CN106596644B - 一种非侵入式测量土壤水分的测量方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种非侵入式测量土壤水分的测量方法及装置，该测量装置包括：传感器，用于采集待测土壤不同深度的电磁信号、待测土壤表面温度以及测量装置与水平面之间的倾斜角度；信号调理器，用于调理电磁信号、土壤表面温度以及倾斜角度；微控制器，用于获取调理后的电磁信号，计算得到不同深度的土壤水分含量并存储，还用于获取调理后的土壤表面温度并存储，还用于获取调理后的倾斜角度，自动校准土壤水分含量的深度，得到校准值；通信装置，用于输出不同深度的土壤水分含量、土壤表面温度和校准值。本发明实现了对多层土壤水分含量的非侵入式测量，不会对土壤环境产生破坏，并且具有测量速度快，测量过程便捷，测量深度广的优点。
Description
技术领域
本发明涉及水分测量领域，尤其涉及一种非侵入式测量土壤水分的测量方法及装置。
背景技术
在环境生态、农业和水利等领域，通常采用土壤水分传感器自动测量不同深度土壤水分。土壤水分传感器通常是采用时域反射技术(Time Domain Reflectometry，TDR)、频域反射技术(Frequency Domain Reflectometry，FDR)、时域透射测量法(Time DomainTransmissometry，TDT)等基于介电常数的电磁测量方案，将传感器的感应电极插入到土壤中，在被测土壤区域内产生电磁波振荡，根据被测土壤区别的介电常数，得到被测土壤区域的水分含量。
如果要测量不同土层的水分含量，需要将传感器安装到相应的土壤层中，不利于快速移动式测量，并且部分针式传感器埋入土壤中后会废弃在土壤中，容易破坏土壤环境。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种非侵入式测量土壤水分的测量方法及装置，用以解决快速、多深度测量土壤水分的问题。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：
一种非侵入式测量土壤水分的测量装置，包括：
传感器，用于采集待测土壤不同深度的电磁信号、土壤表面温度以及所述测量装置与水平面之间的倾斜角度，所述倾斜角度为所述测量装置与水平面之间的夹角；
信号调理器，与所述传感器连接，用于调理所述电磁信号、所述土壤表面温度以及所述倾斜角度，所述土壤表面温度以及所述倾斜角度均为信号形式，所述调理就是对采集得到的所述电磁信号、所述土壤表面温度以及所述倾斜角度的原始信号进行放大、滤波等操作，使其转换为标准信号；
微控制器，与所述信号调理器连接，可以采用MCU芯片中的任一种，用于获取调理后的所述电磁信号，根据所述电磁信号通过预置的算法计算得到不同深度的土壤水分含量并存储，还用于获取调理后的所述土壤表面温度并存储，还用于获取调理后的所述倾斜角度，根据所述倾斜角度自动校准所述土壤水分含量，得到校准值并存储；
通信装置，与所述微控制器连接，用于输出所述土壤水分含量、调理后的所述土壤表面温度、所述校准值，可以采用GPRS无线通信传输模式进行信息输出。
各装置/器件的连接方式可以分为有线连接和/或无线连接方式，例如，有线连接包括以电力线、标准串口RS485或以太网RJ45为接口的有线连接；无线连接包括基于Zigbee、Z-wave、Wifi或GPRS无线通信传输模式的无线连接。
本发明的有益效果是：本发明提供的一种非侵入式测量土壤水分的测量装置，实现了对多层土壤水分含量的非侵入式测量，不会对土壤环境产生破坏，并且具有测量速度快，测量过程便捷，测量深度广的优点。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
进一步地，所述传感器包括：
水分传感器，用于采集待测土壤不同深度的所述电磁信号；
温度传感器，用于采集所述土壤表面温度；
水平传感器，用于采集所述测量装置与水平面之间的所述倾斜角度。
