CN109387459B - 太阳能供电的土壤水势智能记录仪及其校正、使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及水势记录装置技术领域，尤其涉及一种太阳能供电的土壤水势智能记录仪，它包括：水势测量终端机和土壤水势变送器；所述的土壤水势测量终端机包括：ARM数据处理核心单元、电源管理单元、通信单元以及土壤水势测量单元；所述的土壤水势变送器包括：张力计管和负压传感器，其中张力计管包括管体及陶瓷头。所述的水势测量终端机使用防水塑料外壳。与传统由人工手动测量与记录土壤水势的方式相比，能够大幅度提高工作人员的工作效率，大幅减少劳动强度，并且能适应农业物联网环境下的智能化数据采集。

Description

太阳能供电的土壤水势智能记录仪及其校正、使用方法

技术领域

本发明涉及水势记录装置技术领域，尤其涉及一种太阳能供电的土壤水势智能记录仪及其校正、使用方法。

背景技术

农作物的科学灌溉与土壤的干旱程度密不可分，而判断土壤干旱程度的唯一指标是土壤水势。由于土壤的含水量不直接反应土壤的干旱程度，以往的灌溉控制系统使用土壤含水量代替土壤水势，在不同土壤中，同一含水量可能会形成完全不同的水势，因此使用土壤含水量代替土壤水势几乎没有应用价值。这种以土壤含水量为基础的研究工作与实际应用相脱节，不仅无法达到良好的农作物灌溉效果，同时对人力、物力以及水资源的一种极大浪费。而解决这个问题唯一的方法则是对土壤水势进行直接、精确的测量，以土壤水势为基础，进行植物和水分关系的研究，建立在土壤水势基础上的研究成果与土壤性质的相关性被削弱，从而具有了普遍性，为大规模应用创造了可能，同时也为节水灌溉、智能化农业信息采集提供了有力支撑。同时可以配合智能灌溉系统，不仅可以实现农作物的精确灌溉控制，同时也极大地节约了水资源、人力资源。

设施农业是发达地区现代农业的重要标志，是天津沿海都市型农业的支柱产业和农民增收的主要途径，在农业及农村经济发展中的地位和作用越来越重要。随着农业物联网技术的发展，使得设施农业能够实现集中管理，整体监控。在设施农业生产过程中，植物的生长对于水的依赖在其整个生育期内都是毋庸置疑的。传统的大水漫灌或者是不当的灌水制度，将会导致植物发病率大大提高，生长受限，甚至死亡。所以，测量土壤水势是实现节水灌溉的关键技术，土壤水势测量智能数据采集终端可以离线对土壤水势进行测量与记录发送，不仅可以提供土壤水势的数据记录，配合智能灌溉系统更可以为农作物提供更加科学有效的灌溉。

目前，传统的灌溉方式大多通过农民田间经验，甚至是大水漫灌的方式，耗时费力，针对性差，并且容易导致植物跟层无机氮的淋失，增加作物养分的流失，给植物和土壤都会带来了不可估量的损失；采用传统的灌溉方式也无法适应在农业物联网环境下实现的温室远程数据采集等相关工作。

发明内容

本发明的主要目的就是针对上述问题，提供一种太阳能供电的土壤水势智能记录仪及其校正、使用方法。

本发明为实现上述目的，采用以下技术方案：一种太阳能供电的土壤水势智能记录仪，其特征在于：包括土壤水势信息采集终端机、太阳能电池板、负压传感器以及张力计管；

所述土壤水势信息采集终端机包括外壳、电路板以及安装在电路板上的ARM数据处理核心单元、通信单元、电源管理单元、土壤水势信号调理单元和数据储存单元；所述负压传感器将张力计管的真空度转换为电流信号，所述电流信号经由所述土壤水势信号调理单元转换为电压信号并送入所述ARM数据处理核心单元进行模数转换，通过对电压量的采集，实现对土壤水势的检测；

