CN102297883A - 一种土壤剖面水分测量装置及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种土壤剖面水分测量装置及其测量方法。该装置包括上位机(1)、传感器节点(2)、绝缘套(6)、密封顶盖(5)和防水堵头(7)；所述上位机(1)通过数据采集与处理模块(3)与所述传感器节点(2)相连；所述绝缘套(6)安装于所述传感器节点(2)外，所述绝缘套(6)下端与所述防水堵头(7)连接，所述绝缘套(6)上端通过连接体(8)与所述密封顶盖(5)连接；所述传感器节点(2)包括两个金属片(15)，所述两金属片(15)径向彼此间隔的固定于绝缘柱体(12)表面，所述两金属片(15)分别与传感器电路板(16)相连。该方法可以调整传感器节点(2)的个数和间距，通过上位机(1)设置装置各传感器节点(2)地址编码，进行测量并存储显示结果。该装置结构简单、布设容易、使用方便，可自由拆卸、组装，实现土壤剖面单点或多点动态含水量的测量；该方法灵活方便，实现不同深度土壤的动态测量。

Description

一种土壤剖面水分测量装置及其测量方法

技术领域

本发明涉及土壤水分测量技术领域，具体涉及一种土壤剖面水分测量装置及其测量方法。

背景技术

在农业生产中，发展节水灌溉技术，根据实测的土壤水分状况决定灌溉时机和灌溉量，对我国提高农业用水效率、缓解水资源危机，意义重大。而通过对土壤水分的实时、准确测量，可以及时了解土壤墒情，对节水灌溉起着重要的前导性作用。

目前所流行的用于土壤水分测量的传感器多数基于介电法设计而成。而这些基于介电法设计的土壤水分传感器不是易受温度、土壤电导率、土壤含盐量、粘粒和容重等的影响，就是涉及高速电磁脉冲信号分析，电路设计困难，准确性取决于测量时间精度。再者，现行土壤水分传感器探头绝大多数局限于探针式结构，探针长度在5～30cm之间，只可进行单点(某一深度)测量，适用于表层土壤含水率测量，难以满足一定深土层条件下或土壤剖面不同深度含水量的测定需求。因此，土壤剖面多点(不同深度)水分测量的传感器研究成为一种趋势。

专利[CN200520005689.3]介绍的一种测量土壤剖面含水量的土壤水分传感器，由传感器、电路板和绝缘套管组成，与以往土壤水分传感器比，结构简单，可测量不同深度土壤水分含量。但是该类型传感器使用单传感器节点，使用时传感器节点上下移动，一方面对于所测土壤含水量难以知道相应的土壤剖面具体深度，另外一方面也会造成电缆线等的寄生电容产生导致非线性误差。专利[CN200620167643.6]介绍的一种土壤水分传感器，采用“T”型结构设计，结构简单，也便于携带，通过替换不同长度的圆锥杆某种程度上亦可以实现土壤不同深度的水分测量。但是该型传感器依旧采用单传感器节点，实时测量的只是土壤剖面某一深度的水分含量，若要进行另一深度的水分测量，需从土壤中取出传感器替换不同长度圆锥杆，费事也费力，最重要的是它不能实现土壤剖面不同深度含水量的同时测量，它依旧属于“单点测量式”。专利[CN200910235449.5]介绍的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，定时唤醒传感器节点工作实现土壤剖面不同深度的水分测量，大大降低了功耗。但是该型传感器结构复杂，一方面使用前需通过土钻作用于土壤，再将PVC套管插入土壤，最后放入传感器节点，布设困难、费时费力，前期工作量大；另一方面土钻作用后取出再次放入PVC套管，套管与土壤间存在的空气气隙具有随机性和不确定性，势将影响传感器的测量精度。

综上所述，目前缺乏一种结构简单、布设容易、使用方便的非探针式土壤水分传感器，该型传感器既可以实现土壤剖面单点水分的测量，又可以实现土壤剖面多点水分的同时测量。

发明内容

本发明的目的是提供一种土壤剖面水分测量装置及其测量方法。该装置结构简单、布设容易、可自由拆卸、组装，实现土壤剖面单点或多点动态含水量的测量；该方法能实现不同深度土壤的动态测量。

