CN103438937A - 一种活立木电能及其环境参数测量的装置 - Google Patents

Abstract

一种活立木电能及其环境参数测量的装置，包括远程数据采集器、电势差采集电路、土壤温湿度传感器，可测量活立木与大地之间的电势差、空气温湿度、土壤温湿度及光照强度，并通过GPRS网络将数据发送至远程服务器。所述远程数据采集器硬件包含单片机模块、传感器及其接口模块、无线通信模块和电源模块。单片机模块作为所述远程数据采集器的控制单元，控制其它模块正常运行；传感器及其接口模块提供电势差测量电路、空气温度测量电路、空气相对湿度测量电路、土壤温湿度测量电路、环境光照强度测量电路，用于采集数据并将数据传输至单片机模块；无线通信模块可在单片机控制下将数据通过GPRS网络发送至远程服务器；电源模块为其它模块供电。

Description

一种活立木电能及其环境参数测量的装置

技术领域

本发明涉及一种活立木电能及其环境参数测量的装置，该装置可远程测量活立木与大地之间的电势差、活立木附近的空气温湿度、土壤温湿度及光照强度，为活立木生物电的研究提供实时、可靠的数据。

背景技术

无线传感器网络是近几年发展起来的一种用于环境信息采集与监测的信息技术，并且在农林业环境监测中开始研究与应用。但是，因为无线传感器网络节点一般不用市电供电，其供电问题一直是一个没有很好解决的关键问题。由于目前主要采用电池供电，定期更换电池是一个非常麻烦的工作。目前研究中涉及的太阳能、光能、风能、振动能、压电能、电磁波能、热能等环境能在森林环境中都不太适用。但是，最近的研究发现活立木内部和其生长的土壤之间存在持续、稳定的电势差，如果这种电势差能够被利用，将为无线传感器网络的供电问题提供全新的解决思路。但是，这种活立木生物电能的特性和产生机理尚不明确，需进一步研究，才能更为有效地利用。目前的研究主要以人工测量方式获取数据，效率低，误差大，实时性差，需要设计一种能够自动采集相关数据的装置。

发明内容

本发明提供了一种活立木电能及其环境参数测量的装置，包括远程数据采集器、电势差采集电路、土壤温湿度传感器，可自动测量活立木与大地之间的电势差、活立木附近的空气温湿度、土壤温湿度及光照强度，并通过GPRS网络将数据发送至远程服务器。

所述远程数据采集器硬件包含单片机模块、传感器及其接口模块、无线通信模块和电源模块。单片机模块作为所述远程数据采集器的控制单元，控制其它模块正常运行；传感器及其接口模块提供电势差测量电路、空气温度测量电路、空气相对湿度测量电路、土壤温湿度测量电路、环境光照强度测量电路，用于采集数据；无线通信模块可在单片机控制下将数据通过GPRS网络发送至远程服务器；电源模块为其它模块供电。

所述电势差采集电路包括测量电极及连接导线。测量电极分别打入活立木被测点和活立木附近土壤，测量电极底端焊接有连接导线，导线连接至所述远程数据采集器的电势差测量接口。

所述土壤温湿度传感器用于测量活立木附近土壤的温湿度，使用时连接至所述远程数据采集器的土壤温湿度测量接口。

本发明有如下特点：

具有多种信号采集功能，可同时采集活立木与大地之间的电势差、活立木附近的空气温湿度、土壤温湿度及光照强度；电势差的测量量程可调节；采用分区供电方式，部分电路可在不需要工作时停止供电；可通过GPRS网络向远程服务器发送数据，可靠便捷；提供多种传感器接口和数字通信接口，功能扩展性强。

附图说明

附图1：一种活立木电能及其环境参数测量的装置结构框图

附图2：远程数据采集器结构框图

附图3：单片机模块结构框图

附图4：单片机模块原理图

附图5：传感器及接口模块结构框图

附图6：传感器及其接口模块原理图

附图7：无线通信模块结构框图

附图8：无线通信模块原理图

附图9：电源模块结构框图

附图10：电源模块原理图

附图11：驱动程序流程图

附图12：远程数据采集器硬件布局图

具体实施方式

无线传感器网络技术已经在农林环境监测中研究与应用，但其供电问题一直是一个没有很好解决的关键问题。研究发现活立木内部和其生长的土壤之间存在持续、稳定的电势差，理论上能够为无线传感器网络的供电问题提供有效的解决方案。这种生物电的特性尚不明确，但与活立木的生长环境因子存在一定关系。为了使该电能的利用效率达到最高，需要研究其变化特性和产生机理。所述测量装置能够为此研究提供实时、可靠的数据。