所述的电源管理单元包括三部分组成，分别为：a.太阳能供电及电池保护电路，采用额定电压5V、额定电流1A的单晶硅太阳能电池板，采用线性充电管理芯片TP4056管理锂离子电池充电过程，采用锂电池保护电路DW01配合N沟道增强型MOSFET8205实现了锂电池的过充、过放保护进一步保护锂电池；b.锂离子电池电压测量电路：采用TI公司的低压差稳压芯片TPS7333保证系统供电，并经由两个10K电阻分压与STM32微控制器引脚连接测量当前电压值；c.负压传感器升压及保护电路：选用PT1301转换器进行升压以获得稳定的5V电源，在PT1301升压电路的输入端通过P沟道MOS管进行控制，以减少在系统休眠时的传感器耗电。

优选地，所述外壳包括壳体、底板以及固定在壳体两侧的悬挂安装孔，所述电路板通过固定在所述壳体内，壳体通过不锈钢螺丝与安装底板连接，安装底板上方设置有天线安装孔、下部设有电源线固定孔、土壤水势传感器引线孔、RS-485通讯总线引线孔。

优选地，所述的壳体与安装底板之间通过密封胶圈进行壳体密封; 电源线固定孔、土壤水势传感器引线孔、RS-485通讯总线引线孔分别有防水盖帽，保证壳体的防水性。

优选地，所述ARM数据处理核心单元由STM32F103RCT6控制芯片及其外围电路构成，采用停机模式实现暂停系统运行，并通过RTC时钟中断唤醒休眠，实现系统的低功耗设计。

优选地，所述的通信单元包括无线传输模块和RS-485通讯总线模块，系统选用具有SX1212芯片的APC240作为无线传输模块，其可以通过无线接收唤醒自身，随后通过EXTI中断唤醒MCU，实现查询式响应，在实现远程唤醒功能的基础上保证了整机的低功耗。

优选地，所述的土壤水势信号调理单元，采用CPU内部集成了16通道12位ADC，以满足负压力计的采样需求，设定系统从休眠状态唤醒时，开启升压电路后需要等待约0.8s后以确保读数的准确性，之后，根据统计估值理论和区间估值理论启动粗大误差的判别算法，以消除采样中的粗大误差。

优选地，所述数据储存单元采用TF卡和Flash相结合的方式对测量数据和设备电压、充放电等状态数据进行记录，将TF卡与FLASH进行SPI总线复用以节约系统资源，Flash存储芯片选用W25Q64非易失性存储器用于存放字库等外部文件，mmc_SD模块作为系统的底层硬件驱动，嵌入FatFS小型系统，实现数据的便捷读取与处理。

一种太阳能供电的土壤水势智能记录仪校正、使用方法，其特征在于：土壤水势智能记录仪校正测试，使用一种太阳能供电的土壤水势智能记录仪1台作为校正组，经校正的传统机械表式张力计1台作为对照组，设定采样周期为30分钟，以土壤水分张力传感器陶瓷头与土壤之间无法紧密接触导致负压值下降作为结束记录时间，通过电子土壤水分张力传感器自动记录土壤水分张力采样值、系统电池电压数据，步骤1：取试验温室内土壤作为传感器检测对象，进行预处理，经过粉碎、过2mm筛后去除杂质及大颗粒物，晒干后搅拌均匀，使测试土壤尽量保证均匀，同时采用环刀法测定供试土壤容重，采用威尔科克斯法测量田间持水量；

步骤2：将预处理好的供试土壤装入下部设有渗水孔的测试桶内；

步骤3：分别将土壤水势智能记录仪和机械表式张力计分别埋入测试桶内，陶瓷头下部距桶底部约5cm，以保证陶瓷头完全浸入土壤中，且不会因为土壤吸水后的收缩或扩张与桶底部接触，从而达到充分模拟张力计在实际温室内土壤环境下的工作；

步骤4：根据试验得出的土壤田间持水量大小向桶内灌入水，待土壤吸水至饱和状态，可分三次完成，第一次向测试组和对照组桶内灌入1/3田间持水量的水，静置30min后，待土壤表面无积水且没有水从桶底渗水孔流出，第二次向两组测试桶内灌入1/3田间持水量的水，静置30min后，土壤表面仍无积水且桶底无渗水；第三次向两组桶内继续灌入稍大于1/3田间持水量的水，静置30min后桶底渗水孔有水渗出，将渗出液移入量杯中，测得两组渗出液体积，以确保测试土壤吸水饱和；

