CN102419344A - 一种太阳能无线土壤剖面水分测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种太阳能无线土壤剖面水分测量装置。该装置包括：太阳能电池(4)、天线(11)、传感器节点(5)、绝缘套(9)、防水堵头(10)；所述太阳能电池(4)通过充放电控制器(3)与数据采集及处理模块(6)相连；所述传感器节点(5)包括两个金属片(18)，所述两金属片(18)径向彼此间隔的固定于绝缘柱体(15)表面，所述两金属片(18)分别与传感器电路板(19)相连。本发明利用太阳能光伏发电供给能源，进行土壤剖面单点或多点动态含水量的测量，基于短距离无线通信技术实现采集数据的无线传输，能耗低、可靠性强，可自动、连续定点长期监测土壤剖面动态含水量。

Description

一种太阳能无线土壤剖面水分测量装置

技术领域

本发明涉及土壤水分测量技术领域，特别涉及一种太阳能无线土壤剖面不同深度多点水分测量装置。

背景技术

在农林业生产中，土壤水分的准确测量对及时掌控土壤墒情、实现节水灌溉起着非常重要的作用。而土壤水分测量所基于的传统探针式结构土壤水分传感器存在其单点测量的局限性，有线的测量方式也不利于农田多点部署实现土壤水分的动态监测。因此，土壤剖面多点水分测量传感器以及实现传感器测量数据的无线传输技术，是今后水分测量传感器研发有待突破的方向之一。

专利[CN200520005689.3]公开的一种基于介电FDR法测量土壤剖面含水量的土壤水分传感器，由单个传感器节点、电路板和绝缘套管组成，与以往传统土壤探针式结构水分传感器相比，结构简单，可测量土壤剖面多点水分含量。但是该类型传感器是通过单个传感器节点在套管中上下移动去测量土壤剖面一定深度含水量，一方面难以知道含水量所对应土壤剖面的具体深度，另一方面该传感器也只适合现场即时测量，不适于自动、长期定点监测土壤水分。专利[CN200720090099.4]公开的一种无线智能土壤水分自动监测仪，通过合理布设监测站点、无线发射数据，可及时、准确了解土壤剖面多点水分动态变化情况。但是该自动监测仪一方面没有涉及整个系统能耗问题，单个探测器可能需要定期更换电池，一定程度上增加了投入成本；另一方面，探测器与数据采集器之间依旧是有线连接，布线复杂，网络拓扑难以灵活调整。专利[CN201010235594.6]公布的一种太阳能无线土壤水分传感器，在不需要通信电缆及电源线条件下，可实现长期定点的土壤水分监测。但是该传感器依旧基于传统探针式结构，适于表层土壤单点含水量的测量，不能满足一定深土层或土壤剖面多点（不同深度）含水量的测定需求；若进行土壤剖面动态水分监测，土壤剖面多个传感器穿插，布设困难、费时费力，前期工作量大，能量消耗也会随之变大。

综上所述，一种土壤水分传感器利用太阳能光伏发电作能源，对土壤剖面单点或多点水分同时进行测量，基于短距离无线通信技术实现测量数据的无线传输。目前，缺乏该类传感器的研究。

发明内容

本发明的目的是提供一种太阳能无线土壤剖面水分测量装置。该装置利用太阳能光伏发电供给能源，进行土壤剖面单点或多点动态含水量的测量，基于短距离无线通信技术实现采集数据的无线传输，能耗低、可靠性强，可自动、连续定点长期监测土壤剖面动态含水量。

本发明的技术方案是：

一种太阳能无线土壤剖面水分测量装置，包括太阳能电池、天线、传感器节点、绝缘套和防水堵头；所述太阳能电池通过充放电控制器与数据采集及处理模块相连；所述天线与数据采集及处理模块连接；所述绝缘套安装于所述传感器节点外，所述绝缘套上端通过连接体与所述太阳能电池连接，所述绝缘套下端与所述防水堵头连接；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及以上，并彼此间隔安装。

进一步，所述传感器电路板包括高频振荡电路，放大电路，整流电路，分频电路；所述高频振荡电路是由固定电感、固定电容及所述两个金属片构成的可变电容组成的并联LC振荡电路。

