CN101936935A - 土壤多参数测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种土壤多参数测量装置，包括中空的支撑杆，设置于所述支撑杆内部的信号线，设置于支撑杆上的数据采集模块和电源模块，沿所述支撑杆的长度方向交替设置的水分传感器和温度传感器，通过所述信号线与数据采集模块相连接；所述水分传感器用于测量土壤电导率和不同深度的土壤含水率，所述温度传感器用于测量不同深度的土壤温度，并将测得的所述土壤含水率、土壤电导率和土壤温度通过信号线发送至数据采集模块；所述数据采集模块用于根据接收到的所述土壤含水率、土壤电导率和土壤温度计算土壤基质势。本发明提供的装置能够测量土壤的多个参数，计算出土壤基质势，从而能长期、全面、有效地检测土壤状况，更好的指导农业生产。

Description

土壤多参数测量装置

技术领域

本发明涉及土壤参数测量领域，特别涉及一种土壤多参数测量装置。

背景技术

对农作物而言，土壤为植物的生长发育提供重要的物理支持，为植物生长供应必需的营养、水分和空气，通过控制土壤因素可影响植物的生长和粮食产量。其中水是土壤的重要组成部分，土壤中各种营养物质都是通过水被植物根系吸收，土壤中有机、无机物质的积累、转化和运移，均需水的参与。土壤电导率是反映土壤盐分等属性的综合物理参数，土壤中盐分过高，将导致植物吸水困难，造成生理干旱，甚至使作物逐渐枯萎死亡；并且使植物吸收营养元素的功能失调，干扰植物正常的新陈代谢活动。土壤温度是直接或间接影响植物生长和发育的重要环境因子，在一定的温度范围内，土壤温度越高，作物的生长发育越快；植物许多生理过程(如气孔导度、蒸腾、养分传输和二氧化碳的吸收)都与温度密切相关，土壤温度可以影响植物根系的生长、呼吸作用及养分吸收等。土壤基质势是土水势的一个重要分势，与土壤含水量结合可得到土壤水特征曲线，对分析土壤水的保持与运动有着重要作用。

近年来，应用于农田环境的土壤参数传感器已经取得了长足的进展，但应用在具体过程中的传感设备往往只能获取单种或少数几种参数，比如单一的土壤含水率传感器或者土壤含水率、电导率双参数传感器，而土壤的复杂性决定它具有多个表征参数，并且这些参数之间互有影响，所以仅仅一两个参数并不能准确地描述土壤的一系列特性，从而不能全面、有效地监测土壤状况，不利于指导农业生产。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题首先采集不同深度土壤中的各种参数，计算出土壤基质势参数，长期、全面、有效地监测土壤状况，指导农业生产。

(二)技术方案

为此，本发明提供了一种土壤多参数测量装置，包括中空的支撑杆，设置于所述支撑杆内部的信号线，设置于所述支撑杆上的数据采集模块和电源模块，还包括：

沿所述支撑杆的长度方向交替设置的水分传感器和温度传感器，通过所述信号线与数据采集模块相连接；所述水分传感器用于测量土壤电导率和不同深度的土壤含水率，所述温度传感器用于测量不同深度的土壤温度，并将测得的所述土壤含水率、土壤电导率和土壤温度通过信号线发送至数据采集模块；所述数据采集模块用于根据接收到的所述土壤含水率、土壤电导率和土壤温度计算土壤基质势。

所述水分传感器和温度传感器的数量都为两个，两个所述水分传感器的四个电极组成电导率传感器，用于测量土壤电导率。

所述数据采集模块根据下述公式计算土壤基质势，

ψ_L＝712.38ln(T/T₀)+5.545(T-T₀)-3.14×10^-3(T²-T₀ ²)+39σ_sp(W_spρ_b)/(θ_Lρ_L ²)(T/298)

其中ψ_L为土壤基质势，单位为Jkg^-1；T为土壤温度，单位为K；T₀为参考温度，取273.15K；σ_sp为土壤电导率，单位为mS cm^-1；W_sp为湿度，取典型值为0.5kg kg^-1；σ_b为通过事先测量获得的土壤容重，单位为kg m^-3；ρ_L为纯水在大气压下的密度，取1kg m^-3；θ_L为土壤含水率，单位为cm³cm^-3。