步骤5：土壤水势智能记录仪测试阶段设定采样周期为30min，对照组机械表式张力计采用人工记录；

步骤6：待测试结束从设备中取出TF卡下载数据记录文件进行整理，采用Matlab、Excel、Spss数据分析软件绘制出全量程土壤张力曲线，得到拟合曲线，并根据对照组记录的关键量程进行二次校正，最终得到拟合公式。

本发明的有益效果是: （1）本发明能够对土壤水势数据进行自动记录、存储和下载，能够实现太阳能与锂电池互补供能，能够有效减少土质、温度、高盐等因素给传感器带来的影响，同时能够避免人工读数产生的人工误差以及数据记录的松散性，系统采用高精度A/D转换及粗差剔除算法提高了测量精度和准确度，并且能适应农业物联网环境下的智能化数据采集。

（2）本发明将土壤水势的实时测量数据发送至上位机，同时将数据写入TF卡备份，不仅可以实现全部数据的汇总储存以提供土壤水势-灌溉之间的关系，同时在线数据发送更为节水灌溉提供了指导依据。同时其作为设施农业物联网采集终端设备，是设施农业物联网的核心。

（3）本发明由于选用了功能、价格比较高的芯片，具备了价格低廉的优点；同时该设计整个设备具有低功耗、体积小、功能强、操作简单、测量精确、方便校正等特点。

附图说明

图1是基于土壤水势测量的智能数据采集终端的主体示意图；

图2是基于土壤水势测量的智能数据采集终端主机的外壳的结构示意图；

图3是基于土壤水势测量的智能数据采集终端主机的安装底板结构示意图；

图4是基于土壤水势测量的智能数据采集终端主机的系统组成结构示意图；

图5是本发明的采用Matlab2012对记录数据进行分析图；

图6为本发明的流程图。

具体实施方式

下面结合附图及较佳实施例详细说明本发明的具体实施方式。

实施例

一种太阳能供电的土壤水势智能记录仪，包括土壤水势信息采集终端机、太阳能电池板3、负压传感器4以及张力计管5；

所述土壤水势信息采集终端机包括外壳1、电路板2以及安装在电路板2上的的ARM数据处理核心单元20、通信单元21、电源管理单元22、土壤水势信号调理单元23以及数据储存单元24。

所述的ARM主控制器采用 32 位的ARM 低功耗微处理器STM32F103RCT6，具有25Kbyte Flash、48Kbyte RAM，工作频率可达72MHz，能够满足该控制器监测与数据处理的需求。该处理器具有5个异步串行接口，能够同时连接无线传输模块、RS-485总线通讯模块，同时内部集成模数转换电路，可以将模拟电压量直接转换为内部数字量，还可以通过SPI总线扩展TF卡用于储存数据。满足设施温室精量智能数据采集终端多串口数据采集、处理、存储和传输的需求。

其工作时，由土壤水势测量感知终端将土壤水势测量仪的真空度转换为电信号，随后送入ARM数据处理核心单元进行模数转换，通过对电压量的采集，粗大误差剔除，从而实现对土壤水势的检测；同时系统通过打包环境数据后通过无线模块上传至设施农业物联网的上位机，实现在线数据测量，并同时将测量的数据存入TF卡，实现测量数据实时记录。通过使用太阳能电池板，土壤水势信息采集终端机可以实现完全的独立运行，白天有太阳光照时，通过锂电池充电电路以及稳压电路，电源管理单元为系统提供合适的电压输出，同时将多余电力储存在锂电池内，夜间无太阳光照时，电源管理单元通过使用锂电池供电，并通过升压电路提供土壤水势测量感知终端所需的+5V电源，保证整个设备的正常运行。

所述的通信单元可选用具有SX1212芯片的APC240作为无线传输模块，其可以通过无线接收唤醒自身，随后通过EXTI中断唤醒MCU，实现查询式响应，在实现远程唤醒功能的基础上保证了整机的低功耗，其具有多种形式的组网方式，可实现该记录仪主机与下位机传感器之间的数据传输工作或将实时测量数据发送至上位机以实现在线数据测量。