本发明的技术方案是：

一种土壤剖面水分测量装置，包括上位机、传感器节点、绝缘套、密封顶盖和防水堵头；所述上位机通过数据采集与处理模块与所述传感器节点相连；所述绝缘套安装于所述传感器节点外，所述绝缘套下端与所述防水堵头连接，所述绝缘套上端通过连接体与所述密封顶盖连接；所述传感器节点包括两个金属片，所述两金属片径向彼此间隔的固定于绝缘柱体表面，所述两金属片分别与传感器电路板相连。

进一步，所述传感器节点为两个以上，通过螺纹结构连接，两传感器节点间连接有PVC绝缘体。

进一步，所述传感器节点的传感器电路板包括并联LC振荡电路，高频小信号放大电路，整流分频电路；所述并联LC振荡电路由固定电感、固定电容及所述两个金属片构成的可变电容组成。

进一步，所述两金属片的轴向长度大于径向长度。

进一步，所述防水堵头呈三角锥形，表面有外螺纹。

进一步，所述数据采集及处理模块包括单片机、数据存储模块、片选模块、电源模块、接口电路；所述单片机接收上位机指令，控制指定传感器节点进行土壤水分测量，分析处理、存储并反馈至上位机；所述数据存储模块用于存储土壤含水量反演算法、标定及非线性补偿算法，以及历史土壤含水量；所述片选模块用于选通和断开传感器节点；所述电源模块由锂电池、电源管理电路组成，用于为数据采集及处理模块和传感器节点提供电源；所述接口电路包括RS232或RS485接口电路，通过电缆线与上位机进行数据通信。 

进一步，所述连接体带有夹槽。

一种土壤剖面水分测量装置的方法，包括如下步骤：

S1：根据测量深度要求，调整传感器节点的个数和间距，并钻入土壤；

S2：通过上位机设置装置各传感器节点地址编码；

S3：数据采集及处理模块根据上位机指令的地址编码查找指定传感器节点并发送测量指令，该传感器节点开始测量土壤水分含量；

S4：数据采集及处理模块对测量数据进行分析处理、存储后发送到上位机；

S5：所述上位机显示土壤剖面动态含水量情况。

本发明的有益效果为：该装置结构简单，两金属片简单组装减小了高频电磁能耗，单个传感器节点或多个传感器节点自由组合装配，根据实际需要选择监测深度；布设容易，装置和传统土钻有机结合，即通过夹具作用便可实现装置钻入土壤或从土壤中提取，省事省力；使用方便，根据用户测量需求相应传感器节点被“唤醒”，实现土壤剖面单点水分含量的测量或是多点含水量的同时测量，其余节点休眠，降低了功耗。该方法通过自由组合，实现对不同深度土壤的测量，能准确定位，动态测量。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1是本发明实施例的装置整体设计框图；

图2是本发明实施例的装置外观示意图；

图3是本发明实施例的装置外观分解结构示意图；

图4是本发明实施例的装置内部分解结构示意图；

图5是本发明实施例的装置内部剖面示意图；

图6是本发明实施例的传感器节点的传感器电路板组成框图；

图7是本发明实施例的数据采集及处理模块电路组成框图；

图8是本发明实施例的夹具外观示意图；

图9是本发明实施例的装置软件主程序流程图；

图10是本发明实施例的测量方法流程简图。

其中：1-上位机，2-传感器节点，3-数据采集及处理模块，4-电缆线，5-密封顶盖，6-绝缘套，7-防水堵头，8-连接体，9-第一PVC绝缘体，10-绝缘隔离卡口，11-绝缘固定卡口，12-绝缘柱体，13-第二PVC绝缘体，14-绝缘固定环，15-金属片，16-传感器电路板，17-数据排线，18-并联LC振荡电路，19-高频小信号放大电路，20-整流分频电路，21-单片机，22-接口电路，23-片选模块，24-电源模块，25-数据存储模块，26-翼形螺栓，27-夹具。

具体实施方式

如图1~9所示为本发明土壤剖面水分测量装置的一个实施例，装置整体设计如图1所示：传感器节点2，用于测量土壤剖面多点（不同深度）水分含量；数据采集及处理模块3，用于根据上位机1指令“唤醒”单个或多个传感器节点2进行土壤水分测量，将所采集测量数据分析处理、存储并反馈到上位机1；上位机1，提供用户各种操作指令并呈现土壤剖面多点水分含量及变化曲线。

