CN105403577A - 一种果树根部液肥入渗测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种果树根部液肥入渗测量系统，包括多个定向天线阵列、两个模拟开关阵列、信号发射模块、信号接收模块以及服务器；定向天线阵列埋设于以目标区域为中心的正方形边上，服务器将控制指令传递给信号发射模块，信号发射模块通过其中一个模拟开关矩阵连接一个定向天线阵列中的定向天线发射信号，同时控制另一个模拟开关矩阵切换至相应通道，连通用于接收的定向天线阵列中对应的定向天线，经过信号接收模块后，将信号强度参数传递给服务器存储、分析，得出不同传输路径上的土壤湿度情况，并通过软件绘制果树根部周围、定向天线阵列组成的正方形内部液肥入渗后、果树根部土壤湿度的三维图形。本发明可以测量果树根部液肥的立体渗透情况。

Description

一种果树根部液肥入渗测量系统

技术领域

本发明涉及果树根部测量的研究领域，特别涉及一种果树根部液肥入渗测量系统。

背景技术

土壤含水率是影响电磁波在土壤中传播的最大因素。土壤中的水含量越高，土壤的介电常数越大，直到超出一定变化值后，土壤的介电常数将急剧增加。在土壤组成中，沙土具有大的空隙，对水的吸附能力相对较弱，以沙土为主的土壤，含水率的影响较大。一般情况下，土壤含水率随着土壤深度的增加而不断变化，但其变化无一定规律可循。在不同地区不同土壤类型中，含水率随深度的变化规律也不是一致，即使在同一地区不同时间，这种变化情况也不是不变的。土壤含水率随深度的变化并不呈现线性规律。通常情况，土壤含水率随深度的增加而增加，超过一定深度后，则随深度的增加而减小。

土壤(表观)介电常数E和含水量H定量关系的确定是发展基于电磁波理论的土壤含水量测定技术的重要基础,如当前普遍应用的时域反射技术,以及探地雷达。土壤总的介电性质决定于土壤各组分的介电性质、含量及其相互作用，由于在一定的频率域内，大多数土壤固相的介电常数在3～7之间,因此,在非饱和土壤中,土壤含水量是土壤介电常数的主要影响因子,土壤介电常数的变化能很好地反映土壤含水量的变化。

电磁波在土壤介质的传输过程中，通过土壤介质进行通信，其传输特性取决于土壤介质本身，包括土壤结构组成、土壤含水率等等。和自由媒质空气相比，土壤对电磁波传播具有更大的衰减和吸收作用。土壤类型不变的情况下，土壤含水率是影响无线地下传感器网络电磁波传输信号损失的最重要的参数。土壤含水率的增加使通信损耗变的更大，所以土壤含水率是影响电磁波在土壤介质中传播的重要因素之一。综上所述，通过电磁波来测量土壤含水量是一种可行的方案。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，根据液肥注射中，需要分析液肥的渗透规律、果树根部的吸收情况等，提供一种果树根部液肥入渗测量系统。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明的一种果树根部液肥入渗测量系统，包括多个定向天线阵列、两个模拟开关阵列、信号发射模块、信号接收模块以及服务器；所述多个定向天线阵列埋设于以目标区域为中心的正方形边上，服务器将控制指令传递给信号发射模块，信号发射模块通过其中一个模拟开关矩阵连接一个定向天线阵列中的定向天线发射信号，同时控制另一个模拟开关矩阵切换至相应通道，连通用于接收的定向天线阵列中对应的定向天线，经过信号接收模块后，将信号强度参数传递给服务器存储、分析，得出不同传输路径上的土壤湿度情况，并通过软件绘制果树根部周围、定向天线阵列组成的正方形内部液肥入渗后、果树根部土壤湿度的三维图形。

作为优选的技术方案，该测量系统包括4个定向天线阵列，其中2个定向天线阵列用于发射无线信号，另外两个用于接收无线信号；用于发射无线信号的2个定向天线阵列埋设于正方形相邻的两个边上，用于接收无线信号的2个定向天线阵列埋设于正方形另外相邻的两个边上。