其工作时，由负压传感器将张力计管的真空度转换为4~20mA的电信号，电流信号经由调理电路转换为0~3.3V的电压信号，随后送入ARM数据处理核心单元进行模数转换，通过对电压量的采集，从而实现对土壤水势的检测；同时系统还可以通过短距离无线模块接收由下位机传感器传回的环境参数数据，如空气温湿度、土壤温湿度、光照等，也能够为植物的高效灌溉提供有力的参考依据；同时系统通过打包环境数据后通过无线模块上传至设施农业物联网的上位机，实现在线数据测量，并同时将测量的数据存入TF卡，实现测量数据实时记录。通过使用太阳能电池板，土壤水势信息采集终端机可以实现完全的独立运行，白天有太阳光照时，通过锂电池充电电路以及稳压电路，电源管理单元为系统提供合适的电压输出，同时将多余电力储存在锂电池内，夜间无太阳光照时，电源管理单元通过使用锂电池供电，并通过升压电路提供负压传感器所需的+12V电源，保证整个设备的正常运行。

所述的电源管理单元包括三部分组成，分别为：

a.太阳能供电及电池保护电路，选用额定电压5V、额定电流1A的单晶硅太阳能电池板，其转换效率高，可在阳光并不充足的情况下提供电能；采用线性充电管理芯片TP4056管理锂离子电池充电过程，其最大电流为1A，具有充满自停功能，集成了充电、满电指示，可以直观显示当前电池的充电状态，以保证电池在外界环境光照强度不足时可以提供持续的续航。为了进一步保护锂电池，选用DW01配合8205实现了锂电池的过充、过放保护，当电池电压高于4.3V或者电池电压低于2.5V时，DW01控制8205断开锂电池的连接，实现对电池的保护。

b.锂离子电池电压测量电路：由于锂离子电池的电压范围是3.7V-4.2V，STM32的工作电压是3.3V，因此使用普通的线性稳压芯片，由于压差过小导致不能正常工作，此处选用TI公司的低压差稳压芯片TPS7333，在200mA输出时，TPS7333压降不超过0.1V，可以保证系统供电。为了获取当前电压值，将BAT经由两个10K电阻分压，送至STM32的PC0引脚，通过内部AD获取当前电池电压值。模拟AVCC与数字VCC之间、数字地GND与模拟地AGND之间分别通过0欧电阻隔开，以减小相互耦合。

c.负压传感器升压及保护电路：选择工作电压为3~5V，输出电压0.5~2.5VDC，量程为0~-100kPa直通型压力变送器，测量精度为0.01%RS。电路通过选用PT1301进行升压以获得稳定的5V电源，其具有尺寸小、效率高、电压低的特点，采用自适应电流模式的PWM 控制封闭电路的升压 DC/DC 转换器，开关频率为500KHz，可以减小储能电感的体积，同时其内置了1.5A的功率开关，在低功耗场景下不需要额外的开关MOS管，可以达到90%的转换效率，进一步降低了系统功耗。同时，为了减少在系统休眠时的传感器耗电，在PT1301升压电路的输入端通过P沟道MOS管进行控制，当PC1为高电平时，升压电路工作，当PC1为低电平时，升压电路关闭。

土壤水势信息采集终端机的外壳两侧设置悬挂安装孔18；外壳1通过不锈钢螺丝19与安装底板10连接，安装底板10上方设置有天线安装孔11、下部设有电源线固定孔12、土壤水势传感器引线孔13、RS-485通讯总线引线孔14；

所述的外壳1与安装底板10之间通过密封胶圈17进行壳体密封；电源线固定孔12、土壤水势传感器引线孔13、RS-485通讯总线引线孔14分别有防水盖帽15保证壳体的防水性。本发明中采用PG7-M12尼龙塑料电缆防水固定头固定传感器线缆和电源线缆。其具有夹紧电缆范围大，带自锁功能，抗拉力特强等特点，可防水、防尘、耐酸碱、油脂及一般溶剂。工作温度为静态-40至100℃，瞬时耐热至120℃，动态-20至60℃，瞬间耐热至100℃。

