CN109668946B - 一种非接触式分层土壤墒情监测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种非接触式分层土壤墒情监测装置，包括：管状外壳以及设置于所述外壳内的多个监测单元；各监测单元均包括第一温度传感器、探测波收发装置和数据处理电路，数据处理电路包括第一电路、第二电路和第三电路；管状外壳侧壁的不同深度设置有测量点，测量点处设置有第一温度传感器和探测波收发装置，探测波收发装置包括探测波发射器和探测波接收器。本发明的一种非接触式分层土壤墒情监测装置，通过分层设置温度传感器和探测波收发装置进行纵向梯度监测，解决了单一土壤墒情传感器无法实现多层测量且测量结果易受土壤环境影响的问题，能够有效地为现代农业生产提供多梯度、高精度的监测数据。

Description

一种非接触式分层土壤墒情监测装置

技术领域

本发明涉及土壤墒情监测技术领域，特别是涉及一种非接触式分层土壤墒情监测装置。

背景技术

我国正处于从传统农业向现代农业转型的关键时期，然而现阶段农田作业普遍存在着粗放式经营管理的现象，造成了严重的资源浪费，实施精准土壤墒情监测将为农田作业提供精准的作业数据，有助于推动农田节水灌溉的高效进行，实现农作物提质增效，促进农业可持续发展。

目前在土壤墒情监测方面主要存在烘干称重、中子仪测量、驻波测量、时域反射测量、频域反射测量等方法。而国内在实时农田墒情监测方面多采用频域反射测量法，其多采用三根不锈钢探针直接插入土壤中，以土壤作为电解质，与探针形成电容效应。由于不同湿度土壤的介电常数不同，进而影响了容值的大小，频率大小也将随之改变，由此可得出土壤墒情信息。而在分层土壤墒情监测中均采用多个传感器纵向分梯度布设，进而获得各层墒情信息。

但是，现有的不锈钢探针式墒情传感器由于直接与土壤接触，测量结果会受到土壤中盐离子的影响，如施肥、施药、灌溉等农田作业均会影响测量数据。另外，传感器电极直接与土壤接触造成电力对农作物生长的干扰。在分层测量方面，单一传感器无法实现多层分梯度测量，现有方法均采用多传感器纵向分层布设，在实际工程布设中操作较为复杂，造成了农田植被破坏，不具备动态扩展能力，多个传感器的使用使得墒情监测造价较为昂贵。

因此，如何解决单一土壤墒情传感器无法实现的多层测量且测量结果易受土壤环境影响的问题，为现代农业生产提供多梯度、高精度的监测数据是本领域技术人员亟需解决的技术问题。

发明内容

基于此，有必要提供一种非接触式分层土壤墒情监测装置，以解决单一土壤墒情传感器无法实现多层测量且测量结果易受土壤环境影响的问题，有效地为现代农业生产提供多梯度、高精度的监测数据。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种非接触式分层土壤墒情监测装置，包括：管状外壳以及设置于所述外壳内的多个监测单元；

各所述监测单元均包括第一温度传感器、探测波收发装置和数据处理电路，所述数据处理电路包括第一电路、第二电路和第三电路；

所述管状外壳侧壁的不同深度设置有测量点，所述测量点处设置有所述第一温度传感器和所述探测波收发装置；

所述第一温度传感器和所述第一电路连接，所述第一温度传感器用于采集所述测量点处土壤的温度信息；所述第一电路用于接收所述第一温度传感器采集到的土壤温度信息，并将所述土壤温度信息传送至服务器；

所述探测波收发装置包括探测波发射器和探测波接收器，所述探测波发射器和所述第二电路连接，所述第二电路用于产生探测波，所述探测波发射器用于将所述第二电路产生的探测波发射出去；所述探测波接收器和所述第三电路连接，所述探测波接收器用于接收反射回来的探测波，并将所述反射回来的探测波发送给所述第三电路，所述第三电路用于处理所述反射回来的探测波，并将处理后的探测波数据传送至所述服务器。