还包括：数个绝缘环，设置在所述水分传感器和温度传感器之间，起隔离作用。

其中，所述数据采集模块包括：

电平转换单元，用于将所述电源模块的输出电平转换为数据采集模块的工作电平；

单片机芯片，用于通过所述信号线接收所述土壤温度；

信号调节单元，用于通过所述信号线接收所述土壤含水率和土壤导电率；

存储单元，用于存储所述土壤温度、土壤含水率和土壤导电率。

所述数据采集模块还包括：

无线收发单元，用于将所述土壤温度、土壤含水率和土壤导电率发送至上位机。

所述电源模块，包括：

太阳能电池板，用于采集太阳能；

充放电控制单元，用于将所述太阳能转换为电能；

蓄电池，用于存储所述电能。

所述电源模块还包括：

备用电池，用于当所述蓄电池供电不足时为所述测量装置供电。

上述技术方案还可以包括：

横杆，通过螺丝固定在所述支撑杆靠近顶端处，所述横杆两端设置有托板，用于放置所述数据采集模块，所述数据采集模块的顶端设置有电源模块。

圆锥，通过螺纹与所述支撑杆的底端相连接。

(三)有益效果

本发明提供的土壤多参数测量装置具有如下有益效果：通过设置多个含水率传感器、温度传感器，并将含水率传感器复用为电导率传感器，能够测得土壤的不同深度的多个参数；不仅能够由此计算出土壤基质势，还为分析土壤水分入渗状况提供了详细的参数，有利于长期、全面、有效的检测土壤状况，能更好的指导农业生产；其次，采用太阳能方式为传感器提供稳定持久的能量，不仅能够保证传感器的工作，还保护环境，节约能耗；然后，无线传感器的采用，降低了成本，且为远距离传送数据提供了便捷的方式。

附图说明

图1是本发明实施例的土壤多参数测量装置结构示意图；

图2是本发明实施例的电路原理图。

其中，1：支撑杆；2：水分传感器；3：水分传感器；4：温度传感器；5：温度传感器；6：电导率传感器；7：绝缘环；8：圆锥；9：横杆；10：托板；11：螺丝；12：数据采集模块；121：电平转换单元；122：单片机芯片；123：信号调节单元；124：存储单元；125：无线收发单元；13：电源模块；131：太阳能电池板；132：充放电控制单元；133：蓄电池；134：备用电池。

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，为本发明实施例的土壤多参数传感器及其测量装置结构示意图，包括：中空的支撑杆1，设置于支撑杆1内部的信号线14，设置于支撑杆1上的数据采集模块12和电源模块13，纵向交替设置于支撑杆1上的两个水分传感器2和3，以及两个温度传感器4和5；水分传感器2和3，以及温度传感器4和5都通过信号线14与数据采集模块12相连接；其中水分传感器2和3用于测量不同深度的土壤含水率，水分传感器2和3的四个电极复用组成Schlumberger组态的电导率传感器6，用于测量土壤电导率；温度传感器4和5用于测量不同深度的土壤温度，水分传感器2和3，以及温度传感器4和5将测得的土壤含水率、土壤电导率和土壤温度通过信号线14发送至数据采集模块12；数据采集模块12根据接收到的土壤含水率、土壤电导率和土壤温度计算土壤基质势。

本实施例的传感器都为无线传感器。其中温度传感器采用DS18B20数字温度芯片，水分传感器各有两个电极，采用介电方法测量土壤含水率。

本实施例还包括实心的圆锥8，与支撑杆1同直径，可以为不锈钢材料制成，采用螺纹接口与支撑杆1相连接，支撑杆1为中空的圆柱形不锈钢管，支撑杆1的底端刻有与圆锥8的螺纹接口相吻合的螺纹。

