值測(cè)量的溫度補(bǔ)償

圖2 RTD溫度測(cè)量電路

pH值測(cè)量通常需要溫度補(bǔ)償，因?yàn)闇囟葘?duì)pH探針的靈敏度有重大影響。pH探針在25°C時(shí)的理想輸出為59.154 mV/pH，但會(huì)隨著被測(cè)樣本的實(shí)際溫度而變化。溫度測(cè)量采用三線電阻溫度檢測(cè)器(RTD)進(jìn)行，如圖2所示。該溫度測(cè)量電路是一個(gè)基于24位Σ-Δ型ADC AD7124-8的3線式Pt100電阻溫度檢測(cè)器(RTD)系統(tǒng)。pH值測(cè)量的溫度效應(yīng)可利用RTD溫度來(lái)補(bǔ)償。

土壤濕度測(cè)量

影響農(nóng)作物生長(zhǎng)和產(chǎn)量的一個(gè)重要因素是土壤水含量。因此，土壤濕度測(cè)量對(duì)農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)中的水保護(hù)十分重要。當(dāng)今業(yè)界使用的常見(jiàn)土壤濕度傳感器大多是容性傳感器。容性傳感器測(cè)量土壤的水含量，土壤總量中的水量會(huì)影響介電常數(shù)。水的相對(duì)介電常數(shù)εr = 80，遠(yuǎn)大于土壤中其他元素的相對(duì)介電常數(shù)，如礦物質(zhì)(εr = 4)、有機(jī)物質(zhì)(εr = 4)和空氣(εr = 1)等。土壤中水含量的變化會(huì)引起介電常數(shù)變化，進(jìn)而導(dǎo)致電容改變。

濕度傳感器將測(cè)得的探針間電容轉(zhuǎn)換為直流電壓，該直流電壓直接接入ADC以轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的體積含水量(VWC)。

本文總結(jié)

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的普及促使越來(lái)越多的企業(yè)開(kāi)發(fā)利用在土壤檢測(cè)、測(cè)量、轉(zhuǎn)換方面的專(zhuān)業(yè)技術(shù)，以及對(duì)物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)系統(tǒng)的深入研究，構(gòu)建了完整的從傳感器到云端的解決方案，將讓農(nóng)場(chǎng)主能夠在整個(gè)種植周期內(nèi)做出更好的決策，最終改善農(nóng)作物的品質(zhì)，提高經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境成效。本文的示范電路為土壤濕度和酸堿度檢測(cè)提供了一個(gè)經(jīng)驗(yàn)證的信號(hào)鏈解決方案。