CN105717278A - 一种土壤盐水温传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种土壤盐水温传感器，包括：外壳、外壳底部的探针、以及外壳内部的检测电路，所述检测电路包括主控芯片、震荡单元、信号提取单元、水分检测单元、盐分检测单元、温度检测单元；所述震荡单元用于生成方波信号，输出给水分检测单元；所述水分检测单元接收所述方波信号，并利用所述方波信号周期性的为所述探针和土壤构成的第一等效电容充电；所述信号提取单元用于检测所述第一等效电容的充放电过程中电压信号的变化值；所述温度检测单元用于利用热敏电阻检测土壤的温度变化；所述盐分检测单元用于检测土壤电导率，进而计算得到土壤盐分含量。本发明测量准确、稳定性好，结构简单且成本较低。

Description

一种土壤盐水温传感器

技术领域

本发明涉及土壤信息采集领域，尤其涉及土壤盐水温传感器。

背景技术

土壤水分、盐分及温度等信息的检测对农业生产的意义十分重大，WSN提供了一条对土壤信息进行实时、长期检测的智能化路线。然而，由于WSN需要在野外进行长期布网，所以节点所配备的传感器在满足精度要求之外，还必须具备稳定性高、可长期置于野外工作的特点。因此，若想要WSN系统长期稳定运行，一款合适的土壤传感器至关重要。

土壤水分的测定方法有烘干法、射线法、介电特性法、核磁共振法、分离示踪剂法和遥感法等。其中，介电特性法是利用土壤的介电特性进行间接测量的，能实现土壤水分的快速无损测量，具体来说又可分为基于电阻原理、基于电容原理、基于时域反射原理、基于频率反射原理和基于驻波原理的测量方法。但每种实现方法有着各自的优势与不足，综合考虑技术难度、成本、精度和实时性等因素，当前土壤水分测量方法中，以基于电容原理的介电方法较为普遍，并在此方法的基础上研制了许多土壤水分传感器。这些传感器的传感部件以插入式结构居多，几何结构简单，制作方便。

土壤电导率的测量大致可分为实验室测量和现场测量两大类，实验室测量首先要制备土壤浸提液，然后利用电极法测量土壤浸提液的电导率，利用土壤浸提液的测量值表征土壤电导率的变化。这种传统的实验室方法作为标准测量方法具有较高的精度，也是评价土壤电导率高低的基准，但测量过程繁琐，且耗费较长时间，实时性差，不能满足现代精细农业要求在短时间内完成大批量测量的要求。现场测量则主要是将地球物理勘探中的方法引入到了农田土壤测量中，主要有两种基本设计思路：接触式和非接触式。非接触式土壤电导率传感器利用电磁感应现象检测土壤电导率，接触式土壤电导率传感器则是一种电极式传感器，虽为接触测量但却不需要取样，基本不用扰动土体，而且在作物生长前和生长期间都可以设法实现实时测量，很适合现代精细农业对农田土壤信息获取的要求。

发明内容

针对相关技术中上述的问题，本发明提出一种土壤盐水温传感器，包括：外壳、外壳底部的探针、以及外壳内部的检测电路，该检测电路向探针发出脉冲方波激励信号并接受其两端的电压信号；所述检测电路包括主控芯片、震荡单元、信号提取单元、水分检测单元、盐分检测单元、温度检测单元；

所述震荡单元用于生成方波信号，输出给水分检测单元；

所述水分检测单元接收所述方波信号，并利用所述方波信号周期性的为所述探针和土壤构成的第一等效电容充电；

所述信号提取单元用于检测所述第一等效电容的充放电过程中电压信号的变化值，所述主控芯片根据所述电压信号的变化值得到土壤的湿度值；

所述温度检测单元用于利用热敏电阻检测土壤的温度变化；

所述盐分检测单元用于检测土壤电导率，在检测土壤电导率时，通过探针对土壤施加两个高度和持续时间相等、极性相反的双极性脉冲，通过测量第二个双极性脉冲结束的瞬间电流获得土壤导电率，进而计算得到土壤盐分含量。

所述水分检测单元包括一个第一异或门电路，所述第一异或门电路的两个输入端A和B，振荡单元产生的方波信号一方面接入所述第一异或门电路的输入端A，另一方面经过电阻R接入所述第一异或门电路的另一输入端B和探针；所述探针和土壤构成等效电容，方波信号周期性地对所述等效电容充放电，使所述第一异或门电路的输入端B的电势变化产生延迟，进而导致输入端A和B所探测到的逻辑电平的变化不同，进而输出信号也不同。