本实施例还包括数个绝缘环7，采用聚氯乙烯(Polyvinylchloride，PVC)塑料材料制作，从靠近支撑杆1最底端处依次嵌入绝缘环，金属环，绝缘环，金属环，绝缘环作为第一组环，然后向上间距20cm处再依次嵌入绝缘环，金属环，绝缘环，金属环，绝缘环作为第二组环；其中每组环上位置最接近支撑杆1底端的绝缘环纵向最宽，将温度传感器4和5分别安装在纵向最宽的两个绝缘环上，每组的金属环为水分传感器的电极，水分传感器2和3的四个电极复用组合成电导率传感器6；信号线14与金属环无焊连接。

本实施例还可以包括：横杆9，通过螺丝11固定在靠近支撑杆1顶端处，横杆9的两端设置有两个托板10，托板10用于放置数据采集模块12，数据采集模块12的顶端设置有电源模块13。

本实施例的数据采集模块12在上述五个传感器测量得出五个土壤参数的基础上，应用克拉伯龙公式计算土壤基质势，具体过程如下：

在冰水混合土壤中推广克拉伯龙公式得到：

dΨ_L＝(λ/T)dT+dΨ_i                      (1)

其中Ψ_L为水势，单位为J/kg；Ψ_i为冰势，单位为J/kg；T为温度，单位为K；λ为混合水的潜在热能，单位为kJ/kg；水势Ψ_L是渗透势∏_L与基质势ψ_L之和；λ与温度相关且：

λ(T)＝-712.38+5.545T-6.28×10^-3T²       (2)

以T₀＝273.15K为参考温度，将公式(2)代入公式(1)中得到：

ψ_L＝712.38ln(T/T₀)+5.545(T-T₀)-3.14×10^-3(T₂-T₀ ²)-∏_L    (3)

渗透势∏_L的计算公式如下：

∏_L＝-39σ_sp(W_spρ_b)/(θ_Lρ_L ²)(T/298)           (4)

其中ψ_L为土壤基质势，单位为J kg^-1；T为土壤温度，单位为K；T₀为参考温度，取273.15K；σ_sp为土壤电导率，单位为mS cm^-1；W_sp为湿度，取典型值为0.5kg kg^-1；ρ_b为土壤容重，通过事先测量获得，单位为kg m^-3；ρ_L为纯水在大气压下的密度，取1kg m^-3；θ_L为土壤含水率，单位为cm³cm^-3。

将公式(4)代入公式(3)中，得到土壤基质势ψ_L的计算公式：

ψ_L＝712.38ln(T/T₀)+5.545(T-T₀)-3.14×10^-3(T²-T₀ ²) (5)

+39σ_sp(W_spρ_b)/(θ_Lρ_L ²)(T/298)    

至此，根据土壤含水率、土壤电导率和土壤温度即可计算出土壤基质势。数据采集模块12还根据不同深度的土壤温度得到温度差，不同深度的土壤含水率得到含水率差。

再如图2所示，为本发明实施例的土壤多参数测量装置的电路原理图，本实施例的数据采集模块12包括：电平转换单元121、单片机芯片122、信号调节单元123和存储单元124；其中电平转换单元121用于将电源模块13的输出电平转换为数据采集模块12的工作电平，单片机芯片122用于通过信号线14接收土壤温度；信号调节单元123用于通过信号线14接收土壤含水率和土壤导电率；存储单元124用于存储土壤温度、土壤含水率和土壤导电率。数据采集模块12还可以包括：无线收发单元125，用于将土壤温度、土壤含水率和土壤导电率发送至上位机。

本实施例的单片机芯片可以采用MSP430F149，自带8路12位AD，可实现不同模式下的超低功耗运行。无线收发单元可以采用CC2420，用于向外界发送测量得到的信息或接收控制命令；存储单元可以为M25P80。

本实施例的电源模块13包括：太阳能电池板131、充放电控制单元132和蓄电池133；其中太阳能电池板131可以为单晶硅太阳能电池板，用于在白天接收太阳光的辐射，采集太阳能；充放电控制单元132用于将太阳能转换为电能；蓄电池133用于存储太阳能转换的电能。还可以包括备用电池134，用于当蓄电池133供电不足时为本发明的测量装置供电。

