CN111189856B - 一种采用环境反向散射技术的土壤水分检测方法 - Google Patents

一种采用环境反向散射技术的土壤水分检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种采用环境反向散射技术的土壤水分自动检测方法，属于土壤水分检测技术领域；其步骤包括：建立土壤水分检测系统；建立土壤水含量与方波频率的对应关系；建立多个土壤水分传感器网络；信号接收与土壤水含量计算；本方法能够极大减小土壤水分传感器的功耗，降低传感网络的维护成本，有助于实现在精准农业中土壤水分传感器的多点部署及在无人值守情况下长时间工作的目的。

Description

一种采用环境反向散射技术的土壤水分检测方法
技术领域
本发明一种采用环境反向散射技术的土壤水分检测方法，属于土壤水分检测技术领域。
背景技术
大规模部署土壤水分传感器是实时、准确监测某一区域内土壤水分变化情况的常用方法，但是各种土壤水分传感器网络均存在功耗大、寿命低等问题。现阶段，传感器网络的供电方式主要分为电缆和电池两种方式，但是在实际使用中均存在极大的不便。电缆方式不但会增加监测系统的成本，而且铺设于土壤浅层的线路会影响农业生产活动以及存在安全风险；电池方式受环境的影响极大（尤其在北方地区），即使增加了太阳能供电也仍需要不定期人为更换电池。因此，为了减缓电量消耗速度，延长传感器的使用时间，普遍采用的折中策略是通过降低传感器的采集频率，缩短传感器数据传输的时间，从而减少传感器数据传输过程中消耗的电量。但是这种以牺牲数据采集频率换取更长工作时间的方案不利于在精准农业的应用推广。
环境反向散射技术是一种利用周围环境中现有信号（例如广播信号）的通信技术，具体是通过识别环境信号的反射与不反射两种状态实现传感器与信号接收器之间的数据传输，具有成本低、功耗低的优点。在射频识别领域以及物联网行业具有广阔的应用前景。基于上述考虑，亟需一种能够利用环境反向散射的土壤水分检测方法实现土壤水分的长时间监测。
发明内容
本发明一种采用环境反向散射技术的土壤水分检测方法，克服了现有技术存在的不足，提供一种耗电量低、可以大范围进行土壤水分检测的方法。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种采用环境反向散射技术的土壤水分检测方法，包括：
建立土壤水分检测系统；
其中，土壤水分检测系统包括土壤水分传感器，土壤水分传感器包括控制电路、探头、射频开关和天线，探头埋设在土壤中，根据含水量的不同会产生不同的电容值，控制电路检测到电容值后输出一定频率的方波信号，射频开关的控制端收到方波信号后，分别在方波信号的高低电平状态下选择不同的天线阻抗，入射信号被天线接收后，由于不同的天线阻抗，反射信号的频率变化反映出土壤含水量；
建立土壤水含量与方波频率的对应关系；
配置信号接收系统接收各种环境信号和土壤水分传感器的反射信号，经过滤波处理得到环境信号和以环境信号为中心左右对称的副载波信号，通过副载波信号频率与环境信号中心频率的偏移得到土壤含水量。
进一步的，还包括：
建立多个土壤水分传感器网络，具体步骤为：
首先将土壤水分传感器进行编号，然后通过在土壤水分传感器的输出频率中加入偏移量，使得每一个土壤水分传感器的输出频率范围被偏移到互不重叠的频带内，最后在相邻土壤水分传感器之间设置保护频带。
进一步的，所述建立土壤水含量与方波频率的对应关系的具体步骤包括：在实验室环境中制作标准土壤样本，将所述探头插入土壤样本中；所述控制电路采集电容值并转换为方波，同时通过标准称重法测得土壤水含量；记录一个实验周期方波频率和土壤水含量两组数据，并拟合确定两者近似的对应关系，一个实验周期为土壤样本由湿润状态至完全风干的时长；重复多个实验周期，得到方波频率和土壤水含量两者准确的对应关系。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果。
本发明通过调制环境信号传输土壤水分数据，实现了数据的无源无线传输，极大节省了传感器的通信功耗，有利于土壤水分的长期监测；减小了传感器网络的维护成本，便于传感器网络的大规模部署；环境信号种类众多、分布广泛，使得本发明中传感器网络的部署地点不受限制。所以本发明可以满足土壤水分传感器大范围、多节点、长期监测的需求。
附图说明
图1为本发明实施例中的土壤水分检测系统的原理图。
图2为本发明实施例中多个土壤水分传感器组网时的频带分布示意图。
图3为本发明实施例中土壤水分传感器的电路图。
图4为本发明实施例中的土壤水分检测系统的现场应用示意图。
图5为本发明实施例中信号接收系统接收到的副载波频率的变化示意图。