所述测量装置包括远程数据采集器、电势差采集电路、土壤温湿度传感器，可自动测量活立木与大地之间的电势差、活立木附近的空气温湿度、土壤温湿度及光照强度，并通过GPRS网络将数据发送至远程服务器。所述远程数据采集器硬件包含单片机模块、传感器及其接口模块、无线通信模块和电源模块。单片机模块作为所述远程数据采集器的控制单元，控制其它模块正常运行；传感器及其接口模块提供电势差测量电路、空气温度测量电路、空气相对湿度测量电路、土壤温湿度测量电路、环境光照强度测量电路，用于采集数据并将数据传输至单片机模块；无线通信模块可在单片机控制下将数据通过GPRS网络发送至远程服务器；电源模块为其它模块供电。所述电势差采集电路包括测量电极及连接导线。两根测量电极分别打入活立木两个被测点，另一根测量电极打入活立木附近土壤，测量电极底端焊接有连接导线，导线连接至所述远程数据采集器的电势差测量接口。所述土壤温湿度传感器用于测量活立木附近土壤的温湿度，使用时连接至所述远程数据采集器的土壤温湿度测量接口。所述测量装置结构如附图1所示。

远程数据采集器

所述远程数据采集器硬件由四部分组成，包括：单片机模块、传感器及其接口模块、无线通信模块和电源模块。所述单片机模块包括单片机MSP430F147及其外围电路，作为远程数据采集器的控制单元，控制其它模块正常运行；所述传感器及其接口模块包括传感器、传感器接口及相关信号调理电路，可采集相应参数信息，并由所述单片机MSP430F147通过模数转换器(ADC)或总线接口读取；所述无线通信模块包括GSM/GPRS模块GTM900C电路、SIM卡电路，可通过UART0接口与所述单片机模块进行通信，并在所述单片机MSP430F147控制下将数据通过GPRS网络发送至远程服务器；所述电源模块为上述模块供电，如附图2所示。

单片机模块

所述单片机模块包括单片机MSP430F147最小系统、外设接口、外扩接口和指示灯。所述单片机MSP430F147最小系统包括单片机MSP430F147、复位电路、时钟电路、JTAG接口及其它必要的外围器件；所述外设接口包括所述单片机MSP430F147的部分普通IO引脚、复用作ADC的IO引脚、复用作UART0的IO引脚以及用作I2C总线的IO引脚，用以控制其它模块的外设器件、与其它模块的外设器件进行通信、读取其它模块的外设器件的数据；所述外扩接口包括IO外扩接口、ADC外扩接口、UART0外扩接口和I2C外扩接口，作为预留接口，供外扩功能使用；指示灯包括一个绿色发光二极管(LED)，用于指示所述单片机模块的工作状态。所述单片机模块的结构如附图3所示。

