CN103293200B - 一种土壤水分分布测量系统及测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及农业测量技术领域，尤其涉及一种土壤水分分布测量系统及测量方法。该土壤水分分布测量系统包括土壤水分传感器、传动装置、控制采集装置、位于地下的底管以及部分位于地下的第一侧管和第二侧管，通过控制采集装置驱动传动装置工作，从而通过电缆牵引着土壤水分传感器在底管、第一侧管和第二侧管形成的管道行进，实现对植物根区附近的土壤水分的检测，然后通过电缆将测量值传递给控制采集装置，控制采集装置对植物根区不同位置的水分的测量和监控，该土壤水分分布测量系统及利用该系统进行土壤水分分布测量的方法具有不伤害植物，不破坏土壤结构，测量区域大，不存在传感器探头间相互干扰的现象以及测量准确智能的有益效果。
Description
技术领域
本发明涉及农业测量技术领域，尤其涉及一种土壤水分分布测量系统及测量方法。
背景技术
水是植物生长的命脉，是保障我国粮食生产实现稳产与增产的基本前提条件。然而我国淡水资源缺乏，水资源的高效合理利用是现代农业生产中非常重要的任务。对植物根区土壤含水量分布情况进行测量监控能够有效指导精量节水灌溉，同时，植物根区土壤含水量分布是成功进行气候和环境预测的重要的水文变量，根据植物根区土壤含水量分布建立农业、水文学和气象学相关数学模型对气候和环境预测研究具有重要意义。
目前，普遍采用的获取土壤根区含水量分布的方法主要包括三种：实验室测量法、直接测量法和间接推算法，但是该三种方法均存在相应的缺陷。
实验室测量法是通过环刀把植物根区附近的土壤进行取样，取出后用烘干称重法计算含水量。然而取样距离植物太近会伤害植物，太远相关性又差，而且土壤结构会被破坏掉，可谓是一次性测量，所以此方法很不实用。
直接测量方法是将土壤水分传感器的探针插入或埋入特定位置，例如1998年，J.L.Starr和I.C.Paltineanu在距土壤表面向下5-45cm的四个不同深度放置电容探针，使用时域反射（TDR）设备每隔10分钟测量一次来监测不同深度的土壤含水量参数。其中某个探针处于植物根区位置，这样便可对植物根区土壤含水量进行监测。但这样做只能测量植物根区附近某一个小区域的平均土壤含水量，土壤水含量巨大的空间变异性导致此方法不能真实反映根区内部的水分含量。另外，若要通过植物根区土壤含水量对模型进行解译和指导灌溉，则应该知道根区附近一个水平面的含水量分布变化情况，而若要布置多个传感器探头一方面成本会提高，另一方面，传感器探头之间也会产生电磁干扰，测量不准确。
间接测量方法是通过张力计、介电传感器或者遥感方法测量出土壤浅表层的土壤含水量及温度参数，通过建立的模型来推算出植物根区深层土壤的含水量信息。因为土壤中水分分布的时空变异性非常大，水分渗透和保持的能力也不尽相同，每块地都有自己的特性，每块地的不同部位也会有千差万别的差异，所以，表层土壤和深层土壤间含水量的关系很难用确定的模型来表示，即此方法存在很大的误差。
因此，针对以上不足，本发明提供了一种土壤水分分布测量系统及测量方法。
发明内容
（一）要解决的技术问题
本发明的目的是解决现有的植物根区土壤水分分布测量技术中存在的易伤害植物，易破坏土壤结构，测量区域小，传感器探头间存在相互干扰以及测量不准确和误差大的技术问题。
（二）技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种土壤水分分布测量系统及测量方法，其包括一种土壤水分分布测量系统，其特征在于：其包括土壤水分传感器、传动装置、控制采集装置、位于地下的底管以及部分位于地下的第一侧管和第二侧管，所述底管的两端分别与所述第一侧管和所述第二侧管的一端连接，所述土壤水分传感器设置在所述底管、所述第一侧管和所述第二侧管形成的管道中，所述土壤水分传感器的一侧通过电缆和所述控制采集装置连接，所述电缆经过设置在所述第一侧管自由端的所述传动装置并由所述传动装置牵引，所述传动装置通过所述控制采集装置驱动控制，所述土壤水分传感器的另一侧连接有牵引线。