进一步地，所述水分传感器包括5个可活动的感应电极，所述感应电极的相对位置不固定，实际应用中可以有多种摆放、排序方式，所述感应电极平行于土壤表面放置，不需要将感应电极埋入土壤中，所述感应电极用于根据测量需求改变所述感应电极之间的距离，以及所述感应电极发出的电磁信号的振荡频率，将所述感应电极发出的电磁信号穿透于不同深度的土壤中。
采用上述进一步方案的有益效果是：通过将水分传感器的感应电极改进为可活动的感应电极，将感应电极放置于待测土壤表面，通过改变感应电极之间的距离，即可得到土壤中不同深度的土壤水分含量，不对环境产生任何破坏，实现了土壤水分的非侵入式快速测量，且不受地形限制，适用范围更广。
进一步地，所述测量装置还包括：定位装置，所述定位装置与所述微控制器连接，用于自动定位，得到所述测量装置的位置信息并上传所述位置信息，所述定位装置可采用GPS定位仪进行定位，并通过所述通信装置上传所述测量装置的位置信息。
采用上述进一步方案的有益效果是：通过定位装置对测量装置自动定位，能够更及时地搜集并上传测量装置的位置信息。
进一步地，所述测量装置还包括：电源管理装置，所述电源管理装置包括依次连接的充电接口、电源管理芯片和电池，其中，所述电源管理芯片分别与所述微控制器、所述通信装置和所述定位装置连接。
进一步地，所述微控制器具体用于根据不同感应深度的所述电磁信号，通过聚焦算法，分别计算得到不同深度的土壤水分含量并存储。
本发明解决上述技术问题的另一种技术方案如下：
一种非侵入式测量土壤水分的测量方法，包括以下步骤：
步骤1，获取待测土壤不同深度的电磁信号、土壤表面温度以及测量装置与水平面之间的倾斜角度；
步骤2，调理所述电磁信号、所述土壤表面温度以及所述倾斜角度，所述土壤表面温度以及所述倾斜角度均为信号形式，所述调理就是对采集得到的所述电磁信号、所述土壤表面温度以及所述倾斜角度的原始信号进行放大、滤波等操作，使其转换为标准信号；
步骤3，根据调理后的所述电磁信号，计算得到土壤水分含量并存储；
步骤4，存储调理后的所述土壤表面温度；
步骤5，根据调理后的所述倾斜角度自动校准所述土壤水分含量，得到校准值并存储；
步骤6，输出所述土壤水分含量、调理后的所述土壤表面温度、所述校准值。
进一步地，步骤1中，还包括：通过改变所述测量装置感应电极之间的距离，以及所述感应电极发出的电磁信号的振荡频率，在待测土壤内部的不同深度产生电磁信号，获取待测土壤内部不同深度的所述电磁信号。
进一步地，所述测量方法还包括：
步骤7，自动定位，得到所述测量装置的位置信息并上传。
进一步地，步骤3中，获取调理后的所述电磁信号，通过聚焦算法，分别计算得到不同深度的土壤水分含量并存储。
本发明附加的方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明实践了解到。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种非侵入式测量土壤水分的测量装置的结构框架图；
图2为本发明另一实施例提供的一种非侵入式测量土壤水分的测量方法的流程示意图；
图3为本发明另一实施例提供的一种非侵入式测量土壤水分的测量装置的结构示意图；
图4为本发明另一实施例提供的一种非侵入式测量土壤水分的测量装置的感应电极电磁信号的测量深度示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
如图1所示，为本发明实施例提供的一种非侵入式测量土壤水分的测量装置的结构框架图，该测量装置的结构包括：
传感器110，用于采集待测土壤不同深度的电磁信号、土壤表面温度以及测量装置与水平面之间的倾斜角度；
信号调理器120，与传感器110连接，用于调理电磁信号、土壤表面温度以及倾斜角度；
微控制器130，与信号调理器120连接，用于获取调理后的电磁信号，根据电磁信号计算得到不同深度的土壤水分含量并存储，还用于获取调理后的土壤表面温度并存储，还用于获取调理后的倾斜角度，根据倾斜角度自动校准土壤水分含量的深度，得到校准值并存储；