装置外观及内部结构如图2~5所示，装置包括上位机1、传感器节点2、绝缘套6、密封顶盖5和防水堵头7。

这其中，上位机1通过第一PVC绝缘体9内嵌的数据采集与处理模块3与传感器节点2相连。即电缆线4经由密封顶盖5引出，将上位机1与数据采集及处理模块3相连接，而数据采集与处理模块3与传感器节点2之间由数据排线17相连接。

这其中，绝缘套6安装于传感器节点2外，绝缘套6下端与所述防水堵头7连接，绝缘套6上端通过连接体8与所述密封顶盖5连接。密封顶盖5将装置顶部遮挡，防止雨水等杂物的进入。连接体8带有夹槽，便于中间圆形两端带把柄的夹具27(如图8所示)将装置咬紧，通过作用夹具27将装配好的测量装置钻入土壤或从土壤提取，翼形螺栓26实现夹具把柄的紧固。防水堵头7呈三角锥形，表面有外螺纹便于装置钻入土壤时减小所受阻力，待装置插入土壤后阻止土壤水分的渗入。

这其中，两金属片15分别与绝缘柱体12内嵌的传感器电路板16相连构成单个传感器节点2，两金属片15由绝缘隔离卡口10实现径向隔离和卡嵌固定于绝缘柱体12表面，绝缘固定卡口11辅助卡嵌固定，绝缘固定环14紧固金属片15防止其上下位移。其中，两金属片15的轴向长度大于径向长度。具体测量时传感器节点2为两个以上，可根据测量需要进行单个节点或多个节点自由的组合装配，构成单杆多节“竹”形结构。传感器节点2相互之间设有第二PVC绝缘体13间隔，通过螺纹结构相连接咬合。第二PVC绝缘体13内嵌的数据排线17将传感器节点2彼此连接，实现数据传输与通信。

如上所述的密封顶盖5下端部位内壁有螺纹；连接体8和绝缘套6的上端部位皆有螺纹，下端部位内壁有螺纹；第一PVC绝缘体9和第二PVC绝缘体13的两端部位内壁有螺纹；绝缘柱体12的两端部位有螺纹；其中绝缘套6除却螺纹部分长度范围为10cm~100cm，具体长度为10cm的倍数。根据具体的测量需要，各个部件通过螺纹相互咬合连接，实现整个装置的自由拆卸、组装。

具体测量时，用户通过上位机1设置传感器节点2地址编码(沿土壤剖面由上至下)，数据采集及处理模块3根据上位机1指令“唤醒”并发送测量指令于单个或多个传感器节点2(指令包含相应传感器节点地址编码)；被唤醒的传感器节点2响应测量命令，开始测量土壤水分含量，响应数据采集及处理模块3获取数据指令返回测量数据；数据采集及处理模块3将测量数据分析处理、存储后串行通信至上位机1，用户由上位机1可直观的看到土壤剖面单点或多点水分含量数据及其动态含水量变化曲线。

图6为传感器节点2的传感器电路板16，包括并联LC振荡电路18、高频小信号放大电路19、整流分频电路20。并联LC振荡电路18由固定电感、固定电容及两个金属片15构成的可变电容组成。固定电感与固定电容实现振荡电路频率起振，起振频率为130MHz，两个平行金属片15通过高频电磁边缘场分布效应感测含水土壤所表征出的电容容抗。土壤含水量的变化会导致表征电容容抗的变化继而振荡电路谐振频率也有所变化，变化后的谐振频率由高频小信号放大后，经高速整流分频成为低频方波信号f，该信号送至单片机21进行数据分析处理。因为土壤中的水分具有均衡性和毛细特性，采用两平行金属片15的这种简单组合结构实现土壤剖面单点即某一深度水分的测量，不仅具有合理性和可行性，而且金属片的尺寸厚度等远比金属环来的小，降低高频电磁能耗的同时也减小了不必要的损耗。