本发明提供的土壤多参数测量装置具有如下有益效果：通过设置多个含水率传感器、温度传感器，并将含水率传感器复用为电导率传感器，能够测得土壤的不同深度的多个参数；不仅能够由此计算出土壤基质势，还为分析土壤水分入渗状况提供了详细的参数，有利于长期、全面、有效的检测土壤状况，能更好的指导农业生产；其次，采用太阳能方式为传感器提供稳定持久的能量，不仅能够保证传感器的工作，还保护环境，节约能耗；然后，无线传感器的采用，降低了成本，且为远距离传送数据提供了便捷的方式；最后，本发明在整体结构设计上将各种传感器复合在支撑杆的底端，既实现了农田环境下“即插即用”的土壤信息实时快捷采集，又实现了土壤多参数一体化的测量。

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)

1.一种土壤多参数测量装置，包括中空的支撑杆，设置于所述支撑杆内部的信号线，设置于所述支撑杆上的数据采集模块和电源模块，其特征在于，还包括：

沿所述支撑杆的长度方向交替设置的水分传感器和温度传感器，通过所述信号线与数据采集模块相连接；所述水分传感器用于测量土壤电导率和不同深度的土壤含水率，所述温度传感器用于测量不同深度的土壤温度，并将测得的所述土壤含水率、土壤电导率和土壤温度通过信号线发送至数据采集模块；所述数据采集模块用于根据接收到的所述土壤含水率、土壤电导率和土壤温度计算土壤基质势。

2.如权利要求1所述的土壤多参数测量装置，其特征在于，所述水分传感器和温度传感器的数量都为两个，两个所述水分传感器的四个电极组成电导率传感器，用于测量土壤电导率。

3.如权利要求1所述的土壤多参数测量装置，其特征在于，所述数据采集模块根据下述公式计算土壤基质势，

ψ_L＝712.38ln(T/T₀)+5.545(T-T₀)-3.14×10^-3(T²-T₀ ²)+39σ_sp(W_spρ_b)/(θ_Lρ_L ²)(T/298)

其中ψ_L为土壤基质势，单位为J kg^-1；T为土壤温度，单位为K；T₀为参考温度，取273.15K；σ_sp为土壤电导率，单位为mS cm^-1；W_sp为湿度，取典型值为0.5kg kg^-1；ρ_b为通过事先测量获得的土壤容重，单位为kgm^-3；ρ_L为纯水在大气压下的密度，取1kgm^-3；θ_L为土壤含水率，单位为cm³cm^-3。

4.如权利要求1所述的土壤多参数测量装置，其特征在于，还包括：数个绝缘环，设置在所述水分传感器和温度传感器之间，起隔离作用。

5.如权利要求1所述的土壤多参数测量装置，其特征在于，所述数据采集模块包括：

电平转换单元，用于将所述电源模块的输出电平转换为数据采集模块的工作电平；

单片机芯片，用于通过所述信号线接收所述土壤温度；

信号调节单元，用于通过所述信号线接收所述土壤含水率和土壤导电率；

存储单元，用于存储所述土壤温度、土壤含水率和土壤导电率。

6.如权利要求5所述的土壤多参数测量装置，其特征在于，所述数据采集模块还包括：

无线收发单元，用于将所述土壤温度、土壤含水率和土壤导电率发送至上位机。

7.如权利要求1所述的土壤多参数测量装置，其特征在于，所述电源模块，包括：

太阳能电池板，用于采集太阳能；

充放电控制单元，用于将所述太阳能转换为电能；

蓄电池，用于存储所述电能。

8.如权利要求7所述的土壤多参数测量装置，其特征在于，所述电源模块还包括：

备用电池，用于当所述蓄电池供电不足时为所述测量装置供电。

9.如权利要求1所述的土壤多参数测量装置，其特征在于，还包括：横杆，通过螺丝固定在靠近所述支撑杆顶端处，所述横杆两端设置有托板，用于放置所述数据采集模块，所述数据采集模块的顶端设置有电源模块。

10.如权利要求1所述的土壤多参数测量装置，其特征在于，还包括：圆锥，通过螺纹与所述支撑杆的底端相连接。

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