通信装置140，与微控制器130连接，用于输出土壤水分含量、调理后的土壤表面温度、校准值。
上述实施例中提供的一种非侵入式测量土壤水分的测量装置，实现了对多层土壤水分含量的非侵入式测量，不会对土壤环境产生破坏，并且具有测量速度快，测量过程便捷，测量深度广的优点。
在另一实施例中，如图2所示，为本发明另一实施例提供的一种非侵入式测量土壤水分的测量方法的流程示意图，该测量方法的流程包括以下步骤：
S210，获取待测土壤不同深度的电磁信号、土壤表面温度以及测量装置与水平面之间的倾斜角度；
S220，调理电磁信号、土壤表面温度以及倾斜角度，土壤表面温度以及倾斜角度均为信号形式，调理就是对采集得到的电磁信号、土壤表面温度以及倾斜角度的原始信号进行放大、滤波等操作，使其转换为标准信号；
S230，根据调理后的电磁信号，计算得到土壤水分含量并存储；
S240，存储调理后的土壤表面温度；
S250，根据调理后的倾斜角度自动校准土壤水分含量，得到校准值并存储；
S260，输出土壤水分含量、调理后的土壤表面温度、校准值。
进一步，S210中，还包括：通过改变测量装置感应电极之间的距离，以及感应电极发出的电磁信号的振荡频率，在待测土壤内部的不同深度产生电磁信号并，获取待测土壤内部不同深度的电磁信号。
进一步，该测量方法还包括：
S270，自动定位，得到测量装置的位置信息并上传。
进一步，S230中，获取调理后的电磁信号，通过聚焦算法，分别计算得到不同深度的土壤水分含量并存储。
在另一实施例中，如图3所示，为本发明另一实施例提供的一种非侵入式测量土壤水分的测量装置的结构示意图，该测量装置的结构包括：
传感器110，用于采集待测土壤不同深度的电磁信号、土壤表面温度以及测量装置与水平面之间的倾斜角度；
信号调理器120，与传感器110连接，用于调理电磁信号、土壤表面温度以及倾斜角度；
微控制器130，与信号调理器120连接，用于获取调理后的电磁信号，根据电磁信号计算得到不同深度的土壤水分含量并存储，还用于获取调理后的土壤表面温度并存储，还用于获取调理后的倾斜角度，根据倾斜角度自动校准土壤水分含量，得到校准值并存储；
通信装置140，与微控制器130连接，用于输出土壤水分含量、调理后的土壤表面温度、校准值。
进一步，传感器110包括：
水分传感器111，用于采集待测土壤不同深度的电磁信号，可使用FDR非侵入式变焦多深度水分传感器，测量精度(体积含水量)在实验室条件下为3％，在野外条件下为4％；
温度传感器112，用于采集土壤表面温度；
水平传感器113，用于采集测量装置与水平面之间的倾斜角度。
进一步，水分传感器111包括5个可活动的感应电极1110，感应电极1110平行于土壤表面放置，感应电极1110用于根据测量需求改变感应电极1110之间的距离，以及感应电极发出的电磁信号的振荡频率，将感应电极1110发出的电磁信号穿透于不同深度的土壤中，例如，测量范围可以为0-40cm。
进一步，测量装置还包括：定位装置150，与微控制器130连接，用于自动定位，得到测量装置的位置信息并上传。
进一步，测量装置还包括：电源管理装置160，电源管理装置160包括依次连接的充电接口161、电源管理芯片162和电池163，其中，电源管理芯片163分别与微控制器130、通信装置140和定位装置150连接。
进一步，微控制器130具体用于根据不同感应深度的电磁信号，通过聚焦算法，分别计算得到不同深度的土壤水分含量并存储。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，上述描述的装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
