CN111189878B

CN111189878B - 土壤含水量检测系统及土壤肥瘦预警方法

Info

Publication number: CN111189878B
Application number: CN202010076440.0A
Authority: CN
Inventors: 罗顺达; 刘凯华; 缴锡云; 徐化新; 傅嘉冰; 罗新泉; 颜心怡
Original assignee: Fujian Hengding Construction Engineering Co ltd; Hohai University HHU
Current assignee: Fujian Hengding Construction Engineering Co ltd; Hohai University HHU
Priority date: 2020-01-23
Filing date: 2020-01-23
Publication date: 2022-08-16
Anticipated expiration: 2040-01-23
Also published as: CN111189878A

Abstract

本发明提供了一种土壤含水量检测系统，包括：手柄壳体；设置于手柄壳体表面的太阳能面板；设置于手柄壳体内的DC‑DC转换器、储能单元以及无线信号传输单元；设置于手柄壳体下方的柱状插入部，柱状插入部为空心结构，且其表面设置有多个均匀分布的通孔；设置于手柄壳体内的加热电阻丝以及多个温度传感器；加热电阻丝沿手柄壳体的长度方向设置，且其两端分别与DC‑DC转换器电连接；温度传感器沿加热电阻丝的长度方向间隔设置于加热电阻丝的表面，且每一温度传感器分别与无线信号传输单元连接；数据处理控制单元，用于获取每一温度传感器在单位时间的升温情况，并根据单位时间的升温情况计算出不同深度的土壤的含水率。

Description

土壤含水量检测系统及土壤肥瘦预警方法

技术领域

本发明涉及一种土壤含水量检测系统及土壤肥瘦预警方法。

背景技术

土壤含水率是农业科学的重要基本参数。目前测量土体含水率的方法除最常用的称重法、电阻率法、FDR法外等。但是这些测试方法，都无法在同一时间对不同深度的土壤的含水率进行准确的测试。

发明内容

本发明提供了一种土壤含水量检测系统及土壤肥瘦预警方法，可以有效解决上述问题。

本发明是这样实现的：

一种土壤含水量检测系统，其包括：

手柄壳体；

设置于所述手柄壳体表面的太阳能面板；

设置于所述手柄壳体内的DC-DC转换器、储能单元以及无线信号传输单元，所述太阳能面板、所述储能单元以及所述DC-DC转换器顺序连接，所述无线信号传输单元与所述DC-DC转换器连接；

设置于所述手柄壳体下方的柱状插入部，所述柱状插入部为空心结构，且其表面设置有多个均匀分布的通孔；

设置于所述手柄壳体内的加热电阻丝以及多个温度传感器；所述加热电阻丝沿所述手柄壳体的长度方向设置，且其两端分别与所述DC-DC转换器电连接；所述温度传感器沿所述加热电阻丝的长度方向间隔设置于所述加热电阻丝的表面，且每一温度传感器分别与所述无线信号传输单元连接；

数据处理控制单元，用于获取每一温度传感器在单位时间的升温情况，并根据单位时间的升温情况计算出不同深度的土壤的含水率。

本发明进一步提供一种使用土壤含水量检测系统进行土壤肥瘦预警方法，所述土壤含水量检测系统包括：手柄壳体；

设置于所述手柄壳体表面的太阳能面板；

数据处理控制单元，用于获取每一温度传感器在单位时间的升温情况，并根据单位时间的升温情况计算出不同深度的土壤的含水率；

设置于每一土壤含水量信息传输装置旁的浇水管路以及电控阀门；所述预警方法包括：

S1，打开所述电控阀门对沟畦进行浇水；

S2，通过所述土壤含水量检测系统对对应区域的含水率进行检测，当土壤湿度达到预值时，关闭所述电控阀门，并统计每一土壤含水量信息传输装置附近的浇水时长Time-i以及平均浇水时长T=（Time-1+ Time-2+…Time-n）/i,其中，i为顺序的编号；

