CN102507907A - 基于gps/gprs/gsm的新型便携式土壤水分监测仪 - Google Patents

基于gps/gprs/gsm的新型便携式土壤水分监测仪 Download PDF

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马友华
江朝晖
支孝勤
檀春节
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Abstract

本发明公开了一种基于GPS/GPRS/GSM的新型便携式土壤水分监测仪，包括有信息采集模块，用于采集土壤容积含水量和经度、纬度、时间信息；处理控制模块，用于控制采集土壤含水量并显示和发送；显示模块，用于实时显示土壤含水量数据和经度、纬度、时间信息；远程传输模块包括有GPRS/GSM模块、按键选择模块，用于将土壤容积含水量、经度、纬度和时间发送至中心站或手机；电源模块，用于提供多路可靠的直流电压。本发明集土壤容积含水量测量、本地显示、远程传输和地理定位于一体，具有测量精度高、多功能、便携的优点，解决了现有土壤墒情监测中存在的问题。

Description

基于GPS/GPRS/GSM的新型便携式土壤水分监测仪
技术领域：
    本发明涉及土壤墒情监测技术领域，具体涉及土壤容积含水量的远程、自动、便携监测及监测位置、时间等信息的获取。
背景技术：
中国粮食生产基地旱涝灾害频发，严重制约了粮食安全。土壤的水分含量、耕作特性等对农作物的产量影响很大，因此在每年的春播、秋种时节要及时、准确地获得土壤墒情，以便合理安排灌溉。传统的方法是人工测量土壤墒情，由于耕作范围大，不仅要耗费大量的人力、物力，而且时效性较差，往往耽误农时。
土壤含水量是土壤墒情的重要指标。土壤含水量的实时、在线监测是现代农业面临的课题，既要求对土壤湿度的准确性、均匀性、波动性进行客观的计量监测，同时又有快速、方便、规范化等要求。对土壤湿度的测量经历了一个漫长的发展过程，早期采用机械式湿度记录仪，其体积庞大，精度低，响应时间长，检测误差为5%，数据由人工记录，不仅费时费力，而且容易出现故障；之后出现的巡检仪、无纸记录仪也因体积大、成本高、需外接电源，未能大量使用；后期采用高分子湿敏电容或湿敏电阻作为湿度传感器，虽然提高了测量的精度，但是测量电路很复杂，给应用带来了诸多不便。
目前，国内外都致力于研究精度更高、体积更小、功耗更低、功能更齐全的智能型土壤湿度检测仪。例如，北京盟创伟业的SU-LA手持土壤水分测试仪、锦州阳光的土壤水分检测仪、浙江托普的土壤水分测量仪等等，可以实现基本的测量功能，但是在适用场所、测量精度、智能化等方面还不能完全满足要求；美国、澳大利亚、巴西等国家研制出一些先进的仪器，像梅特勤-托利多（METZER TOLEDO）公司的水分测试仪、麦斯特 (MoistTech)土壤水分检测仪等，但是价格昂贵，对于科研院所和精确测量实验室等还可以接受，不能广泛推广到农业生产中。
总的来说，目前使用的便携式土壤含水量测量仪器主要有下列缺点：
(1)现有的土壤水分测量仪器的便携式与无线发送不能兼备，要是便携式的就不带无线发送功能，有无线发送数据功能就不是便携式仪器；
(2)测量数据先保存在存储器或SD卡中，测量结束后将数据导入计算机进行后续处理，不仅易发生数据丢失，而且测量数据不能及时应用；
(3)缺乏测量位置、实时时间等辅助信息的自动获取，测量时由人工记录测量位置，根据人工或测量仪器时钟获得测量时间，容易引起数据错乱和误差。
发明内容
鉴于土壤墒情监测的需求和现有便携式土壤含水量测量仪器存在的主要问题，本发明研制一种基于GPS/GPRS/GSM的新型便携式土壤水分监测仪，实现土壤容积含水量的远程、自动监测及监测位置、时间的准确获取、无线发送，具有精度高、实时高效、多功能、使用方便的特点。
发明内容：
本发明所要解决的技术问题是提供一种提供能够实时、准确、自动化、智能化提供墒情的基于GPS/GPRS/GSM的新型便携式土壤水分监测仪。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
基于GPS/GPRS/GSM的便携式土壤水分监测仪，包括信息采集模块、处理控制模块、显示模块、电源模块，所述信息采集模块包括GPS模块和土壤水分传感器；所述处理控制模块是单片机，所述单片机中包括A/D转换器、串行口1、串行口2；所述GPS模块、土壤水分传感器、显示模块均与单片机相连接，其特征在于：所述土壤水分监测仪还包括有远程传输模块，所述远程传输模块包括有GPRS/GSM模块、按键选择模块，所述GPRS/GSM模块与单片机连接，所述电源模块能输出多路直流电压，各电压输出端分别与GPS模块、土壤水分传感器、单片机、显示模块、GPRS/GSM模块连接；所述GPS模块监测到的信息通过串行口2传输到显示模块，所述土壤水分传感器监测到的信息通过A/D转换器转换后通过串行口2传输到显示模块、通过串行口1传输到GPRS/GSM模块，通过按键选择模块的选择，GPRS/GSM模块把得到的信息发送至中心站或手机。
所述的一种基于GPS/GPRS/GSM的便携式土壤水分监测仪，其特征在于：所述显示模块是LCD显示器。
所述的一种基于GPS/GPRS/GSM的便携式土壤水分监测仪，其特征在于：所述电源模块可采用干电池或可充电电池供电，所述电源模块的输入电压范围为4.5V-8V；
输出电压端与单片机之间连接有升压模块、稳压模块；
输出电压端与土壤水分传感器、GPS模块、GPRS/GSM模块之间连接有升压模块；
输出电压端直接与显示器连接；所述输出电压端的输出电压为5V、7.3V和9V直流电压，其中7.3V电流不小于1A。
所述的一种基于GPS/GPRS/GSM的新型便携式土壤水分监测仪，其特征在于：所述远程传输模块，通过按键选择信息发送模式，以GPRS和数据帧模式将土壤容积含水量、经度、纬度和时间发送至中心站，或者以GSM和短信模式发送给手机。