可选的，所述土壤墒情监测装置还包括数据传输电路和数据汇总电路；各所述数据处理电路均和所述数据汇总电路连接，所述数据汇总电路用于接收各所述数据处理电路的土壤温度信息和探测波数据；所述数据传输电路和所述数据汇总电路连接，所述数据传输电路用于将所述数据汇总电路接收到的数据进行封装处理，并将封装后的数据传输至所述服务器。

可选的，所述土壤墒情监测装置还包括与数据汇总电路连接的第二温度传感器，所述第二温度传感器用于测量地表温度。

可选的，各所述测量点等间隔设置。

可选的，各所述测量点上设置有对应的温度触点，各所述温度触点均与土壤接触，所述第一温度传感器用于采集所述温度触点的温度信息。

可选的，各所述温度触点由金属材质制成。

可选的，所述探测波发射器和所述探测波接收器均为圆环形状。

可选的，所述探测波发射器和所述探测波接收器沿所述管状壳体轴向交叉间隔设置，且与所述管状壳体同轴。

可选的，所述土壤墒情监测装置还包括卡槽，所述卡槽设置于所述管状壳体内，所述数据汇总电路的电路板和各所述数据处理电路的电路板均设置于所述卡槽上。

可选的，所述管状壳体底部呈锥形设置。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明提出了一种非接触式分层土壤墒情监测装置，该装置通过分层设置温度传感器和探测波收发装置进行纵向梯度监测，解决了单一土壤墒情传感器无法实现多层测量且测量结果易受土壤环境影响的问题，能够有效地为现代农业生产提供多梯度、高精度的监测数据。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例一种非接触式分层土壤墒情监测装置的结构示意图；

图2为本发明实施例数据处理电路的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供一种非接触式分层土壤墒情监测装置，以解决单一土壤墒情传感器无法实现多层测量且测量结果易受土壤环境影响的问题，有效地为现代农业生产提供多梯度、高精度的监测数据。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明实施例一种非接触式分层土壤墒情监测装置的结构示意图，图2为本发明实施例数据处理电路的结构示意图。

参见图1-2，实施例的一种非接触式分层土壤墒情监测装置，包括：管状外壳1以及设置于所述外壳1内的多个监测单元；各所述监测单元均包括第一温度传感器、探测波收发装置和数据处理电路4，所述数据处理电路4包括第一电路、第二电路和第三电路；所述管状外壳1侧壁的不同深度设置有测量点，所述测量点处设置有所述第一温度传感器和所述探测波收发装置；所述第一温度传感器和所述第一电路连接，所述第一温度传感器用于采集所述测量点处土壤的温度信息；所述第一电路用于接收所述第一温度传感器采集到的土壤温度信息，并将所述土壤温度信息传送至服务器；所述探测波收发装置包括探测波发射器5和探测波接收器6，所述探测波发射器5和所述第二电路连接，所述第二电路用于产生探测波，所述探测波发射器5用于将所述第二电路产生的探测波发射出去；所述探测波接收器6和所述第三电路连接，所述探测波接收器6用于接收反射回来的探测波，并将所述反射回来的探测波发送给所述第三电路，所述第三电路用于处理所述反射回来的探测波，并将处理后的探测波数据传送至所述服务器。

所述监测装置还包括数据传输电路8和数据汇总电路7；各所述数据处理电路4均和所述数据汇总电路7连接，所述数据汇总电路7用于接收各所述数据处理电路4的土壤温度信息和探测波数据；所述数据传输电路8和所述数据汇总电路7连接，所述数据传输电路8用于将所述数据汇总电路7接收到的数据进行封装处理，并将封装后的数据传输至所述服务器。其中，所述数据传输电路8由SIM7600全网通4G模块构成。