其中，所述传动装置包括电机、主动轮和从动轮，所述第一侧管的自由端固定有一基板，所述电机固定在所述基板上，所述主动轮安装在所述电机的转轴上，所述从动轮通过一固定轴上安装在基板上，所述主动轮和所述从动轮之间夹持着所述电缆。
其中，所述控制采集装置包括单片机芯片以及与其连接的存储模块、时钟模块、电机驱动模块、液晶显示模块和传感器信号调节模块，所述土壤水分传感器通过所述传感器信号调节模块与所述单片机芯片连接。
其中，所述第二侧管的自由端设置有牵返装置，所述牵返装置包括电机和绕线轮，所述绕线轮设置在牵返装置的电机的转轴上，所述牵引线与所述绕线轮连接。
其中，在土壤水分传感器上设置有一温度传感器，该温度传感器与土壤水分传感器上的电路连接，所述单片机芯片通过所述传感器信号调节模块与所述温度传感器连接。
其中，所述第一侧管和所述第二侧管内与地面齐平的位置设置有限位传感器，所述限位传感器与所述控制采集装置的所述传感器信号调节模块连接。
其中，所述单片机芯片通过串口通信模块与上位机连接。
本发明还提供了一种利用上述土壤水分分布测量系统进行土壤水分分布测量的方法，其包括以下步骤：
S1、根据植物根区的深度，挖一个相同深度的坑，将所述土壤水分分布测量系统放置在该坑中进行土壤填埋，将所述底管埋于土壤中，所述第一侧管和第二侧管部分位于地面以上，在所述底管的上方种植或者移栽植物。
S2、牵拉牵引线，使所述土壤水分传感器位于第二侧管自由端附近；
S3、通过控制采集装置设置采样间隔，使所述传动装置工作，所述传动装置通过电缆牵引所述土壤水分传感器使其在所述底管、所述第一侧管和所述第二侧管形成的管道中行进；
S4、根据采样间隔，土壤水分传感器在控制采集装置的控制下在植物根区采样测量，并将测量值传回控制采集装置；
S5、控制采集装置将测量值进行存储和显示。
其中，其还包括步骤S6：通过人工控制或者一个自动测量周期结束时，控制采集装置部分断电，土壤水分分布测量系统进入低功耗模式。
其中，其还包括步骤S7：当控制采集装置的定时时间到时，系统全部通电进入正常工作模式，返回步骤S2。
其中，在步骤S6之后，还包括步骤S8：适时通过上位机将控制采集装置内的测量值读出并清空，进行测量值数据分析或对控制采集装置的参数进行设定。
（三）有益效果
本发明的上述技术方案具有如下优点：本发明提供的土壤水分分布测量系统通过控制采集装置驱动传动装置工作，从而通过电缆牵引着土壤水分传感器在底管、第一侧管和第二侧管形成的管道行进，实现对植物根区附近的土壤水分的检测，然后通过电缆将测量值传递给控制采集装置，控制采集装置可以对传来的测量值进行存储和显示，从而完成了对植物根区不同位置的水分的测量和监控，具有不伤害植物，不破坏土壤结构，测量区域大，不存在传感器探头间相互干扰的现象以及测量准确智能的有益效果。
附图说明
图1是本发明实施例土壤水分分布测量系统的立体结构示意图；
图2是本发明实施例中控制采集装置的电路原理图。
图中，1：牵返装置；2：基板；3：绕线轮；4：限位传感器；6：第二侧管；7：牵引线；8：第一侧管；10：土壤水分传感器；11：温度传感器；12：底管；13：传动装置；14：从动轮；15：主动轮；16：控制采集装置；17：电缆；18：上位机。
