CN105353106A - 一种无线传输的土壤水分分布测量系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及农业测量技术领域，尤其涉及一种无线传输的土壤水分分布测量系统及方法。所述系统包括：云平台，无线控制采集装置，土壤水分传感器，传动装置，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.本发明的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作物，不破坏土壤结构，测量区域广，不存在传感器探头间相互干扰的现象以及测量智能化远程化的有益效果。

Description

一种无线传输的土壤水分分布测量系统及方法

技术领域

本发明涉及农业测量技术领域，特别是涉及一种无线传输的土壤水分分布测量系统及方法。

背景技术

水是生命之源，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。然而我国淡水资源匮乏，水资源的高效合理利用是现代农业生产中非常重要的认为。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，属于一次性测量，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，土壤含水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。

另外，现有的土壤水分传感器测量系统的自动化程度低，没有实现人机交互和对土壤水分的智能化远程化控制，费时费力，响应速度慢。

因此，针对以上不足，本发明提供了一种无线传输的土壤水分分布测量系统及方法。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明的目的是要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，智能化程度低，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，本发明提供了一种无线传输的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、无线控制采集装置、云平台、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端通过电缆和所述无线控制采集装置连接，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，所述传动装置由所述无线控制采集装置驱动控制，所述云平台通过通信网络实现与所述无线控制采集装置的远程通信，所述土壤水分传感器的另一端连接有牵引线。

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，所述无线控制采集装置包括单片机芯片以及与其连接的无线通信模块、存储模块、时钟模块、电机驱动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，所述绕线轮设置在所述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，所述底管与所述第一侧管和所述第二侧管连接的弯头位置设置有接近开关，所述接近开关与所述无线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，用于进行部分参数设置和原始数据读取，实现系统与所述上位机的串行通信。

其中，所述无线通信模块与所述单片机芯片相连，用于将水分数据和系统运行状态上报到所述云平台，同时通过所述云平台对系统参数和水分数据进行远程操作，实现系统与所述云平台的远程通信。

本发明还提供了一种利用上述无线传输的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、根据植物种植时根区的深度，挖一个相同深度的坑，将所述无线传输的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，所述第一侧管和所述第二侧管部分位于地面以上，在所述底管的上方种植植物。

S2、所述无线控制采集装置驱动所述传动装置和牵返装置，使所述土壤水分传感器位于所述第二侧管自由端附近；

S3、通过所述无线控制采集装置设置采样间隔，使所述传动装置工作，所述传动装置通过所述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，所述土壤水分传感器在所述无线控制采集装置的控制下在植物根区进行土壤水分的采样测量，并将测量值传回所述无线控制采集装置；

S5、所述无线控制采集装置将水分测量值进行存储，并通过所述无线通信模块将水分数据上报到所述云平台上。

其中，其还包括步骤S6：通过远程控制或者人工控制的一个自动测量周期结束时，所述无线控制采集装置部分断电，无线传输的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：当所述无线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：适时通过人工交互的方式，通过所述上位机读取所述无线控制采集装置内的实时数据，并进行部分参数的设定。

其中，在步骤S6之后，还包括步骤S9：适时通过远程通信的方式，将水分数据和系统运行状态上报到所述云平台，通过所述云平台对系统参数和水分数据进行远程操作，包括：设备配置，设备状态读取，测量周期、上报周期和存储周期的设置，召测参数，网络协议配置，实时数据和历史数据的查询与下载。

设备正常运行时，当传感器探头接近终点时，接近开关就会产生一个下降沿触发中断使探头停止运行，测量结束；

上电后，时钟模块定时唤醒单片机系统进行测量工作，单片机通过电机驱动模块产生PWM波及其他控制信号对直流电机和步进电机进行驱动和控制，使电缆拖拽传感器探头在横向PVC管中滑动；此过程中，系统每隔5cm对传感器的信号进行采集，传感器信号调节模块将传感器的输出值转换成单片机能够读取范围的值，通过AD采样得到相应的值,当传感器到达接近开关的监测范围以后，系统做出转向或停止的动作。

