CN101907592A

CN101907592A - 太阳能无线土壤水分传感器

Info

Publication number: CN101907592A
Application number: CN 201010235594
Authority: CN
Inventors: 李晓东; 吴永烽; 李光林
Original assignee: Southwest University
Current assignee: Southwest University
Priority date: 2010-07-23
Filing date: 2010-07-23
Publication date: 2010-12-08

Abstract

一种太阳能无线土壤水分传感器，由高频信号发生电路1、整流滤波电路2、单片机3、Zigbee无线收发模块4、太阳能电池5、锂电池6、充放电管理电路7及探针8组成，传感器整合了短距离无线通信技术、太阳能电池及充放电管理等技术，在不需要通讯电缆及电源线条件下，可实现长期、多点实时土壤水分含量地监测，且不需要定期更换电池，可大大节约成本，具有较广阔的应用前景。

Description

太阳能无线土壤水分传感器

技术领域

本发明涉及土壤水分检测与无线传输及太阳能利用相交叉的技术领域，特别是涉及一种太阳能无线土壤水分传感器。

背景技术

在精细农业中，需要实时多点采集田间的各种数据，土壤水分是其中一个非常重要的参数。传统的土壤水分检测方法不能实现多点实时检测，现有的土壤水分传感器可以实现单点检测或可以利用现场总线进行多点检测，但无法实现检测结果的无线传输，如果需要多点实时检测，需要布置大量的通讯电缆；而且，现有的土壤水分传感器都采用直流电源或电池供电，需要为每个土壤水分传感器布置电源线或定期更换电池，农田建设成本及维扩成本很大。

利用短距离无线通信技术，将各土壤水分传感器组成一个无线传感网络，可以实现检测结果的无线传输。利用太阳能电池收集太阳能，并存储于锂电池中，结合合理的充放电管理，可实现利用太阳能为土壤水分传感器供电。目前尚无太阳能无线土壤水分传感器的的研究报道。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的上述缺陷，提供一种太阳能无线土壤水分传感器，该传感器利用电场法(或其它方法)检测土壤水分含量，利用zigbee技术实现检测结果的无线传输，利用太阳能供电。在不需要通讯电缆及电源线条件下，可实现长期、多点实时土壤水分含量地监测，且不需要定期更换电池。

本发明一种太阳能无线土壤水分传感器，山高频信号发生电路1、整流滤波电路2、单片机3、Zigbee无线收发模块4、太阳能电池5、锂电池6、充放电管理电路7及探针8组成，太阳能电池5通过充放电管理电路7与锂电池6相连，充放电管理电路7与单片机3相连，单片机3与Zigbee无线收发模块4相连，单片机3与高频信号发生电路1、探针8、整流滤波电路2依次相连并形成信号环路。

高频信号发生电路1用于产生50MHz，幅值为3.3V的高频正弦信号，该信号用于测量土壤水分含量的激励信号。整流滤波电路2用于处理激励信号经过被测土壤后的正弦信号，将其处理成直流信号，供给单片机3的A/D转换器。单片机3是整个系统的控制核心，实现高频信号的发生与输出电压的检测、水分结果的计算、电池的监控与管理、无线传感网络协议栈的运行等。Zigbee无线收发模块4用于组建无线传感器网络，实现水分检测结果的无线传输。太阳能电池5用于收集太阳能。锂电池6用于存储太阳能。充放电管理电路7实现各种电压的转换。传感器工作流程为完成一次检测后将结果通过无线传感网络发送出去，并监控一次锂电池与太阳能电池的状态，给出相应的控制信号，然后进入休眠状态，直到下一个工作周期到来。