图1示出了本发明一种太阳能供电的土壤水势智能记录仪的整体结构图，包括土壤水势智能记录仪的本体，太阳能电池板3，负压传感器4以及张力计管5。

图2示出了本发明一种太阳能供电的土壤水势智能记录仪的外壳设计情况。由图可见，所述的安装底板10设有悬挂安装孔18、天线安装孔11、电源线固定孔12、土壤水势传感器引线孔13、RS-485通讯总线引线孔14以及防水盖帽15，上方设置有天线安装孔11。

图3示出了本发明一种太阳能供电的土壤水势智能记录仪的安装底板设计情况，由图可见，电路板2通过电路板固定孔16固定在安装底板10上，同时安装底板10设计有密封胶圈17以提高整机的密封性。

图4示出了本发明一种太阳能供电的土壤水势智能记录仪的系统组成结构，由图可见，系统核心由ARM数据处理核心单元20组成，包括必要的外围电路。电源管理单元22负责将太阳能电池板3收集到的电能作为主能源，供给系统使用，同时将剩余的电能通过电池充放电管理模块存储到后备电池中，以在日光不好或者夜晚时供给系统使用。土壤水势信号调理单元23负责将负压传感器的电流信号转换为合适的电压信号以送入MCU20进行A/D转换以及粗差剔除，从而获得土壤水势。采集到的数据通过数据储存单元24存储到TF卡内，同时可以通过通信单元21将采集到的数据进行无线传输。

所述的土壤水势信号调理单元，采用STM32内部集成了16通道12位ADC，可以满足通常情况下对于A/D功能的需求，选用STM32的ADC模块输入电压范围为0~3.3V，参照土壤水势测量感知终端输出电压范围，确定使用STM32的内部ADC足以满足负压力计的采样需求。同时负压力计从开始工作到输出值稳定约需要0.3s的时间，因此当系统从休眠状态唤醒时，开启升压电路后需要等待约0.8s后才可确保读数的准确性。随后根据统计估值理论和区间估值理论进行粗大误差的判别，判别步骤如下所示：

（1）

（2）

设定当时的真值/>的置信区间，将落在置信区间以外的粗大误差予以剔除，其中粗大误差临界值为

（3）

其中。

系统通过由A/D转换得来的10组测量数据进行计算值，并排序，然后选择置信度达99%时对应的t分布表，/>时t分布表提前存储于外部FLASH中。

采集到的数据通过数据储存单元24存储到TF卡内，同时可以通过通信单元21将采集到的数据进行无线传输。

设计了一种太阳能供电的土壤水势智能记录仪，用户可以通过编码开关调节数据采集频率，以方便适应不土质土壤水势变化情况，进而完整的记录整个作物种植过程中土壤水势变化。采用TF卡作为记录仪数据存储介质，同时在系统中嵌入FATFS源码，既能保证节省硬件设计空间，又能够方便的更换和满足对于Windows系统的兼容性。为了改进和提升传统张力计传感器测量过程的自动化程度，系统设计采用TF卡和Flash相结合的方式对测量数据和设备电压、充放电等状态数据进行记录。为了节约系统资源，将TF卡与FLASH进行SPI总线复用，同时，分别使用F_CS与SD_CS进行控制片选，以防止器件冲突。Flash存储芯片选用W25Q64非易失性存储器，8MB存储空间，用于存放字库等外部文件，mmc_SD模块用于对TF卡进行基本的挂载以及读写操作，作为系统的底层硬件驱动，嵌入FatFS小型系统，其兼容Windows文件系统，能够通过使用FatFS文件系统方便地在FAT32格式下将记录数据写入txt文本文档，实现数据的便捷读取与处理。