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，本发明实施例提供的土壤水分分布测量系统包括土壤水分传感器10、传动装置13、控制采集装置16、位于地下的底管12以及部分位于地下的第一侧管8和第二侧管6，底管12的两端分别与第一侧管8和第二侧管6的一端连接，土壤水分传感器10设置在底管12、第一侧管8和第二侧管6形成的管道中，土壤水分传感器10的一侧通过电缆17和控制采集装置16连接，电缆17经过设置在第一侧管8自由端的传动装置13并由传动装置13牵引，所述传动装置13通过所述控制采集装置16驱动控制，土壤水分传感器10的另一侧连接有牵引线7。土壤水分传感器10优选双环式介电土壤水分传感器；第一侧管8和第二侧管6可以竖直设置，这样，底管12、第一侧管8和第二侧管6形成的管道为U形管，当然，第一侧管8和第二侧管6也可以非竖直设置，底管12、第一侧管8和第二侧管6的材质优选为PVC塑料管。
这样，通过牵引线7将土壤水分传感器10牵拉至第二侧管6中靠近地面的附近，通过控制采集装置16驱动传动装置13工作，传动装置13通过电缆17牵引着土壤水分传感器10在底管12、第一侧管8和第二侧管6形成的管道行进，同时，土壤水分传感器10可以测量附近的土壤水分，然后通过电缆17将测量值传递给控制采集装置16，控制采集装置16可以对传来的测量值进行存储和显示，得到植物根区土壤水分入渗分布情况，从而完成了对植物根区不同位置的水分的测量和监控。
进一步地，传动装置13包括电机、主动轮15和从动轮14，第一侧管8的自由端固定有一基板2，电机固定在基板2上，主动轮15安装在电机的转轴上，从动轮14安装在基板2上的一固定轴上，主动轮15和从动轮14之间夹持着电缆17，该电机可为直流电机或者步进电机，该电机与控制采集装置16连接并通过控制采集装置16驱动控制。主动轮15在电机驱动下和从动轮14共同作用使电缆17通过碾压摩擦作用向前后移动，从而实现对土壤水分传感器10的牵引。
进一步地，控制采集装置16包括单片机芯片以及与其连接的存储模块、时钟模块、电机驱动模块和液晶显示模块，土壤水分传感器10通过传感器信号调节模块与单片机芯片连接。单片机芯片采用的型号为MSP430F149，用于对系统进行控制；时钟模块用于给整个土壤水分分布测量系统定时和提供时间；存储模块优选为Flash存储器，用于对各个时间点土壤水分传感器10传来的测量数据进行存储；电机驱动模块可控制电机通电与断电，控制电机动作；液晶显示模块用于显示双环介电式传感器的位置、瞬间数值和测量周期数等；传感器信号调节模块用于将土壤水分传感器10输出到控制采集装置16的信号变换为可被单片机芯片识别的物理量。
进一步地，第二侧管6的自由端设置有牵返装置1，牵返装置1包括电机和绕线轮3，绕线轮3设置在牵返装置1的电机的转轴上，牵引线7与绕线轮3连接。该电机也可采用直流电机或者步进电机，当牵引线7也选用电缆时，通过牵引线7与土壤水分传感器10连接，控制采集装置16可以实现对该牵返装置1的控制，牵返装置1可以直接通过电缆和控制采集装置16连接。通过该牵返装置1，可以将土壤水分传感器10牵引至土壤水分测量的初始位置，当然也可以人工将土壤水分传感器10牵引至土壤水分测量的初始位置。
进一步地，在土壤水分传感器10上设置有一温度传感器11，从而该温度传感器11可以与控制采集装置16连接，具体地讲，控制采集装置16中的单片机芯片通过传感器信号调节模块与温度传感器11连接。这样，植物根区土壤的温度信息也可以传递至控制采集装置16。
优选地，第一侧管8和第二侧管6内与地面齐平的位置设置有限位传感器4，该限位传感器4与控制采集装置16连接，具体来讲，控制采集装置16的单片机芯片通过传感器信号调节模块与限位传感器4连接。限位传感器4使用接近开关，用于对土壤水分传感器10的行程位置进行限制，保证土壤水分传感器10每次运动的参考点一致，并防止土壤水分传感器10被拖曳出第一侧管8或者第二侧管6。
