CN104459088A - 一种基于无线式的土壤温度和水分梯度测量系统 - Google Patents

一种基于无线式的土壤温度和水分梯度测量系统 Download PDF

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程功弼
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Abstract

本发明公开了一种基于无线式的土壤温度和水分梯度测量系统，包括由土壤温度传感器和土壤水分传感器组成的传感器组，每个所述传感器组在待测土壤垂直梯度方向上设置，同一垂直梯度方向上的多个传感器组通过模数转换通道构成一个传感器节点，每个传感器节点之间通过ZigBee无线网络和路由节点组成节点传输网络，节点传输网络通过多路模拟开关连接中心采集节点并构成星型拓扑结构，所述中心采集节点对传感器节点传输来的数据进行内部存储和精度的校正，并且将处理后的数据通过RS232／RS485通信接口传送至数据显示终端进行观测分析。采用本发明技术方案，实现对于立体式土壤温度、水分的测量，并且各个传感器节点无线传输数据，能耗低，适用场合广。

Description

一种基于无线式的土壤温度和水分梯度测量系统
技术领域
本发明涉及土壤检测领域，具体涉及一种基于无线式的土壤温度和水分梯度测量系统。
背景技术
研究表明，在土地水土保持、农业节水灌溉、土壤的肥力调配、大范围的局地性气候变化和生态环境保护诸多研究领域中，土壤温度、水分的时空性变化也是极为重要的两个参考性因素。因此，在农业、环境科学、气象等多个研究领域中，都把土壤温度、水分作为研究观测的基本对象。     由于我国的地理环境情况复杂，各地区数据观测水平参差不齐，导致土壤温度、水分的数据来源比较匮乏，数据汇总难度较大。传统的测量方式获取的土壤温度和水分数据，在测量精度、数据采集量、可靠性方面远远不能满足现今高精度、网络化、智能化的测量需求。与此同时，传统的土壤温度、水分测量仪器也只能测得单一的土壤表层的温度、水分数据，缺乏能够在大范围区域和土壤的垂直梯度方向上完整、实时、自动连续测量土壤温度、水分的方法和仪器。     随着现代工业自动化技术的不断进步无线通信技术的发展日益成熟，其被广泛应用于无线传感器测量网络、自动气象站、智能交通、智能家居等众多领域。无线通信技术的低功耗、短距离、低成本、布网灵活等特点十分适合用于需要自动连续采集数据、局域分布测量、大范围联网数据处理的测量场合。通过线网络可以方便地实现多个土壤温度、水分传感器的分散布局，从而可以方便地实现土壤测量参数的收集处理。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的问题，提供一种基于无线式的土壤温度和水分梯度测量系统，实现多个土壤温度、水分传感器的分散布局，从而可以方便地实现土壤测量参数的收集处理。
为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：
一种基于无线式的土壤温度和水分梯度测量系统，包括由土壤温度传感器和土壤水分传感器组成的传感器组，每个所述传感器组在待测土壤垂直梯度方向上设置，同一垂直梯度方向上的多个传感器组通过模数转换通道构成一个传感器节点，每个传感器节点之间通过ZigBee无线网络和路由节点组成节点传输网络，节点传输网络通过多路模拟开关连接中心采集节点并构成星型拓扑结构，所述中心采集节点对传感器节点传输来的数据进行内部存储和精度的校正，并且将处理后的数据通过RS232／RS485通信接口传送至数据显示终端进行观测分析。
进一步的，所述传感器组设置在一圆柱形钢管中，所述钢管内均匀设置有多层开放式的腔室，传感器组卡接在腔室内，所述钢管垂直埋入待测土壤中。
进一步的，所述土壤温度传感器采用三线制PT100铂热电阻。
进一步的，所述土壤水分传感器采用多路FDR土壤水分传感器。
进一步的，所述多路模拟开关通过单片机引脚信号来控制接通相应的传感器节点，实时自动选择所需转换的通道。
本发明的有益效果是:
 本土壤温度、水分梯度测量系统，通过钢管垂直的特殊土壤梯度方式铺设土壤温度、水分传感器，实现对于立体式土壤温度、水分的测量，各个传感器节点自动与数据采集节点组网最终完成测量所得数据的无线传输，并且各个低功耗器件实现了对整体系统的能耗控制，也为野外无人值守情况下的长时间电池供电提供了保障。本系统可适用于大规模野外无人值守情况下的土壤温度、水分连续自动监测以及工农业土壤环境检测等多种场合。
附图说明
图1为本发明的系统结构框图；
图2为本发明硬件结构框图；
图3为传感器测温电路图；
图4为FDR土壤水分传感器采样电路图；
图5为CC2480接口电路图。
具体实施方式
下面将参考附图并结合实施例，来详细说明本发明。
