CN101694475A - 多点土壤水分传感器及利用其进行土壤水分测量的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多点土壤水分传感器及利用其进行土壤水分测量的方法，所述传感器包括：若干传感器节点，用于测量土壤不同位置的水分含量；节点选择模块，与所述若干传感器节点可选择性连接，用于对所述若干传感器节点进行选通和关断；通信模块，用于根据用户指令唤醒控制器进行传感器节点的选择，以及将所述传感器节点测量的数据反馈给用户；控制器，与所述节点选择模块以及通信模块相连，用于采集和处理频率，以及控制所述通信模块与用户进行通信。

Description

多点土壤水分传感器及利用其进行土壤水分测量的方法

技术领域

本发明涉及土壤水分测量技术领域，特别是涉及一种利用土壤的介电常数测量土壤水分的多点土壤水分传感器及利用其进行土壤水分测量的方法。

背景技术

随着农业现代化程度的提高和水资源的短缺，对农作物的生长环境提出了更高的要求，既要保证农作物对水的需求，同时又不能够浪费水资源，这就需要开发出适合不同作物需要的农业智能化灌溉控制系统，但是，高精度、高稳定性和高可靠性并能实时测量土壤水分的传感器是农业智能化灌溉控制系统得以实现的保证。目前，最流行的土壤水分传感器以多针类型为主，但是，这类传感器由于自身的局限性给测量土壤水分带来了困难。多针式土壤水分传感器虽然能够实时测量土壤水分含量，但是如果长期埋在土壤中，其探针易腐蚀，测量精度会明显下降；另外，如果测量不同深度的土壤水分，需要多个这种单点测量的土壤水分传感器，这样，会给传感器的布设带来很大困难；再者，这类传感器一般都是长期工作，虽然单个传感器的功耗不大，多个传感器会消耗很大的能量，不利于用于太阳能供电的场合。

发明内容

本发明的目的是提供一种能够实现多点测量、实时唤醒、低功耗、不易腐蚀的多点土壤水分传感器。

为达到上述目的，提供一种依照本发明实施方式的多点土壤水分传感器，其包括：若干传感器节点，用于测量土壤不同位置的水分含量；节点选择模块，与所述若干传感器节点可选择性连接，用于对所述若干传感器节点进行选通和关断；通信模块，用于根据用户指令唤醒控制器进行传感器节点的选择，以及将所述传感器节点测量的数据反馈给用户；控制器，与所述节点选择模块以及通信模块相连，用于采集和处理频率，以及控制所述通信模块与用户进行通信。

优选地，所述传感器节点包括中空绝缘棒，固定在所述中空绝缘棒内的电路板，套在所述中空绝缘棒外的两个铜环电极以及套在所述铜环电极外的PVC管，其中所述两个铜环电极之间设有绝缘隔离环，所述铜环电极的两端通过绝缘固定环固定。

优选地，所述传感器节点的个数不超过8个。

优选地，所述的电路板包括高频电路、放大电路和分频电路。

优选地，所述高频电路是由三极管、电阻和电容组成的LC振荡电路。

优选地，所述放大电路包括第一级放大电路和第二级放大电路，所述第一级放大电路由MOSFET管、电阻、二级管和电容组成，所述第二级放大电路由二极管、电阻和电容组成。

优选地，所述分频电路由集成芯片SN74AHCT14和SN74F161构成。

优选地，所述通信模块采用RS485通信模式或者无线通信模式。

优选地，所述多点土壤水分传感器还包括电源模块，采用集成线性电源芯片，用于为所述传感器供电。

本发明实施方式还提供一种利用多点土壤水分传感器进行土壤中水分测量的方法，其包括步骤：

S1，利用通信模块根据用户指令唤醒控制器通过节点选择模块选择传感器节点；

S2，利用控制器采集代表土壤节点常数变化的频率信号，并对所采集的频率信号进行处理，测量得出土壤水分的含量；

S3，通过通信模块把所述测量得到的数据传送给用户。

本发明提供的多点土壤水分传感器及利用其进行的土壤水分测量方法，可以任意测量土壤剖面不同深度的土壤水分含量，用户可以定时唤醒所需的传感器节点进行土壤水分含量测量，大大减小了传感器的功耗；采用高频电容测量技术，通过测量信号频率，避免了信号失真；采用了归一化处理方法，提高了测量精度。