所述信号提取单元包括两组积分电路和一组电压跟随器，所述两组积分电路对输入的矩形波信号经过平滑处理，且处理后的矩形波信号的电压值大小与矩形波占空比相对应；所述电压跟随器包括运放电路，运放电路的正相输入端接所述两组积分电路的输出，反向输入端经过反馈电阻接至所述运放电路的输出，以将正相输入端的电压跟随输出。

所述温度检测单元包括第一电阻、第二电阻、热敏电阻和第一电容，其中，所述第二电阻、热敏电阻和第一电容并联连接，且与第一电阻串联连接；所述温度检测单元采用串并联电阻的方式对热敏电阻的非线性误差进行补偿或者线性化处理。

所述盐分检测单元通过双脉冲电导法测量土壤盐分，所述双脉冲电导法利用土壤等效电路测量土壤盐分，所述土壤等效电路包括土壤等效电阻、双电层电容和引线分布电容，土壤等效电阻与双电层电容串联后再与所述引线分布电容并联；所述双极性脉冲信号经过所述土壤等效电路后输出流经土壤的瞬时电流信号，所述瞬时电流信号与土壤的电导率成正比。

所述外壳采用环氧树脂胶密封，能够达到IP68的防尘防水等级。

所用探针为四根不锈钢探针；其中两根探针用于测量土壤含水量，两根探针用于测量土壤盐分。

构成所述检测电路的单片机为STC12C5A60S2。

所述温度检测单元利用NTC热敏电阻的温度敏感特性来测量温度数据。

本发明通过测量土壤等效电容来计算土壤的水分，土壤传感器通过发出高频信号，由检波电路将介电常数转换为电压输出，进而确定与土壤含水量的关系；通过热敏电阻的阻值变化计算温度，NTC热敏电阻是一种具有负温度系数的温度敏感元件，其构成成分为氧化物的烧结体。此种电阻的灵敏度较高，金属热敏电阻的灵敏度只有它的十分之一，应用广泛。但是，也存在比较严重的热电非线性。热敏电阻存在的非线性化缺点，会影响其测量范围和测量精度，为了削弱此缺点的影响，须要对其非线性误差进行补偿或者线性化处理。本传感器采用串并联电阻的方式；通过双脉冲法测量土壤盐分，电导率测量时，对土壤施加两个持续时间很短的脉冲，两脉冲要求高度和持续时间相等，极性相反。流经土壤的电流在第二个脉冲结束的瞬间测量，此处电导池模型考虑了引线分布电容和双电层电容。检测电路包括震荡单元、信号提取单元、静电保护单元，水分检测单元、盐分检测单元、温度检测单元等几部分，所用探针为四根不锈钢探针工作稳定性好，可靠，测量精度高，价格低廉，可以供人们实时监控土壤信息。

附图说明

图1为本发明中土壤盐水温传感器的结构框图。

图2为本发明中震荡单元的电路结构示意图。

图3为本发明中水分检测单元的电路结构示意图。

图4为本发明中信号提取单元的电路结构示意图。

图5为本发明中温度检测单元的电路结构示意图。

图6为本发明中盐分检测单元的电路结构示意图。

图7为本发明中土壤盐水温的检测方法流程图。

图8为本发明中土壤盐水温传感器的硬件结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。

实施例：

本实施例的土壤传感器的结构如图8所示，主要包括四根并排的不锈钢探针4、外壳2以及检测电路3。其中两根探针用于测量土壤含水量，两根探针用于测量土壤盐分，优选地，探针的有效长度约为72mm，外径约为3mm，通过螺丝固定在电路板上。四根探针处于同一水平面，且相互平行并排固定。

检测电路3包括电源模块、主控芯片、震荡单元、信号提取单元、静电保护单元、水分检测单元、盐分检测单元、温度检测单元等几部分。

震荡单元用于产生固定频率的方波信号，信号经过水分检测单元，对传感器探针和土壤组成的电容进行充放电，信号提取单元能够检测电容的充放电过程，并将其转化为电压信号，它带有土壤水分的含量信息。将其送入主控芯片处理后得到土壤湿度值，然后经过信号输出电路输出。

本发明中的土壤传感器探针的材质为金属，且裸露在外。外界中有较多带电物，有些静电甚至可以高达数千伏特。为了保护传感器内部电路不受超高电压的破坏，本发明的传感器内部设有专用于静电防护的静电泄放(electrostaticdischarge，ESD)芯片。该静电防护芯片支持高速差分信号，对地有非常低的寄生电容，因此不会影响到原来电路。其静电防护标准达到了IEC61000-4-2标准的第四等级。

温度检测单元的主要部件是一个热敏电阻，此热敏电阻具有负温度系数，随温度值的升高而阻值变小。温度变化导致电阻阻值改变，进而导致其在电路中的分压改变，根据其电压即可推算出土壤温度的变化。温度敏感元件放置在不锈钢探针内部。探针是空心的，而且探针的导热性能良好，将热敏电阻放在其中可以快速与土壤温度达到热平衡。