所述的一种基于GPS/GPRS/GSM的新型便携式土壤水分监测仪，其特征在于：所述中心站或手机上安装有接收软件。
信息采集模块：用于采集土壤容积含水量和经度、纬度、时间信息；
处理控制模块：用于控制采集土壤容积含水量、显示和发送；
显示模块：用于实时显示土壤容积含水量数据和经度、纬度、时间信息；
远程传输模块：用于将土壤容积含水量、经度、纬度和时间发送至中心站或手机；
电源模块：用于提供多路可靠的直流电压。
本发明的有益效果是：
本发明实现了土壤含水量远程自动监测，给土壤墒情监测、管理和决策系统提供实时、准确的数据来源，提高墒情监测、决策的自动化和智能化，节省人力和财力，提高水资源利用率，促进粮食高产。
附图说明：
图1为本发明的主要结构框图。
图2为本发明的信息采集模块、处理控制模块、显示模块、远程传输模块的结构及连接图。
图3为电源模块原理图及供电连接图。
图4为本发明的应用示意图
具体实施方式：
本发明将土壤容积含水量的测量、采集位置和采集时间信息获取、本机实时显示、GPRS模式传输、GSM模式传输和便携式电源设计融为一体，实现土壤含水量的远程自动监测。具体实施方式如下：
如图1-4所示，基于GPS/GPRS/GSM的便携式土壤水分监测仪，包括信息采集模块、处理控制模块、显示模块、电源模块，所述信息采集模块包括GPS模块和土壤水分传感器；所述处理控制模块是单片机，所述单片机中包括A/D转换器、串行口1、串行口2；所述GPS模块、土壤水分传感器、显示模块均与单片机相连接，其特征在于：所述土壤水分监测仪还包括有远程传输模块，所述远程传输模块包括有GPRS/GSM模块、按键选择模块，所述GPRS/GSM模块与单片机连接，所述电源模块能输出多路直流电压，各电压输出端分别与GPS模块、土壤水分传感器、单片机、显示模块、GPRS/GSM模块连接；所述GPS模块监测到的信息通过串行口2传输到显示模块，所述土壤水分传感器监测到的信息通过A/D转换器转换后通过串行口2传输到显示模块、通过串行口1传输到GPRS/GSM模块，通过按键选择模块的选择，GPRS/GSM模块把得到的信息发送至中心站或手机。所述的一种基于GPS/GPRS/GSM的便携式土壤水分监测仪，其特征在于：所述显示模块是LCD显示器。
所述电源模块可采用干电池或可充电电池供电，所述电源模块的输入电压范围为4.5V-8V；
输出电压端与单片机之间连接有升压模块、稳压模块；
输出电压端与土壤水分传感器、GPS模块、GPRS/GSM模块之间连接有升压模块；
输出电压端直接与显示器连接；所述输出电压端的输出电压为5V、7.3V和9V直流电压，其中7.3V电流不小于1A。
所述远程传输模块，通过按键选择信息发送模式，以GPRS和数据帧模式将土壤容积含水量、经度、纬度和时间发送至中心站，或者以GSM和短信模式发送给手机。
所述中心站或手机上安装有接收软件。
如图2所示，为信息采集模块、处理控制模块、显示模块、远程传输模块的结构及连接图。
土壤水分传感器：用于获取土壤中的水分含量，采用FDS100土壤水分传感器，该传感器是基于介电理论并运用频域测量技术(FDR)。FDS100土壤水分传感器需要提供5-12V直流电压，启动时间小于2秒，误差小于2%，输出电流信号。采用电流-电压转换电路，将其转换成0-5V的电压信号。
GPS模块：用于获取经度、纬度、时间信息，通过串口2发送给处理控制模块，串口的波特率设置为9600bps。采用QE-GSM/GPRS/GPS一体化模块，供电电压5-9V。
处理控制模块：用于采集、处理、显示和远程传输的控制。采用STC12C5A60S2单片机为处理器，通过内置的A/D转换器将土壤水分传感器送来模拟电压信号转换成数字信号；通过串口2读取GPS模块的经度、纬度和时间信息；将含水量、经度、纬度和时间信息在LCD上显示；通过按键选择信息发送模式，并通过串口1将含水量、经度、纬度和时间信息以GPRS或GSM模式远程传输。
显示模块：用于在本机显示含水量、经度、纬度和时间信息。采用通用的12864LCD液晶屏，内置驱动和汉字字模，为了减少单片机I/O端口，选用串行方式。
远程无线通信模块：用于将含水量、经度、纬度和时间信息及时传送给中心站或用户手机。采用QE-GSM/GPRS/GPS一体化模块，主芯片是sim300,支持AT指令模式。使用GPRS通信模式时，通过AT指令给该模块发送目的地主机IP地址、端口号和数据信息；使用GSM发送模式时，通过AT指令给该模块发送目的地手机号和数据信息。
如图3所示，为电源模块原理图及供电连接图。
电源模块是便携式采集仪的核心之一，需要综合考虑功耗、效率、重量/体积和成本。本发明需要3路不同的电压和带载能力，其中土壤水分传感器需要5-12V供电，单片机和LCD需要5V供压，QE-GSM/GPRS/GPS一体化模块需要5-9V供电，且电流较大，在发送数据时大于1A。为了便于使用，采用4节干电池或可充电电池供电，输入电压范围较宽，达到4.5-8V。设计两路电源模式，一路通过LM2577升压作为QE-GSM/GPRS/GPS一体化模块的电源，可获得较大电流，降低功耗；另一路采用LM2577升压和LM1117稳压的模式，其中水分传感器直接由LM2577升压后供电，而单片机/LCD再经过LM1117稳压后供电。LM2577效率高，外围器件较少，使用方便。
如图4所示，为本发明的应用示意图，具体来说：
本发明的土壤水分监测仪是便携式、远程监测设备，农技人员或科研人员可携带本设备在任何地方进行土壤含水量测量。传入传感器后，土壤含水量、经度、纬度和时间信息同时显示在监测仪面板上。根据任务的需要，按键选择信息传输模式（土壤含水量一般不需要不间断采集和记录），远端用户可及时获取测量数据。通过GPRS模式可将所有信息传输给中心站，中心站应用软件通过IP连接Internet，进行数据读取、解析、滚动显示、存储和处理；通过GSM模式可将所有信息发送给特定的手机，便于用户及时了解动态。

