CN103424147A - 无土栽培基质多参数检测仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无土栽培基质多参数检测仪，所述检测仪包括以超低功耗微控制器为核心的检测仪主机以及检测基质含水量、电导率和温度的无线复合传感器，检测仪主机与无线复合传感器之间通过无线传输通信协议进行无线通信。本发明结构简单、成本低，能够准确测量基质的温度、电导率和含水量，无线复合传感器与检测仪主机无线连接，使其不受连接线的限制，方便测量。

Description

无土栽培基质多参数检测仪

技术领域

本发明涉及一种无土栽培基质多参数检测仪，尤其涉及基质含水量、电导率和温度值的检测，并将传感器的值进行无线传输通信，可应用于基质或土壤的多参数检测。

背景技术

无土栽培是设施农业的重要内容，是高效农业的新发展方式。作为无土栽培的基础，栽培基质能为植物提供生长所必须的稳定协调的水、气、肥环境。其中基质含水量是基质最主要的参数，各种营养物质都是通过水被植物根系所吸收。电导率是对基质中盐分、有机质含量及基质结构等的综合反映，是植物生长环境的重要参数，电导率与含水量之间也有关联。基质的温度影响着植物的生长发育，同时影响着其他参数。因此及时有效地获取这些参数，对于无土栽培有着重要的意义。

目前成熟的土壤基质含水量检测方法主要有时域反射法（TDR）、频域反射法（FDR）、驻波法（SWR）和电容法等，这些方法均是通过检测土壤基质中的介电常数变化来测量含水量值，具有较高的精度。但前三种方法结构复杂，电路精细程度较高，导致成本很高，并且很容易受电导率的影响，不适于广泛推广应用。电导率检测方法主要有结构简单的四端法和电磁感应法。四端法测量方便，原理简单，电路不需要太复杂，目前应用的较为广泛，但是其测量较容易受温度和含水量的影响。电磁感应法测量准确快速，但其体积较大，不适合传感器集成且价格昂贵。

由于基质理化特性与土壤相差较大，且不同种类基质之间也存在很大的差异，目前能普遍适用于大部分基质参数检测的方法和仪器还不是很多。中国实用新型专利(CN2339988Y)公开了无源土壤水分速测仪及相关产品，功能单一，指针式指示，无数显或者数字接口；中国发明专利(CN102072925A)一公开了种基质湿度、电导率原位检测仪及用于盐分测定的方法，公开测量基质含水量和电导率，并建立含水量、电导率和盐分的数学模型；中国发明专利(CN102435645A)公开了一种无土栽培含水量、电导率检测方法，通过电容极性探针得到基质复介电常数，并分解得到基质含水量和电导率的值；中国发明专利(CN101487810B)公开了一种土壤三参数测量方法及系统，采用类似SWR的方法，可以测量土壤含水量、电导率及温度值。以上基质检测仪器及方法还存在校准不方便，适应性差等问题，并且有些传感器体积较大，价格较高且测量参数较少。传感器与仪器间均是通过有线相连，安装携带较不方便，不能有效、全面地监控基质环境。

发明内容

本发明的目的在于克服以上不足，提出一种体积小、速度快、准确率高、能通过无线连接的适用于无土栽培过程中的无土栽培基质多参数检测仪，从而能快速、准确、有效地取得基质参数状况，提高农业生产效率。

为实现以上目的，本发明公开一种无土栽培基质多参数检测仪，其特征在于，所述检测仪包括以超低功耗微控制器为核心的检测仪主机以及检测基质含水量、电导率和温度的无线复合传感器，检测仪主机与无线复合传感器之间通过无线传输通信协议进行无线通信。

所述检测仪主机包括第一电源转换电路、微控制器、键盘、LCD显示器和第一无线模块，第一电源转换电路、键盘、LCD显示器、第一无线模块都与微控制器连接。

所述无线复合传感器包括含水量传感器、电导率传感器、温度传感器、检测电路，含水量传感器、电导率传感器、温度传感器都与检测电路连接，检测电路封装在一个绝缘壳中。

所述检测电路包括含水量检测电路、电导率检测电路、温度检测电路、第二无线模块，含水量检测电路、电导率检测电路、温度检测电路都与第二无线模块连接。

所述含水量检测电路包括第二电源转换电路、LC振荡电路、正弦波方波转换电路和频率电压转换电路，LC振荡电路、正弦波方波转换电路、频率电压转换电路都与第二电源转换电路连接，LC振荡电路、正弦波方波转换电路和频率电压转换电路依次顺序连接，电源转换电路将外部供电转换为稳定的5V输出，给其他部分提供稳定的稳压电源输出；LC振荡电路将电感与被测电容并联接在压控振荡器上，产生正弦波；正弦波通过正弦波方波转换电路转换为等频率的方波信号，再经过频率电压转换电路转换成电压给微控制器采集。

