CN110568021B - 基于过滤器式土壤墒情传感器的塔式土壤剖面墒情监测仪 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了属于土壤墒情测试工具及测试技术领域的一种基于过滤器式土壤墒情传感器的塔式剖面监测仪。该塔式土壤剖面墒情监测仪由三个过滤器式土壤墒情传感器、三个固定套筒、电路板套筒、底部固定板、五个传感器固定板、电路板固定板、顶部密封盖、引线、三根金属护线管、电路板、温湿度传感器、LORA无线模块及配件连接成塔式结构，并由三根长螺杆将系统密封固定；电路板套筒内从下至上依次固定供电电源、电路板、温湿度传感器、无线传输模块。本发明采用极低功耗单片机及高速AD芯片，优化了开关机及数据采集时间；传感器工作电源和主工作电源具有自动关闭和唤醒功能，从而大大降低功耗，保证系统在野外长期连续工作。
Description
技术领域
本发明属于土壤墒情测试工具及测试技术领域；特别涉及一种基于过滤器式土壤墒情传感器的塔式剖面监测仪。
背景技术
在农业生产中，精准灌溉要求长期检测和及时获取田间的土壤水分空间分布信息，这就需要在田间安装土壤水分测试装置。
目前成熟的土壤含水率检测方法有TDR(时域反射法)、FDR(频域反射法)和SWR(驻波率法)，其中TDR和FDR是国外的专利技术，测量精度比较高，但是由于处理电路复杂导致成本极高，一台TDR高达数万美元，一台FDR高达数千美元；由于每亩农作物每年的平均收益不高，所以上述三种土壤水分传感器不可能在田间推广应用。在中国专利201810191352.8一种适应于农业灌溉的剖面式土壤墒情监测仪中，其土壤墒情监测仪是在剖面管内从上至下依次插入三个电阻式水势探头构成；基于无线传输的紧凑型、低功耗土壤水分自动检测仪。所述土壤水分自动检测仪的外壳由埋入支撑杆、转换接头、主板及锂离子电池固定仓和检测仪顶帽依次连接组成各个深层含水量，实时检测不同深度土壤商情信息；在201720067029.0,基于无线传输的紧凑型、低功耗土壤水分自动检测仪，该土壤水分自动检测仪的外壳由埋入支撑杆、转换接头、主板及锂离子电池固定仓和检测仪顶帽依次连接组成，实时检测不同深度土壤商情信息。但是，当前我国不管是农业灌溉还是城市绿化用水都是采取很粗放的方式，即凭借经验定时人工灌溉。这种原始的灌溉方式既无法保证植物正常生长所需水量，同时又大大浪费了宝贵的水资源。而园林绿化用水当中常用的人工漫灌方法会造成土壤表层水流过快而来不及渗透到植物根系就顺着地形的流动形成水洼或流到马路当中造成浪费。在各种不同的灌溉系统中，由于土壤表层与其下方的各个深层含水量的不同，实时检测不同深度土壤商情信息，根据作物不同生长时期的需水量来酌量灌溉，这就需要大范围布设低成本的土壤水分传感器，进行实时监控，以解决如何既有利于植物的生长又尽量不浪费水资源的问题。
发明内容
本发明的目的是提出一种基于过滤器式土壤墒情传感器的塔式剖面监测仪；其特征在于，由三个过滤器式土壤墒情传感器、三根引线、三个固定套筒、五个传感器固定板、底部传感器固定板、三根长螺栓、电路板套筒、电路固定板、供电电池、电路板、温湿度传感器、无线传输模块和顶部密封盖连接成塔式结构；所述三个过滤器式土壤墒情传感器分为下过滤器式土壤墒情传感器1、中过滤器式土壤墒情传感器2和上过滤器式土壤墒情传感器3。所述三个传感器固定套筒分为下传感器固定套筒4、中传感器固定套筒5和上传感器固定套筒6。