参照图1所示，一种基于无线式的土壤温度和水分梯度测量系统，包括由土壤温度传感器和土壤水分传感器组成的传感器组，每个所述传感器组在待测土壤垂直梯度方向上设置，同一垂直梯度方向上的多个传感器组通过模数转换通道构成一个传感器节点，每个传感器节点之间通过ZigBee无线网络和路由节点组成节点传输网络，节点传输网络通过多路模拟开关连接中心采集节点并构成星型拓扑结构，所述中心采集节点对传感器节点传输来的数据进行内部存储和精度的校正，并且将处理后的数据通过RS232／RS485通信接口传送至数据显示终端进行观测分析。
参照图2和图5所示，为本实施了中的系统硬件结构框图，系统硬件结构包括有主控制器MSP430F149，CC2480协处理器，电池电源，多路土壤温度、水分传感器电路以及采样放大电路。主控制器MSP430F149是一款来自TI公司的16位低功耗处理器，多达5种低功耗模式适用于设计干电池供电要求的设备，片上集成性能出色的外设模块，片内有60 KB的Flash和2 KB的RAM。ZigBee协处理器CC2480通过4线SPI接口和主控MCU的通信完成数据的传输采集。前端信号采集通过适合于埋设在土壤中测量土壤温度、水分的PT100铂热电阻和多路FDR土壤水分传感器来完成。此外，对于铂热电阻测得的微弱电流信号需通过低功耗仪表放大器AD8226实现信号的放大和抬升。而多路FDR土壤水分传感器则是直接输出电压信号，通过简单的电阻转换采样即可使用。
 继续参照图5，CC2480协处理器是TI公司出品的一款支持ZigBee协议的射频芯片，具有较低的功耗，在待机模式下只有低于0．6μA的电流损耗。与其前代CC2430芯片类似，不同的是CC2480自带有ZigBee协议栈，并且支持TI公司的10个Simple API，通过SPI／UART接口可以和任意一款主控芯片之间实现交互通信。使用灵活性强，大大降低了系统开发的复杂度，可以更好地支持多传感器智能网络的实现。CC2480可以在ZigBee无线网络中担任终端设备节点、路由节点、协调器节点，在网络中的通用性强，应用范围广。
所述传感器组设置在一圆柱形钢管中，所述钢管内均匀设置有多层开放式的腔室，传感器组卡接在腔室内，所述钢管垂直埋入待测土壤中，在填埋时，先填充钢管周围的土，再将土填入钢管中。
参照图3所示，为传感器测温电路，所述土壤温度传感器采用三线制PT100铂热电阻，原始信号经过放大后再经过AD8226的Vref(1 V)抬升电压，抬升至适合数模转换参考电压范围内，输入到前级外置多路低功耗模拟开关ADG758。8选1多路模拟开关ADG758专为低功耗所设计，通过ADG758的引脚A0～A2与MSP430F149主控制器相连，实现三线译码选通，来控制各个传感器通道的选通使用。模拟开关ADG758的输出端D与MSP430F149的内置高精度12位模数转换器相连接，节约了额外的模数转换芯片，从而降低了成本，为实现大规模传感器网络测量土壤梯度温度、水分参数提供了可能。经过恒温箱标定后，所需测量的土壤温度范围变化为-40～80℃，测量误差为±0．4℃。
参照图4所示，为FDR土壤水分传感器采样电路，所述土壤水分传感器采用多路FDR土壤水分传感器，这种测量方法与烘干称重法、中子仪测量法、TDR等土壤水分测量方法相比较，具有快速、准确、连续测量等优点，无须扰动土壤。同时，能够自动监测土壤水分变化，性能出色，且价格相对低廉、没有放射性污染。该FDR土壤水分传感器输出0～5 V的电压信号，通过高精密电阻采样信号，送入多路模拟开关，经A／D转换成数字量即可。
所述多路模拟开关通过单片机引脚信号来控制接通相应的传感器节点，实时自动选择所需转换的通道。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于无线式的土壤温度和水分梯度测量系统，包括由土壤温度传感器和土壤水分传感器组成的传感器组，其特征在于，每个所述传感器组在待测土壤垂直梯度方向上设置，同一垂直梯度方向上的多个传感器组通过模数转换通道构成一个传感器节点，每个传感器节点之间通过ZigBee无线网络和路由节点组成节点传输网络，节点传输网络通过多路模拟开关连接中心采集节点并构成星型拓扑结构，所述中心采集节点对传感器节点传输来的数据进行内部存储和精度的校正，并且将处理后的数据通过RS232／RS485通信接口传送至数据显示终端进行观测分析。
2.根据权利要求1所述的基于无线式的土壤温度和水分梯度测量系统，其特征在于，所述传感器组设置在一圆柱形钢管中，所述钢管内均匀设置有多层开放式的腔室，传感器组卡接在腔室内，所述钢管垂直埋入待测土壤中。
3.根据权利要求1所述的基于无线式的土壤温度和水分梯度测量系统，其特征在于，所述土壤温度传感器采用三线制PT100铂热电阻。
4.根据权利要求1所述的基于无线式的土壤温度和水分梯度测量系统，其特征在于，所述土壤水分传感器采用多路FDR土壤水分传感器。
5.根据权利要求1所述的基于无线式的土壤温度和水分梯度测量系统，其特征在于，所述多路模拟开关通过单片机引脚信号来控制接通相应的传感器节点，实时自动选择所需转换的通道。
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