CN102507901B - 基于双传感器数据融合技术的土壤湿度测量装置及方法 - Google Patents

基于双传感器数据融合技术的土壤湿度测量装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了基于双传感器数据融合技术的土壤湿度测量装置及方法，装置包括8位单片机最小系统、基于时域反射技术的土壤湿度传感器、土壤硬度传感器、直流减速电机及人机接口模块、电源模块。8位微机采用高性能、低功耗单片机及外围接口电路，单片机通过驱动电路带动直流减速电机，进而驱动土壤硬度计匀速插入被测土壤，根据采集到的土壤硬度值，在单片机内部与土壤湿度传感器的输出曲线进行数据融合，土壤湿度传感器进入工作状态后，传感器人机界面可显示出与土壤体积无关的土壤水分的质量百分比。从而避免了人工处理数据时引入的误差，确保测量结果的准确性，客观反映出土壤的含水量。

Description

基于双传感器数据融合技术的土壤湿度测量装置及方法
技术领域
本发明涉及基于时域反射技术的土壤湿度传感器的技术领域，特别涉及一种基于双传感器数据融合技术的土壤湿度测量装置及方法。
背景技术
传统的土壤湿度测量装置如TDR-3型土壤湿度传感器可测量水分/土壤的体积百分比，未考虑土壤硬度等结构方面的因素，所测量的数据精度较低，不能真实的反映土壤水分的含量。同样的土壤，土壤硬度增加后，TDR-3型土壤湿度传感器所测量的湿度数据有较大差异。考虑土壤硬度因素后，融合土壤硬度数据和传统的土壤湿度传感器测量的土壤湿度数据，可得出较为客观的水分/土壤的质量百分比。同时，土壤硬度传感器由减速直流电机驱动，匀速插入被测土壤，保证土壤硬度数据的准确性，避免了人工测量土壤硬度时，由于力度不均匀造成的测量数据存在偏差等现象。
目前，国内、国外均有土壤湿度传感器，如国外的EC-5，国内的TDR-3等，均是通过测量不同湿度下的土壤介电常数，进而输出对应的直流电压。国外的产品大多数价格较高，国内的土壤湿度传感器价格低廉但稳定性较差。最为重要的是无论国外、国内现有的土壤湿度传感器，均单纯考虑土壤湿度因素，未考虑土壤硬度等结构上的因素，造成测量结果与实际土壤含水量有较大偏差，在农业、尤其是对精度要求较高的测试领域应用场合有限、效果不佳，难以大规模推广和使用。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种基于8位微机和双传感器为核心，通过硬件电路设计和传感器数据融合，设计不受土壤硬度限制、适合于精确测量水分/土壤质量百分比的土壤湿度测量装置。
本发明的另一目的在于，提供一种基于双传感器数据融合技术的土壤湿度测量方法。
为了达到上述第一目的，本发明采用以下技术方案：
基于双传感器数据融合技术的土壤湿度测量装置，包括用于数据采集和数据处理的单片机最小系统、基于时域反射技术的土壤湿度传感器、土壤硬度传感器、直流减速电机、直流电机驱动模块、人机接口模块及电源模块，所述单片机最小系统、直流电机驱动模块、直流减速电机及土壤硬度计顺序电连接；所述人机接口模块和单片机最小系统电连接；所述电源模块分别与人机接口模块、单片机最小系统、直流电机驱动模块、直流减速电机、土壤硬度传感器以及土壤湿度传感器电连接。
优选的，所述单片机最小系统为8位单片机最小系统。
优选的，所述土壤湿度传感器为通用传感器。
优选的，所述土壤硬度传感器为通用传感器。
一种基于双传感器数据融合技术的土壤湿度测量方法，包括下述步骤：
(1)装置上电后，单片机进行系统初始化工作；
(2)通过单片机最小系统采集土壤硬度数据，判断是否为第一次采集该区域土壤硬度数据；若是，则直接采集土壤的硬度数据，然后转至步骤(3)；否则；判断土壤硬度是否有变化，若是，则采集土壤硬度值，若否，则转至步骤(3)；
(3)通过单片机最小系统采集土壤湿度数据，经标定后得出传感器的输出电压与土壤湿度体积百分比的关系曲线；
(4)在单片机内部根据土壤湿度传感器的输出曲线进行数据融合；
(5)传感器人机界面将分析结果存储并将其输出。
所述步骤(3)进一步包括将土壤湿度数据标定后得出传感器的输出电压与土壤湿度百分比的关系曲线。
步骤(4)中，所述数据融合为在单片机内部根据土壤湿度传感器的输出曲线、综合考虑土壤硬度数据，对土壤湿度传感器所测量的数据通过数学公式进行数据融合、计算出当前硬度情况下的土壤含水量。
步骤(5)中，所述显示结果为水分/土壤的质量百分比。
本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：
1、本发明通过8位单片机及自带的高精度A/D等片内资源，精确采集土壤硬度传感器的输出数据和土壤湿度传感器的输出数据，并在单片机内部通过既定的程序进行数据融合，避免了人工处理数据时引入的误差，确保测量结果的准确性。
2、本发明在测量土壤湿度时，综合考虑土壤硬度因素，对土壤硬度传感器的数据和基于时域反射技术的土壤湿度传感器输出数据进行融合，得出与土壤体积无关的水分/土壤的质量百分比，客观反映出土壤的含水量。
