CN110208372B - 一种基于无人机与声表面波传感器节点的土壤温湿度三维地图检测系统及检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于无人机与声表面波传感器节点的土壤温湿度三维地图检测系统及检测方法，其主要特点是发挥无人机在农田能进行快速巡检的优势，将阅读器搭载在无人机上，若干个声表面波传感器节点按一定拓扑规则分布在待检测田间土壤中，通过无人机获取中尺度土壤的温湿度三维地图及其随时间的变化规律，为精准灌溉提供理论依据和实践决策。本发明的声表面波传感器节点由多个单端延迟线型声表面波器件并联而成，每个器件包括四个反射栅，其结构不仅能完成对土壤温度、湿度的并行传感功能，而且还能实现对同一表面位置处不同深度层级的土壤温湿度值同时检测。
Description
技术领域：
本发明涉及一种基于无人机与声表面波传感器节点的土壤温湿度三维地图检测系统及检测方法，属于土壤检测、无线传感领域。
背景技术：
在现代化农业操作中，为实现精准灌溉，需要通过传感器来监测土壤湿度(含水量)和温度，以实际获取的土壤温湿度信息作为决策依据，实施针对性灌溉。由于受地形地貌、微气候、植被类型、土壤理化性质和人为活动等因素的共同作用，即使在同一区域，土壤温湿度在时间和三维空间(包括土壤深度方向)上都表现出高度的异质性。因此，需要研究土壤温湿度的时空分布和变化规律，从而为精准灌溉提供理论依据和实践决策。
测量土壤湿度最经典的方法是取样烘干法，其测定结果准确，但是连续取样工作量大、实时性差。目前原位检测通常采用时域反射法、频域反射法、中子仪法、电阻率成像法等，但是上述方法采用的仪器设备均非常昂贵。也有通过测量作物特征如茎秆直径、冠层温度来推断土壤温湿度的方法，但该方法主观性强、误差大，且发现土壤温湿度异常时已经影响了作物正常的生长发育，而这种影响的后果通常是采用精准灌溉也不可恢复和补救的。总的说来，目前可以把土壤温湿度原位检测数据划分为大尺度、中尺度、点尺度三种空间尺度的数据。遥感方法可以提供测定大尺度数据，时域反射法、频域反射法等仪器设备能提供高精度的点尺度数据，但基于航拍地块的中尺度田间测定数据目前较难获得。
无人机的飞速发展给传统农业带来了巨大变革。无人机目前在农业灌溉方面已取得初步应用成果，关注点主要集中在无人机的最优速度、最优高度和最优喷洒模式等方面。但现有农用无人机实现的仅仅是灌溉速度、覆盖范围的最大化，缺少对土壤温湿度的感知能力，无法根据土壤实时的温湿度信息智能选择合适的灌溉策略以实现精准灌溉。
基于声表面波技术的传感器是一种典型的新型传感器，其最大的特点是精度高、响应速度快、无线无源、价格低廉等。在阅读器和天线的配合下，声表面波传感器能够实现能量的可靠供给和信号的有效传输。声表面波器件用作温度传感时，其原理是温度导致声表面波传播速度和压电材料参数变化并最终引起回波信号时延、相位变化；声表面波器件用作湿度传感时，可通过湿度导致反射栅反射率变化并最终引起回波信号振幅变化来实现。
发明内容：
本发明针对当前基于航拍地块的中尺度田间土壤温湿度测定数据较难获得的实际情况以及现有土壤温湿度检测方法存在的问题，提出一种基于无人机与声表面波传感器节点的土壤温湿度三维地图检测系统及检测方法，其目的是通过无人机获取中尺度土壤的温湿度三维地图及其随时间的变化规律，为精准灌溉提供理论依据和实践决策。
本发明采用如下技术方案：一种基于无人机与声表面波传感器节点的土壤温湿度三维地图检测系统，由无人机、阅读器和若干个声表面波传感器节点构成，阅读器搭载在无人机上，若干个声表面波传感器节点分布在待检测田间土壤中。
进一步地，所述阅读器包括阅读器收发电路和阅读器天线；阅读器天线为小型化微带天线，固定在无人机底部。
进一步地，若干个声表面波传感器节点根据田间土壤温湿度的空间异质性特征以及温湿度检测数据的尺度要求，按一定拓扑规则布置在待检测田间土壤中。
进一步地，所述声表面波传感器节点由壳体、节点天线和若干个单端延迟线型声表面波器件构成；