采用所述的一种太阳能供电的土壤水势智能记录仪对作物整个生育期内灌水前后土壤水势变化进行精确记录，将该记录仪安装与日光温室大棚中需要测量土壤水势变化的位置，以一直径相当于陶土管的钻孔器开孔到待测的深度以陶土头中心计算，倒入少许泥浆，垂直插入仪器，使陶土管与土壤紧密接触，然后将周围填土捣实，以免表面水沿管壁周围松土下渗到测试点。同时将记录仪的数据采集终端固定好，待仪器安装好24小时候，便可进行正常的数据采集。待种植作物拉秧后取出记录仪，包括陶瓷管和数据采集终端，进行清洗、晾干并储存好，带下次使用前进行校正和调零工作再开始使用。

本发明系统程序流程主要为：上电后，首先进入系统初始化过程，包括延迟函数初始化、配置NVIC中断、抢占优先级及响应优先级、UART2串口波特率初始化9600，GPIO初始化，ADC初始化，TIM3计数器初始化以提供10KHz的计数频率，RTC初始化以配置EXTI17闹钟中断以唤醒STM32，以及SD卡及FATFS文件系统的初始化。系统完成初始化后会进入主循环，用于持续的检测和数据记录，首先通过FATFS文件系统在指定目录下建立文档并写入表头数据，调用get_adc_once()函数实现A/D电压的采集，经过粗差剔除算法后，计算测量值并准备进入休眠状态，首先关闭相关升压电路，配置APC240进入省电模式，并设置好下一次RTC闹钟唤醒时间，用于在指定的时间唤醒，随后通过调用PWR_EnterSTOPMode()函数进入睡眠模式，当到达指定时间时，RTC闹钟产生中断，唤醒MCU，STM32会进入RTC的中断处理函数进行处理，随后返回睡眠前的下一句指令继续运行，如此系统不断往复进行睡眠与唤醒之间的切换，每唤醒一次则会进行一次土壤张力及电池电压的采集。

实施例

一种太阳能供电的土壤水势智能记录仪使用前进行校正和标定，步骤如下：

土壤水势智能记录仪全量程测试，使用自主研发的电子式张力计，从2018年4月13日13:30开始，设定采样周期为30分钟进行连续测量记录，以土壤水分张力传感器陶瓷头与土壤之间无法紧密接触导致负压值下降作为结束记录时间，结束时间为2018年5月3日，通过电子土壤水分张力传感器自动记录土壤水分张力采样值、系统电池电压数据共计1750条。校正步骤如下：

步骤1：取试验温室内土壤作为传感器检测对象，进行预处理，经过粉碎、过2mm筛后去除杂质及大颗粒物，晒干后搅拌均匀，使测试土壤尽量保证均匀，同时采用环刀法测定供试土壤（0-20cm）容重1.21g/cm3，采用威尔科克斯法测量田间持水量30.43%。

步骤2：将预处理好的供试土壤装入直径20cm，高15cm，下部设有渗水孔的测试桶内。

步骤3：分别将测试组传感器和对照组传感器分别埋入测试桶内，陶瓷头下部距桶底部约5cm，以保证陶瓷头完全浸入土壤中，且不会因为土壤吸水后的收缩或扩张与桶底部接触（可适当加入椰糠与测试土壤进行混合防止土壤缺水开裂不能与陶瓷头紧密接触）从而达到充分模拟张力计在实际温室内土壤环境下的工作。

步骤4：向桶内灌入水，待土壤吸水至饱和状态，第一次向测试组和对照组桶内灌入1000ml水，静置30min后，土壤表面无积水且没有水从桶底渗水孔流出，全部吸收；第二次向两组桶内灌入500ml水，静置30min后，土壤表面仍无积水且桶底无渗水；第三次向两组桶内继续灌入500ml水，静置10min后桶底渗水孔有水渗出，将渗出液移入量杯中，测得两组渗出液体积分别为测试组1）300ml，2）270ml，3）310ml，对照组310ml，因此判断该体积土壤吸水能力为：

2000ml-(300ml+270ml+310ml+310ml)/4=1702.5ml

步骤5：土壤水势智能记录仪测试阶段设定采样周期为30min，对照组机械表式张力计采用人工记录。

步骤6：待测试结束从设备中取出TF卡下载数据记录文件进行整理，采用Matlab、Excel、Spss等数据分析软件绘制出全量程土壤张力曲线，得到拟合曲线，并根据对照组记录的关键量程进行二次校正，最终得到拟合公式。