进一步地，单片机芯片通过串口通信模块与上位机18连接。串口通信模块，接收上位机18的指令并执行相应操作，所述上位机18一般为电脑。通过上位机18可以将控制采集装置16内的测量值读出并清空，然后进行测量值数据分析或对控制采集装置16的参数进行设定。
本发明还提供了一种利用上述土壤水分分布测量系统进行土壤水分分布测量的方法，其包括以下步骤：
S1、根据植物根区的深度，挖一个相同深度的坑，将土壤水分分布测量系统放置在该坑中用土壤填埋，将底管12埋于土壤中，第一侧管8和第二侧管6部分位于地面以上，在底管12的上方种植或者移栽植物。
S2、牵拉牵引线7，使土壤水分传感器10位于第二侧管6自由端附近；
S3、通过控制采集装置16设置采样间隔，使传动装置13工作，传动装置13通过电缆17牵引土壤水分传感器10使其在底管12、第一侧管8和第二侧管6形成的管道中行进；
S4、根据采样间隔，土壤水分传感器10在控制采集装置16的控制下在植物根区采样测量，并将测量值传回控制采集装置16；
S5、控制采集装置16将测量值进行存储和显示。
其还包括步骤S6：通过人工控制或者一个自动测量周期结束时，控制采集装置16部分断电，土壤水分分布测量系统进入低功耗模式。具体地讲，Flash存储模块、电机驱动模块、液晶显示模块、传感器信号调节模块可以断电，整个系统进入低功耗模式。
其还包括步骤S7：当控制采集装置16的定时时间到时，系统全部通电进入正常工作模式，返回步骤S2。
本发明的土壤水分分布测量的方法在步骤S6之后，其还包括步骤S8：适时通过上位机18将控制采集装置16内的测量值读出并清空，进行测量值数据分析或对控制采集装置16的参数进行设定。
综上，本发明提供的土壤水分分布测量系统通过控制采集装置16驱动传动装置13工作，从而通过电缆17牵引着土壤水分传感器10在底管12、第一侧管8和第二侧管6形成的管道行进，实现对植物根区附近的土壤水分的检测，然后通过电缆17将测量值传递给控制采集装置16，控制采集装置16可以对传来的测量值进行存储和显示，从而完成了对植物根区不同位置的水分的测量和监控，通过控制采集装置16的单片机芯片分别与存储模块、时钟模块、电机驱动模块和液晶显示模块连接，使得本发明对植物根区不同位置的水分的测量更加准确智能；同时本发明提供的土壤水分分布测量的方法，实现了对植物根区不同位置的水分分布进行测量监控，具有准确智能，不伤害植物和不破坏土壤结构的有益效果。
以上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)
1.一种土壤水分分布测量系统，其特征在于：其包括土壤水分传感器(10)、传动装置(13)、控制采集装置(16)、位于地下的底管(12)以及部分位于地下的第一侧管(8)和第二侧管(6)，所述底管(12)的两端分别与所述第一侧管(8)和所述第二侧管(6)的一端连接，所述土壤水分传感器(10)设置在所述底管(12)、所述第一侧管(8)和所述第二侧管(6)形成的管道中，所述土壤水分传感器(10)的一侧通过电缆(17)和所述控制采集装置(16)连接，所述电缆(17)经过设置在所述第一侧管(8)自由端的所述传动装置(13)并由所述传动装置(13)牵引，所述传动装置(13)通过所述控制采集装置(16)驱动控制，所述土壤水分传感器(10)的另一侧连接有牵引线(7)；
所述传动装置(13)包括电机、主动轮(15)和从动轮(14)，所述第一侧管(8)的自由端固定有一基板(2)，所述电机固定在所述基板(2)上，所述主动轮(15)安装在所述电机的转轴上，所述从动轮(14)通过一固定轴安装在基板(2)上，所述主动轮(15)和所述从动轮(14)之间夹持着所述电缆(17)。