所述壳体为圆柱导热金属管结构，其底部呈锥状，顶部连接节点天线；若干个环形薄片沿壳体长度方向均布在壳体表面，其数量与声表面波器件的数量一致，沿壳体长度方向为“绝缘片-金属片-绝缘片-金属片-绝缘片”五个部分交替构成的形式；整个壳体包括环形薄片表面都涂有耐腐蚀涂层；
节点天线位于壳体顶部，为棒状结构；
若干个单端延迟线型声表面波器件中，每个声表面波器件包括压电基底、叉指换能器、第一反射栅、第二反射栅、第三反射栅、第四反射栅以及匹配电路，匹配电路包括电容、电感，并与第四反射栅连接；若干个声表面波器件封装后沿壳体长度方向等距固定在壳体内部，且第四反射栅经匹配电路通过引线与壳体表面相应位置处环形薄片的金属片部分连接；所有声表面波器件的叉指换能器通过同轴线并联，再连接到壳体顶部的节点天线上；对于不同的声表面波器件，其第一反射栅、第二反射栅、第三反射栅、第四反射栅与叉指换能器的距离各不相同。
本发明还采用如下技术方案：一种基于无人机与声表面波传感器节点的土壤温湿度三维地图检测系统的检测方法，工作步骤如下：
步骤A：无人机根据事先已知的若干个声表面波传感器节点在待检测田间土壤中的布置位置，按照相应的航迹规划飞到第1个声表面波传感器节点上方；
步骤B：搭载在无人机上的阅读器收发电路产生激励脉冲信号，通过固定在无人机底部的阅读器天线发射激励脉冲信号；
步骤C：声表面波传感器节点的节点天线接收激励脉冲信号，固定在节点壳体内部的所有声表面波器件上的叉指换能器通过逆压电效应将激励脉冲信号转换为声表面波沿压电基底表面传播，声表面波遇到第一反射栅、第二反射栅、第三反射栅、第四反射栅分别产生部分反射和部分透射，其四个反射信号传回叉指换能器，叉指换能器通过正压电效应将反射信号转换为四个回波脉冲信号，节点壳体内部所有声表面波器件的回波脉冲信号组合成与该传感器节点对应的回波脉冲串，通过节点天线发射回阅读器天线；
步骤D：阅读器收发电路对回波脉冲串进行信号采集与处理，测得该声表面波传感器节点位置处不同深度层级的土壤温湿度值；
步骤E：无人机按照航迹规划飞到下一个声表面波传感器节点上方，重复步骤B、步骤C、步骤D，测得下一个声表面波传感器节点位置处不同深度层级的土壤温湿度值；
步骤F：重复步骤E，直至测得所有声表面波传感器节点位置处不同深度层级的土壤温湿度值，从而获得待检测田间土壤的温湿度三维地图。
进一步地，步骤D具体分为如下步骤：
步骤a：根据构成该声表面波传感器节点的所有单端延迟线型声表面波器件上第一反射栅、第二反射栅、第三反射栅、第四反射栅与叉指换能器的距离各不相同，对回波脉冲串进行分组；组数与声表面波器件的数量相同，每组包括4个回波脉冲信号，分别对应于某个声表面波器件的第一反射栅、第二反射栅、第三反射栅、第四反射栅；
步骤b：针对第1个声表面波器件的四个回波脉冲信号，根据与第一反射栅、第二反射栅、第三反射栅对应的三个回波脉冲信号之间的相位差，测得相应的节点壳体表面环形薄片位置处的土壤温度值；
步骤c：针对第1个声表面波器件的四个回波脉冲信号，根据与第四反射栅对应的回波脉冲信号和其它三个回波脉冲信号之间的幅值比，测得相应的节点壳体表面环形薄片位置处的土壤湿度值；
步骤d：针对下一个声表面波器件的四个回波脉冲信号，重复步骤b、步骤c，测得相应的节点壳体表面环形薄片位置处的土壤温湿度值；
步骤e：重复步骤d，直至测得构成该声表面波传感器节点的所有单端延迟线型声表面波器件对应的节点壳体表面环形薄片位置处的土壤温湿度值，即获得该声表面波传感器节点位置处不同深度层级的土壤温湿度值。
本发明采用以上技术方案，与现有技术相比，具有以下技术效果：
1.与时域反射法、频域反射法等土壤湿度原位检测方法相比，采用声表面波传感器节点具有响应速度快、无线无源、价格低廉等特点；
2.与通过测量作物特征如茎秆直径、冠层温度来推断土壤温湿度的间接方法相比，声表面波传感器节点通过直接布置在待检测田间土壤中来实现对土壤温湿度的测量，不仅精度高、测量误差小，而且能够及时发现土壤温湿度信息的异常状态及变化，并采取有效的应对措施，从而避免其影响植物正常的生长发育；