所述三根引线分为下传感器引线7、中传感器引线8和上传感器引线9；其中，下过滤器式土壤墒情传感器1的上下端分别套有第一传感器固定板和底部传感器固定板、中过滤器式土壤墒情传感器2的上下端分别套有第三传感器固定板和第二传感器固定板、上过滤器式土壤墒情传感器3的上下端分别套有第五传感器固定板和第四传感器固定板；并且下过滤器式土壤墒情传感器1与中过滤器式土壤墒情传感器2之间放置下传感器固定套筒4、中过滤器式土壤墒情传感器2与上过滤器式土壤墒情传感器3之间放置中传感器固定套筒5、上过滤器式土壤墒情传感器3与电路固定板之间放置上传感器固定套筒6；三根长螺栓均匀布置，其上端与电路固定板固定；然后穿过各固定套筒及各传感器固定板和底部传感器固定板后，用螺母压紧，将三个过滤器式土壤墒情传感串联组成塔式结构；三个过滤器式土壤墒情传感器的引线穿过各自的引线导管与电路板连接；电路板套筒通过电路固定板与上过滤器式土壤墒情传感器的第五传感器固定板密封连接；电路板套筒内从下至上依次固定供电电源、电路板、温湿度传感器、无线传输模块；顶部密封盖嵌入电路板套筒顶部密封固定。
所述各土壤墒情传感器和传感器固定套筒均通过上下两端的传感器固定板连接，连接处采用2mm高的凸台和2mm深的凹槽配合连接。
所述基于过滤器式土壤墒情传感器的塔式剖面监测仪，电路板套筒与顶部密封盖和电路固定板均采用两级O型圈并加填密封脂将整个电路系统密封；能够达到IP68防护等级。
所述基于过滤器式土壤墒情传感器的塔式剖面监测仪，三个过滤器式土壤墒情传感器的引线在其正中引出，在传感器固定套筒里倾斜分别穿过各自的护线管与电路板连接；电路板顶端接温湿度传感器和无线传输模块。
所述基于过滤器式土壤墒情传感器的塔式剖面监测仪，电路板由2节3.7V锂亚电池供电。
所述基于过滤器式土壤墒情传感器的塔式剖面监测仪，三个过滤器式土壤墒情传感器采用塔形结构,其引线完全隐藏在内部密封引出，既美观又增加防护性能。
所述基于过滤器式土壤墒情传感器的塔式剖面监测仪，电路板上的电路组成包括：作为中央处理器的单片机(STM32)分别连接温湿度传感器、无线传输模块(LORA)、时钟电路、电源唤醒触发电路、AD转换电路(ADS1220)和传感器工作电源(TPS63030)；传感器工作电源分别连接升压DCDC(0509s)电路和主工作电源(TPS63030)；主工作电源(TPS63030)和锂电池电源、时钟电路、电源唤醒触发电路串联成回路；磁力开关连接电源唤醒触发电路；AD转换电路(ADS1220)连接交直流信号转换电路(AD736)，交直流信号转换电路(AD736)分别连接三个切换继电器；三个切换继电器分别连接三个过滤器式土壤墒情传感器和取样电阻R；三个切换继电器同时连接交流信号运算放大器(OP07)；交流信号运算放大器(OP07)、交流发生器(8036)与升压DCDC(0509s)电路串联；传感器工作电源(TPS63030)分别与无线传输模块(LORA)、单片机(STM32)、AD转换电路(ADS1220)、交直流信号转换电路(AD736)连接。
本发明的有益效果是本塔式土壤剖面墒情监测仪优化了开关机及数据采集时间，数据转换至发射总计不超过100毫秒。当数据采集器采集完数据后，立即关闭传感器工作电源；通过无线发射模块(LORA)发射数据到网关后，立即关闭主工作电源，系统进入微安级工作状态，等待下一次唤醒工作；从而降低系统功耗，延长电池工作时间，确保系统在野外长期连续稳定工作。
附图说明
图1为塔式土壤墒情传感器结构示意图。
图2为土壤墒情监测仪电路结构框图。
图3为土壤墒情监测仪电路工作流程框图。
具体实施方式
本发明提出一种基于过滤器式土壤墒情传感器的塔式剖面监测仪；下面结合附图对本发明予以说明。
图1所示为塔式土壤剖面墒情监测仪结构示意图。图中所示的塔式土壤剖面墒情监测仪由3个过滤器式土壤墒情传感器、3根引线、3个固定套筒、5个传感器固定板、底部传感器固定板、3根长螺栓、电路板套筒、电路固定板、供电电池、电路板、温湿度传感器、无线传输模块和顶部密封盖连接成塔式结构；其中，三个过滤器式土壤墒情传感器中的下过滤器式土壤墒情传感器1的下部卡入底部传感器固定板10的2mm深凹槽，其上部卡入第一传感器固定板11下面2mm深的凹槽中，第一传感器固定板11的上面2mm高凸台卡入下固定套筒4下部，下固定套筒4上部套在第二传感器固定板12下面的2mm高凸台上；第二传感器固定板12上面的2mm凹槽中卡入中过滤器式土壤墒情传感器2的下部，中过滤器式