CN106990139A - 一种基于太阳能的无线土壤水分传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于太阳能的无线土壤水分传感器，包括单片机，单片机连接有高频信号发生电路、整流滤波电路和Zigbee 无线收发模块，高频信号发生电路和整流滤波电路均与探针连接，高频信号发生电路用于产生高频信号，整流滤波电路用于对高频信号的整流滤波，探针用于检测土壤中含水率变化，设置两根，间隔布置；本发明能够实现土壤水分的自动检测，使用电场法测量土壤含水率，采用 Zigbee 无线收发模块实现结果的无线传输，该土壤水分传感器的系统没有电源线及信号传输线，可作为大型无线传感网络中的一个节点，对精细农业的发展有重大的实际意义，并能够实现检测更加精确、快速、稳定和高性价比。
Description
技术领域
本发明属于水分传感器技术领域，尤其涉及一种基于太阳能的无线土壤水分传感器。
背景技术
土壤含水率是精准农业中必需检测的一个参数。目前测定土壤水分的方法归纳起来有两大类，一类是变动位置取样测定（如烘干称质量法等），另一类是原位测定（如中子法、γ射线法、时域反射仪法、频域发射仪法、传感器法等）。其中烘干称质量法原理简单、精度高但不能在田间实时连续监测；中子法和γ射线法虽可在室外快速准确监测，但是存在放射性物质危害人体健康。
目前市场上的土壤水分传感器可在野外实现实时测量，但只能实现单点测量或通过总线实现测量结果的传输，若想实现多点实时检测，需要布置大量的通讯电缆。虽然已有学者提出将无线传感器网络用于农田数据采集的思想，但如何有效解决系统供电问题却鲜有研究。如果使用电线供电，势必增加建设成本，且观测点的变更不便，不能实现真正意义上的“无线”传输；如果使用电池供电，必须定期更换电池，大量废旧电池会造成环境污染，且增加维护成本。因此要实现真正意义的“无线”传输必须解决系统供电问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种基于太阳能的无线土壤水分传感器价格低、效果好、使用舒适，以解决上述现有技术中存在的问题。
本发明采取的技术方案为：一种基于太阳能的无线土壤水分传感器，包括单片机，单片机连接有高频信号发生电路、整流滤波电路和Zigbee 无线收发模块，高频信号发生电路和整流滤波电路均与探针连接，高频信号发生电路用于产生高频信号，整流滤波电路用于对高频信号的整流滤波，探针用于检测土壤中含水率变化，设置两根，间隔布置，Zigbee无线收发模块用于构建无线传感网络实现数据传送。
优选的，上述一种基于太阳能的无线土壤水分传感器，还包括充放电管理电路，充放电管理电路连接有太阳能电池板和锂电池。
优选的，上述单片机采用PIC18F14K22。
优选的，上述高频信号发生电路采用专用波形发生芯片AD9850。
优选的，上述探针采用两块不锈钢板制成，尺寸为长200mm，宽27.5mm，厚4mm，探针间距70mm。
本发明的有益效果：与现有技术相比，本发明能够实现土壤水分的自动检测，使用电场法测量土壤含水率，采用 Zigbee 无线收发模块实现结果的无线传输，该土壤水分传感器的系统没有电源线及信号传输线，可作为大型无线传感网络中的一个节点，对精细农业的发展有重大的实际意义，并能够实现检测更加精确、快速、稳定和高性价比，采用太阳能为能源让太阳能电池收集太阳能并存储于锂电池中实现对系统供电。
附图说明
图1电场法测量土壤含水率原理示意图；
图2系统总体结构示意图；
图3系统工作流程图。
具体实施方式
下面结合附图及具体的实施例对本发明进行进一步介绍。
实施例：如图1-图3所示，一种基于太阳能的无线土壤水分传感器，包括单片机，单片机连接有高频信号发生电路、整流滤波电路和Zigbee 无线收发模块，高频信号发生电路和整流滤波电路均与探针连接，高频信号发生电路用于产生高频信号，整流滤波电路用于对高频信号的整流滤波，探针用于检测土壤中含水率变化，设置两根，间隔布置，Zigbee 无线收发模块用于构建无线传感网络实现数据传送。
整流滤波电路将检测到的电压信号进行整流滤波，用A/D转换器实现信号输出的检测，无线收发模块利用Zigbee模块及MiWi(TM)协议栈构建星形网络从而实现数据无线传输，由太阳能电池、锂电池、充放电管理电路构成的供电系统，利用太阳能电池收集太阳能并存储于锂电池中，实现对系统供电。