具体的，数据处理电路4包括整流电路202、滤波电路203、放大电路204、核心处理器207、湿度信号处理电路205、数据输出电路208、温度测量电路206、RS485通信电路209、电压-电流转换电路210和高频信号产生电路201。

电压-电流转换电路210采用MP1584将输入电压转换为5V稳压，同时采用低压差线性稳压LDO系列AMS117-3.3将5V转为3.3V供核心处理器207工作。

高频信号产生电路201主要通过有源晶振产生频率为100MHz的交流探测波，探测波可通过探测波发射器5穿透管状外壳1进入土壤。

整流电路202主要由四只肖特基二极管构成的全桥整流电路，将探测波接收器6接收到的探测波进行整流，将原有的交流波形转换为直流，便于后期信号处理。

滤波电路203采用二节π型RC滤波电路，能够将整流电路202之后未能滤除的交流信号进行过滤。

放大电路204采用LM358芯片，具有高电压增益，将整流滤波后的直流信号的电压进行放大处理，便于对信号进行电压采集，同时提高测量电路的灵敏度。

核心处理器207采用STM32F103RCT6，实现对采集数据的处理以及封装，根据采集到的电压信息，通过计算得到土壤湿度信息。其中，土壤湿度的计算方法：将该土壤墒情监测装置放置在干燥的空气中，测得其电压信息(此时默认湿度值为0)，再将其放置水中测得其电压信息(此时默认湿度值为100)，即可建立土壤湿度与所测电压的一次函数关系式，在实际应用中即可通过所测电压的大小，带入函数关系式中，就能够得到土壤湿度数据。

湿度信号处理电路205的输入端和放大电路204的输出端连接，湿度信号处理电路205的输出端和核心处理器207的输入端连接，湿度信号处理电路205将放大后的电压信号传输至核心处理器207的AD接口，通过12位ADC，实现对直流电压的采集。

温度测量电路206，采用单总线通信方式与DS18B20传感器进行通信，将DS18B20传感器通信接口连接至核心处理器207的通用IO口，通过单总线时序操作，即可获得温度信息。

RS485通信电路209，采用SP3485芯片，最大支持挂载32路从机设备，可实现各层数据处理电路4间的通信，最终各层数据处理电路4将数据传输至数据汇总电路7。

数据输出电路208，将处理后的土壤温度、湿度信息通过核心处理器207串口输出至SIM7600通信串口，实现土壤墒情信息的上传。

所述监测装置还包括与数据汇总电路7连接的第二温度传感器，所述第二温度传感器用于测量地表温度。

各所述测量点等间隔设置。各所述测量点上设置有对应的温度触点，各所述温度触点均与土壤接触，所述第一温度传感器用于采集所述温度触点的温度信息。各所述温度触点由金属材质制成。

具体的，本实施例中所述监测装置包括五层土壤测量点，各所述测量点以100mm等间隔垂直分布，记为第一测量点2和第二测量点3，所述第二测量点3设置有第二温度传感器，所述第二温度传感器用于测量土壤地表空气的温度；四个第一测量点2，各所述第一测量点2均设置有第一温度传感器、探测波发射器5和探测波接收器6，各所述第一温度传感器用于测量各层土壤温度。

所述探测波发射器5和所述探测波接收器6均为圆环形状。所述探测波发射器5和所述探测波接收器6沿所述管状壳体1轴向交叉间隔设置，且与所述管状壳体1同轴。具体的，探测波发射器5由直径55mm、高度25mm，厚度1.5mm的圆柱状铜制圆环构成，各所述探测波发射器5均通过导线分别与相应数据处理电路4的高频信号产生电路201连接。所述探测波接收器6由直径55mm、高度25mm，厚度1.5mm的圆柱状铜制圆环构成，各所述探测波接收器6均通过导线分别与相应数据处理电路4的整流电路202连接。