作为优选的技术方案，所述定向天线阵列采用垂直波瓣及水平波瓣角度较小、增益大的小型或微型定向天线组成，使用时将定向天线阵列埋设于以果树根部为中心的正方形边上，根据所需的测量深度和宽度确定定向天线阵列中各定向天线之间的距离。

作为优选的技术方案，所述土壤湿度情况是通过定向天线所发射的电磁波信号在土壤中的衰减情况来确定土壤湿度数值，定向天线较小的垂直、水平波瓣角及分时工作的方式，保证信号在发射和接收天线之间的传递路径最小化，进而通过接收天线的信号强度近似确定两个天线之间的土壤湿度值。

作为优选的技术方案，使用系统之前需要进行标定工作，建立土壤湿度、液肥浓度与土壤中电磁信号强度间的衰减关系，确定此关系后，可根据电磁信号强度反演两个天线之间的土壤湿度情况。

作为优选的技术方案，定向天线阵列连接于模拟开关矩阵，通过模拟开关矩阵确定当前工作的定向天线对，实现定向天线的分时工作，并且可以根据被测区域的深度和宽度，通过模拟开关矩阵扩展定向天线的数量，组成规模不同的定向天线阵列。

作为优选的技术方案，所述信号发射控制模块用于产生固定参数的模拟信号，并控制模拟开关矩阵依次选通相应的定向天线对，实现信号的分时发射和接收。

作为优选的技术方案，所述信号采集模块对接收信号进行检波、求值处理后将信号数值传递给服务器存储、分析，得出不同传输路径上的土壤湿度情况，并通过软件绘制果树根部周围、定向天线阵列组成的正方形内部液肥入渗后，土壤湿度的三维图形，具体为：

S1、所述服务器控制模拟开关矩阵并通过信号采集模块分时接收相应定向天线阵列中某一个定向天线的输出信号数值，并根据输出电压信号的大小转换成对应的土壤湿度数值，标在三维坐标轴上；

S2、服务器上运行的上位机软件中包含有三维坐标系，其x、y轴表示定向天线阵列构成的正方形的相邻两个边，取值范围为正方形的边长，z轴表示土壤的湿度；

S3、服务器上运行的上位机软件接收到的土壤湿度数值与定向天线阵列中的发射-接收的定向天线对之间为一一对应的关系，也即上位机软件根据当前模拟开关矩阵的通断情况能计算出当前信号是哪一个定向天线对产生的；

S4、服务器上运行的上位机软件将接收到的土壤湿度数值自动标记在三维坐标轴上，此后，形成一系列三维坐标图，也即定向天线阵列中序号为(1,n)的定向天线对测量的土壤湿度对应一个三维坐标图，序号为(2,n)的定向天线对测量的土壤湿度对应第二个三维坐标图，序号为(3,n)的定向天线对测量的土壤湿度对应第三个三维坐标图。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

1、本发明可以测量果树根部液肥的立体渗透情况。现有的土壤湿度传感器，主要测量果树根部土壤表层某一点、固定深度的土壤湿度情况，为了防止液肥流失，采用注射方式施加液肥，液肥直接到达土层下方较深部位的果树根部，常规的土壤湿度传感器难以测量如此深度的土壤湿度情况。

2、本发明采用垂直波瓣角较小的定向天线，避免了由于电磁波在传输过程中存在的反射波和侧面波，定向天线对直接以直射波为主，提高了测量的准确性。

3、本发明采用定向天线阵列测量的是果树根部周围立体范围内的土壤湿度情况，对于分析液肥注射后，液肥的渗透、根部的吸收情况非常直观。而常规的测量方法只是测量土壤表层某一个点的土壤湿度数值。

4、本发明扩展性强。系统采用模拟开关矩阵连接定向天线阵列中的各个定向天线，可以根据测量范围和测量精度的需要增、减定向天线的数量，而不需要改变系统的硬件结构。

附图说明

图1是本发明定向天线阵列；

图2是本发明系统组成框图；

图3是本发明系统应用示意图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例

如图1、图2所示，本实施例的一种果树根部液肥入渗测量系统，包括多个定向天线阵列、两个模拟开关阵列、信号发射模块、信号接收模块以及服务器(本实施例中以电脑为例)；所述多个定向天线阵列埋设于以目标区域为中心的正方形边上，服务器将控制指令传递给信号发射模块，信号发射模块通过其中一个模拟开关矩阵连接一个定向天线阵列中的定向天线发射信号，同时控制另一个模拟开关矩阵切换至相应通道，连通用于接收的定向天线阵列中对应的定向天线，经过信号接收模块后，将信号强度参数传递给服务器存储、分析，得出不同传输路径上的土壤湿度情况，并通过软件绘制果树根部周围、定向天线阵列组成的正方形内部液肥入渗后、果树根部土壤湿度的三维图形。