土壤墒情传感器2的上部卡入第三传感器固定板13下面的2mm凹槽中，第三传感器固定板13的上面的2mm凸台卡入中固定套筒5的下部，中固定套筒5的上部套在第4传感器固定板14下面2mm高的凸台上，第4传感器固定板14上面的凹槽中卡入上过滤器式土壤墒情传感器3的下部，上过滤器式土壤墒情传感器3的上部卡入第5传感器固定板15下面的凹槽，第5传感器固定板15上面凸台卡入上固定套筒6的下部，上固定套筒6的上部套在电路固定板19的下面2mm凸台上；电路固定板19设有跟3根贯穿式长螺杆17相同规格的内螺纹，将3个过滤器式土壤墒情传感器、3个固定套筒、电路板套筒、底部固定板、传感器固定板连接在一起，并用底部传感器固定板10的3个螺母16拧紧组成塔式结构；顶部密封盖25嵌入电路板套筒21顶部密封固定。所述电路板套筒21内从下至上依次固定供电电源20、电路板22、温湿度传感器23和无线传输模块24；电路板22分别与供电电源20、温湿度传感器23和无线传输模块24连接。
所述基于过滤器式土壤墒情传感器的塔式剖面监测仪，电路板套筒与顶部密封盖和电路固定板均采用两级O型圈并加填密封脂将整个电路系统密封；能够达到IP68防护等级。
所述基于过滤器式土壤墒情传感器的塔式剖面监测仪，下过滤器式土壤墒情传感器1的下传感器引线7，中过滤器式土壤墒情传感器2的中传感器引线8和上过滤器式土壤墒情传感器3的上传感器引线9分别穿过各自的引线导管18与电路板22连接。
图2所示为电路板上的电路组成包括：中央处理器的单片机(STM32)分别连接温湿度传感器、无线传输模块(LORA)、时钟电路、电源唤醒触发电路、AD转换电路(ADS1220)和传感器工作电源(TPS63030)，传感器工作电源(TPS63030)分别连接升压DCDC(0509s)电路和主工作电源(TPS63030)；其主工作电源(TPS63030)和锂电池电源、时钟电路、电源唤醒触发电路串联成回路；磁力开关连接电源唤醒触发电路；AD转换电路(ADS1220)连接交直流信号转换电路(AD736)，交直流信号转换电路(AD736)分别连接三个切换继电器；三个切换继电器分别连接三个过滤器式土壤墒情传感器和取样电阻R；三个切换继电器同时连接交流信号运算放大器(OP07)；交流信号运算放大器(OP07)、交流发生器(8036)与升压DCDC(0509s)电路串联；传感器工作电源(TPS63030)分别与无线传输模块(LORA)、单片机(STM32)、AD转换电路(ADS1220)、交直流信号转换电路(AD736)连接。
图3所示为墒情监测仪电路工作流程,主要包括：
1.供电电源选用2节3.7V，18000mA锂亚电池，工作温度范围为-40℃-55℃，设计工作寿命大于3年。
2.锂电池直接供电给时钟电路和电源唤醒电路，并连接至主工作电源控制芯片TPS63030的输入端。
3.待机时，主电源控制芯片为断开状态，时钟电路和电源唤醒电路带电工作，4.进行测量时，测量过程为
4.1启动：通过时钟电路计时自动触发，或者通过手动触发磁力开关，唤醒电源电路，并持续输出高电平，系统电路上电。
4.2初始化：单片机上电后，对温湿度传感器、AD转换芯片、无线发送模块进行初始化。初始化完成后，读取温湿度值和电源电压值，并暂存于单片机。
4.3测量系统上电：通过单片机指令，打开传感器工作电源，电源输出5VDC，通过升压DCDC(0509s)电路，输出±9V至交流发生器8036，从而产生±1.5V的交流正弦波，之后通过OP07运算放大器，增加驱动能力后连接到3个双刀继电器的公共端1脚上。
4.4过滤器式土壤墒情传感器切换：单片机输出指令，接通切换继电器1，传感器1及取样电阻R1导通(如图2所示)，采集取样电阻R的交流电压，通过AD736完成交直流转换。
4.5土壤墒情监测：交直流转换电路AD736输出的直流电压信号，经过模数转换芯片，将对应数字量送至单片机，进行计算及存储。重复步骤(4.4)-(4.5)，对中过滤器式土壤墒情传感器2和上过滤器式土壤墒情传感器3进行测量。