进一步，所述数据采集及处理模块包括单片机、片选模块、ZigBee无线收发模块、接口电路、数据存储模块；所述片选模块与单片机连接，用于选通和断开传感器节点，实现“唤醒”与“休眠”功能；所述单片机用于对所采集测量数据进行分析处理、存储并传输至用户终端；所述ZigBee无线收发模块，用于接受用户终端指令，测量数据；所述接口电路为RS232或RS485接口电路，用于与PC或PDA的串行数据通信；所述数据存储模块用于测量数据。

进一步，所述太阳能电池与充放电控制器、锂电池组成电源模块；所述太阳能电池将太阳能转换成电能经由充放电控制器存储于锂电池；所述充放电控制器与单片机连接，用于对锂电池的充电和放电智能控制。

进一步，所述连接体带有夹槽和圆孔，夹槽用于夹具固定作用装置，圆孔用于引出天线。

本发明的有益效果为：该装置利用太阳能光伏发电供给稳定电源，通过单片机控制传感器节点实行休眠与唤醒机制，实现低能耗和连续长时间运行；该装置可实现传感器节点的自由组合装配，实现土壤剖面单点或多点水分同时测量，为作物精确灌溉提供策略依据；该装置自带的ZigBee无线收发模块一方面可以独立实现测量数据的无线传输，另一方面又可以和相邻同结构装置建立路由构成无线传感土壤水分监控网络，实现纵向土壤剖面多点动态含水量和横向农田多点含水量的双重监测，可靠性强，适合于自动、连续定点长期监测。

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 是本发明实施例的测量装置的整体设计框图；

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是本发明实施例的测量方法流程简图。

其中：1-电源模块，2-锂电池，3-充放电控制器，4-太阳能电池，5-传感器节点，6-数据采集及处理模块，7-用户终端，8-连接体，9-绝缘套，10-防水堵头，11-天线，12-第一PVC绝缘体，13-绝缘隔离卡口，14-绝缘固定卡口，15-绝缘柱体，16-第二PVC绝缘体，17-绝缘固定环，18-金属片，19-传感器电路板，20-数据排线，21-高频振荡电路，22-放大电路，23-整流电路，24-分频电路，25-单片机，26-片选模块，27-ZigBee无线收发模块，28-接口电路，29-数据存储模块。

具体实施方式

如图1~7所示为本发明太阳能无线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：电源模块1由太阳能电池4、充放电控制器3和锂电池2组成，其通过充放电控制器3与数据采集及处理模块6连接，太阳能电池4将太阳能转换成电能经由充放电控制器3存储于锂电池2；充放电控制器3接受数据采集及处理模块6中单片机25控制，实现对锂电池2的充电和放电智能控制；锂电池2用于存储电能和供给整个装置稳定电源，充电和放电不可以同时进行；以上的电源结构保证了太阳能光伏发电与装置电源稳定供给；多个传感器节点5与数据采集及处理模块6连接，用于土壤剖面单点水分的测量或多点（不同深度）水分的同时测量；数据采集及处理模块6，用于根据用户终端7的指令“唤醒”单个或多个传感器节点5进行土壤水分测量，将所采集测量数据分析处理、存储及无线传输。

该装置外观及内部结构如图2~5所示，装置还包括天线11、绝缘套9、防水堵头10。天线11由连接体8的圆孔引出，通过第一PVC绝缘体12内嵌的数据采集及处理模块6与传感器节点5相连，实现装置与用户终端7的无线数据传输与通信。天线11为数据采集及处理模块6中ZigBee无线收发模块27的组成部分，而数据采集及处理模块6与传感器节点5之间由数据排线20相连接。绝缘套9安装于传感器节点5外，绝缘套9上端通过连接体8与太阳能电池4连接，绝缘套9下端与防水堵头10连接。太阳能电池4光伏发电保证整个装置电源稳定供给的同时也起到了将装置密封遮盖的作用，防止雨水等杂物的进入。连接体8还带有夹槽，便于中间圆形两端带把柄的夹具将装置咬紧，通过作用夹具将装配好的测量装置钻入土壤或从土壤提取。防水堵头10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。

如图4所示，两金属片18分别与绝缘柱体15内嵌的传感器电路板19相连构成单个传感器节点5，两金属片18由绝缘隔离卡口13实现径向隔离和卡嵌固定于绝缘柱体15表面，绝缘固定卡口14辅助卡嵌固定，绝缘固定环17紧固金属片18防止其上下位移。其中，两金属片18的轴向长度大于径向长度。具体测量时传感器节点5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5相互之间设有第二PVC绝缘体16间隔，通过螺纹结构相连接咬合。第二PVC绝缘体16内嵌的数据排线20将传感器节点5彼此连接，实现数据传输与通信。