S3，判断每一区域浇水时长Time-i相对所述平均浇水时长T是否异常，是，则初步判断土壤含水量信息传输装置所对应区域的土壤肥力下降并进行预警。

本发明的有益效果是：本发明将所述柱状插入部埋设于土壤，土壤中的水份会通过所述通孔渗入柱状插入部内部，此时，通过所述DC-DC转换器对所述加热电阻丝进行加热，并通过间隔设置于所述加热电阻丝表面的温度传感器对所述加热电阻丝的表面进行温度采集，并将获得的温度数据通过无线信号传输单元传输给外界数据处理控制单元，外界的数据处理控制单元可根据温度数据实时准确的计算出不同深度的土壤的含水率。另外，本发明通过太阳能面板以及所述储能单元从而可以对所述土壤含水量信息传输装置进行供电，而无需外接或预埋线路，方便所述土壤含水量信息传输装置的使用。最后，本发明所提供的土壤含水量信息传输装置可以实时检测土壤的含水率，从而为灌溉的情况提供实时依据。最后，通过检测土壤含水量信息传输装置附近的浇水时长Time-i以及平均浇水时长T=（Time-1+ Time-2+…Time-n）/i，判断每一区域浇水时长Time-i相对所述平均浇水时长T是否异常，是，则初步判断土壤含水量信息传输装置所对应区域的土壤肥力下降并进行预警。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施方式的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。

图1是本发明实施例提供的土壤含水量检测系统的结构示意图。

图2是本发明实施例提供的土壤含水量检测系统中土壤含水量信息传输装置的结构示意图。

图3是本发明实施例提供的土壤含水量检测系统中不同含水率石英砂在单位时间的升温情况图。

具体实施方式

为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，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方式，都属于本发明保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式，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方式，都属于本发明保护的范围。

参照图1-2所示，本发明提供一种土壤含水量信息传输装置10，包括：

手柄壳体11；

设置于所述手柄壳体11表面的太阳能面板15；

设置于所述手柄壳体11内的DC-DC转换器12、储能单元13以及无线信号传输单元14，所述太阳能面板15、所述储能单元13以及所述DC-DC转换器12顺序连接，所述无线信号传输单元14与所述DC-DC转换器12连接；

设置于所述手柄壳体11下方的柱状插入部16，所述柱状插入部16为空心结构，且其表面设置有多个均匀分布的通孔161；

设置于所述手柄壳体11内的加热电阻丝18以及多个温度传感器17；所述加热电阻丝18沿所述手柄壳体11的长度方向设置，且其两端分别与所述DC-DC转换器12电连接；所述温度传感器17沿所述加热电阻丝18的长度方向间隔设置于所述加热电阻丝18的表面，且每一温度传感器17分别与所述无线信号传输单元14连接。

作为进一步改进的，所述柱状插入部16的直径5cm~15cm。本实施例中，所述柱状插入部16的直径约为8cm。

作为进一步改进的，所述土壤含水量信息传输装置10进一步包括粒径为0.25-0.35mm的细沙19，填充于所述手柄壳体11内。本实施例中，通过在所述手柄壳体11内填充标准的粒径的细沙19，从而避免所述加热电阻丝18直接与外界土壤接触，降低外界不同土壤对所述土壤含水量信息传输装置10检测的影响。另外，所述细沙19还可以快速吸水及失水，从而即时、快速反应土壤的含水率。

作为进一步改进的，所述柱状插入部16的长度为0.5米~1米。

作为进一步改进的，所述温度传感器17沿所述加热电阻丝18的长度方向每间隔0.2~0.3米设置于所述加热电阻丝18的表面。优选的，所述温度传感器17的间距为0.25米，通过间距的设定，从而可以降低相互之间的干扰。所述加热电阻丝18可以进一步设置导热绝缘硅胶层（图中未画出），一方面提高其与水的接触性能，另一方面起到绝缘效果。

作为进一步改进的，所述温度传感器17的型号为NB-PTCO-157的薄膜型铂电阻传感器。

作为进一步改进的，所述通孔161的孔径为0.1~0.2毫米。

作为进一步改进的，为了防止柱状插入部16上部的水份通过所述柱状插入部16留到下部影响下部的检测，优选的，在所述防止柱状插入部16中设置多个隔板21，使温度传感器17设置于不同的隔板空间中。