使用效果：

如图5所示，

采用Matlab2012对记录数据进行分析，下图中Y1为土壤水分张力计传感器数值，Y2为土壤水分张力计采样电压值，FIT曲线为采用8th degree polynomial进行的拟合曲线，拟合公式如下所示，通过计算，其中R-square=0.9986，RMSE=1.047，拟合度好。

Ff(x) = p1*x^8 + p2*x^7 + p3*x^6 + p4*x^5 + p5*x^4 + p6*x^3 + p7*x^2+ p8*x + p9

实施例3

为了更好的测试本发明的效果，设计了本发明一种太阳能供电的土壤水势智能记录仪与传统机械表式张力计关键量程复水校正试验如下：

试验将模拟田间灌水，6月1日与全量程校正试验相同灌水至饱和，此外设定6-7天复水一次，同时通过无线监测程序，实时监测土壤水分张力值，保证测量值达到30%-40%左右时进行复水。选择3台电子式土壤水分张力计传感器和1台传统机械表式土壤水分张力计进行试验。

使用效果：

1，机械表张力计复水20min后读数急剧下降，趋近于0，之后需要很长时间恢复到实际值，表明机械表灵敏度低，采用本发明的设备复水20min后读数没有发生骤降，数值变化平缓，能够实时准确的反应北侧对象的指标。

2，机械式张力计读数表精度为0.1%，本发明的设备读数精度为0.01%，大大提高了被测对象的精度。

3，机械表张力计读数人为误差大，包括读数误差，记录误差等，增加了系统误差，并且需要人工长时间记录，在夜间及无人值守时无法准确记录土壤当前水势状况，记录数据松散。采用本发明中的设备能够实时、连续、自动的记录土壤水势变化规律，通过高精度数据采集和粗差剔除算法程序，能够大幅提高数据处理速度，并能够进一步提高数据采集的准确度，同时能够自动生成数据记录表格文件，读取数据方便。

以上所述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，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种太阳能供电的土壤水势智能记录仪，其特征在于：包括土壤水势信息采集终端机、太阳能电池板、负压传感器以及张力计管；

所述土壤水势信息采集终端机包括外壳、电路板以及安装在电路板上的ARM数据处理核心单元、通信单元、电源管理单元、土壤水势信号调理单元和数据储存单元；所述负压传感器将张力计管的真空度转换为电流信号，所述电流信号经由所述土壤水势信号调理单元转换为电压信号并送入所述ARM数据处理核心单元进行模数转换，通过对电压量的采集，实现对土壤水势的检测；

所述的电源管理单元包括三部分组成，分别为：a.太阳能供电及电池保护电路，采用额定电压5V、额定电流1A的单晶硅太阳能电池板，采用线性充电管理芯片TP4056管理锂离子电池充电过程，采用锂电池保护电路DW01配合N沟道增强型MOSFET8205实现了锂电池的过充、过放保护进一步保护锂电池；b.锂离子电池电压测量电路：采用TI公司的低压差稳压芯片TPS7333保证系统供电，并经由两个10K电阻分压与STM32微控制器引脚连接测量当前电压值；c.负压传感器升压及保护电路：选用PT1301转换器进行升压以获得稳定的5V电源，在PT1301升压电路的输入端通过P沟道MOS管进行控制，以减少在系统休眠时的传感器耗电；所述外壳包括壳体、底板以及固定在壳体两侧的悬挂安装孔，所述电路板通过固定在所述壳体内，壳体通过不锈钢螺丝与安装底板连接，安装底板上方设置有天线安装孔、下部设有电源线固定孔、土壤水势传感器引线孔、RS-485通讯总线引线孔；所述的壳体与安装底板之间通过密封胶圈进行壳体密封; 电源线固定孔、土壤水势传感器引线孔、RS-485通讯总线引线孔分别有防水盖帽，保证壳体的防水性；