如上所述的太阳能电池4下端支撑部位内壁有螺纹；连接体8和绝缘套9的上端部位皆有螺纹，下端部位内壁有螺纹；第一PVC绝缘体12和第二PVC绝缘体16的两端部位内壁有螺纹；绝缘柱体15的两端部位有螺纹；其中绝缘套9除却螺纹部分长度范围为10cm~100cm，具体长度为10cm的倍数；其中第一PVC绝缘体12和第二PVC绝缘体16的长度都为10cm。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，数据采集及处理模块6根据用户终端7指令“唤醒”单个或多个传感器节点开始测量；节点返回的测量数据经数据采集及处理模块6数据分析处理、存储后，再由ZigBee无线收发模块27无线传输至用户终端7，用户由用户终端7可直观得到土壤剖面单点或多点水分含量数据及其变化曲线。

图6为传感器节点5的传感器电路板19，包括高频振荡电路21，放大电路22，整流电路23，分频电路24。高频振荡电路21是由固定电感、固定电容及所述两个金属片18构成的可变电容组成的并联LC振荡电路。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18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25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6电路组成如图7所示，包括单片机25、片选模块26、ZigBee无线收发模块27、接口电路28、数据存储模块29等；所述单片机25根据指令“唤醒”单个或多个传感器节点5进行土壤水分测量，对所采集测量数据进行分析处理、存储并无线传输至用户终端7，同时实现对电源模块1的智能控制；所述片选模块26接受单片机25控制，用于选通和断开传感器节点5，实现“唤醒”与“休眠”功能；所述ZigBee无线收发模块27，用于接受用户终端7指令、无线发送相应测量数据，也可以和相邻土壤剖面水分测量装置建立路由构成无线传感土壤水分监控网络；所述接口电路28包括RS232、RS485等接口电路，可实现与PC或PDA等的串行数据通信；所述数据存储模块29用于存储土壤含水量反演及非线性补偿算法、历史土壤含水量测量数据等。

如图8所示，为本发明实施例的测量方法流程简图。

S1：根据实际土壤水分测量要求，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20cm、底层40cm三点土壤水分的测量，则具体装配有：绝缘隔离卡口13将两个金属片18进行径向隔离和卡嵌固定在绝缘柱体15的表面，绝缘固定卡口14辅助卡嵌固定，两个绝缘固定环17分别紧固金属片18的上下防止其位移。绝缘柱体15与第二PVC绝缘体16顺序连接即构成单个“竹节”，四个这样的“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15与第一PVC绝缘体12咬合连接。将“竹杆”内嵌于绝缘套9，连接体8实现绝缘套9与太阳能电池4下端支撑部位咬合连接，防水堵头10将绝缘套9最下端堵死。在连接的过程中数据排线20将四个绝缘柱体15内嵌的传感器电路板19彼此相互连接，将第一PVC绝缘体12内嵌的数据采集及处理模块6和“竹杆”最上端绝缘柱体15内嵌的传感器电路板19相连接； 太阳能电池4下端支撑部位内嵌电线将太阳能电池4与数据采集及处理模块6连接，天线11由连接体8的圆孔引出。

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咬紧装置连接体8夹槽，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10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。

待上电复位作好设置，具体测量时便可实现对作物根系表层、中层、底层三点土壤水分的同时测量，定点连续不间断的自动测量，为作物精确灌溉提供较好的策略依据。

S2：譬如步骤S1中所述的作物根系表层10cm、中层20cm、底层40cm三点土壤水分的测量，待装置钻入土壤后，首先通过电缆线将PC与数据采集及处理模块6相连进行装置上电复位静态检查，检查各电路模块的故障与否。

其次对传感器节点5进行设置：①设置10cm处传感器节点地址地址编码为a1、20cm处为a2、30cm处为a3，40cm处为a4，通过PC发送有线测量指令检测装置是否可以实现串口通信；通过用户终端7发送无线测量指令检测ZigBee无线收发模块27的接受和发送情况。若测量指令包含节点地址编码a1、a2、a4，则数据采集及处理模块6“唤醒”相应节点即10cm处节点、20cm处节点，40cm处节点开始工作，实现多节点的同时测量，未被“唤醒”节点一直处于休眠状态直到被“唤醒”，整个过程不会消耗电能降低了功耗。②设置传感器节点5工作周期，比如设置1min测量一次，传感器节点5的测量时间很短，瞬间完成测量后将处于休眠状态，等待下1min的到来。