附图说明

图1是本发明实施例的多点土壤水分传感器的结构示意图；

图2是本发明实施例的多点土壤水分传感器的传感器节点分布示意图；

图3是本发明实施例的多点土壤水分传感器的传感器节点结构图；

图4是本发明实施例的多点土壤水分传感器的传感器节点的电容Cp的等效电路图；

图5是本发明实施例的多点土壤水分传感器的高频电路原理图；

图6是本发明实施例的多点土壤水分传感器的放大电路原理图；

图7是本发明实施例的多点土壤水分传感器的分频电路原理图。

其中，1：铜环电极；2：中空绝缘棒；3：PVC管；4：绝缘固定环；5：绝缘隔离环；6：电路板。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

如图1所示为本发明一种多点土壤水分传感器的结构示意图，它由传感器节点、节点选择模块、控制器、通信模块和电源模块组成。若干传感器节点，用于测量土壤不同位置的水分含量；节点选择模块，与所述若干传感器节点可选择性连接，用于对所述若干传感器节点进行选通和关断；通信模块，用于根据用户指令唤醒控制器进行传感器节点的选择，以及将所述传感器节点测量的数据反馈给用户；控制器，与所述节点选择模块以及通信模块相连，用于采集和处理频率，以及控制所述通信模块与用户进行通信。

其测量土壤水分含量的方法根据TOPP公式：

θ_(v)＝4.3×10^-6ε³-5.5×10^-4ε²+2.92×10^-2ε-5.3×10^-2，ε为土壤的介电常数。

可知，土壤的单位体积含水量与土壤的相对介电常数有关，因此，只要能够求出土壤的介电常数就能够计算出土壤的水分含量。首先，根据需要把传感器的节点固定在预埋的PVC管内，当传感器工作时，每个传感器节点被周围的土壤包围，土壤水分的变化会引起介电常数的变化，土壤介电常数的变化又会引起传感器节点两铜环电极间电容的变化，两铜环电极是谐振电路的一部分，电容值的变化会引起谐振频率的变化，变化的频率信号经过放大电路和分频电路转换为可以被控制器采集的频率信号，通过控制器的处理和标定，间接地测量土壤水分的含量，然后，控制器会通过通信模块把测量的数据传送给用户。为了消除每个传感器节点在安装时的误差，采用归一化处理方法，提高了传感器的测量精度。

所述的归一化处理方法可以表示为：

$N=\frac{1-f_r/f_{\mathrm{ra}}}{1-f_{\mathrm{rw}}/f_{\mathrm{ra}}}$

其中f_ra为传感器节点在空气中的谐振频率，f_rw是传感器节点在纯水中的谐振频率，f_r为传感器节点在土壤中的谐振频率。

如图2所示，为本发明实施例的传感器节点分布示意图。每个传感器节点的环形电容是由两个金属圆环组成，圆环之间通过绝缘材料隔离。圆环电容以C_p表示，是组成高频电路的一部分。传感器节点数目可以根据测量土壤剖面深度的不同进行增减，每个传感器节点之间的距离也可以根据用户的需要设定。

如图3所示为本发明实施例的传感器节点结构图。所述每个传感器节点由铜环电极1、中空绝缘棒2、PVC管3、绝缘固定环4、绝缘隔离环5和电路板6组成。所述电路板6固定在中空绝缘棒2内，两个铜环1之间通过绝缘隔离环5紧密地套在中空绝缘棒2上，两端通过绝缘固定环4将其固定，形成两个铜环电极1。然后，把铜环电极1放入预先埋设的PVC管3内形成传感器节点，并且要求两铜环电极1与PVC管3的内径紧密接触。

如图4所示为电容C_p的等效电路图，Ce和Cacc可以用等效电容C_p来代替。其中，Ce是由于土壤的介电常数变化引起两铜环电极间的电容，Cacc是由于PVC管3绝缘材料介电常数引起的电容，其是一个定值。

如图5所示为传感器节点的高频电路原理图，其为LC振荡电路，由2N2222A型号的三极管Q1，电阻R1、R2、R3和R4，电容C1、C2、C3、C4、电感L1以及电容探头Cp组成。电阻R1、R2、R3和R4为LC振荡电路提供合适的静态工作点；电容C2和C3确定LC振荡电路的正反馈系数，正反馈系数的比值范围可以为1/2～1/8；C1为耦合电容；电感L1和电容C4保证在环形电容Cp接入LC振荡电路前振荡频率为120MHz。LC振荡电路的频率计算公式如下：