所述JTAG接口为14引脚双排插针，其中第1、3、5、7、11引脚分别连接至所述单片机MSP430F147的第54～58引脚，第2、4引脚连接单片机电源正极，第9引脚接地，其它引脚悬空。时钟电路包括一个低频时钟电路和一个高频时钟电路。低频时钟电路由一个32768Hz无源晶体振荡器和两个12pF起振电容构成，时钟信号线连接至所述单片机MSP430F147的第8、9引脚；高频时钟电路由一个8MHz无源晶体振荡器和两个2pF起振电容构成，时钟信号线连接至所述单片机MSP430F147的第52、53引脚。复位电路包括一个0.01uF电容、一个二极管1N4148、一个按键、两个电阻，复位信号线连接至所述单片机MSP430F147的第58引脚。所述单片机MSP430F147的第16、19、36、37引脚作为所述外设接口中的普通IO，其中第16、36、37引脚均用于控制所述无线通信模块中的部分电路，第19引脚用于和所述传感器及其接口模块中的部分器件进行通信；所述单片机MSP430F147的第2、3、59、60引脚复用为ADC引脚，作为所述外设接口中的ADC，用于读取所述传感器及其接口模块输出的模拟型数据；所述单片机MSP430F147的第32、33引脚复用为UART0接口，作为所述外设接口中的UART0，用于和所述无线通信模块中的部分器件进行通信；所述单片机MSP430F147的第17、18引脚作为所述外设接口中的I2C总线，用于和I2C型传感器进行通信。所述单片机MSP430F147的第20～27引脚和第44～51引脚为两个8位IO口P2和P5，分别连接至端子P2IO和P5IO，作为所述外扩接口中的普通IO；所述单片机MSP430F147的第4～6引脚分别经过三路调理电路连接至端子ADC5～ADC7，作为所述外扩接口中的ADC；所述单片机MSP430F147的第32、33引脚同时连接至端子P232，作为所述外扩接口中的UART0；所述单片机MSP430F147的第34、35引脚连接至端子I2C2，作为所述外扩接口中的I2C总线。所述指示灯由所述单片机MSP430F147的第43引脚控制。所述单片机模块的原理图如附图4所示。

传感器及其接口模块

所述传感器及其接口模块包括2路电势差测量电路、1路空气温度测量电路、1路空气相对湿度测量电路、1路土壤温湿度测量电路和1路环境光照强度测量电路。所述电势差测量电路包括电势差测量接口和信号调理电路，用于连接电势差采集电路，并测量活立木与大地之间的电势差，其输出信号由所述单片机MSP430F147通过所述外设接口的ADC读取；所述空气温度测量电路包括数字型温度传感器DS18B20及其外围电路，用于测量活立木附近的空气温度，所述温度传感器DS18B20与所述单片机MSP430F147通过所述外设接口的普通IO进行通信，并传输测量结果；所述空气相对湿度测量电路包括模拟型湿度传感器HIH-4000-003及其外围电路，用于测量测量活立木附近的空气相对湿度，其输出信号由所述单片机MSP430F147通过所述外设接口的ADC读取；所述土壤温湿度测量电路包括I2C型传感器接口，用于连接I2C型土壤温湿度传感器，并测量活立木附近的土壤温湿度，所述I2C型传感器接口连接至所述外设接口的I2C总线。所述环境光照强度测量电路包括光敏电阻及其外围电路，用于测量环境光照强度，其输出信号由所述单片机MSP430F147通过所述外设接口的ADC读取。所述传感器及其接口模块结构如附图5所示。

第一路所述电势差测量电路的电势差测量接口为2引脚端子，第1引脚用于连接被测电势差信号，第2引脚用于连接大地，两引脚之间跨接一个1MΩ的电阻，为被测电势差信号与大地之间提供电流通路。所述信号调理电路包括仪表放大器AD620、增益调节电阻RA03及RA04、分压滤波电路等。所述仪表放大器AD620用于将被测电势差信号进行放大和抬高，以便由所述单片机MSP430F147的ADC采样测量。所述仪表放大器AD620的第2、3引脚分别为信号反相输入端和正相输入端，第2引脚接地，第3引脚连接至所述电势差测量接口的第1引脚。所述仪表放大器AD620的增益由所述增益调节电阻RA03和RA04决定，增益计算公式为：

$\left\{\begin{array}{c}G=\frac{49.4\mathrm{k\Ω}}{R_G}+1\\ R_G=R_{\mathrm{RA}03}+R_{\mathrm{RA}04}\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中，G为AD620增益；RRA03为电阻RA03的阻值，大小为1kΩ；RRA04为可调电阻RA04接入电路的有效阻值，范围是0～100kΩ。因此，增益范围大约为1.5～50。可调电阻RA04接入电路的有效阻值应根据实际使用情况调节。AD620的第5引脚引入一个负的参考电压，确保AD620输出电压为正。分压滤波电路由两个1kΩ电阻及一个0.1uF电容构成，使AD620的输出电压更为平缓且大小合适，以便由所述单片机MSP430F147通过所述外设接口的ADC读取。第二路所述电势差测量电路原理与此相同。