本传感器采用串并联电阻的方式；通过双脉冲法测量土壤盐分，电导率测量时，通过其中两个探针对土壤施加两个持续时间很短的脉冲，两脉冲要求高度和持续时间相等，极性相反。流经土壤的电流在第二个脉冲结束的瞬间测量，此处电导池模型考虑了引线分布电容和双电层电容。

由于传感器的应用环境是各种类型的土壤之中，传感器需要做防水防腐蚀处理。本传感器采用环氧树脂胶密封，能够达到IP68的防尘防水等级。

图1为本发明的结构示意图，图1中小箭头表示供电方向，大箭头表示与土壤信息相关的信号的流向。带斜杠的大箭头表示含有多个信号。

图2为本发明的震荡单元，振荡单元的作用是生成特定频率的方波信号，输出给水分检测单元，并且要求方波低电平接近0伏特，高电平接近供电电压，占空比为50％。本发明采用异或门电路搭建震荡单元，异或门的选型要求快速低功耗。采用芯片为四2输入异或门(即四个二输入异或门)，工作电压范围广，输出电压的带负载能力强，电平的上升沿和下降沿时间短，更重要的是功耗很低。

电路工作原理是：异或门XOR1和XOR2的A输入端接固定的高电平，在上电瞬间XOR1的B输入端为低电平，使得XOR2的B输入端为高电平，2Y输出为低电平，此时电路对C1充电；随着C1充电过程，1B变为高电平，使得1Y变为低电平，2Y变为高电平，C1开始放电；放到一定程度时，电路再进入对C1充电的状态，如此循环下去。振荡单元输出的是一个占空比为50％的方波，通过搭建测试电路可得到输出方波信号的波形。

图3为本发明的水分检测单元，其包括一个异或门电路，所述异或门电路的两个输入端A和B，信号J为前级电路振荡单元产生的方波信号，此方波信号一方面接入异或门XOR的A输入端，另一方面经过电阻R接入异或门的B输入端和探针。所述探针和土壤构成等效电容，方波周期性地对所述等效电容充放电，使异或门XOR的输入端B的电势变化产生延迟，进而导致A和B所探测到的逻辑电平的变化不同，进而输出的信号Y也不同。

图4为本发明的信号提取单元，其包括两组积分电路和一组电压跟随器，矩形波信号经过两组积分电路的处理后，电压信号变得比较平直，电压值的大小与矩形波占空比相对应。运放A的正相输入端接所述两组积分电路处理后的信号电压，反向输入端经过反馈电阻R3接至运放的输出，其效果是将正相输入端的电压跟随输出，具有较低的输入电阻和较高的输出电阻。主控芯片中的AD采集部件采集所述运放A的输出信号。优选地，可将AD采集设置为连续采集N次，求取N次采集样本的平均值作为采集结果。它能够隔离前后级电路，提高带负载能力。

图5为本发明的温度检测单元，热敏电阻存在的非线性化缺点，会影响其测量范围和测量精度，为了削弱此缺点的影响，须要对其非线性误差进行补偿或者线性化处理。本发明采用串并联电阻的方式；从图中可以得到电路的分压关系为：

$U_{R_T}=V_{CC}\×\frac{R_2//R_T}{R_1+(R_2//R_T)}---\left(1\right)$

其中，V_CC表示输入电压信号，//表示并联电阻，R_T为热敏电阻，其电阻值与土壤温度之间存在一定关系，根据所述关系以及R_T值即可得出土壤温度值；对电阻R1和R2阻值的确定可通过下述方法：

由图5可以得到电路的电阻值R为：

R＝R₁+(R₂//R_T)(2)

解得：

$R_T=\frac{R\×R_2-R_1\×R_2}{R_1+R_2-R}---\left(3\right)$

假设补偿温度的范围为T1至T2，可以取T1和T2以及其间的一个温度值T0，测出三个温度值对应的热敏电阻值RT1、RT2，RT0，而后设定三个线性化处理后的理想值R1、R2、R0，且此理想值需要在同一条直线上，即可计算出电阻R1和R2应取的值。