(三)有益效果

本发明的上述技术方案具有如下优点：本发明提供的无线传输的土壤水分分布测量系统通过无线控制采集装置工作，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中行进，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无线控制采集装置，无线控制采集装置可以对传来的测量值进行存储并上报到云平台上，从而完成了对植物根区不同位置的水分的测量和在线监控，具有不伤害植物，不破坏土壤结构，测量区域广，不存在传感器探头间相互干扰的现象以及测量智能化远程化的有益效果。

本发明采用单片机芯片是ARMmb9bf218s型号，增加了无线通信模块，并且采用太阳能给相关模块进行供电，使用环境不再局限在室内，野外露天环境下也能正常使用。

附图说明

图1是本发明实施例无线传输的土壤水分分布测量系统的立体结构示意图；

图2是本发明实施例中无线控制采集装置的电路原理图；

图3是本发明实施例的控制流程图；

图4是本发明实施例的电机运行的流程图。

图中，1：牵返装置；2：基板；3：绕线轮；4：接近开关；5：土壤水分传感器；6：第二侧管；7：牵引线；8：第一侧管；9：底管；10：主动轮；11：从动轮；12：传动装置；13：无线控制采集装置；14：电缆；15：云平台；16：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无线传输的土壤水分分布测量系统包括土壤水分传感器5、传动装置12、无线控制采集装置13、云平台15、位于地下的底管9以及部分位于地下的第一侧管8和第二侧管6，底管9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5设置在底管9、第一侧管8和第二侧管6形成的管道中，土壤水分传感器5的一端通过电缆14和无线控制采集装置13连接，电缆14经过设置在第一侧管8自由端的传动装置12并由传动装置12牵引，所述传动装置12由无线控制采集装置13驱动控制，云平台15通过通信网络实现与无线控制采集装置13的远程通信，土壤水分传感器5的另一端连接有牵引线7。土壤水分传感器5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9、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9、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5牵拉至第二侧管6中靠近地面的附近，通过无线控制采集装置13驱动传动装置12工作，传动装置13通过电缆14牵引着土壤水分传感器5在底管9、第一侧管8和第二侧管6形成的管道中行进，同时，土壤水分传感器5可以测量附近的土壤水分，然后通过电缆14将测量值传递给无线控制采集装置13，无线控制采集装置13可以传过来的水分测量值进行存储，并通过无线通信模块将水分数据上报到所述云平台15上显示出来，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12包括电机、主动轮10和从动轮11，第一侧管8的自由端固定一基板2，电机固定在所述基板上，主动轮10安装在电机的转轴上，从动轮11通过一固定轴安装在基板2上，主动轮10和从动轮11之间夹持着电缆14，该电机可为直流电机或者步进电机，该电机与无线控制采集装置13连接并通过无线控制采集装置13驱动控制。主动轮10在电机驱动下和从动轮11共同作用使电缆14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5的牵引。

进一步地，无线控制采集装置13包括单片机芯片以及与其连接的无线通信模块、存储模块、时钟模块、电机驱动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。单片机芯片采用的型号为ARMmb9bf218s型号，用于对系统进行控制；无线通信模块采用的是SIM公司生产的GPRS/3G无线通信模块SIM4100，进行远距离点对点的数据传输；时钟模块用于给整个无线传输的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5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；传感器信号调节模块用于将土壤水分传感器5输出到无线控制采集装置13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5连接，无线控制采集装置13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无线控制采集装置13连接。通过该牵返装置1，可以将土壤水分传感器5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5牵引至土壤水分测量的初始位置。

进一步地，底管9与第一侧管8和第二侧管6连接的弯头位置设置有接近开关4，该接近开关4与无线控制采集装置13连接，具体来讲，无线控制采集装置13的单片机芯片通过传感器信号调节模块与接近开关4连接。接近开关4用于对土壤水分传感器5的行程位置进行限制，保证土壤水分传感器5每次运动的参考点一致，并防止土壤水分传感器5被拽出第一侧管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16连接。串口通信模块接收上位机16的指令并执行相应操作，所述上位机16一般为电脑。通过上位机可以进行部分参数设置和原始数据读取。

优选地，无线通信模块与单片机芯片相连，无线通信模块通过公共的GPRS/3G通信网络将水分数据和系统运行状态上报到云平台15，同时通过云平台15对系统参数和水分数据进行远程操作。