3、本发明采用大扭矩的直流减速电机驱动土壤硬度传感器匀速、缓慢插入被测土壤，保持产生的传感器探头上的阻力均衡，使传感器输出较为稳定的数据，进而得出土壤的硬度数据。避免人工测量土壤硬度时，因用力不均匀而产生的测量误差。
4、本发明土壤湿度测量装置中，含有直流减速电机的土壤硬度传感器和基于时域反射技术的土壤湿度传感器具有通用性。当装置用于需要实时、固定测量多点的土壤湿度的领域，如无线传感器网络等，装置中的含有直流减速电机的土壤硬度传感器可共用，将土壤湿度测量装置中的该部分通过接口电路，接到下一个土壤湿度测量点，待装置进入稳定工作状态、数据融合并显示测量结果后，又可将该部分移至后续的土壤湿度测量点。
附图说明
图1是本发明土壤湿度测量装置的结构图；
图2是本发明土壤湿度测量方法的流程图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例
如图1所示，一种基于双传感器数据融合技术的土壤湿度测量装置，其特征在于，包括用于数据采集和数据处理的单片机最小系统、基于时域反射技术的土壤湿度传感器、土壤硬度传感器、直流减速电机、直流电机驱动模块、人机接口模块及电源模块，所述单片机最小系统、直流电机驱动模块、直流减速电机、土壤硬度计顺序电连接；所述人机接口模块和单片机最小系统电连接；所述电源模块分别与人机接口模块、单片机最小系统、直流电机驱动模块、直流减速电机、土壤硬度传感器以及土壤湿度传感器电连接。
本实施例采用8位单片机最小系统，8位微机采用高性能、低功耗单片机及外围接口电路，单片机通过驱动电路带动直流减速电机，进而驱动土壤硬度计匀速插入被测土壤，根据采集到的土壤硬度值，在单片机内部与土壤湿度传感器的输出曲线进行数据融合，土壤湿度传感器进入工作状态后，传感器人机界面可显示出与土壤体积无关的土壤水分的质量百分比。装置中，含有直流减速电机的土壤硬度计及基于时域反射原理的土壤湿度传感器均具有通用性。
直流减速电机安装在钢制的脚架上，测量时，脚架稳固在被测土壤的上方。直流减速电机与单片机之间通过电机驱动模块连接，接收单片机发送过来的控制指令，旋转或反向旋转一定的周期，使硬度传感器探头插入被测土壤，或从被测土壤中拔出。直流减速电机通过小型液压装置与土壤硬度传感器相连，通过液压装置施加压力至土壤硬度传感器。
如图2所示，为本发明基于双传感器数据融合技术的土壤湿度测量方法，具体为：装置上电后，单片机先进行系统初始化工作，之后根据人机界面的输入信号判断被测土壤的硬度是否有变化或是否需要重新测量土壤硬度。在被测土壤上第一次使用该装置时，必须测量土壤硬度数据，否则可以根据需要决定是否需要再次或多次测量土壤硬度数据。如果基于时域反射技术的土壤湿度数据长时间测量同一被测土壤且土壤的硬度变化不大，则第一次测量土壤硬度数据后，含有直流减速电机的土壤硬度传感器可移至其他装置上使用。装置测量土壤硬度数据和土壤湿度数据后，所述数据融合为在单片机内部根据土壤湿度传感器的输出曲线、综合考虑土壤硬度数据，对土壤湿度传感器所测量的数据通过数学公式进行数据融合、计算出当前硬度情况下的土壤含水量，进而通过转换，输出、显示水分/土壤的质量百分比。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于双传感器数据融合技术的土壤湿度测量方法，其特征在于，基于双传感器数据融合技术的土壤湿度测量装置包括：用于数据采集和数据处理的单片机最小系统、基于时域反射技术的土壤湿度传感器、土壤硬度传感器、直流减速电机、直流电机驱动模块、人机接口模块及电源模块，所述单片机最小系统、直流电机驱动模块、直流减速电机及土壤硬度传感器顺序电连接；所述人机接口模块和单片机最小系统电连接；所述电源模块分别与人机接口模块、单片机最小系统、直流电机驱动模块、直流减速电机、土壤硬度传感器以及土壤湿度传感器电连接，土壤湿度测量方法包括下述步骤：
(1)装置上电后，单片机最小系统进行系统初始化工作；
(2)通过单片机最小系统采集土壤硬度数据，判断是否为第一次采集该区域土壤硬度数据；若是，则直接采集土壤的硬度数据，然后转至步骤(3)；否则，判断土壤硬度是否有变化，若是，则采集土壤硬度值，若否，则转至步骤(3)；
(3)通过单片机最小系统采集土壤湿度数据，经标定后得出传感器的输出电压与土壤湿度体积百分比的关系曲线；
(4)在单片机内部根据土壤湿度传感器的输出曲线进行数据融合，所述数据融合为在单片机内部根据土壤湿度传感器的输出曲线、综合考虑土壤硬度数据，对土壤湿度传感器所测量的数据通过数学公式进行数据融合、计算出当前硬度情况下的土壤含水量；
(5)传感器人机界面将分析结果存储并将其输出。
2.根据权利要求1所述基于双传感器数据融合技术的土壤湿度测量方法，其特征在于，所述步骤(3)进一步包括将土壤湿度数据标定后得出传感器的输出电压与土壤湿度百分比的关系曲线。
3.根据权利要求1中所述基于双传感器数据融合技术的土壤湿度测量方法，其特征在于，步骤(5)中，所述分析结果为水分/土壤的质量百分比。
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