3.声表面波传感器节点不仅能完成对土壤温度、湿度的并行传感功能，而且还能实现对同一表面位置处不同深度层级的土壤温湿度值同时检测；
4.针对当前基于航拍地块的中尺度田间土壤温湿度测定数据较难获得的实际情况，本发明充分发挥无人机在农田能进行快速巡检的优势，同时针对其在感知功能上的不足，将无人机与无线无源声表面波传感技术相结合，通过搭载阅读器的无人机来获取中尺度土壤的温湿度三维地图及其随时间的变化规律，为精准灌溉提供理论依据和实践决策。
附图说明：
图1是本发明的基于无人机与声表面波传感器节点的土壤温湿度三维地图检测系统示意图。
图2是本发明的声表面波传感器节点结构示意图。
图3是本发明的声表面波传感器节点的壳体内部局部示意图。
图4是本发明的声表面波传感器节点的单端延迟线型声表面波器件结构示意图。
图5是本发明的声表面波传感器节点的若干个单端延迟线型声表面波器件结构对比与连接方式示意图。
上述图中的标号名称：1.无人机，2.阅读器，3.声表面波传感器节点，4.壳体，5.节点天线，6.单端延迟线型声表面波器件，7.环形薄片，8.绝缘片，9.金属片，10.压电基底，11.叉指换能器，12.第一反射栅，13.第二反射栅，14.第三反射栅，15.第四反射栅，16.匹配电路，17.引线，18.同轴线，19.激励脉冲信号，20.回波脉冲串。
具体实施方式：
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
请参照图1所示，本发明基于无人机与声表面波传感器节点的土壤温湿度三维地图检测系统由无人机1、阅读器2和若干个声表面波传感器节点3构成；其中，阅读器2搭载在无人机1上，若干个声表面波传感器节点3分布在待检测田间土壤中。
阅读器2包括阅读器收发电路和阅读器天线；阅读器天线为小型化微带天线，固定在无人机1底部。
根据田间土壤温湿度的空间异质性特征以及温湿度检测数据的尺度要求，若干个声表面波传感器节点3按一定拓扑规则布置在待检测田间土壤中。
请参照图2、图3所示，声表面波传感器节点3由壳体4、节点天线5和若干个单端延迟线型声表面波器件6构成。
请参照图3所示，单端延迟线型声表面波器件6安装在壳体4内部。
请参照图2、图3所示，壳体4为圆柱导热金属管结构；壳体4底部呈锥状，以便于插入土壤中；壳体4顶部连接节点天线5；若干个(图2为6个)环形薄片7沿壳体4长度方向均布在壳体4表面；环形薄片7的数量与声表面波器件6的数量一致；环形薄片7沿壳体4长度方向为“绝缘片8-金属片9-绝缘片8-金属片9-绝缘片8”五个部分交替构成的形式；整个壳体4包括环形薄片7表面都涂有耐腐蚀涂层。
节点天线5位于壳体4顶部，为棒状结构，以便于布置在土壤中。
声表面波传感器节点3中的单端延迟线型声表面波器件6数量取决于器件6长度、壳体4长度、田间土壤温湿度在土壤深度方向的异质性特征、温湿度检测数据在土壤深度方向的尺度要求等因素。
请参照图4所示，若干个单端延迟线型声表面波器件6中，每个声表面波器件6包括压电基底10、叉指换能器11、第一反射栅12、第二反射栅13、第三反射栅14、第四反射栅15、匹配电路16；匹配电路16包括电容、电感，并与第四反射栅15连接。
请参照图3所示，若干个声表面波器件6封装后沿壳体4长度方向等距固定在壳体4内部，且第四反射栅15经匹配电路16通过引线17与壳体4表面相应位置处环形薄片7的金属片9部分连接。
请参照图5所示，声表面波传感器节点3中的所有单端延迟线型声表面波器件6(图5为6个)的叉指换能器11通过同轴线18并联，再连接到壳体4顶部的节点天线5上；对于不同的声表面波器件6，其第一反射栅12、第二反射栅13、第三反射栅14、第四反射栅15与叉指换能器11的距离各不相同，以保证声表面波传感器节点3的所有回波脉冲信号互不重叠。