该测量系统包括4个定向天线阵列，其中2个定向天线阵列用于发射无线信号，另外两个用于接收无线信号；用于发射无线信号的2个定向天线阵列埋设于正方形相邻的两个边上，用于接收无线信号的2个定向天线阵列埋设于正方形另外相邻的两个边上。

所述定向天线阵列采用小型或微型定向天线组成，使用时将定向天线阵列埋设于以果树根部为中心的正方形边上，根据所需的测量深度和宽度确定定向天线阵列中各定向天线之间的距离。阵列中的定向天线成对、分时工作，当正方形一个边上、用于发射的定向天线阵列中某一个定向天线工作时，位于正方形对边上、用于接收的定向天线阵列中相应位置的定向天线也同时工作，其他所有的定向天线均处于非工作状态，避免信号相互干扰，产生误差。采用垂直波瓣及水平波瓣角度较小、增益大的定向天线组成定向天线阵列，垂直波瓣较小，可避免电磁信号由地表发射后再传递至接收天线，保证电磁信号在发射天线和接收天线直接的传递路径尽可能短。

所述土壤湿度情况是通过定向天线所发射的电磁波信号在土壤中的衰减情况来确定土壤湿度数值，定向天线较小的垂直、水平波瓣角及分时工作的方式，保证信号在发射和接收天线之间的传递路径最小化，进而通过接收天线的信号强度近似确定两个天线之间的土壤湿度值。

使用系统之前需要进行标定工作，建立土壤湿度、液肥浓度与土壤中电磁信号间的衰减关系，确定此关系后，可根据电磁信号强度反演两个天线之间的土壤湿度情况。

定向天线阵列连接于模拟开关矩阵，通过模拟开关矩阵确定当前工作的定向天线对，实现定向天线的分时工作，并且可以根据被测区域的深度和宽度，通过模拟开关矩阵扩展定向天线的数量，组成规模不同的定向天线阵列。

所述信号发射控制模块用于产生固定参数的模拟信号，并控制模拟开关矩阵依次选通相应的定向天线对，实现信号的分时发射和接收。

所述信号采集模块对接收信号进行检波、求值处理之后将相应参数送至服务器存储、分析。

如图3所示，所述服务器对各个定向天线对采集到的土壤湿度值做进一步处理，通过自编的程序可以绘制果树根部周围被测区域的三维土壤湿度分布图，其具体方法为：

S1、所述服务器控制模拟开关矩阵并通过信号采集模块分时接收相应定向天线阵列中某一个定向天线的输出信号数值，并根据输出电压信号的大小转换成对应的土壤湿度数值，标在三维坐标轴上；

S2、服务器上运行的上位机软件中包含有三维坐标系，其x、y轴表示定向天线阵列构成的正方形的相邻两个边，取值范围为正方形的边长，z轴表示土壤的湿度；

S3、服务器上运行的上位机软件接收到的土壤湿度数值与定向天线阵列中的发射-接收的定向天线对之间为一一对应的关系，也即上位机软件根据当前模拟开关矩阵的通断情况能计算出当前信号是哪一个定向天线对产生的；