4.6关闭传感器工作电源及发送数据：传感器监测完毕后，单片机控制关闭传感器工作电源，以减少功耗。同时，单片机将计算存储的数据按通讯协议格式，经无线模块发送给网关。
4.8校时和数据下载：网关通讯成功，获得传感器监测数据后，通过无线传输模块，发送校准时间和下次启动时间数据至单片机，单片机将时间信号下发到时钟芯片，设置好下次的启动时间。
4.9关机：校时和数据下载完成后，单片机发出关机指令给电源唤醒电路，电源唤醒电路获得信号后切断主工作电源，至此一个测量循环结束。
磁力开关，用于满足手动启动需求或故障时重启系统。
以上电路采用极低功耗单片机处理(STM32)，高速AD，选择移动平均数字滤波方法，LORA数据使用ieee754编码有效减少传输数据长度，从而优化开关机及采集时间，数据转换至发射总计不超过100毫秒。当单片机采集完数据后，立即关闭传感器工作电源；通过无线发射模块(LORA)发射数据到网关后，立即关闭主工作电源，电路进入微安级工作状态，等待下一次唤醒工作；从而降低电池功耗，延长电池工作时间，保证系统在野外长期连续工作。
Claims (8)
1.一种基于过滤器式土壤墒情传感器的塔式剖面监测仪；其特征在于，所述塔式剖面监测仪由三个过滤器式土壤墒情传感器、三根引线、三个传感器固定套筒、五个传感器固定板、底部传感器固定板、三根长螺栓、电路板套筒、电路固定板、供电电池、电路板、温湿度传感器、无线传输模块和顶部密封盖连接成塔式结构；所述三个过滤器式土壤墒情传感器分为下过滤器式土壤墒情传感器(1)、中过滤器式土壤墒情传感器(2)和上过滤器式土壤墒情传感器(3)；所述三个传感器固定套筒分为下传感器固定套筒(4)、中传感器固定套筒(5)和上传感器固定套筒(6)；所述三根引线分为下传感器引线(7)、中传感器引线(8)和上传感器引线(9)；其中，下过滤器式土壤墒情传感器(1)的上下端分别套有第一传感器固定板和底部传感器固定板、中过滤器式土壤墒情传感器(2)的上下端分别套有第三传感器固定板和第二传感器固定板、上过滤器式土壤墒情传感器 (3)的上下端分别套有第五传感器固定板和第四传感器固定板；并且下过滤器式土壤墒情传感器(1)与中过滤器式土壤墒情传感器(2)之间放置下传感器固定套筒(4)、中过滤器式土壤墒情传感器(2)与上过滤器式土壤墒情传感器(3) 之间放置中传感器固定套筒(5)、上过滤器式土壤墒情传感器(3)与电路固定板之间放置上传感器 固定套筒(6)；三根长螺栓均匀布置，其上端与电路固定板固定；然后穿过各固定套筒及各传感器固定板和底部传感器固定板后，用螺母压紧，将三个过滤器式土壤墒情传感串联组成塔式结构；三个过滤器式土壤墒情传感器的引线穿过各自的引线导管与电路板连接；电路板套筒通过电路固定板与上过滤器式土壤墒情传感器的第五传感器固定板密封连接；电路板套筒内从下至上依次固定供电电源、电路板、温湿度传感器、无线传输模块；顶部密封盖嵌入电路板套筒顶部密封固定 ；
所述各土壤墒情传感器和传感器固定套筒均通过上下两端的传感器固定板连接，连接处采用2mm高的凸台和2mm深的凹槽配合连接；
所述三个过滤器式土壤墒情传感器的引线在其正中引出，在传感器固定套筒里倾斜分别穿过各自的护线管与电路板连接；电路板顶端接温湿度传感器和无线传输模块。
2.根据权利要求1所述基于过滤器式土壤墒情传感器的塔式剖面监测仪，其特征在于，电路板套筒与顶部密封盖和电路固定板均采用两级O型圈并加填密封脂将整个电路系统密封；能够达到IP68防护等级。
3.根据权利要求1所述基于过滤器式土壤墒情传感器的塔式剖面监测仪，其特征在于，所述电路板由2节3.7V锂亚电池供电。
4. 根据权利要求1所述基于过滤器式土壤墒情传感器的塔式剖面监测仪，其特征在于，所述三个过滤器式土壤墒情传感器采用塔形结构, 其引线完全隐藏在内部密封引出，既美观又增加防护性。