请参照图1所示，一种基于无人机与声表面波传感器节点的土壤温湿度三维地图检测系统的检测方法，包括如下步骤：
步骤A：无人机根据事先已知的若干个声表面波传感器节点在待检测田间土壤中的布置位置，按照相应的航迹规划飞到第1个声表面波传感器节点上方；
步骤B：搭载在无人机上的阅读器收发电路产生激励脉冲信号19，通过固定在无人机底部的阅读器天线发射激励脉冲信号19；
步骤C：声表面波传感器节点的节点天线接收激励脉冲信号19，固定在节点壳体内部的所有声表面波器件上的叉指换能器通过逆压电效应将激励脉冲信号19转换为声表面波沿压电基底表面传播，声表面波遇到第一反射栅、第二反射栅、第三反射栅、第四反射栅分别产生部分反射和部分透射，其四个反射信号传回叉指换能器，叉指换能器通过正压电效应将反射信号转换为四个回波脉冲信号，节点壳体内部所有声表面波器件的回波脉冲信号组合成与该传感器节点对应的回波脉冲串20，通过节点天线发射回阅读器天线；
步骤D：阅读器收发电路对回波脉冲串20进行信号采集与处理，测得该声表面波传感器节点位置处不同深度层级的土壤温湿度值；
步骤E：无人机按照航迹规划飞到下一个声表面波传感器节点上方，重复步骤B、步骤C、步骤D，测得下一个声表面波传感器节点位置处不同深度层级的土壤温湿度值；
步骤F：重复步骤E，直至测得所有声表面波传感器节点位置处不同深度层级的土壤温湿度值，从而获得待检测田间土壤的温湿度三维地图。
其中，步骤D可细分为以下步骤：
步骤a：根据构成该声表面波传感器节点的所有单端延迟线型声表面波器件上第一反射栅、第二反射栅、第三反射栅、第四反射栅与叉指换能器的距离各不相同，对回波脉冲串20进行分组；组数与声表面波器件的数量相同，每组包括4个回波脉冲信号，分别对应于某个声表面波器件的第一反射栅、第二反射栅、第三反射栅、第四反射栅；
步骤b：针对第1个声表面波器件的四个回波脉冲信号，根据与第一反射栅、第二反射栅、第三反射栅对应的三个回波脉冲信号之间的相位差，测得相应的节点壳体表面环形薄片位置处的土壤温度值；
步骤c：针对第1个声表面波器件的四个回波脉冲信号，根据与第四反射栅对应的回波脉冲信号和其它三个回波脉冲信号之间的幅值比，测得相应的节点壳体表面环形薄片位置处的土壤湿度值；
步骤d：针对下一个声表面波器件的四个回波脉冲信号，重复步骤b、步骤c，测得相应的节点壳体表面环形薄片位置处的土壤温湿度值；
步骤e：重复步骤d，直至测得构成该声表面波传感器节点的所有单端延迟线型声表面波器件对应的节点壳体表面环形薄片位置处的土壤温湿度值，即获得该声表面波传感器节点位置处不同深度层级的土壤温湿度值。
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作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种基于无人机与声表面波传感器节点的土壤温湿度三维地图检测系统，其特征在于：由无人机（1）、阅读器（2）和若干个声表面波传感器节点（3）构成，阅读器（2）搭载在无人机（1）上，若干个声表面波传感器节点（3）分布在待检测田间土壤中；
所述声表面波传感器节点（3）由壳体（4）、节点天线（5）和若干个单端延迟线型声表面波器件（6）构成；
所述壳体（4）为圆柱导热金属管结构，其底部呈锥状，顶部连接节点天线（5）；若干个环形薄片（7）沿壳体（4）长度方向均布在壳体（4）表面，其数量与声表面波器件（6）的数量一致，沿壳体（4）长度方向为“绝缘片（8）-金属片（9）-绝缘片（8）-金属片（9）-绝缘片（8）”五个部分交替构成的形式；整个壳体（4）包括环形薄片（7）表面都涂有耐腐蚀涂层；
节点天线（5）位于壳体（4）顶部，为棒状结构；