所述温度传感器DS18B20的第2引脚连接至所述单片机MSP430F147的第19引脚，与所述单片机MSP430F147进行通信，并发送空气温度测量值。

所述空气相对湿度测量电路包括湿度传感器HIH-4000-003、电源滤波电容CH1、分压电阻RA31、RA32及信号滤波电容CA31，其输出信号连接至所述单片机MSP430F147的第2引脚，由所述单片机MSP430F147通过所述外设接口的ADC读取。

所述环境光照强度测量电路包括一个光敏电阻RA41、一个分压电阻RA42及一个滤波电容CA41，其输出信号连接至所述单片机MSP430F147的第3引脚，由所述单片机MSP430F147通过所述外设接口的ADC读取。

所述传感器及其接口模块原理图如附图6所示。

无线通信模块

所述无线通信模块包括GSM/GPRS模块电路、SIM卡电路及状态指示灯电路。所述GSM/GPRS模块电路包括GSM/GPRS模块GTM900-C及其外围电路，外围电路包括电源保护电路及模块手动启动电路；所述SIM卡电路包括SIM卡、静电保护电路和必要的外围器件；所述状态指示灯电路包括1个蓝色LED及其驱动电路。所述GSM/GPRS模块GTM900-C与所述单片机MSP430F147通过所述外设接口的UART0进行通信并获取数据，同时通过SIM卡接口与SIM卡进行通信，用于与所述远程服务器通过GPRS网络建立连接并上传数据；所述状态指示灯电路用于指示所述GSM/GPRS模块GTM900-C的工作状态及GPRS网络状况。所述无线通信模块结构如附图7所示。

所述GSM/GPRS模块选用GTM900-C，GTM900-C的第1～10引脚为电源引脚，其中1～5引脚连接4.2V电源，第6～10引脚接地。所述电源保护电路由电容一个钽电容CG1、一个瓷片电容CG2和一个5.1V稳压二极管DG1构成，为电源引脚提供滤波和保护作用。所述GSM/GPRS模块GTM900-C的第18、19引脚为UART接口，用以和所述单片机MSP430F147通信及获取数据，分别连接至所述单片机MSP430F147的第32、33引脚。所述GSM/GPRS模块GTM900-C的第30引脚为备用电源引脚，连接至一个钽电容CG3可提供短时间备用电能。所述GSM/GPRS模块GTM900-C的第31引脚为复位信号引脚，连接至所述单片机MSP430F147的第36引脚，所述单片机MSP430F147可通过此引脚对所述GTM900-C进行复位操作。所述模块手动启动电路由一个按键S1和一个电阻RN4构成，连接至所述GSM/GPRS模块GTM900-C的第15引脚，可用于手动启动或关闭所述GSM/GPRS模块GTM900-C。所述SIM卡的各引脚连接至所述GSM/GPRS模块GTM900-C的相应SIM卡接口引脚。所述静电保护电路包括静电保护集成芯片ESDA6V1BC6，各引脚连接至SIM卡的相应引脚，用以避免SIM卡受到静电损坏。所述状态指示灯电路可指示所述GSM/GPRS模块GTM900-C的工作状态及GPRS网络状况，其驱动电路由电阻RC10～RC12和三极管QC3构成，控制信号来自所述GSM/GPRS模块GTM900-C的第32引脚，所述三极管QC3为NPN型晶体三极管S8050，所述控制信号为高电平时所述LED点亮，否则熄灭。

所述无线通信模块原理图如附图8所示。

电源模块

所述电源模块包括总电源接口、4.2V电源电路、3.3V电源电路及-4.2V电源电路。所述总电源电路接口用于连接所述远程数据采集器供电电源，作为所述4.2V电源电路及3.3V电源电路的输入电源；所述4.2V电源电路用于为所述无线通信模块提供4.2V电源，同时为所述传感器及其接口模块中的所述电势差测量电路、所述空气相对湿度测量电路及所述环境光照强度测量电路供电，该电路的工作模式由所述单片机MSP430F147通过所述外设接口的普通IO控制；所述3.3V电源电路用于为所述单片机模块提供3.3V电源，同时为所述传感器及其接口模块中的所述空气温度测量电路和所述土壤温湿度测量电路供电。所述-4.2V电源电路用于为所述传感器及其接口模块中的所述电势差测量电路提供-4.2V电源，该电路的输入电压由所述4.2V电源电路提供。所述电源模块结构如附图9所示。