所述电导率检测电路包括第三电源转换电路、激励源电路、差动放大电路、有效值转换电路，激励源电路、有效值转换电路都与第三电源转换电路连接，激励源电路、有效值转换电路还都与差动放大电路连接，激励源电路通过精密函数发生器产生高精度正弦波信号，采集精密电阻两端以及右侧两端点的电压，将采集的交流电压通过差动放大电路和有效值转换电路转换为直流电压给微控制器采集。

所述第二无线模块通过一个模数转换器将含水量传感器的模拟量、电导率传感器的模拟量、温度传感器的模拟量转换成数字量。

本发明所述的基质多参数检测仪的有益效果在于：无线复合传感器采用简单的PCB加工技术形成传感器探头，用几个简单芯片及周边元件形成信号处理电路，没有传统的复杂度高的电路，大大的降低了成本；结合无线模块，与主机进行无线数据通信，测试简单方便，不受连接线限制。主机微控制器采用超低功耗型，并结合无线模块完成与传感器的无线数据传输。整个仪器结构简单、制作方便、成本低，且能够快速准确测量土壤基质的含水量、电导率和温度值。

附图说明

图1是本发明无土栽培基质多参数检测仪的外形结构图；

图2是本发明无土栽培基质多参数检测仪的结构框图；

图3是本发明中检测电路的结构框图；

图4是本发明中含水量检测电路的结构框图；

图5是本发明中电导率检测电路的结构框图；

图6检测仪部分主程序流程图；

图7是无线复合传感器部分主程序流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，一种无土栽培基质多参数检测仪包括以超低功耗微控制器为核心的检测仪主机1和检测基质含水量、电导率和温度无线复合传感器2，由PCB板为作为传感器及电路基底组成的无线复合传感器2，检测仪主机1与无线复合传感器2之间通过无线传输通信协议3进行无线通信。检测仪主机1设有仪器显示屏4和仪器核心电路5。

如图2所示，所述检测仪主机包括第一电源转换电路、微控制器、键盘、LCD显示器和第一无线模块，第一电源转换电路、键盘、LCD显示器、第一无线模块都与微控制器连接。检测仪主机完成数据无线接收、处理、显示等功能。所述无线复合传感器包括含水量传感器、电导率传感器、温度传感器、检测电路，含水量传感器、电导率传感器、温度传感器都与检测电路连接，检测电路封装在一个绝缘壳中。

无线复合式传感器2进行数据检测，通过一个模数转换器将含水量传感器的模拟量、电导率传感器的模拟量、温度传感器的模拟量转换成数字量。检测仪主机1由微控制器（型号为MSP430F5438A）进行运算处理，以及对用户键盘输入值的判断，进行数据显示、数据传输等操作等。

如图3所示，所述检测电路包括含水量检测电路、电导率检测电路、温度检测电路、第二无线模块，含水量检测电路、电导率检测电路、温度检测电路都与第二无线模块连接。

无线复合传感器2的两条长条板电容式探针插入基质中，由于基质中水的介电常数约为80，远大于其他部分的介电常数值（3～5），导致含水量不同基质介电常数不同，电容器的电容Cx不同。

设电容式水分传感器的两极板长度为L，极板宽度为b，间隔距离为a，在理想情况下忽略边缘效应，采用单元积分法计算同面散射场的电容值。由平板电容器的电容计算公式可以得到如式（1）：

C＝ε₀ε_SA/d………………………………………………………………（1）

其中，ε₀为真空的介电常数，ε_s为介质的相对介电常数，A为极板相对面积，d为极板间距。对于同面散射场式电容器，由单元积分法算得电容，如式（2）：

$C=2{\mathrm{\ϵ}}_0{\mathrm{\ϵ}}_s\frac{L}{\mathrm{\π}}\ln (1+\frac{2b}{a})\·\·\·\left(2\right)$

由上式可知电容检测的灵敏度主要取决于b/a的值，在兼顾电场穿透深度和检测灵敏度的同时，一般取b/a的值为2～3之间。

如图4所示，含水量检测电路包括第二电源转换电路、LC振荡电路、正弦波方波转换电路和频率电压转换电路，LC振荡电路、正弦波方波转换电路、频率电压转换电路都与第二电源转换电路连接，LC振荡电路、正弦波方波转换电路和频率电压转换电路依次顺序连接，电源转换电路将外部供电转换为稳定的5V输出，给其他部分提供稳定的稳压电源输出；LC振荡电路将电感与被测电容并联接在压控振荡器上，产生正弦波；正弦波通过正弦波方波转换电路转换为等频率的方波信号，再经过频率电压转换电路转换成电压给微控制器采集。