图中，1-控制电路，2-探头，3-射频开关，4-天线阻抗，5-天线，6-入射信号，7-反射信号，8-555定时器，9-电容极板，10-MOS管，14-电阻，15-电容，16-环境信号，17-副载波信号，18-环境信号源，19-环境信号接收系统，20-土壤水分传感器，21-监控中心。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的说明。
如图1所示，本发明一种采用环境反向散射技术的土壤水分检测方法，包括以下步骤：
一、建立土壤水分检测系统。
其中，土壤水分检测系统包括土壤水分传感器20，土壤水分传感器20包括控制电路1、探头2、射频开关3和天线5，探头2埋设在土壤中，根据含水量的不同会产生不同的电容值，控制电路1检测到电容值后输出一定频率的方波信号，频率为f，射频开关3的控制端收到方波信号后，分别在方波信号的高低电平状态下选择不同的天线阻抗4，入射信号6被天线5接收后，由于不同的天线阻抗4，反射信号7的频率变化反映出土壤含水量。入射信号6为环境信号，频率为fc，天线反射、吸收入射信号的切换频率也为f，反射信号7的频率为fc±f。
二、建立土壤水含量与方波频率的对应关系。
在实验室环境中制作标准土壤样本，将探头2插入土壤样本中；控制电路1采集电容值并转换为方波，同时通过标准称重法测得土壤水含量；记录一个实验周期方波频率f和土壤水含量θ两组数据，并拟合确定两者近似的对应关系，一个实验周期为土壤样本由湿润状态至完全风干的时长；重复多个实验周期，得到方波频率f和土壤水含量θ两者准确的对应关系θ=Φ(f)。
三、建立多个土壤水分传感器网络。
如图2所示，首先将土壤水分传感器进行编号，然后通过在土壤水分传感器的输出频率中加入偏移量，使得每一个土壤水分传感器的输出频率范围被偏移到互不重叠的频带内，最后在相邻土壤水分传感器之间设置保护频带，以避免相邻土壤水分传感器的输出频率在公共边界聚集，导致识别困难的问题。
四、信号接收与土壤水含量计算。
配置信号接收系统19接收各种环境信号和土壤水分传感器20的反射信号7。根据所使用的环境信号设定接收系统的工作参数，经过信号接收系统19内置的带通滤波器滤掉不需要的低、高频信号后处理得到环境信号和以环境信号为中心左右对称的副载波信号，通过副载波信号频率与环境信号中心频率的偏移得到土壤含水量。滤波后的信号频率组成主要包括环境信号fc和以环境信号为中心左右对称的副载波信号fc±f。由于在步骤二建立了土壤水含量θ与频率 f的关系θ=Φ(f)，因此可以通过副载波频率θ=Φ(f)与中心频率fc的偏移f获得土壤水含量θ。
具体实施时，土壤水分传感器的电路图如图3所示，使用555定时器8构成控制电路1，PCB工艺的电容极板9作为传感器的探头2，探头在反映土壤水含量的同时也影响控制电路的输出频率f；MOS管10作为切换不同天线阻抗4的射频开关3；控制电路输出高电平时，MOS管导通，漏极D与源极S间的阻抗近似为零，入射信号6的能量被公共端吸收，控制电路输出低电平时，MOS管关断，漏极D与源极S的阻抗近似无穷，入射信号被天线5反射，反射信号13的频率为fc±f。
现场使用图如图4所示，反射信号7以及环境信号源18发射处的入射信号6经空气传播后被环境信号接收系统19接收，并且经滤波处理后传输到监测中心21。如图5所示，接收的信号幅值最大的信号为环境信号16即入射信号6，两边对称的副载波信号17为传感器的反射信号7，频率为fc±fk，其中k=1，2，…，n。副载波信号相对环境信号的频率偏移fk为控制电路的输出频率。随着水分的变化，副载波信号的频率由最初的fc±fk逐渐变化为fc±f1，由频率f和土壤水含量θ两者的对应关系θ=Φ(f)，可以得出土壤水含量的变化情况。
对于由多个土壤水分传感器组成的传感器网络，首先将传感器编号，然后通过硬件电路分配给每一个传感器不同的频带，避免传感器之间频率的混叠。具体方法为：根据为每一个传感器分配的频带，在控制电路中设计不同的电阻14和电容15，具体计算公式如下：
Figure 255871DEST_PATH_IMAGE002
Figure DEST_PATH_IMAGE004
式中，fmax、fmin分别为分配频带的上下限值，Cmax、Cmin分别为土壤含水量最大值和最小值对应的电容值。
环境信号源18、环境信号接收系统19以及多个土壤水分传感器20共同组成土壤水分传感器网络。多个土壤水分传感器部署在一定范围的被测土壤中，选择FM广播信号作为环境信号源，传感器反向散射环境信号用于传输土壤水分数据，环境信号接收系统将接收到的环境信号及反射信号（包含土壤水分、传感器编号等信息）传输至监控中心21。
尽管已经参照其示例性实施例具体显示和描述了本发明，但是本领域的技术人员应该理解，在不脱离权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下，可以对其进行形式和细节上的各种改变。