所述总电源接口为端子POWER，用于连接电源。电源要求为5V～12V直流电源，输出电流2A以上。拨动式开关SW为所述远程数据采集器电源开关。

所述4.2V电源电路由可调节稳压器芯片LM2576-ADJ、电压调节电阻RP1和RP2及其它必要的外围器件构成。所述稳压器LM2576-ADJ的输出电压由电阻RP1和RP2决定，计算公式为：

$V_{\mathrm{OUT}}=V_{\mathrm{REF}}(1+\frac{R_{\mathrm{RP}2}}{R_{\mathrm{RP}1}})---\left(2\right)$

其中，VOUT为所述稳压器LM2576-ADJ的输出电压，VREF为1.23V，RRP1和RRP2分别为电阻RP1和RP2的阻值。在所述远程数据采集器中，RRP1为1.5kΩ，RRP2为3.6kΩ。因此，输出电压为

$V_{\mathrm{OUT}}=1.23\×(1+\frac{3.6}{1.5})V=4.182V\≈4.2V---\left(3\right)$

所述稳压器LM2576-ADJ的第5引脚为使能控制引脚，连接至所述外设接口的普通IO，由所述单片机MSP430F147的第16引脚控制，当所述单片机MSP430F147的第16引脚输出低电平时，所述稳压器LM2576-ADJ被使能，否则被关闭。所述4.2V电源电路包含有一个红色LED指示灯，用于指示所述稳压器LM2576-ADJ的工作状态，当所述稳压器LM2576-ADJ被开启并输出4.2V电压时，指示灯点亮，否则熄灭。

所述3.3V电源电路由低功耗线性稳压器MIC5219-3.3BM5及其它必要的外围器件构成。所述低功耗线性稳压器MIC5219-3.3BM5的第3引脚为使能控制引脚，连接至所述总电源，即在所述远程数据采集器通电后应一直处于开启状态。所述3.3V电源电路包含有一个黄色LED指示灯，所述低功耗线性稳压器MIC5219-3.3BM5开启时，所述指示灯点亮，否则熄灭。

所述-4.2V电源电路由极性反转电源转换器ICL7660及其它必要的外围器件构成。所述极性反转电源转换器ICL7660的输入电压由所述4.2V电源电路提供，输出-4.2V电压为所述传感器及其接口模块中的所述仪表放大器AD620提供负电源。

所述电源模块原理图如附图10所示。

驱动程序

所述远程数据采集器在驱动程序的控制下可以用于远程采集活立木与大地之间的电势差、活立木附近的空气温湿度、土壤温湿度及光照强度，并通过GPRS网络将数据发送至远程服务器。

所述远程数据采集器通电后，所述3.3V电源电路启动，为所述单片机模块、所述传感器及其接口模块中的所述空气温度测量电路及土壤温湿度测量电路供电，同时所述指示灯LVCC点亮，此时所述单片机MSP430F147上电，所述驱动程序启动。