土壤阻抗随土壤水分含量影响，当高频正弦信号作用于不同水分含量的土壤时，该信号的幅值的变化量不同，通过检测该信号幅值的变化从而实现土壤水分含量的检测。将幅值改变后的正弦信号经过整流滤波电路2将其处理成直流信号，再使用A/D转换器将其转换成数字信号，经单片机3计算后得到土壤含水量。利用Zigbee无线收发模块4，该土壤水分传感器可以成为无线传感器网络中的一个节点，通过无线传感网络传输土壤水分含量。由于该传感器是间歇式工作，在不工作期间处于休眠状态，功耗非常低，且工作时间占总时间的很小一部分，所以系统平均功耗很低，太阳能完全能够满足系统的能量需求。但系统在工作时的瞬时功耗较大，且太阳能不够稳定，因此必须将太阳能存储在锂电池中，再山锂电池向系统供电。锂电池的充放电次数是有限的，要尽可能减少锂电池充放电次数，才能延长其使用寿命。本发明将锂电池的充电过程与放电过程分开，放电过程中不允许对其充电，这样能在很大程度上减少锂电池的充电次数，且不影响整体性能。

用电场法或电容法得到土壤含水量与电信号间的函数关系式，将该函数关系式离散化后得到一张电信号与水分含量的对应表，并将该表存储于单片机3中，即可测量得到土壤水分含量值。

附图说明

图1为太阳能无线土壤水分传感器总体结构图

图2为太阳能无线土壤水分传感器检测土壤水分原理示意图

图3为太阳能无线土壤水分传感器工作流程图

本发明的优点是，太阳能无线土壤水分传感器整合了短距离无线通信技术、太阳能电池及充放电管理等技术，能实现土壤水分多点实时检测，检测结果无线传输，因此可节省大量的通讯电缆，也不需要定期更换电池，可大大节约成本，具有较广阔的应用前景。

具体实施方式

用于检测土壤水分含量的探针尺寸为：长20mm，宽2.75mm，厚0.4mm，探针间距70mm，插入土壤深度为150mm。高频信号是正弦波，频率为50MHz，幅值为3.3V。太阳能电池额定电压为5V，最大输出电流50mA，外形尺寸为长64mm宽42mm厚2mm。锂电池容量为650mAh。Zigbee无线收发模块采用MICROHICP公司的MRF24J40MA。

采用标定的方法确定传感器输出电压与土壤含水量间的定量关系。用电场法对已知含水量的土壤进行测量，得到土壤含水量与电压间的函数关系式。将该函数关系式离散化后得到一张电压与水分含量的对应表，并将该表存储于单片机中。当测量得到一个电压信号后，直接读取对应的土壤水分含量值。

系统在休眠时功耗为3mW，工作时功耗为495mW，工作周期为1小时，工作时长1秒，系统平均功耗3.2mW。太阳能电池最大输出电压为5V，最高电流为50mA，但在阴雨天气条件下，电池输出的电流只有5mA左右，平均起来，太阳能电池输出电流10mA，输出平均功率50mW。充电电路效率在80％左右，电压变换模块的效率为80％，太阳能输出能量利用率60％左右，实际利用功率30mW。因此在平均光照强度下，太阳能电池能够提供系统所需的能量，但系统工作时峰值功率远高于太阳能电池所能提供的功率，此时由锂电池向系统供电。在太阳能电池不提供能量条件下，锂电池能维持系统工作300小时左右。在正常天气条件下系统可持续工作，传感器寿命取决于锂电池的寿命。

实验结果表明，本发明能检测0％至30％间的土壤水分含量。在无遮挡条件下无线传输距离为30米，有农作物遮挡条件下传输距离10米。无论是冬季还是夏季，太阳能都能满足系统所需要的能量。

Claims

1.一种太阳能无线土壤水分传感器，其特征在于，该传感器由高频信号发生电路1、整流滤波电路2、单片机3、Zigbee无线收发模块4、太阳能电池5、锂电池6、充放电管理电路7及探针8组成，太阳能电池5通过充放电管理电路7与锂电池6相连，充放电管理电路7与单片机3相连，单片机3与Zigbee无线收发模块4相连，单片机3与高频信号发生电路1、探针8、整流滤波电路2依次相连并形成信号环路。