S4、服务器上运行的上位机软件将接收到的土壤湿度数值自动标记在三维坐标轴上，此后，形成一系列三维坐标图，也即定向天线阵列中序号为(1,n)的定向天线对测量的土壤湿度对应一个三维坐标图，序号为(2,n)的定向天线对测量的土壤湿度对应第二个三维坐标图，序号为(3,n)的定向天线对测量的土壤湿度对应第三个三维坐标图。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种果树根部液肥入渗测量系统，其特征在于，包括多个定向天线阵列、两个模拟开关阵列、信号发射模块、信号接收模块以及服务器；所述多个定向天线阵列埋设于以目标区域为中心的正方形边上，服务器将控制指令传递给信号发射模块，信号发射模块通过其中一个模拟开关矩阵连接一个定向天线阵列中的定向天线发射信号，同时控制另一个模拟开关矩阵切换至相应通道，连通用于接收的定向天线阵列中对应的定向天线，经过信号接收模块后，将信号强度参数传递给服务器存储、分析，得出不同传输路径上的土壤湿度情况，并通过软件绘制果树根部周围、定向天线阵列组成的正方形内部液肥入渗后、果树根部土壤湿度的三维图形。

2.根据权利要求1所述的果树根部液肥入渗测量系统，其特征在于，该测量系统包括4个定向天线阵列，其中2个定向天线阵列用于发射无线信号，另外两个用于接收无线信号；用于发射无线信号的2个定向天线阵列埋设于正方形相邻的两个边上，用于接收无线信号的2个定向天线阵列埋设于正方形另外相邻的两个边上。

3.根据权利要求1或2所述的果树根部液肥入渗测量系统，其特征在于，所述定向天线阵列采用垂直波瓣及水平波瓣角度较小、增益大的小型或微型定向天线组成，使用时将定向天线阵列埋设于以果树根部为中心的正方形边上，根据所需的测量深度和宽度确定定向天线阵列中各定向天线之间的距离。

4.根据权利要求1所述的果树根部液肥入渗测量系统，其特征在于，所述土壤湿度情况是通过定向天线所发射的电磁波信号在土壤中的衰减情况来确定土壤湿度数值，定向天线较小的垂直、水平波瓣角及分时工作的方式，保证信号在发射和接收天线之间的传递路径最小化，进而通过接收天线的信号强度近似确定两个天线之间的土壤湿度值。

5.根据权利要求1所述的果树根部液肥入渗测量系统，其特征在于，使用系统之前需要进行标定工作，建立土壤湿度、液肥浓度与土壤中电磁信号强度间的衰减关系，确定此关系后，可根据电磁信号强度反演两个天线之间的土壤湿度情况。

6.根据权利要求1所述的果树根部液肥入渗测量系统，其特征在于，定向天线阵列连接于模拟开关矩阵，通过模拟开关矩阵确定当前工作的定向天线对，实现定向天线的分时工作，并且可以根据被测区域的深度和宽度，通过模拟开关矩阵扩展定向天线的数量，组成规模不同的定向天线阵列。

7.根据权利要求1所述的果树根部液肥入渗测量系统，其特征在于，所述信号发射控制模块用于产生固定参数的模拟信号，并控制模拟开关矩阵依次选通相应的定向天线对，实现信号的分时发射和接收。

8.根据权利要求1所述的果树根部液肥入渗测量系统，其特征在于，所述信号采集模块对接收信号进行检波、求值处理后将信号数值传递给服务器存储、分析，得出不同传输路径上的土壤湿度情况，并通过软件绘制果树根部周围、定向天线阵列组成的正方形内部液肥入渗后，土壤湿度的三维图形，具体为：

S1、所述服务器控制模拟开关矩阵并通过信号采集模块分时接收相应定向天线阵列中某一个定向天线的输出信号数值，并根据输出电压信号的大小转换成对应的土壤湿度数值，标在三维坐标轴上；

S2、服务器上运行的上位机软件中包含有三维坐标系，其x、y轴表示定向天线阵列构成的正方形的相邻两个边，取值范围为正方形的边长，z轴表示土壤的湿度；

S3、服务器上运行的上位机软件接收到的土壤湿度数值与定向天线阵列中的发射-接收的定向天线对之间为一一对应的关系，也即上位机软件根据当前模拟开关矩阵的通断情况能计算出当前信号是哪一个定向天线对产生的；

S4、服务器上运行的上位机软件将接收到的土壤湿度数值自动标记在三维坐标轴上，此后，形成一系列三维坐标图，也即定向天线阵列中序号为(1,n)的定向天线对测量的土壤湿度对应一个三维坐标图，序号为(2,n)的定向天线对测量的土壤湿度对应第二个三维坐标图，序号为(3,n)的定向天线对测量的土壤湿度对应第三个三维坐标图。