5.根据权利要求1所述基于过滤器式土壤墒情传感器的塔式剖面监测仪，其特征在于，所述电路板上的电路组成包括：中央处理器的单片机（STM32）分别连接温湿度传感器、无线传输模块（LORA）、时钟电路、电源唤醒触发电路、AD（ADS1220）转换电路和传感器工作电源（TPS63030）；传感器工作电源分别连接升压DCDC（0509s）电路和主工作电源（TPS63030）；其中，主工作电源（TPS63030）和锂电池电源、时钟电路、电源唤醒触发电路串联成回路；磁力开关连接电源唤醒触发电路；AD转换电路（ADS1220）连接交直流信号转换电路（AD736），交直流信号转换电路（AD736）分别连接三个切换继电器；三个切换继电器分别连接三个过滤器式土壤墒情传感器和取样电阻R；三个切换继电器同时连接交流信号运算放大器（OP07）；交流信号运算放大器（OP07）、交流发生器（8036）与升压DCDC（0509s）电路串联；传感器工作电源（TPS63030）分别与无线传输模块（LORA）、单片机（STM32）、AD转换电路（ADS1220）、交直流信号转换电路（AD736）连接。
6.根据权利要求5所述基于过滤器式土壤墒情传感器的塔式剖面监测仪，其特征在于，所述传感器工作电源分别与无线传输模块、AD转换电路、交直流信号转换电路及单片机连接。
7. 根据权利要求1所述基于过滤器式土壤墒情传感器的塔式剖面监测仪；其特征在于，电路板套筒从下至上依次固定供电电源、电路板、温湿度传感器、无线传输模块；所述供电电源选用2节3.7V，18000mA锂亚电池，工作温度范围为-40℃-＋55℃，设计工作寿命大于3年；锂电池直接供电给时钟电路和电源唤醒电路，并连接至主工作电源控制芯片TPS63030的输入端；所述温湿度传感器用于检测电路板工作环境温湿度是否正常；所述无线传输模块采用LORA无线模块，用于数据传输；所述电路板待机时，主工作电源控制芯片为断开状态，时钟电路和电源唤醒电路带电工作。
8.根据权利要求1所述基于过滤器式土壤墒情传感器的塔式剖面监测仪；其特征在于，测量过程为
（1）启动：通过时钟电路计时自动触发，或者通过手动触发磁力开关，唤醒电源电路，并持续输出高电平，系统电路上电；
（2）初始化：单片机上电后，对温湿度传感器、AD转换芯片、无线发送模块进行初始化；初始化完成后，读取温湿度值和电源电压值，并暂存于单片机；
（3） 测量系统上电：通过单片机指令，打开传感器工作电源，电源输出5VDC，通过升压DCDC（0509s）电路，输出±9V至交流发生器8036，从而产生±1.5V的交流正弦波，之后通过OP07运算放大器，增加驱动能力后连接到3个双刀继电器的公共端脚上；
（4）过滤器式土壤墒情传感器切换：单片机输出指令，接通切换继电器，传感器及取样电阻R导通，采集取样电阻R的交流电压，通过AD736完成交直流转换；
（5）土壤墒情监测：交直流转换电路AD736输出的直流电压信号，经过模数转换芯片，将对应数字量送至单片机，进行计算及存储；重复步骤（4）、步骤（5），对中过滤器式土壤墒情传感器(2)和上过滤器式土壤墒情传感器(3)进行测量；
（6）关闭传感器工作电源及上传数据：传感器监测完毕后，单片机控制传感器工作电源关闭，以减少功耗；同时单片机将计算存储的数据按通讯协议格式，经无线模块发送给网关；
（7）校时和数据下载：网关获得传感器监测数据通讯成功后，通过无线传输模块，发送校准时间和下次启动时间数据至单片机，单片机将时间信号下发到时钟芯片，设置好下次的启动时间；
（9）关机：校时和数据下载完成后，单片机发出关机指令给电源唤醒电路，电源唤醒电路获得信号后切断主工作电源以降低功耗，至此一个测量循环结束；
（10）磁力开关，用于满足手动启动需求或故障时重启系统。
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-
2019
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