图6为本发明的盐分检测单元，其包括输入脉冲信号，土壤等效电路与输出信号，电导率测量时，主控芯片通过探针对土壤施加两个频率350Hz的双极性脉冲，两脉冲要求高度和持续时间相等，极性相反。流经土壤的电流在第二个脉冲结束的瞬间测量。第一个脉冲开始时，C2被迅速充电，池电流出现一尖峰。若脉冲持续时间T1远小于R与C1的乘积，则C1上的电压EC1很小，并随时间呈线性增长，流经土壤等效电阻R与双电层电容C1的电流在T1时间内由于C1的充电有轻微的下降。当第二个脉冲开始后极性反转，引线分布电容C2又迅速反向充电到新的电位，C1开始放电。在第二个脉冲T2结束的瞬间，C1已完全放电，由于两个脉冲期间C1上积累的电荷为0，故C1上的瞬间电压EC1＝0，相当于短路，C2上的电压已稳定，没有电流流过，相当于断路。所以电压全部降落在R上，流经土壤的瞬时电流i＝E2/R。因此在T2结束时测得的瞬时电流与土壤电导成正比，与C1和C2无关，即消除了极化双电层电容和引线分布电容的影响。E1和E2分别为所述双极性脉冲的两个极性电压值。

图7为本发明的程序流程图。采集温度、水分和盐分时，均采集n次，n为大于等于2的正整数，并且将n次采集到的数值求平均值得到最终的值。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，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 (9)

1.一种土壤盐水温传感器，其特征在于，包括：外壳、外壳底部的探针、以及外壳内部的检测电路，该检测电路向探针发出脉冲方波激励信号并接受其两端的电压信号；所述检测电路包括主控芯片、震荡单元、信号提取单元、、水分检测单元、盐分检测单元、温度检测单元；

所述震荡单元用于生成方波信号，输出给水分检测单元；

所述水分检测单元接收所述方波信号，并利用所述方波信号周期性的为所述探针和土壤构成的第一等效电容充电；

所述信号提取单元用于检测所述第一等效电容的充放电过程中电压信号的变化值，所述主控芯片根据所述电压信号的变化值得到土壤的湿度值；

所述温度检测单元用于利用热敏电阻检测土壤的温度变化；

所述盐分检测单元用于检测土壤电导率，在检测土壤电导率时，通过探针对土壤施加两个高度和持续时间相等、极性相反的双极性脉冲，通过测量第二个双极性脉冲结束的瞬间电流获得土壤导电率，进而计算得到土壤盐分含量。

2.如权利要求1所述的土壤盐水温传感器，其特征在于，所述水分检测单元包括一个第一异或门电路，所述第一异或门电路的两个输入端A和B，振荡单元产生的方波信号一方面接入所述第一异或门电路的输入端A，另一方面经过电阻R接入所述第一异或门电路的另一输入端B和探针；所述探针和土壤构成等效电容，方波信号周期性地对所述等效电容充放电，使所述第一异或门电路的输入端B的电势变化产生延迟，进而导致输入端A和B所探测到的逻辑电平的变化不同，进而输出信号也不同。

3.如权利要求1所述的土壤盐水温传感器，其特征在于，所述信号提取单元包括两组积分电路和一组电压跟随器，所述两组积分电路对输入的矩形波信号经过平滑处理，且处理后的矩形波信号的电压值大小与矩形波占空比相对应；所述电压跟随器包括运放电路，运放电路的正相输入端接所述两组积分电路的输出，反向输入端经过反馈电阻接至所述运放电路的输出，以将正相输入端的电压跟随输出。

4.如权利要求1所述的土壤盐水温传感器，其特征在于，所述温度检测单元包括第一电阻、第二电阻、热敏电阻和第一电容，其中，所述第二电阻、热敏电阻和第一电容并联连接，且与第一电阻串联连接；所述温度检测单元采用串并联电阻的方式对热敏电阻的非线性误差进行补偿或者线性化处理。

5.如权利要求1所述的土壤盐水温传感器，其特征在于，所述盐分检测单元通过双脉冲电导法测量土壤盐分，所述双脉冲电导法利用土壤等效电路测量土壤盐分，所述土壤等效电路包括土壤等效电阻、双电层电容和引线分布电容，土壤等效电阻与双电层电容串联后再与所述引线分布电容并联；所述双极性脉冲信号经过所述土壤等效电路后输出流经土壤的瞬时电流信号，所述瞬时电流信号与土壤的电导率成正比。

6.根据权利要求1所述的土壤盐水温传感器，其特征在于，所述外壳采用环氧树脂胶密封，能够达到IP68的防尘防水等级。

7.根据权利要求1所述的土壤盐水温传感器，其特征在于所用探针为四根不锈钢探针；其中两根探针用于测量土壤含水量，两根探针用于测量土壤盐分。

8.根据权利要求1所述的土壤盐水温传感器，其特征在于，构成所述检测电路的单片机为STC12C5A60S2。

9.根据权利要求1所述的土壤盐水温传感器，其特征在于，所述温度检测单元利用NTC热敏电阻的温度敏感特性来测量温度数据。