$f=\frac{1}{2\mathrm{\π}\sqrt{\mathrm{LC}}}---\left(1\right)$

其中，L＝L1，在Cp没有接入电路时，LC振荡电路中的电容为：

$.C=\frac{1}{\frac{1}{C2}+\frac{1}{C3}+\frac{1}{C4}}$

由于电容C2远远大于电容C4的容值，电容C3远远大于电容C4的容值，所以电容C2，C3对振荡频率的影响可以忽略不计。当环形电容Cp接入LC振荡电路后，LC振荡电路中的电容为C＝C4+Cp，由公式(1)可知，此时LC振荡电路的振荡频率会降低。

放大电路的原理图如图6所示，包括串联的两级放大电路，第一级放大电路包括MOSFET(金属氧化物半导体场效应管)Q2(其型号例如为2SK241)，电阻R5、R6、R7，二级管D1、二级管D2和电容C6。电阻R5、R6和R7为放大电路提供静态工作点，二级管D1、D2为放大电路提供温度补偿，电容C6起滤波作用。第二级放大电路包括三极管Q3(其型号例如为2SC2570)，电阻R8、R9、R10、R11，以及电容C7、C8。电阻R8、R9、R10、R11为Q3提供合适的静态工作点，使其工作在线形放大区，电容C7、C8起到隔直流作用。通过两级放大电路，把高频小信号放大，以便在整形分频电路对频率信号进行整形和分频。

整形分频电路的原理图如图7所示，包括高速集成芯片SN74AHCT14和SN74F161。芯片SN74AHCT14用于对频率信号进行整形，使正弦信号变成方波信号，以便于进行分频。芯片SN74F161用于对频率信号进行分频，使得分频后的信号能够被控制器所采集。

由以上实施例可以看出，本发明提供的多点土壤水分传感器，可以任意测量土壤剖面不同深度的土壤水分含量，用户可以定时唤醒所需的传感器节点进行土壤水分含量测量，大大减小了传感器的功耗；采用高频电容测量技术，通过测量信号频率，避免了信号失真；采用了归一化处理方法，提高了测量精度。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种多点土壤水分传感器，其特征在于，所述多点土壤水分传感器包括：

若干传感器节点，用于测量土壤不同位置的水分含量；

节点选择模块，与所述若干传感器节点可选择性连接，用于对所述若干传感器节点进行选通和关断；

通信模块，用于根据用户指令唤醒控制器进行传感器节点的选择，以及将所述传感器节点测量的水分含量反馈给用户；

控制器，与所述节点选择模块以及通信模块相连，用于采集和处理用于测量土壤水分含量的频率信号，以及控制所述通信模块与用户进行通信。

2.如权利要求1所述的多点土壤水分传感器，其特征在于，所述传感器节点包括中空绝缘棒，固定在所述中空绝缘棒内的电路板，套在所述中空绝缘棒外的两个铜环电极以及套在所述铜环电极外的PVC管，其中所述两个铜环电极之间设有绝缘隔离环，所述铜环电极的两端通过绝缘固定环固定。

3.如权利要求2所述的多点土壤水分传感器，其特征在于，所述传感器节点的个数不超过8个。

4.如权利要求3所述的多点土壤水分传感器，其特征在于，所述的电路板包括高频电路、放大电路和分频电路。

5.如权利要求4所述的多点土壤水分传感器，其特征在于，所述高频电路是由三极管、电阻和电容组成的LC振荡电路。

6.如权利要求4所述的多点土壤水分传感器，其特征在于，所述放大电路包括串联连接的第一级放大电路和第二级放大电路，所述第一级放大电路由MOSFET管、电阻、二级管和电容组成，所述第二级放大电路由二极管、电阻和电容组成。

7.如权利要求4所述的多点土壤水分传感器，其特征在于，所述分频电路由集成芯片SN74AHCT14和SN74F161构成。

8.如权利要求1所述的多点土壤水分传感器，其特征在于，所述通信模块采用RS485通信模式或者无线通信模式。

9.如权利要求1所述的多点土壤水分传感器，其特征在于，所述多点土壤水分传感器还包括电源模块，采用集成线性电源芯片，用于为所述传感器供电。

10.一种利用多点土壤水分传感器进行土壤中水分测量的方法，其特征在于，所述方法包括步骤：

S1，利用通信模块根据用户指令唤醒控制器通过节点选择模块选择传感器节点；

S2，利用控制器采集代表土壤节点常数变化的频率信号，并对所采集的频率信号进行处理，测量得出土壤水分的含量；

S3，通过通信模块把所述测量得到的数据传送给用户。

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