本发明还提供了一种利用上述无线传输的土壤水分分布测量系统进行土壤水分分布测量的方法，如图3、4所示，其包括以下步骤：

S1、根据植物种植时根区的深度，挖一个相同深度的坑，将无线传输的土壤水分分布测量系统放置在该坑中进行土壤填埋，将底管9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9的上方种植植物。

S2、无线控制采集装置13驱动传动装置12和牵返装置1，使土壤水分传感器5位于第二侧管6自由端附近；

S3、通过无线控制采集装置13设置采样间隔，使传动装置12工作，传动装置12通过电缆14牵引土壤水分传感器5使其在底管9、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5在无线控制采集装置13的控制下在植物根区进行土壤水分的采样测量，并将测量值传回无线控制采集装置13；

S5、无线控制采集装置13将水分测量值进行存储，并通过无线通信模块将水分数据上报到云平台15上。

其中，其还包括步骤S6：通过远程控制或者人工控制的一个自动测量周期结束时，无线控制采集装置13部分断电，无线传输的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、传感器信号调节模块可以断电，整个系统进入低功耗模式。

其中，其还包括步骤S7：当无线控制采集装置13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。

设备正常运行时，当传感器探头接近终点时(4mm以内)，接近开关就会产生一个下降沿触发中断使探头停止运行，也就是停在原始位置，测量结束。

上电后，时钟模块定时唤醒单片机系统进行测量工作，单片机通过电机驱动模块产生PWM波及其他控制信号对直流电机和步进电机进行驱动和控制，使电缆拖拽传感器探头在横向PVC管中滑动。此过程中，系统每隔5cm对传感器的信号进行采集，传感器信号调节模块将传感器的输出值转换成单片机能够读取范围的值(0-2.5V)，通过AD采样得到相应的值。当传感器到达接近开关的监测范围(4mm)以后，系统做出转向或停止的动作。

本发明的土壤水分分布测量的方法在步骤S6之后，还包括步骤S8：适时通过人工交互的方式，通过上位机16读取无线控制采集装置13内的实时数据，并进行部分参数的设定。

本发明的土壤水分分布测量的方法在步骤S6之后，还包括步骤S9：适时通过远程通信的方式，将水分数据和系统运行状态上报到云平台15，通过云平台15对系统参数和水分数据进行远程操作，包括：设备配置，设备状态读取，测量周期、上报周期和存储周期的设置，召测参数，网络协议配置，实时数据和历史数据的查询与下载。

综上，本发明提供的无线传输的土壤水分分布测量系统通过无线控制采集装置13驱动传动装置12工作，从而通过电缆14牵引着土壤水分传感器5在底管9、第一侧管8和第二侧管6形成的管道中行进，实现对植物根区附近的土壤水分的检测，然后通过电缆14将测量值传递给无线控制采集装置13，无线控制采集装置13可以对传来的测量值进行存储并上报到云平台15上，从而完成了对植物根区不同位置的水分的测量和在线监控，通过无线控制采集装置13的单片机芯片分别与存储模块、时钟模块、电机驱动模块、无线通信模块连接，使得本发明对植物根区不同位置的水分的测量具有不伤害植物，不破坏土壤结构，测量区域广，不存在传感器探头间相互干扰的现象以及测量智能化远程化的有益效果。

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)

1.一种无线传输的土壤水分分布测量系统，其特征在于：包括土壤水分传感器(5)、传动装置(12)、无线控制采集装置(13)、云平台(15)、位于地下的底管(9)以及部分位于地下的第一侧管(8)和第二侧管(6)，所述底管(9)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(5)的一端通过电缆(14)和所述无线控制采集装置(13)连接，所述电缆(14)经过设置在所述第一侧管(8)自由端的所述传动装置(12)并由所述传动装置(12)牵引，所述传动装置(12)由所述无线控制采集装置(13)驱动控制，所述云平台(15)通过通信网络实现与所述无线控制采集装置(13)的远程通信，所述土壤水分传感器(5)的另一端连接有牵引线(7)；