数据采集及处理模块3电路组成如图7所示，包括单片机21、数据存储模块25、片选模块23、电源模块24、接口电路22等；单片机21根据上位机1指令，控制片选模块23选通或断开传感器节点2，即“唤醒”某单个或多个传感器节点2进行土壤水分测量，对所采集低频方波信号f进行分析处理、存储并反馈至上位机1；数据存储模块25分为两部分，一部分用于存储土壤含水量反演算法、标定及非线性补偿算法，一部分用于存储历史土壤含水量；片选模块23接受单片机21控制，用于选通和断开传感器节点2，即实现上述的“唤醒”功能；电源模块24由锂电池、电源管理电路组成，为数据采集及处理模块3和传感器节点2提供稳定的电源；所述接口电路22包括RS232、RS485等接口电路，实现与上位机1的串行数据通信。

装置软件主程序流程如图9所示，主程序主要包括装置初始化程序、数据采集程序、土壤水分测量程序、串口通信程序和数据处理程序等。初始化主要是对传感器节点、数据采集及处理模块中单片机内部特殊功能寄存器等进行初始化状态的设定。上电待电压稳定后，装置根据上位机测量命令调用数据采集程序，对单个或多个传感器节点发出测量命令，相应传感器节点做出响应，开始测量土壤水分，经单片机数据分析处理（土壤含水量反演、数据标定及非线性补偿等）返回测量数据，测量数据经由串口通信至上位机，即显示土壤剖面单点或多点水分含量。

如图10所示，为本发明实施例的测量方法流程简图。

S1：根据实际土壤水分的具体测量深度要求，将单个传感器节点或多个传感器节点自由组合装配，构成单杆多节“竹”形结构的土壤剖面水分测量装置。譬如，要实现对某作物根系表层10cm、中层30cm、底层50cm三点土壤水分的测量，则具体装配有：绝缘隔离卡口10将两个金属片15进行径向隔离和卡嵌固定在绝缘柱体12的表面，绝缘固定卡口11辅助卡嵌固定，两个绝缘固定环14分别紧固金属片15的上下防止其位移。绝缘柱体12与第二PVC绝缘体13顺序连接即构成单个“竹节”，五个这样的“竹节”彼此顺序咬合连接构成“竹杆”，“竹杆”最上端“竹节”的绝缘柱体12与第一PVC绝缘体9咬合连接。将“竹杆”内嵌于绝缘套6，连接体8实现绝缘套6与密封顶盖5咬合连接，防水堵头7将绝缘套6最下端堵死。在连接的过程中数据排线17将五个绝缘柱体12内嵌的传感器电路板16彼此相互连接，将第一PVC绝缘体9内嵌的数据采集及处理模块3和“竹杆”最上端绝缘柱体12内嵌的传感器电路板16相连接；电缆线4由密封顶盖5引出连接数据采集及处理模块3和上位机1。待上述的土壤剖面三点水分测量装置装配好后，首先使用中间圆形两端带把柄的夹具27(如图4所示)咬紧装置连接体8靠近密封顶盖5处的夹槽，夹具把柄通过翼形螺栓26紧固，此时夹具和装置有机构成“土钻”。其次，作用“土钻”使其钻入土壤，这当中夹具朝向装置螺纹咬紧的方向旋转，待防水堵头7钻入一定深度土壤后，再用力下压装置，待夹槽恰好位于地平线之上即可。整个过程实现了测量装置和传统土钻的有机结合，使得测量装置布设容易，省事省力。当然一定要注意“土钻”钻入时避免夹具和装置的左右晃动，确保装置与土壤紧密接触，最大程度上杜绝气隙的存在。

S2：步骤S1中所述的土壤剖面三点水分测量装置钻入土壤后，待装置上电复位处于工作状态，用户首先通过上位机1沿土壤剖面以地平线为基由上至下设置传感器节点地址编码，因为要实现某作物根系表层10cm、中层30cm、底层50cm处三点土壤水分的测量，则比如设置10cm处传感器节点地址编码为a1、20cm处地址编码为a2，30cm处地址编码为a3、40cm处地址编码为a4，50cm处地址编码为a5。

S3：步骤S2中设置好传感器节点地址编码后，若上位机1的测量指令包含传感器节点地址编码a1、a3、a5，则数据采集及处理模块3“唤醒”相应传感器节点即10cm处节点、30cm处节点，50cm处节点开始工作，即实现了多个节点的同时测量。比如说，如果又想对根系20cm处、40cm处的土壤水分进行测量，则通过上位机设置改变测量指令，“唤醒”相应节点与之前的节点同时工作即可。再比如说，如果不想对50cm处的水分进行测量，则通过上位机设置改变测量指令使相应节点休眠即可。整个测量使用过程，比较方便，而且未被“唤醒”的节点处于休眠状态，一定程度上也降低了功耗。