所述监测装置还包括卡槽9，所述卡槽9设置于所述管状外壳1内，所述数据汇总电路7的电路板和各所述数据处理电路4的电路板均设置于所述卡槽9上。

具体的，所述卡槽9采用高650mm、宽58mm的PVC材料设计，可实现对数据汇总电路板、四层数据处理电路板、探测波发射器5和探测波接收器6的固定。顶端采用十字交叉设计，便于整套采集装置从管状外壳1内取出和安装操作，下端采用空心圆柱内嵌式设计实现对供电模块的安装和固定。所述供电模块11由一块8000mAh的可充电锂电池构成，为整个系统工作提供稳定电源。

各数据处理电路板均包括四引脚牛角座12，通过四路排线13将各数据处理电路板串联起来，通过MODBUS—RTU通信协议实现板间通信，将数据传输至数据汇总电路7。

所述管状外壳1采用高750mm，直径70mm的PVC材料设计，用于整个采集模块的外部封装。管状外壳1表面以100mm等间隔设置有五层土壤测量点，各所述测量点上设置有对应的温度触点，5个温度触点内嵌在所述管状外壳1内，5个温度触点采用不锈钢金属材质制成，各所述温度触点和各传感器的采集点接触，依据金属良好的热传导效应，实现温度信息感知。

所述监测装置还包括多个弹簧10，各所述弹簧10的一端分别连接测量点处的温度传感器，另一端依次套接数据汇总电路板以及四层数据处理电路板，有助于整套采集装置装入PVC管内部时，DS18B20传感器能够与PVC管外部金属测量点的充分接触，并避免了整套采集装置在PVC管内部晃动。

所述监测装置还包括密封盖13，采用高度40mm，直径75mm PVC材料设计，右侧预留凹槽，用于布设线路。密封盖13上方设计了开关按钮14，可实现对整个测量系统的开启与关闭。同时预留了航空插头15，四端口设计，两个端口用于外接太阳能电池板对整个锂电池的充电，两个端口用作RS485接口，用于数据调试。

所述监测装置还包括防雨帽16，将其覆盖于密封盖13顶端，室外使用时能避免雨水、灰尘等进入管状外壳1内部，防止损毁电路。

所述管状外壳1底部呈锥形设置，便于放置于土壤中。

具体工作原理：

该土壤墒情装置通过高频信号产生电路的有源晶振产生交流探测波，探测波通过探测波发射器穿透PVC管状外壳进入土壤，由于探测波发射器与探测波接收器形成圆环式电容结构，并且PVC管状外壳外土壤的水分含量会影响到电容的介电特性，借助于圆环式电容结构电磁场的边缘分布效应，探测波接收器可捕获到频率发生改变的反馈探测波。通过对反馈探测波的整流滤波处理能够获得一个微弱的直流信号，放大电路将该信号放大至核心处理器可处理的直流电压信号，同时也提高了测量电路的灵敏度。核心处理器通过AD采样可获得一个与土壤湿度相关的电压信号，最终换算为对应的土壤湿度。土壤温度采集部分采用DS18B20作为采集传感器，分别安装至PVC管状外壳表面内嵌的五个不锈钢温度触点内，通过传感器后端的弹簧装置可保证其与温度触点紧密接触，并依据金属良好的热传导效应可实现对温度信息的感知。从而实现了非接触式土壤墒情测量。

该土壤墒情装置各数据处理电路板设置不同的地址标号进而实现各层数据的封装，再依据MODBUS—RTU通信协议实现板间通信和信息整合，实现了数据的传输。具体的，每个板子都会预先设置一个地址编号，在进行数据传输时会默认将地址编号放在数据头部，也就是说外壳最底部的数据处理电路板把采集到的温湿度数据传给上个数据处理电路板，然后上个数据处理电路板再把对应层的数据追加到底部数据处理电路板发来的数据的尾部，依次向上进行数据的追加，最终数据汇总电路板再进行数据的解析工作。