所述驱动程序启动后，首先控制所述单片机MSP430F147完成初始化工作，包括UART0、ADC、定时器、IO及变量。初始化工作完成后，所述单片机MSP430F147通过第16引脚输出低电平使能所述稳压器LM2576-ADJ，启动4.2V电源电路，所述4.2V电源电路开启后输出4.2V电压，为所述无线通信模块及所述传感器及其接口模块中的所述电势差测量电路、空气相对湿度测量电路、环境光照强度测量电路供电，同时驱动所述-4.2V电源电路为所述传感器及其接口模块中的所述仪表放大器AD620提供负电源。所述电源模块完全启动后，所述单片机MSP430F147通过第37引脚启动所述GSM/GPRS模块GTM900-C，若启动失败则重新启动；否则所述单片机MSP430F147通过所述外设接口的UART0发送AT命令关闭所述GSM/GPRS模块GTM900-C的回显功能。随后，所述GSM/GPRS模块GTM900-C在网络上进行注册，如果注册失败，程序对失败次数进行计数，若计数超过5次，则依次关闭所述GSM/GPRS模块GTM900-C和所述稳压器LM2576-ADJ，并进行系统重启；若成功注册，则将计数清零，并尝试连接所述远程服务器，若连接失败超过5次，则依次关闭所述GSM/GPRS模块GTM900-C和所述稳压器LM2576-ADJ，并进行系统重启；若连接成功，则将计数清零，所述单片机MSP430F147通过所述外设接口控制所述传感器及其接口模块采集数据，并由所述单片机MSP430F147进行处理。处理后的数据由所述GSM/GPRS模块GTM900-C通过GPRS网络发送至所述远程服务器，若发送失败次数超过5次，则依次关闭所述GSM/GPRS模块GTM900-C和所述稳压器LM2576-ADJ，并进行系统重启；若发送成功，则将计数清零，并依次关闭所述GSM/GPRS模块GTM900-C和所述稳压器LM2576-ADJ。最后，所述单片机MSP430F147启动内部定时器，并进入休眠状态，直到定时时间到，并进入下一个工作周期。程序流程图如附图11所示。

远程数据采集器应用

所述远程数据采集器的硬件布局如附图12所示。所述远程数据采集器硬件为双层PCB设计，所有可能需要经常操作的器件或接口均布设在顶层。端子POWER为所述总电源接口，用于连接电源，靠近“G”字样的引脚连接电源负极。电源应为5V～12V直流电源，且能输出2A以上电流。器件SW为所述远程数据采集器电源开关。端子Vin1和Vin2为所述电势差测量电路接口，靠近“G”字样的引脚在系统内部已与电源地连接，使用时应连接大地；另一引脚应连接活立木被测点。根据活立木被测点与大地之间的实际电势差，应适当调节电位器RA04或RA14以使所述仪表放大器AD620获得合适的增益，然后调节电位器RA05或RA15以使所述仪表放大器AD620的输出电压为正。所述远程数据采集器内部已经安装温度传感器DS18B20和相对湿度传感器HIH-4000-003，用于测量所述空气温度和空气相对湿度，使用时无需操作。端子I2C1为I2C接口，可连接I2C总线型土壤温湿度传感器。端子ADC5、ADC6、ADC7为预留ADC接口，端子I2C2为预留I2C接口，端子P2IO和P5IO为预留IO口，用于传感器外扩或其他新增功能使用。所述远程数据采集器的硬件底层PCB安装有SIM卡座，使用时应插入已开通GPRS功能的SIM卡。器件VBAT、VCC、MCU、NET均为指示灯，分别对应所述指示灯LVBAT、指示灯LVCC、指示灯LMCU、指示灯NET。打开所述远程数据采集器电源开关，指示灯VCC点亮。所述单片机MSP430F147上电，开始在所述驱动程序的控制下工作，并点亮所述指示灯MCU。经过一段延时，所述指示灯VBAT点亮。再经过一段延时，所述指示灯NET点亮，并根据当前所述GSM/GPRS模块GTM900-C的工作状态及当前GPRS网络的网络状况以不同方式闪烁。当所述指示灯NET以0.1s点亮/2.9s熄灭的方式闪烁时，说明所述GSM/GPRS模块GTM900-C已经成功连接到GPRS网络。所述远程数据采集其在完成数据采集、数据处理及数据发送后，所述指示灯NET、VBAT、MCU将依次熄灭，所述单片机MSP430F147打开定时器，进入休眠状态。此时，所述远程数据采集器只有所述3.3V电源电路为相应电路供电，其它电源电路均已关闭，直到定时时间到，所述远程数据采集器进入下一个工作周期，并重复以上工作。电势差采集电路

所述电势差采集电路包括测量电极及连接导线。测量电极为导电性良好的金属电极，直径5.0mm以下，长度100.0mm以上。测量电极针体为圆柱形，顶端呈圆锥状，底端焊接有固定长度的连接导线。使用时，将两根电极分别打入两个活立木被测点；另一根电极打入活立木附近土壤，顶端向下，底端距离地表150.0mm以上。