还包括一太阳能供电模块，用于对各个模块供电。

2.根据权利要求1所述的无线传输的土壤水分分布测量系统，其特征在于：所述传动装置(12)包括电机、主动轮(10)和从动轮(11)，所述第一侧管(8)的自由端固定一基板(2)，所述电机固定在所述基板(2)上，所述主动轮(10)安装在所述电机的转轴上，所述从动轮(11)通过一固定轴安装在基板(2)上，所述主动轮(10)和所述从动轮(11)之间夹持着所述电缆(14)。

3.根据权利要求2所述的无线传输的土壤水分分布测量系统，其特征在于：所述无线控制采集装置(13)包括单片机芯片以及与其连接的无线通信模块、存储模块、时钟模块、电机驱动模块和传感器信号调节模块，所述土壤水分传感器(5)通过所述传感器信号调节模块与所述单片机芯片连接。

4.根据权利要求3所述的无线传输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)，所述牵返装置包括电机和绕线轮(3)，所述绕线轮(3)设置在所述牵返装置(1)的电机的转轴上，所述牵引线(7)与所述绕线轮(3)连接。

5.根据权利要求3中所述的无线传输的土壤水分分布测量系统，其特征在于：所述底管(9)与所述第一侧管(8)和所述第二侧管(6)连接的弯头位置设置有接近开关(4)，所述接近开关(4)与所述无线控制采集装置(13)的所述传感器信号调节模块连接。

6.根据权利要求3中所述的无线传输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(16)连接，用于进行部分参数设置和原始数据读取，实现系统与所述上位机(16)的串行通信。

7.根据权利要求3中所述的无线传输的土壤水分分布测量系统，其特征在于：所述无线通信模块与所述单片机芯片相连，用于将水分数据和系统运行状态上报到所述云平台(15)，同时通过所述云平台(15)对系统参数和水分数据进行远程操作，实现系统与所述云平台(15)的远程通信。

8.一种利用权利要求1—7任一项所述无线传输的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、根据植物种植时根区的深度，挖一个相同深度的坑，将所述无线传输的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(9)埋于土壤中，所述第一侧管(8)和所述第二侧管(6)部分位于地面以上，在所述底管(9)的上方种植植物；

S2、所述无线控制采集装置(13)驱动所述传动装置(12)和牵返装置(1)，使所述土壤水分传感器(5)位于所述第二侧管(6)自由端附近；

S3、通过所述无线控制采集装置(13)设置采样间隔，使所述传动装置(12)工作，所述传动装置(12)通过所述电缆(14)牵引所述土壤水分传感器(5)使其在所述底管(9)、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，所述土壤水分传感器(5)在所述无线控制采集装置(13)的控制下在植物根区进行土壤水分的采样测量，并将测量值传回所述无线控制采集装置(13)；

S5、所述无线控制采集装置(13)将水分测量值进行存储，并通过所述无线通信模块将水分数据上报到所述云平台(15)上。

9.根据权利要求8所述的无线传输的土壤水分分布测量的方法，其特征在于：其还包括步骤S6：通过远程控制或者人工控制的一个自动测量周期结束时，所述无线控制采集装置(13)部分断电，无线传输的土壤水分分布测量系统进入低功耗模式；

还包括步骤S7：当所述无线控制采集装置(13)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；

步骤S8：通过人工交互的方式，通过所述上位机(16)读取所述无线控制采集装置(13)内的实时数据，并进行部分参数的设定；

步骤S9：通过远程通信的方式，将水分数据和系统运行状态上报到所述云平台(15)，通过所述云平台(15)对系统参数和水分数据进行远程操作，包括：设备配置，设备状态读取，测量周期、上报周期和存储周期的设置，召测参数，网络协议配置，实时数据和历史数据的查询与下载。

10.根据权利要求8所述的无线传输的土壤水分分布测量的方法，其特征在于：设备正常运行时，当传感器探头接近终点时，接近开关就会产生一个下降沿触发中断使探头停止运行，测量结束；

上电后，时钟模块定时唤醒单片机系统进行测量工作，单片机通过电机驱动模块产生PWM波及其他控制信号对直流电机和步进电机进行驱动和控制，使电缆拖拽传感器探头在横向PVC管中滑动；此过程中，系统每隔5cm对传感器的信号进行采集，传感器信号调节模块将传感器的输出值转换成单片机能够读取范围的值，通过AD采样得到相应的值,当传感器到达接近开关的监测范围以后，系统做出转向或停止的动作。