2.根据权利要求1所述的土壤水分分布测量系统，其特征在于：所述控制采集装置(16)包括单片机芯片以及与其连接的存储模块、时钟模块、电机驱动模块、液晶显示模块和传感器信号调节模块，所述土壤水分传感器(10)通过所述传感器信号调节模块与所述单片机芯片连接。
3.根据权利要求2所述的土壤水分分布测量系统，其特征在于：所述第二侧管(6)的自由端设置有牵返装置(1)，所述牵返装置(1)包括电机和绕线轮(3)，所述绕线轮(3)设置在牵返装置(1)的电机的转轴上，所述牵引线(7)与所述绕线轮(3)连接。
4.根据权利要求2所述的土壤水分分布测量系统，其特征在于：在土壤水分传感器(10)上设置有一温度传感器(11)，所述单片机芯片通过所述传感器信号调节模块与所述温度传感器(11)连接。
5.根据权利要求2所述的土壤水分分布测量系统，其特征在于：所述第一侧管(8)和所述第二侧管(6)内与地面齐平的位置设置有限位传感器(4)，所述限位传感器(4)与所述控制采集装置(16)的所述传感器信号调节模块连接。
6.根据权利要求2所述的土壤水分分布测量系统，其特征在于：所述单片机芯片通过串口通信模块与上位机(18)连接。
7.一种利用权利要求1-6任一项所述土壤水分分布测量系统进行土壤水分分布测量的方法，其特征在于：其包括以下步骤：
S1、根据植物根区的深度，挖一个相同深度的坑，将所述土壤水分分布测量系统放置在该坑中进行土壤填埋，将所述底管(12)埋于土壤中，所述第一侧管(8)和第二侧管(6)部分位于地面以上，在所述底管(12)的上方种植或者移栽植物；
S2、牵拉牵引线(7)，使所述土壤水分传感器(10)位于第二侧管(6)自由端附近；
S3、通过控制采集装置(16)设置采样间隔，使所述传动装置(13)工作，所述传动装置(13)通过电缆(17)牵引所述土壤水分传感器(10)使其在所述底管(12)、所述第一侧管(8)和所述第二侧管(6)形成的管道中行进；
S4、根据采样间隔，土壤水分传感器(10)在控制采集装置(16)的控制下在植物根区采样测量，并将测量值传回控制采集装置(16)；
S5、控制采集装置(16)将测量值进行存储和显示。
8.根据权利要求7所述的土壤水分分布测量的方法，其特征在于：其还包括步骤S6：通过人工控制或者一个自动测量周期结束时，控制采集装置(16)部分断电，土壤水分分布测量系统进入低功耗模式。
9.根据权利要求8所述的土壤水分分布测量的方法，其特征在于：其还包括步骤S7：当控制采集装置(16)的定时时间到时，系统全部通电进入正常工作模式，返回步骤S2。
10.根据权利要求8所述的土壤水分分布测量的方法，其特征在于：其还包括步骤S8：适时通过上位机(18)将控制采集装置(16)内的测量值读出并清空，进行测量值数据分析或对控制采集装置(16)的参数进行设定。
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| CN101793891A (zh) * | 2010-03-10 | 2010-08-04 | 中国农业大学 | 一种传感器控制装置以及包括该装置的土壤水分监测装置 |
| CN101936935A (zh) * | 2010-06-29 | 2011-01-05 | 中国农业大学 | 土壤多参数测量装置 |
| CN102680664A (zh) * | 2012-06-06 | 2012-09-19 | 中国农业大学 | 一种土壤水分传感器影响半径检测系统及方法 |
-
2013
- 2013-04-24 CN CN201310146412.1A patent/CN103293200B/zh not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (4)
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