本实施例提出的一种非接触式分层土壤墒情监测装置，通过发射出的高频探测波穿透管状外壳，可有效感知土壤墒情信息，避免了土壤环境对测量数据的影响，提高了监测精度，消除了传感器电极对农作物生长的干扰。其次，设计了一种单一传感器纵向分层设点的方法，选取纵向每100mm一个测量点，通过每个测量点布设一对平行放置的圆柱状铜制圆环，依据两个电极间的电磁场边缘分布效应可实现相应梯度的墒情测量，减轻了工程施工难度，避免了植被破坏，增强了动态扩展能力。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (6)

1.一种非接触式分层土壤墒情监测装置，其特征在于，包括：管状外壳、设置于所述外壳内的多个监测单元以及多个弹簧；

各所述监测单元均包括第一温度传感器、探测波收发装置和数据处理电路，所述数据处理电路包括第一电路、第二电路和第三电路；

所述管状外壳侧壁的不同深度设置有测量点，所述测量点处设置有所述第一温度传感器和所述探测波收发装置；

各所述测量点上设置有对应的温度触点，各所述温度触点均与土壤接触，所述第一温度传感器用于采集所述温度触点的温度信息；各所述弹簧的一端分别连接测量点处的温度传感器；各所述温度触点由金属材质制成；

所述第一温度传感器和所述第一电路连接，所述第一温度传感器用于采集所述测量点处土壤的温度信息；所述第一电路用于接收所述第一温度传感器采集到的土壤温度信息，并将所述土壤温度信息传送至服务器；

所述探测波收发装置包括探测波发射器和探测波接收器，所述探测波发射器和所述第二电路连接，所述第二电路用于产生探测波，所述探测波发射器用于将所述第二电路产生的探测波发射出去；所述探测波接收器和所述第三电路连接，所述探测波接收器用于接收反射回来的探测波，并将所述反射回来的探测波发送给所述第三电路，所述第三电路用于处理所述反射回来的探测波，并将处理后的探测波数据传送至所述服务器；

各所述测量点等间隔设置；所述监测装置包括五层土壤测量点，各所述测量点以100mm等间隔垂直分布，记为第一测量点和第二测量点，所述第一测量点有4个，所述第二测量点有1个；所述第二测量点设置有第二温度传感器，所述第二温度传感器用于测量土壤地表空气的温度；

所述数据处理电路包括整流电路、滤波电路、放大电路、核心处理器、湿度信号处理电路、数据输出电路、温度测量电路、RS485通信电路、电压-电流转换电路和高频信号产生电路；所述高频信号产生电路主要通过有源晶振产生频率为100MHz的交流探测波，所述交流探测波通过所述探测波发射器穿透所述管状外壳进入土壤。

2.根据权利要求1所述的非接触式分层土壤墒情监测装置，其特征在于，所述土壤墒情监测装置还包括数据传输电路和数据汇总电路；各所述数据处理电路均和所述数据汇总电路连接，所述数据汇总电路用于接收各所述数据处理电路的土壤温度信息和探测波数据；所述数据传输电路和所述数据汇总电路连接，所述数据传输电路用于将所述数据汇总电路接收到的数据进行封装处理，并将封装后的数据传输至所述服务器。

3.根据权利要求1所述的非接触式分层土壤墒情监测装置，其特征在于，所述探测波发射器和所述探测波接收器均为圆环形状。

4.根据权利要求3所述的非接触式分层土壤墒情监测装置，其特征在于，所述探测波发射器和所述探测波接收器沿所述管状外壳轴向交叉间隔设置，且与所述管状外壳同轴。

5.根据权利要求2所述的非接触式分层土壤墒情监测装置，其特征在于，所述土壤墒情监测装置还包括卡槽，所述卡槽设置于所述管状外壳内，所述数据汇总电路的电路板和各所述数据处理电路的电路板均设置于所述卡槽上。

6.根据权利要求1所述的非接触式分层土壤墒情监测装置，其特征在于，所述管状外壳底部呈锥形设置。

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