打入活立木的两根测量电极的连接导线分别连接至所述远程数据采集器的所述电势差测量电路接口Vin1和Vin2，且应该与Vin1和Vin2中远离“G”字样的引脚相连；打入土壤的测量电极的连接导线连接至Vin1或Vin2中靠近“G”字样的引脚。

通过实验可知，测量电极打入活立木被测点不同深度，测得的电势差不同，下表为一组测数据。

由上表可以看出，电极深度越大，测得的电势差越高，但当电极深度与被测活立木半径的比值大于70％时，电势差的测量值基本恒定。因此，考虑实际应用和避免对活立木的损害，测量时所述测量电极推荐打入深度为被测活立木被测点处半径的70％左右。

根据文献和测量数据可知，活立木内部pH大约为6，呈弱酸性。为了使电极不受腐蚀或氧化，推荐电极材料选择在金属活动性顺序表中排列在氢以后的金属，或在电极表面做镀金、银、铂处理。

土壤温湿度传感器

所述土壤温湿度传感器的型号为SLHT5-1，具有标准4线I2C接口，其连接线连接至所述远程数据采集器的端子I2C1。其中，红色线为电源线，黄色线为时钟线，蓝色线为数据线，绿色线为地线，分别对应所述端子I2C1的VS、SCL、SDA和GND。所述土壤温湿度传感器SLHT5-1的测量探头需插入到被测活立木附近的土壤中，探头连线端距离地表150.0mm。

技术效果

本发明针对活立木生物电能研究中，人工测量效率低，误差大，实时性差的缺点，设计了一种活立木电能及其环境参数测量的装置。该测量装置具有多种信号采集功能，可同时用于采集活立木与大地之间的电势差、活立木附近的空气温湿度、土壤温湿度及光照强度，并且能够将数据通过GPRS网络发送至远程服务器，为活立木生物电能的研究提供实时、准确的数据。

Claims (5)

1.一种活立木电能及其环境参数测量的装置，包括远程数据采集器、电势差采集电路、土壤温湿度传感器，自动测量活立木与大地之间的电势差、活立木附近的空气温湿度、土壤温湿度及光照强度，并通过GPRS网络将数据发送至远程服务器；

所述远程数据采集器硬件包含单片机模块、传感器及其接口模块、无线通信模块和电源模块；

所述单片机模块作为远程数据采集器的控制单元，控制传感器及其接口模块、无线通信模块和电源模块正常运行；传感器及其接口模块提供电势差测量电路、空气温度测量电路、空气相对湿度测量电路、土壤温湿度测量电路、环境光照强度测量电路，用于数据采集；无线通信模块可在单片机控制下将数据通过GPRS网络发送至远程服务器；电源模块为单片机模块、传感器及其接口模块和无线通信模块供电；

所述电势差采集电路包括测量电极及连接导线；测量电极分别打入活立木被测点和活立木附近土壤，测量电极底端焊接有连接导线，导线连接至所述远程数据采集器的电势差测量接口；所述土壤温湿度传感器用于测量活立木附近土壤的温湿度，使用时连接至所述远程数据采集器的土壤温湿度测量接口。

2.根据权利要求1所述的一种活立木电能及其环境参数测量的装置，所述测量电极是金属活动性顺序表中排列在氢以后的金属，或在电极表面做镀金、银、或铂处理。

3.根据权利要求2所述的一种活立木电能及其环境参数测量的装置，所述测量电极直径5.0mm以下，长度100.0mm以上。

4.根据权利要求1所述的一种活立木电能及其环境参数测量的装置，所述打入活立木被测点的测量电极的深度为被测活立木被测点处半径的70％左右，所述活立木附近土壤的测量电极打入活立木附近的土壤，顶端向下，底端距离地表150.0mm以上。

5.根据权利要求1所述的一种活立木电能及其环境参数测量的装置，所述活立木与大地之间的电势差可测量正、负电势差，量程可调，使用前手动调节所述电势差采集电路的信号增益和输出信号的基准参考电压。

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