若干个单端延迟线型声表面波器件（6）中，每个声表面波器件（6）包括压电基底（10）、叉指换能器（11）、第一反射栅（12）、第二反射栅（13）、第三反射栅（14）、第四反射栅（15）以及匹配电路（16），匹配电路（16）包括电容、电感，并与第四反射栅（15）连接；若干个声表面波器件（6）封装后沿壳体（4）长度方向等距固定在壳体（4）内部，且第四反射栅（15）经匹配电路（16）通过引线（17）与壳体（4）表面相应位置处环形薄片（7）的金属片（9）部分连接；所有声表面波器件（6）的叉指换能器（11）通过同轴线（18）并联，再连接到壳体（4）顶部的节点天线（5）上；对于不同的声表面波器件（6），其第一反射栅（12）、第二反射栅（13）、第三反射栅（14）、第四反射栅（15）与叉指换能器（11）的距离各不相同。
2.如权利要求1所述的基于无人机与声表面波传感器节点的土壤温湿度三维地图检测系统，其特征在于：所述阅读器（2）包括阅读器收发电路和阅读器天线；阅读器天线为小型化微带天线，固定在无人机（1）底部。
3.如权利要求1所述的基于无人机与声表面波传感器节点的土壤温湿度三维地图检测系统，其特征在于：若干个声表面波传感器节点（3）根据田间土壤温湿度的空间异质性特征以及温湿度检测数据的尺度要求，按一定拓扑规则布置在待检测田间土壤中。
4.一种如权利要求1至3中任意一项所述的基于无人机与声表面波传感器节点的土壤温湿度三维地图检测系统的检测方法，其特征在于：工作步骤如下：
步骤A：无人机根据事先已知的若干个声表面波传感器节点在待检测田间土壤中的布置位置，按照相应的航迹规划飞到第1个声表面波传感器节点上方；
步骤B：搭载在无人机上的阅读器收发电路产生激励脉冲信号（19），通过固定在无人机底部的阅读器天线发射激励脉冲信号（19）；
步骤C：声表面波传感器节点的节点天线接收激励脉冲信号（19），固定在节点壳体内部的所有声表面波器件上的叉指换能器通过逆压电效应将激励脉冲信号（19）转换为声表面波沿压电基底表面传播，声表面波遇到第一反射栅、第二反射栅、第三反射栅、第四反射栅分别产生部分反射和部分透射，其四个反射信号传回叉指换能器，叉指换能器通过正压电效应将反射信号转换为四个回波脉冲信号，节点壳体内部所有声表面波器件的回波脉冲信号组合成与该传感器节点对应的回波脉冲串（20），通过节点天线发射回阅读器天线；
步骤D：阅读器收发电路对回波脉冲串（20）进行信号采集与处理，测得该声表面波传感器节点位置处不同深度层级的土壤温湿度值；
步骤E：无人机按照航迹规划飞到下一个声表面波传感器节点上方，重复步骤B、步骤C、步骤D，测得下一个声表面波传感器节点位置处不同深度层级的土壤温湿度值；
步骤F：重复步骤E，直至测得所有声表面波传感器节点位置处不同深度层级的土壤温湿度值，从而获得待检测田间土壤的温湿度三维地图。
5.如权利要求4所述的基于无人机与声表面波传感器节点的土壤温湿度三维地图检测系统的检测方法，其特征在于：步骤D具体分为如下步骤：
步骤a：根据构成该声表面波传感器节点的所有单端延迟线型声表面波器件上第一反射栅、第二反射栅、第三反射栅、第四反射栅与叉指换能器的距离各不相同，对回波脉冲串（20）进行分组；组数与声表面波器件的数量相同，每组包括4个回波脉冲信号，分别对应于某个声表面波器件的第一反射栅、第二反射栅、第三反射栅、第四反射栅；
步骤b：针对第1个声表面波器件的四个回波脉冲信号，根据与第一反射栅、第二反射栅、第三反射栅对应的三个回波脉冲信号之间的相位差，测得相应的节点壳体表面环形薄片位置处的土壤温度值；
步骤c：针对第1个声表面波器件的四个回波脉冲信号，根据与第四反射栅对应的回波脉冲信号和其它三个回波脉冲信号之间的幅值比，测得相应的节点壳体表面环形薄片位置处的土壤湿度值；
步骤d：针对下一个声表面波器件的四个回波脉冲信号，重复步骤b、步骤c，测得相应的节点壳体表面环形薄片位置处的土壤温湿度值；
步骤e：重复步骤d，直至测得构成该声表面波传感器节点的所有单端延迟线型声表面波器件对应的节点壳体表面环形薄片位置处的土壤温湿度值，即获得该声表面波传感器节点位置处不同深度层级的土壤温湿度值。
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