Claims (5)

1.一种基于GPS/GPRS/GSM的便携式土壤水分监测仪，包括信息采集模块、处理控制模块、显示模块、电源模块，所述信息采集模块包括GPS模块和土壤水分传感器；所述处理控制模块是单片机，所述单片机中包括A/D转换器、串行口1、串行口2；所述GPS模块、土壤水分传感器、显示模块均与单片机相连接，其特征在于：所述土壤水分监测仪还包括有远程传输模块，所述远程传输模块包括有GPRS/GSM模块、按键选择模块，所述GPRS/GSM模块与单片机连接，所述电源模块能输出多路直流电压，各电压输出端分别与GPS模块、土壤水分传感器、单片机、显示模块、GPRS/GSM模块连接；所述GPS模块监测到的信息通过串行口2传输到显示模块，所述土壤水分传感器监测到的信息通过A/D转换器转换后通过串行口2传输到显示模块、通过串行口1传输到GPRS/GSM模块，通过按键选择模块的选择，GPRS/GSM模块把得到的信息发送至中心站或手机。
2.根据权利要求1所述的一种基于GPS/GPRS/GSM的便携式土壤水分监测仪，其特征在于：所述显示模块是LCD显示器。
3.根据权利要求1所述的一种基于GPS/GPRS/GSM的便携式土壤水分监测仪，其特征在于：所述电源模块可采用干电池或可充电电池供电，所述电源模块的输入电压范围为4.5V-8V；
输出电压端与单片机之间连接有升压模块、稳压模块；
输出电压端与土壤水分传感器、GPS模块、GPRS/GSM模块之间连接有升压模块；
输出电压端直接与显示器连接；所述输出电压端的输出电压为5V、7.3V和9V直流电压，其中7.3V电流不小于1A。
4.根据权利要求1所述的一种基于GPS/GPRS/GSM的新型便携式土壤水分监测仪，其特征在于：所述远程传输模块，通过按键选择信息发送模式，以GPRS和数据帧模式将土壤容积含水量、经度、纬度和时间发送至中心站，或者以GSM和短信模式发送给手机。
5.根据权利要求1所述的一种基于GPS/GPRS/GSM的新型便携式土壤水分监测仪，其特征在于：所述中心站或手机上安装有接收软件。
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