所述的土壤水势信号调理单元，采用STM32内部集成了16通道12位ADC，可以满足通常情况下对于A/D功能的需求，选用STM32的ADC模块输入电压范围为0~3.3V，参照土壤水势测量感知终端输出电压范围，确定使用STM32的内部ADC足以满足负压力计的采样需求，同时负压力计从开始工作到输出值稳定约需要0.3s的时间，因此当系统从休眠状态唤醒时，开启升压电路后需要等待约0.8s后才可确保读数的准确性；随后根据统计估值理论和区间估值理论进行粗大误差的判别，判别步骤如下所示：

（1）

(2)

设定当 时的真值 />的置信区间，将落在置信区间以外的粗大误差予以剔除，其中粗大误差临界值为

（3）

其中，，系统通过由A/D转换得来的10组测量数据进行计算 />值，并排序，然后选择置信度达99%时对应的t分布表，/> 时t分布表提前存储于外部FLASH中；

所述ARM数据处理核心单元由STM32F103RCT6控制芯片及其外围电路构成，采用停机模式实现暂停系统运行，并通过RTC时钟中断唤醒休眠，实现系统的低功耗设计；

所述的通信单元包括无线传输模块和RS-485通讯总线模块，系统选用具有SX1212芯片的APC240作为无线传输模块，其可以通过无线接收唤醒自身，随后通过EXTI中断唤醒MCU，实现查询式响应，在实现远程唤醒功能的基础上保证了整机的低功耗。

2.根据权利要求1所述的太阳能供电的土壤水势智能记录仪，其特征在于：所述数据储存单元采用TF卡和Flash相结合的方式对测量数据和设备电压、充放电等状态数据进行记录，将TF卡与FLASH进行SPI总线复用以节约系统资源，Flash存储芯片选用W25Q64非易失性存储器用于存放字库等外部文件，mmc_SD模块作为系统的底层硬件驱动，嵌入FatFS小型系统，实现数据的便捷读取与处理。

3.一种太阳能供电的土壤水势智能记录仪校正、使用方法，其特征在于：包括权利要求1-2的任意一项所述土壤水势智能记录仪，土壤水势智能记录仪校正测试，使用一种太阳能供电的土壤水势智能记录仪1台作为校正组，经校正的传统机械表式张力计1台作为对照组，设定采样周期为30分钟，以土壤水分张力传感器陶瓷头与土壤之间无法紧密接触导致负压值下降作为结束记录时间，通过电子土壤水分张力传感器自动记录土壤水分张力采样值、系统电池电压数据，步骤1：取试验温室内土壤作为传感器检测对象，进行预处理，经过粉碎、过2mm筛后去除杂质及大颗粒物，晒干后搅拌均匀，使测试土壤尽量保证均匀，同时采用环刀法测定供试土壤容重，采用威尔科克斯法测量田间持水量；

步骤2：将预处理好的供试土壤装入下部设有渗水孔的测试桶内；

步骤3：分别将土壤水势智能记录仪和机械表式张力计分别埋入测试桶内，陶瓷头下部距桶底部约5cm，以保证陶瓷头完全浸入土壤中，且不会因为土壤吸水后的收缩或扩张与桶底部接触，从而达到充分模拟张力计在实际温室内土壤环境下的工作；

步骤4：根据试验得出的土壤田间持水量大小向桶内灌入水，待土壤吸水至饱和状态，可分三次完成，第一次向测试组和对照组桶内灌入1/3田间持水量的水，静置30min后，待土壤表面无积水且没有水从桶底渗水孔流出，第二次向两组测试桶内灌入1/3田间持水量的水，静置30min后，土壤表面仍无积水且桶底无渗水；第三次向两组桶内继续灌入稍大于1/3田间持水量的水，静置30min后桶底渗水孔有水渗出，将渗出液移入量杯中，测得两组渗出液体积，以确保测试土壤吸水饱和；

步骤5：土壤水势智能记录仪测试阶段设定采样周期为30min，对照组机械表式张力计采用人工记录；

步骤6：待测试结束从设备中取出TF卡下载数据记录文件进行整理，采用Matlab、Excel、Spss数据分析软件绘制出全量程土壤张力曲线，得到拟合曲线，并根据对照组记录的关键量程进行二次校正，最终得到拟合公式。