CN110907624B - 一种土壤水分测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及土壤参数检测领域，公开了一种土壤水分测量系统，该土壤水分测量系统包括导管、传感器探头、信号线、绕线机构和控制机构；传感器探头沿导管的设置方向可活动地套设在导管内；信号线缠绕在绕线机构上，并引出接线端子；信号线的伸缩端与传感器探头连接，信号线的固定端与控制机构的信号接收端电连接，控制机构与绕线机构引出的接线端子相连。本发明提供的土壤水分测量系统，通过在导管内设置可活动地传感器探头，利用控制机构配合绕线机构和信号线控制传感器探头的移动，使得该土壤水分测量系统能够按照人为设定的测量深度间隔和测量时间间隔自动检测不同深度的土壤的水分参数，携带方便，插入测量地点即可开始测量，降低了测量误差。

Description

一种土壤水分测量系统

技术领域

本发明涉及土壤参数检测领域，特别是涉及一种土壤水分测量系统。

背景技术

不同深度土壤水分参数变化规律的监测是农业气象，作物环境监测的基础性工作之一，且对掌握植物生长土壤环境，墒情监测预测和其他相关生态监测预测服务与理论将起到不可忽视的作用，将有效促进精准农业的发展。不同深度土壤水分参数对于植物生长、溶质运移、降雨、径流测量、侵蚀和土壤最终形成等重要的物理、化学、生物和地质过程有着很大的影响。土壤和植物具有互相依赖、互相影响的关系，因此仅仅研究单一层面土壤含水信息对于解决农业生产问题的作用不大。传统的测量方法只是在单一层面获取土壤水分参数，不能实现对不同深度的土壤水分参数获取。由此，需要进行因地制宜的，面向不同作物生长规律的不同深度的土壤水分参数监测，为农业生产研究提供帮助。

土壤在经过一段时间或横跨一定区域会发生较大的变异，而人为灌溉、植物吸收和涵养等作用使土壤的变异进一步增大。由于日晒、雨淋等原因导致不同深度土壤水分参数不尽相同。因此定点埋置土壤水分传感器不仅具有较高的成本，而且所测数据只是土壤某一层面水分参数不具有代表性。对于土壤水分参数监测，现有技术中一种方式是利用网格法，对于每个点均使用纵向剖面水分测量仪获取土壤水分参数及其三维时空变化。

但是，由于设备功耗等问题需要专门建设设备所需要的设施结构才能实现测量，这种方式需要耗费大量人力成本，采集的数据信息较少，设备安装、携带等都有一定麻烦，而且不能满足要求数据量丰富的大面积土壤剖面水分测量。另外，对于按照一定时间间隔、一定距离深度间隔的短时间测量，按照这种方法进行人工测量较为困难，具有较大误差。

发明内容

(一)要解决的技术问题

鉴于上述技术缺陷和应用需求，本发明实施例提供一种土壤水分测量系统，用于解决现有土壤参数监测系统存在耗费成本高、测量区域小、安装麻烦，且不能够方便精准地进行监测等问题。

(二)技术方案

为解决上述问题，本发明提供一种土壤水分测量系统，包括：导管、传感器探头、信号线、绕线机构和控制机构；所述传感器探头沿所述导管的设置方向可活动地套设在所述导管内；所述信号线缠绕在所述绕线机构上，并引出接线端子；所述信号线的伸缩端与所述传感器探头连接，所述信号线的固定端与所述控制机构的信号接收端电连接，所述控制机构与所述绕线机构引出的所述接线端子相连。

进一步地，所述绕线机构包括：电机、电机座、绕线轮和集电环；所述电机设置在所述电机座上，所述电机的转动端与所述绕线轮连接，所述电机的控制端与所述控制机构电连接，所述集电环设置在所述绕线轮的端部，所述信号线的固定端通过所述集电环与所述控制机构电连接。

进一步地，所述绕线机构还包括：电机自锁器；所述的电机自锁器设置在所述控制机构上。

进一步地，所述土壤水分测量系统还包括：供电机构；所述供电机构包括：太阳能电池板和电池组；所述太阳能电池板通过所述电池组与所述控制机构的输电端电连接；所述控制机构的控制端同时与所述太阳能电池板和所述电池组电连接。