Claims (2)

1.一种采用环境反向散射技术的土壤水分检测方法，其特征在于，包括：
建立土壤水分检测系统；
其中，土壤水分检测系统包括土壤水分传感器（20），土壤水分传感器（20）包括控制电路（1）、探头（2）、射频开关（3）和天线（5），探头（2）为 PCB工艺的电容极板（9），探头（2）埋设在土壤中，根据含水量的不同会产生不同的电容值，控制电路（1）检测到电容值后输出一定频率的方波信号，射频开关（3）使用MOS管（10），MOS管（10）的栅极与电阻（14）的一端相连，电阻（14）的另一端分别与电容（15）和电容极板（9）的一端相连，电容（15）和电容极板（9）的另一端都接地，射频开关（3）的控制端收到方波信号后，分别在方波信号的高低电平状态下选择不同的天线阻抗（4），入射信号（6）被天线（5）接收后，由于不同的天线阻抗（4），反射信号（7）的频率变化反映出土壤含水量；
建立土壤水含量与方波频率的对应关系；
配置信号接收系统（19）接收各种环境信号和土壤水分传感器（20）的反射信号（7），经过滤波处理得到环境信号和以环境信号为中心左右对称的副载波信号，通过副载波信号频率与环境信号中心频率的偏移得到土壤含水量；
建立多个土壤水分传感器网络，具体步骤为：
首先将土壤水分传感器进行编号，然后通过在土壤水分传感器的输出频率中加入偏移量，使得每一个土壤水分传感器的输出频率范围被偏移到互不重叠的频带内，最后在相邻土壤水分传感器之间设置保护频带；其中，每一个水分土壤传感器中的电阻（14）和电容（15）的计算公式如下：
Figure 881603DEST_PATH_IMAGE002
式中，Cp为电容（15）的电容值，R为电阻（14）的电阻值，fmax、fmin分别为分配频带的上下限值，Cmax、Cmin分别为土壤含水量最大值和最小值对应的电容值。
2.根据权利要求1所述的一种采用环境反向散射技术的土壤水分检测方法，其特征在于：所述建立土壤水含量与方波频率的对应关系的具体步骤包括：在实验室环境中制作标准土壤样本，将所述探头（2）插入土壤样本中；所述控制电路（1）采集电容值并转换为方波，同时通过标准称重法测得土壤水含量；记录一个实验周期方波频率和土壤水含量两组数据，并拟合确定两者近似的对应关系，一个实验周期为土壤样本由湿润状态至完全风干的时长；重复多个实验周期，得到方波频率和土壤水含量两者准确的对应关系。
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