最后电源模块1相关设置。设置太阳能电池的充放电深度，比如设置放电下限为30%，充电上限为100%，电量竭尽限度为10%。传感器节点5的测量具有间歇式，完成一次测量，单片机25对太阳能电池4与锂电池2的状态作一次监控，通过充放电控制器3给出相应控制信号，然后进入休眠状态，直到下一次测量周期。比如说监控到锂电池2的剩余电量不足30%，则单片机25会作出充电指令允许太阳能电池4实现光伏发电，直到锂电池电量达到100%。期间传感器节点5会间歇工作，锂电池2放电的同时太阳能电池4光伏发电停止，即充放电不可以同时进行。再比如由于连续的阴雨雪天气，单片机25监控到锂电池2达到电量竭尽限度，则会启用备用第二锂电池2，确保锂电池2的使用寿命与整个装置的电源稳定供给。传感器节点5的唤醒与休眠机制及单片机25自身工作特点使得装置功耗非常低，加之工作时间又短，装置总体平均功耗很低。

S3：待步骤S2中所述的作物根系表层10cm、中层20cm、底层40cm三点土壤水分测量装置完成检查与设置工作。装置进行实际工作：根据用户终端7无线测量指令，当一个测量周期到来时，10cm、20cm、40cm处节点将所采集的测量数据送由数据经数据采集及处理模块6算法处理、非线性补偿转换成土壤体积含水量后存储至数据存储模块29，再由ZigBee无线收发模块27无线传输至用户终端7，整个工作周期短。若要进行农田无线传感土壤水分监控网络，则ZigBee无线收发模块27可以和相邻同结构装置基于ZigBee建立路由，将数据打包处理以接力的方式多跳传输至汇聚节点，再由汇聚节点传输至用户终端7，即实现了纵向土壤剖面多点动态含水量和横向农田多点含水量的双重监测，可靠性强，适合于自动、连续定点的长期监测。

Claims (6)

1.一种太阳能无线土壤剖面水分测量装置，包括太阳能电池(4)、天线(11)、传感器节点(5)、绝缘套(9)和防水堵头(10)；其特征在于：所述太阳能电池(4)通过充放电控制器(3)与数据采集及处理模块(6)相连；所述天线(11)与数据采集及处理模块(6)连接；所述绝缘套(9)安装于所述传感器节点(5)外，所述绝缘套(9)上端通过连接体(8)与所述太阳能电池(4)连接，所述绝缘套(9)下端与所述防水堵头(10)连接；所述传感器节点(5)包括两个金属片(18)，所述两金属片(18)径向彼此间隔的固定于绝缘柱体(15)表面，所述两金属片(18)分别与传感器电路板(19)相连。

2.根据权利要求1所述的太阳能无线土壤剖面水分测量装置，其特征在于,所述传感器节点(5)为两个及以上，并彼此间隔安装。

3.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，所述传感器电路板(19)包括高频振荡电路(21)，放大电路(22)，整流电路(23)，分频电路(24)；所述高频振荡电路(21)是由固定电感、固定电容及所述两个金属片(18)构成的可变电容组成的并联LC振荡电路。

4.根据权利要求1所述的太阳能无线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(6)包括单片机(25)、片选模块(26)、ZigBee无线收发模块(27)、接口电路(28)、数据存储模块(29)；所述片选模块(26)与单片机(25)连接，用于选通和断开传感器节点(5)，实现“唤醒”与“休眠”功能；所述单片机(25)用于对所采集测量数据进行分析处理、存储并传输至用户终端(7)；所述ZigBee无线收发模块(27)，用于接受用户终端(7)指令，测量数据；所述接口电路(28)为RS232或RS485接口电路，用于与PC或PDA的串行数据通信；所述数据存储模块(29)用于测量数据。

5.根据权利要求1所述的太阳能无线土壤剖面水分测量装置，其特征在于，所述太阳能电池(4)与充放电控制器(3)、锂电池(2)组成电源模块(1)；所述太阳能电池(4)将太阳能转换成电能经由充放电控制器(3)存储于锂电池(2)；所述充放电控制器(3)与单片机(25)连接，用于对锂电池(2)的充电和放电智能控制。

6.根据权利要求1所述的太阳能无线土壤剖面水分测量装置，其特征在于，所述连接体(8)带有夹槽和圆孔，夹槽用于夹具固定作用装置，圆孔用于引出天线(11)。

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