进一步地，所述电池组包括：第一电池组和第二电池组；所述太阳能电池板分别通过所述第一电池组和所述第二电池组与所述控制机构的输电端电连接。

进一步地，所述土壤水分测量系统还包括：校准环；所述校准环设置在所述导管和所述绕线机构之间，且所述校准环套设在所述信号线的伸缩端外。

进一步地，所述土壤水分测量系统还包括：上位机机构；所述上位机机构与所述控制机构通过无线通信连接。

进一步地，所述土壤水分测量系统还包括：控制箱体；所述绕线机构、所述供电机构和所述控制机构均设置在所述控制箱体上。

进一步地，所述控制机构包括：处理单元、存储单元和通信单元；所述处理单元用于根据接收到的信号控制所述绕线机构；所述存储单元用于存储所述传感器探头获取的信号；所述通信单元用于将所述处理单元和所述存储单元处理的中间信号发送至外部。

进一步地，所述导管内设有对应所述传感器探头移动的多个档位，各所述档位之间均间隔预设距离。

(三)有益效果

本发明提供的土壤水分测量系统，通过在导管内设置可活动地传感器探头，并利用控制机构配合绕线机构和信号线控制传感器探头的移动，使得该土壤水分测量系统能够按照人为设定的测量深度间隔和测量时间间隔自动检测不同深度的土壤的水分参数，携带方便，插入测量地点即可开始测量，有效降低了测量误差。

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，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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为本发明实施例提供的土壤水分测量系统的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的土壤水分测量系统的工作流程示意图；

附图标记说明：1、导管；2、传感器探头；3、信号线；4、控制机构；5、控制箱体；6、控制箱盖；7、太阳能电池板；8、电池组；9、电机；10、电机座；11、绕线轮；12、集电环；13、校准环；14、土壤。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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作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。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明实施例提供一种土壤水分测量系统，如图1所示，该土壤水分测量系统包括：导管1、传感器探头2、信号线3、绕线机构和控制机构4。导管1为有机玻璃导管。传感器探头2包括水分传感器和温度传感器。传感器探头2沿导管1的设置方向可活动地套设在导管1内。信号线3为柔性材料，信号线3缠绕在绕线机构上，并引出接线端子。信号线3的伸缩端与传感器探头2连接，同时信号线3的伸缩端也与传感器探头2电连接，用于接收传感器探头2采集的电信号。信号线3的固定端与控制机构4的信号接收端电连接，控制机构4与绕线机构引出的接线端子相连。

一般情况下导管1需沿竖直方向插入土壤14中100CM左右，用于提供传感探头在土壤14中的移动通道。在使用的时候，用圆形铲在土壤14中打出一个竖直的孔，手持导管插入孔中。导管1内设有对应传感器探头2移动的多个档位，各档位之间均间隔预设距离，预设距离可根据具体情况通过控制机构4进行调整。

其中，控制机构4包括：处理单元、存储单元和通信单元。处理单元用于根据接收到的信号控制绕线机构。存储单元用于存储传感器探头2获取的信号。通信单元用于将处理单元和存储单元处理的中间信号发送至外部。

具体地，传感器探头2在信号线3的牵引下，通过绕线机构的转动控制其在导管1中上下移动。当传感器探头2移动到指定测量点后，绕线机构停止转动，传感器探头2将稳定的土壤水分、温度数据转换为电信号通过信号线3传送到控制机构4。

作为一个优选实施例，如图2所示，具体工作流程包括下述步骤：首先，用圆形铲刀在土壤14中垂直打出一个通道，将导管1插入通道中。设备开机，系统启动。控制机构4控制绕线机构将传感器探头2放到最深处，具体深度可以用户设置，最大深处不超过100cm。然后控制机构4控制绕线机构从而控制传感器探头2按照预设距离间隔进行数据采集，并将采集到的数据进行储存。采集完一次之后，控制机构4开始判断是否采已采集了预设的全部点，若没有则继续控制绕线机构从而控制传感器探头2按照预设距离间隔进行数据采集。采集了所有点后，传感器探头2回到初始位置，然后整个系统进入低功耗休眠状态。等待控制机构4测量时间间隔的闹钟唤醒系统进行下一次采集。

本发明实施例提供的土壤水分测量系统，通过在导管内设置可活动地传感器探头，并利用控制机构配合绕线机构和信号线控制传感器探头的移动，使得该土壤水分测量系统能够按照人为设定的测量深度间隔和测量时间间隔自动检测不同深度的土壤的水分参数，携带方便，插入测量地点即可开始测量，有效降低了测量误差。土壤水分测量系统对掌握植物生长土壤环境，墒情监测预测和其他相关生态监测预测服务与理论将起到不可忽视的作用，将有效促进精准农业的发展。