在另一实施例中，如图4所示，为本发明另一实施例提供的一种非侵入式测量土壤水分的测量装置的感应电极电磁信号的测量深度示意图，当待测土壤表面与水平面不平行的时候，测量装置测量得到的土壤水分含量是垂直于待测土壤表面深度的土壤水分含量，而不是垂直于水平面深度的土壤水分含量，因此，需要通过水平传感器采集待测土壤表面与水平面之间的倾斜角度，通过微控制器进行处理与计算，根据倾斜角度对测量得到的土壤水分含量进行自动校准，得到相应的校准值。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个装置，或一些特征可以忽略，或不执行。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，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 (9)
1.一种非侵入式测量土壤水分的测量装置，其特征在于，包括：
传感器，用于采集待测土壤不同深度的电磁信号、土壤表面温度以及所述测量装置与水平面之间的倾斜角度；
信号调理器，与所述传感器连接，用于调理所述电磁信号、所述土壤表面温度以及所述倾斜角度；
微控制器，与所述信号调理器连接，用于获取调理后的所述电磁信号，根据所述电磁信号计算得到不同深度的土壤水分含量并存储，还用于获取调理后的所述土壤表面温度并存储，还用于获取调理后的所述倾斜角度，根据所述倾斜角度自动校准所述土壤水分含量，得到校准值并存储；
通信装置，与所述微控制器连接，用于输出所述土壤水分含量、调理后的所述土壤表面温度、所述校准值；
所述传感器包括水分传感器，用于采集待测土壤不同深度的所述电磁信号；所述水分传感器包括多个可活动的感应电极，所述感应电极平行于土壤表面放置，所述感应电极用于根据测量需求改变所述感应电极之间的距离，以及所述感应电极发出的电磁信号的振荡频率，将所述感应电极发出的电磁信号穿透于不同深度的土壤中。
2.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述传感器还包括：
温度传感器，用于采集所述土壤表面温度；
水平传感器，用于采集所述测量装置与水平面之间的所述倾斜角度。
3.根据权利要求2所述的测量装置，其特征在于，所述水分传感器包括5个可活动的感应电极。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的测量装置，其特征在于，还包括：定位装置，所述定位装置与所述微控制器连接，用于自动定位，得到所述测量装置的位置信息并上传。
5.根据权利要求4所述的测量装置，其特征在于，还包括：电源管理装置，所述电源管理装置包括依次连接的充电接口、电源管理芯片和电池，其中，所述电源管理芯片分别与所述微控制器、所述通信装置和所述定位装置连接。
6.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述微控制器具体用于根据不同感应深度的所述电磁信号，通过聚焦算法，分别计算得到不同深度的土壤水分含量并存储。
7.一种非侵入式测量土壤水分的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，获取待测土壤不同深度的电磁信号、土壤表面温度以及测量装置与水平面之间的倾斜角度；
步骤2，调理所述电磁信号、所述土壤表面温度以及所述倾斜角度；
步骤3，根据调理后的所述电磁信号，计算得到土壤水分含量并存储；
步骤4，存储调理后的所述土壤表面温度；
步骤5，根据调理后的所述倾斜角度自动校准所述土壤水分含量，得到校准值并存储；
步骤6，输出所述土壤水分含量、调理后的所述土壤表面温度、所述校准值；
其中，步骤1中，还包括：通过改变所述测量装置感应电极之间的距离，以及所述感应电极发出的电磁信号的振荡频率，在待测土壤内部的不同深度产生电磁信号，获取待测土壤内部不同深度的所述电磁信号，所述感应电极平行于土壤表面放置。
8.根据权利要求7所述的测量方法，其特征在于，还包括：
步骤7，自动定位，得到所述测量装置的位置信息并上传。
9.根据权利要求7或8所述的测量方法，其特征在于，步骤3中，获取调理后的所述电磁信号，通过聚焦算法，分别计算得到不同深度的土壤水分含量并存储。
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