电场法测量土壤含水率是通过检测土壤中阻抗的变化，实现对土壤含水率的检测，原理示意图如图1所示。探针之间的土壤在高频信号作用下等效于随含水率变化的阻抗，含水率越大，阻抗越小，该阻抗相当于信号源的负载。当负载相对于信号源内阻不能忽略时，信号源输出的幅值将发生变化，通过测量信号源的幅值变化，可以得出土壤含水率。采用电场法来实现土壤水分的检测，该方法能实现0～30%间的土壤质量含水率的检测，具有较好的可重复性。
优选的，上述一种基于太阳能的无线土壤水分传感器，还包括充放电管理电路，充放电管理电路连接有太阳能电池板和锂电池。
优选的，上述单片机采用PIC18F14K22， microchip公司推出的低功耗器件，完成高频信号发生电路的控制与输出电压的检测、含水率的计算、电池的监控与管理、无线传感网络协议栈的运行等。使用该单片机可以减少很多外围器件，在提高可靠性的同时降低成本与功耗。
优选的，上述高频信号发生电路采用专用波形发生芯片AD9850来产生50 MHz，电压幅值3.3 V的正弦信号，AD9850在5 V工作电压下最高能发生125 MHz的正弦波，通过串行方式与单片机接口。
优选的，上述探针采用两块不锈钢板制成，尺寸为长200mm，宽27.5mm，厚4mm，探针间距70mm，检测土壤在高频信号作用下等效于随含水率变化的阻抗。
上述整流滤波电路将检测到的电压信号进行整流滤波，得到直流电压信号，用A/D转换器实现信号输出的检测。由于只考虑土壤的阻抗随含水率的变化，而忽略其感抗与容抗，因此不需检测信号源输出的相位的变化，只需检测信号源幅值的变化。
优选的，上述Zigbee 无线收发模块采用microchip公司的MRF24G40MA。该模块采用芯片MRF24J40构成，同时集成了无线传输所必需的外围器件和天线，省去了复杂的天线匹配设计与射频电路的设计，提高了系统的可靠性。
优选的，上述太阳能电池采用金光能公司的JGN77-P8C50滴胶太阳能电池板，其开路电压为5V、短路电流为50mA，用于收集太阳能；锂电池采用飞毛腿公司的650mA·h手机电池，其标称电压为3.7V，充电限制电压为4.2V，用于存储太阳能电池收集到的能量；充放电管理电路实现锂电池的充放电控制并提供电池的状态信息，并将锂电池电压经降压稳压后为整个系统供电。
使用原理：实现土壤水分的自动检测与无线传输，采用电场法检测土壤质量含水率，利用Zigbee模块及Mi Wi(TM)协议栈构建星形网络能实现数据无线传输，利用太阳能电池收集太阳能并存储于锂电池中实现对系统供电，通过合理的充放电管理，能有效地延长锂电池寿命。为降低功耗，系统采用间歇工作方式，定时检测发送土壤含水率，并监控一次锂电池状态。在休眠状态，单片机看门狗定时器保持工作，利用该定时器溢出，唤醒系统工作一次，工作流程如图3所示。
无线传感器网络作为一种全新的信息获取和处理技术，凭借其低功耗、低成本、高可靠性等特点，已逐渐渗透到农业领域。由于土壤水分传感器是间歇式工作，且无线传感器网络的功耗很低，因此利用太阳能可实现对小功耗、间歇式工作的无线土壤水分传感器系统供电。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内，因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (5)
1.一种基于太阳能的无线土壤水分传感器，其特征在于：包括单片机，单片机连接有高频信号发生电路、整流滤波电路和Zigbee 无线收发模块，高频信号发生电路和整流滤波电路均与探针连接，高频信号发生电路用于产生高频信号，整流滤波电路用于对高频信号的整流滤波，探针用于检测土壤中含水率变化，设置两根，间隔布置，Zigbee 无线收发模块用于构建无线传感网络实现数据传送。
2.根据权利要求1所述的一种基于太阳能的无线土壤水分传感器，其特征在于：还包括充放电管理电路，充放电管理电路连接有太阳能电池板和锂电池。
3.根据权利要求1所述的一种基于太阳能的无线土壤水分传感器，其特征在于：单片机采用PIC18F14K22。
4.根据权利要求1所述的一种基于太阳能的无线土壤水分传感器，其特征在于：高频信号发生电路采用专用波形发生芯片AD9850。
5.根据权利要求1所述的一种基于太阳能的无线土壤水分传感器，其特征在于：探针采用两块不锈钢板制成，尺寸为长200mm，宽27.5mm，厚4mm，探针间距70mm。
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