在本发明提供的一实施例中，如图1所示，该绕线机构包括：电机9、电机座10、绕线轮11和集电环12。电机9可采用步进减速电机，集电环12可采用六路集电环。电机9设置在电机座10上，电机9的转动端与绕线轮11连接，即绕线轮11固定在电机9的动力输出轴上，绕线轮11用于绕线放线实现控制传感器探头2在导管1中上下移动。电机9的控制端与控制机构4电连接，集电环12设置在绕线轮11的端部，信号线3的固定端通过集电环12与控制机构4电连接。集电环12能够实现信号线3从绕线轮11引出连接到控制机构4上而不受绕线轮11旋转引起与控制机构4连接的信号线3的绕线问题。

其中，控制机构4还应包括电机驱动模块，用于实现微控制器对步进减速电机的精确控制。

具体地，电机9在控制机构4的控制下进行转动和停止，当电机9需要转动时，控制机构4控制电机9旋转指定角度，从而控制传感器探头2的移动距离。为了保证传感器探头深度，可直接增设电机自锁器，电机自锁器设置在控制机构4上。电机自锁器可采用电路结构、机械结构或者电路或机械结合结构，用于实现系统在休眠的时候不需消耗电能就能实现对电机的锁定，从而保证传感器探头深度的定位精度。例如采用电路结构时，当测量结束后，控制机构4会经过控制电路短接电机9的一相电路的两个端点，从而实现锁定电机9，从而防止因外界的影响而导致传感器探头2的移位，影响下一次的定位精度。

为了能够长期、全面有效的检测土壤状况，该土壤水分测量系统还可增设供电机构。供电机构包括：太阳能电池板7和电池组8。电池组8可采用锂电池组。太阳能电池板7通过电池组8与控制机构4的输电端电连接。控制机构4的控制端同时与太阳能电池板7和电池组8电连接，用于控制和调整太阳能电池板7和电池组8。

其中，电池组8包括：第一电池组和第二电池组。太阳能电池板7分别通过第一电池组和第二电池组与控制机构4的输电端电连接。两组电池组在控制机构4的控制下能够实现交替工作。在工作时，一组电池组为供电锂电池组，另一组为备用锂电池组。当一组锂电池组电量耗尽前，在控制机构4电源管理模块的控制下实现备用电池组和供电电池组的转换，同时本系统如若在太阳能电池板能工作的光照环境下，控制机构4的电源管理模块能够实现利用太阳能电池板输出的电能对备用锂电池组充电。控制机构4结合太阳能电池能够实现增加续航能力减少本系统功耗，从而增加整个测量系统的续航时间。

本实施例中，土壤水分测量系统还包括：校准环13。校准环13设置在导管1和绕线机构之间，且校准环13套设在信号线3的伸缩端外。校准环13在导管1外部且在导管1最上部固定着。校准环13为密闭空心环状物，内部装的是标准含水量的土壤，用于传感器探头2的土壤水分传感器的校准。本系统在使用时系统软件会对测量次数进行计数，当达到一定的数量后，系统会启动自动校准程序从而实现对传感器探头2中土壤水分传感器的校准。

进一步地，土壤水分测量系统还包括：上位机机构。上位机机构为安装上位机软件的电脑、手机等终端。上位机机构与控制机构4通过无线通信连接。从而实现人机交互。使用者可以在上位机机构上进行测量系统的参数设定。与此同时上位机机构还会获取整个系统的工作状态，包括电池电量信息、当前系统设置参数、数据采集情况等，从而在必要时进行人为干预。

进一步地，土壤水分测量系统还包括：控制箱体5；整机零部件都安装在控制箱体5上，即绕线机构、供电机构和控制机构4均设置在所述控制箱体上，且无需外部电源供电，从而实现便携性。在测量时不需要复杂的现场安装设备，将设备中的导管1插入土壤14中即可开始测量，从而实现即插即用。具体地，控制箱体5内部用于设置控制机构4、电池组8、电机9、电机座10、绕线轮11和集电环12。控制箱体5的底部中间开有方形孔，用于穿过信号线3，且在外侧底部开口处安放导管1。控制箱体5的顶部设有控制箱盖6，控制箱盖6其上部固定的太阳能电池板7，下方通过螺钉和控制箱体5相连。