如图5所示，电导率检测电路的四个金属点组成四端法电导率传感器，通过对左侧的两个电流端施加交流激励信号，根据四端法的测量原理，由激励源提供电流I，采集右侧两电压端的电势差换算为被测材料的电导率。

当四个端点间距相等，处在边长为a的正方形的四个顶点时，其电导率计算公式为如式（3）：

$\mathrm{\σ}=\frac{1}{(2+\sqrt{2})\mathrm{\πa}}\frac{I}{\mathrm{\Δ}{V}_{\mathrm{MN}}}\·\·\·\left(3\right)$

改进后的四端法方便集成，用四个金属点代替探针与基质接触，并且与之前直线排列的电导率四端法计算公式

相比，灵敏度得到提高。

如图5所示，电导率检测电路包括第三电源转换电路、激励源电路、差动放大电路、有效值转换电路，激励源电路、有效值转换电路都与第三电源转换电路连接，激励源电路、有效值转换电路还都与差动放大电路连接，激励源电路通过精密函数发生器产生高精度正弦波信号，采集精密电阻两端以及右侧两端点的电压，将采集的交流电压通过差动放大电路和有效值转换电路转换为直流电压给微控制器采集。

如图6所示，本发明的检测仪主机主程序包括系统初始化、显示初始画面、按键功能选择以及按键处理等。通过按键对不同功能进行选择，分别进入无线数据接收、历史数据查询和历史数据删除子程序。其中无线数据传输程序在接收无线传感器传输来的数据，并对数据进行处理、显示和保存。历史数据查询可以显示之前测量的数据。历史数据删除可将之前存放在仪器中的数据进行清空。若开机120S后仍然无任何操作则自动关闭显示器，等待仪器上按键重新进入功能选择。

如图7所示，本发明无线复合传感器部分的主程序，在系统初始化后进入睡眠模式，等待检测仪主机唤醒信号，唤醒后开始对传感器数值进行采集并AD转换，然后经无线模块传送到检测仪主机中。传送完毕发送成功标志，若发送失败则等待一段时间再次发送，若再次失败则重新进入睡眠，等待下次唤醒。

以上所述的具体实施例，对本发明的解决的技术问题、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种无土栽培基质多参数检测仪，其特征在于，所述检测仪包括以超低功耗微控制器为核心的检测仪主机以及检测基质含水量、电导率和温度的无线复合传感器，检测仪主机与无线复合传感器之间通过无线传输通信协议进行无线通信。

2.根据权利要求1所述的无土栽培基质多参数检测仪，其特征在于，所述检测仪主机包括第一电源转换电路、微控制器、键盘、LCD显示器和第一无线模块，第一电源转换电路、键盘、LCD显示器、第一无线模块都与微控制器连接。

3.根据权利要求2所述的无土栽培基质多参数检测仪，其特征在于，所述无线复合传感器包括含水量传感器、电导率传感器、温度传感器、检测电路，含水量传感器、电导率传感器、温度传感器都与检测电路连接，检测电路封装在一个绝缘壳中。

4.根据权利要求3所述的无土栽培基质多参数检测仪，其特征在于，所述检测电路包括含水量检测电路、电导率检测电路、温度检测电路、第二无线模块，含水量检测电路、电导率检测电路、温度检测电路都与第二无线模块连接。

5.根据权利要求4所述的无土栽培基质多参数检测仪，其特征在于，所述含水量检测电路包括第二电源转换电路、LC振荡电路、正弦波方波转换电路和频率电压转换电路，LC振荡电路、正弦波方波转换电路、频率电压转换电路都与第二电源转换电路连接，LC振荡电路、正弦波方波转换电路和频率电压转换电路依次顺序连接，电源转换电路将外部供电转换为稳定的5V输出，给其他部分提供稳定的稳压电源输出；LC振荡电路将电感与被测电容并联接在压控振荡器上，产生正弦波；正弦波通过正弦波方波转换电路转换为等频率的方波信号，再经过频率电压转换电路转换成电压给微控制器采集。

6.根据权利要求5所述的无土栽培基质多参数检测仪，其特征在于，所述电导率检测电路包括第三电源转换电路、激励源电路、差动放大电路、有效值转换电路，激励源电路、有效值转换电路都与第三电源转换电路连接，激励源电路、有效值转换电路还都与差动放大电路连接，激励源电路通过精密函数发生器产生高精度正弦波信号，采集精密电阻两端以及右侧两端点的电压，将采集的交流电压通过差动放大电路和有效值转换电路转换为直流电压给微控制器采集。

7.根据权利要求6所述的无土栽培基质多参数检测仪，其特征在于，所述第二无线模块通过一个模数转换器将含水量传感器的模拟量、电导率传感器的模拟量、温度传感器的模拟量转换成数字量。

Images