S4：步骤S3中所述被“唤醒”节点将所测量的数据(低频方波信号f)返回至数据采集及处理模块3，单片机21进行数据分析处理，调用数据标定和土壤含水量反演算法将低频方波信号f转化成土壤体积含水量，并对数据进行非线性补偿修正，减小测量误差。待数据处理好后存储至数据存储模块25，并串行通信至上位机1。

S5：步骤S4中的数据返回上位机1后，用户由上位机1可直观得到作物根系表层10cm、中层30cm、底层50cm三点土壤剖面动态含水量情况。当然，用户通过上位机设置可以改变测量指令，数据采集及处理模块3接受测量指令，相应节点被“唤醒”实现测量重新返回数据，使用较为方便。

Claims (9)

1.一种土壤剖面水分测量装置，包括上位机(1)、传感器节点(2)、绝缘套(6)、密封顶盖(5)和防水堵头(7)；其特征在于，所述上位机(1)通过数据采集与处理模块(3)与所述传感器节点(2)相连；所述绝缘套(6)安装于所述传感器节点(2)外，所述绝缘套(6)下端与所述防水堵头(7)连接，所述绝缘套(6)上端通过连接体(8)与所述密封顶盖(5)连接；所述传感器节点(2)包括两个金属片(15)，所述两金属片(15)径向彼此间隔的固定于绝缘柱体(12)表面，所述两金属片(15)分别与传感器电路板(16)相连。

2.根据权利要求1所述的一种土壤剖面水分测量装置，其特征在于：所述传感器节点(2)为两个以上，通过螺纹结构连接。

3.根据权利要求1或2所述的一种土壤剖面水分测量装置，其特征在于：所述传感器节点(2)的传感器电路板(16)包括并联LC振荡电路(18)，高频小信号放大电路(19)，整流分频电路(20)；所述并联LC振荡电路(18)由固定电感、固定电容及所述两个金属片(15)构成的可变电容组成。

4.根据权利要求1所述的一种土壤剖面水分测量装置，其特征在于：所述两个传感器节点(2)之间连接有PVC绝缘体。

5.根据权利要求1所述的一种土壤剖面水分测量装置，其特征在于：所述两金属片(15)的轴向长度大于径向长度。

6.根据权利要求1所述的一种土壤剖面水分测量装置，其特征在于：所述防水堵头(7)呈三角锥形，表面有外螺纹。

7.根据权利要求1所述的一种土壤剖面水分测量装置，其特征在于：所述数据采集及处理模块(3)包括单片机(21)、数据存储模块(25)、片选模块(23)、电源模块(24)、接口电路(22)；所述单片机(21)接收上位机(1)指令，控制指定传感器节点(2)进行土壤水分测量，分析处理、存储并反馈至上位机(1)；所述数据存储模块(25)用于存储土壤含水量反演算法、标定及非线性补偿算法，以及历史土壤含水量；所述片选模块(23)接受单片机(21)控制，用于选通和断开传感器节点(2)；所述电源模块(24)由锂电池、电源管理电路组成，为数据采集及处理模块(3)和传感器节点(2)提供稳定的电源；所述接口电路(22)包括RS232或RS485接口电路，通过电缆线(4)与上位机(1)的串行数据通信。

8.根据权利要求1所述的一种土壤剖面水分测量装置，其特征在于：所述连接体(8)带有夹槽。

9.一种土壤剖面水分测量装置的方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1：根据测量深度要求，调整传感器节点(2)的个数和间距，并钻入土壤；

S2：通过上位机(1)设置装置各传感器节点(2)地址编码；

S3：数据采集及处理模块(3)根据上位机(1)指令的地址编码查找指定传感器节点(2)并发送测量指令，该传感器节点(2)开始测量土壤水分含量；

S4：数据采集及处理模块(3)对测量数据进行分析处理、存储后发送到上位机(1)；

S5：所述上位机(1)显示土壤剖面动态含水量情况。

Images