作为一个优选实施例，如图2所示，具体工作流程包括下述步骤：首先，用圆形铲刀在土壤14中垂直打出一个通道，将导管1插入通道中。设备开机，系统启动。系统软件通过校准环13校准传感器探头2的土壤水分传感器。同时控制机构4利用系统软件读取内存中系统配置参数，包括测量距离间隔、测量时间间隔等，或者控制机构4通过无线通信从上位机设备中获取配置参数。控制机构4控制绕线机构将传感器探头2放到最深处，具体深度可以用户设置，最大深处不超过100cm。然后控制机构4控制绕线机构从而控制传感器探头2按照预设距离间隔进行数据采集，并将采集到的数据进行储存。采集完一次之后，控制机构4开始判断是否采已采集了预设的全部点，若没有则继续控制绕线机构从而控制传感器探头2按照预设距离间隔进行数据采集。采集了所有点后，传感器探头2回到初始位置，然后整个系统进入低功耗休眠状态。等待控制机构4测量时间间隔的闹钟唤醒系统进行下一次采集。

综上所述，本发明实施例提供的一种土壤水分测量系统，通过设置传感器探头包括水分传感器和温度传感器，能够实现对于不同深度土壤水分参数的采集存储和发送；通过设置温度传感器，能够用于校正所述水分传感探头的温度效应，使得监测采集获取的不同深度土壤水分参数更加精准；当所述传感器探头在上下移动的时候能够采集不同深度土壤的水分参数。同时设置了太阳能电池能够将太阳能转换为电能存储在备用电池组中，这为增加系统续航时间提供了方法。同时系统在测量完成后会进入休眠低功耗状态，从而减少系统功耗，增加续航时间。在休眠后，系统软件会设置一个软件闹钟，当到达设定的时间间隔，闹钟会唤醒系统，从而开始下一次的不同深度土壤水分参数的测量。便携的外观，能够在测量大田土壤不同深度水分参数的时候，能够实现即插即用，方便快捷。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种土壤水分测量系统，其特征在于，包括：

导管、传感器探头、信号线、校准环、绕线机构和控制机构；所述传感器探头包括水分传感器和温度传感器；所述传感器探头沿所述导管的设置方向可活动地套设在所述导管内；

所述绕线机构包括：电机、电机座、绕线轮和集电环；所述信号线缠绕在所述绕线轮上，并引出接线端子；所述信号线的伸缩端与所述传感器探头连接，所述电机设置在所述电机座上，所述电机的转动端与所述绕线轮连接，所述电机的控制端与所述控制机构电连接，所述集电环设置在所述绕线轮的端部，所述信号线的固定端通过所述集电环与所述控制机构的信号接收端电连接，所述控制机构与所述绕线机构引出的所述接线端子相连；所述校准环设置在所述导管和所述绕线机构之间，且所述校准环套设在所述信号线的伸缩端外；

所述导管内设有对应所述传感器探头移动的多个档位，各所述档位之间均间隔预设距离。

2.根据权利要求1所述的土壤水分测量系统，其特征在于，所述绕线机构还包括：电机自锁器；所述电机自锁器设置在所述控制机构上。

3.根据权利要求1所述的土壤水分测量系统，其特征在于，所述土壤水分测量系统还包括：供电机构；

所述供电机构包括：太阳能电池板和电池组；所述太阳能电池板通过所述电池组与所述控制机构的输电端电连接；所述控制机构的控制端同时与所述太阳能电池板和所述电池组电连接。

4.根据权利要求3所述的土壤水分测量系统，其特征在于，所述电池组包括：第一电池组和第二电池组；所述太阳能电池板分别通过所述第一电池组和所述第二电池组与所述控制机构的输电端电连接。

5.根据权利要求3所述的土壤水分测量系统，其特征在于，所述土壤水分测量系统还包括：上位机机构；所述上位机机构与所述控制机构通过无线通信连接。

6.根据权利要求5所述的土壤水分测量系统，其特征在于，所述土壤水分测量系统还包括：控制箱体；所述绕线机构、所述供电机构和所述控制机构均设置在所述控制箱体上。

7.根据权利要求1所述的土壤水分测量系统，其特征在于，所述控制机构包括：处理单元、存储单元和通信单元；

所述处理单元用于根据接收到的信号控制所述绕线机构；所述存储单元用于存储所述传感器探头获取的信号；所述通信单元用于将所述处理单元和所述存储单元处理的中间信号发送至外部。

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