所述无线信号传输单元14可以是NB-IoT模块、蓝牙模块、WIFI模块等。本实施例中，所述无线信号传输单元14为NB-IoT模块。

请一并参照图1，本发明提供的土壤含水量信息传输装置10在使用是，将所述柱状插入部16预埋于沟畦30之间。具体的，所述土壤含水量信息传输装置10可以按照编号顺序埋设于所述沟畦30中。土壤中的水份会通过所述通孔161渗入柱状插入部16内部，此时，通过所述DC-DC转换器12供电从而对所述加热电阻丝18进行加热，并通过间隔设置于所述加热电阻丝18表面的温度传感器17对所述加热电阻丝18的表面进行温度采集（由于含水率，即湿度不同，其温度会有差异），并将获得的温度数据通过无线信号传输单元14传输给外界数据处理控制单元20，外界的数据处理控制单元20可根据温度数据实时准确的计算出不同深度的土壤的含水率。所述数据处理控制单元20以及所述土壤含水量信息传输装置10共同形成所述土壤含水量检测系统。

所述数据处理控制单元20根据温度数据结果与设定含水率之间所建立函数关系，然后根据所述函数关系推求土壤含水率。具体的，以粒径约为0.25mm的石英砂为例，在加热功率相同的情况下测定不同含水率石英砂在单位时间（1分钟）的升温情况，如下表及下图3所示：

表1为不同含水率石英砂在单位时间的升温情况

含水率（m3*m-3）	温差(℃)
		0.001	11.78
0.05	11.11
		0.1	9.23
0.15	7.98
		0.2	6.13
0.25	4.95
		0.3	3.87
0.35	3.66
		0.4	3.34

其中，干砂（即，含水率为0.001 m³*m^-3）在单位时间（1分钟）的升温最快，达到11.78℃；而0.25mm粒径饱和石英砂（即，含水率为0.40m³*m^-3）在单位时间（1分钟）的升温最慢，仅仅达到3.34℃。其，基本满足ΔT= 35.002x²-37.341x+12.383关系，其中，X为含水率。

请一并参照图1,及图4，本发明实施例进一步提供一种通过所述土壤含水量检测系统进行预警的方法。所述土壤含水量检测系统进一步包括设置于每一土壤含水量信息传输装置10旁的浇水管路40以及电控阀门50。

所述预警方法包括：

S1，打开所述电控阀门50对所述沟畦30进行浇水；

S2，通过所述土壤含水量检测系统对对应区域的含水率进行检测，当土壤湿度达到预值时，关闭所述电控阀门50，并统计每一土壤含水量信息传输装置10附近的浇水时长Time-i以及平均浇水时长T=（Time-1+ Time-2+…Time-n）/i,其中，i为顺序的编号；

S3，判断每一区域浇水时长Time-i相对所述平均浇水时长T是否异常，是，则初步判断土壤含水量信息传输装置10所对应区域的土壤肥力下降并进行预警。

由于肥沃土壤的水分下渗较为平缓，而瘦土灌水后会快速下渗或从其他地方流失；故，通过检测土壤含水量信息传输装置10附近的浇水时长Time-i以及平均浇水时长T=（Time-1+ Time-2+…Time-n）/i，判断每一区域浇水时长Time-i相对所述平均浇水时长T是否异常（例如，小于0.8T，或大于1.2T），是，则初步判断土壤含水量信息传输装置10所对应区域的土壤肥力下降并进行预警。

本发明实施例进一步提供一种通过所述土壤含水量检测系统进行浇灌的方法。

S4，通过所述土壤含水量检测系统对对应区域的含水率进行检测，当土壤湿度低于预值时，打开所述电控阀门50；

S5，通过所述土壤含水量检测系统对对应区域的含水率进行检测，当土壤湿度达到预值时，关闭所述电控阀门50。

所述电控阀门50可以通过所述数据处理控制单元20进行远程控制。所述数据处理控制单元20可以是主机电脑、或云端服务器等。

以上所述仅为本发明的优选实施方式而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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

1.一种土壤含水量检测系统，其特征在于，包括：

土壤含水量信息传输装置（10），其包括：

手柄壳体（11）；

设置于所述手柄壳体（11）表面的太阳能面板（15）；

设置于所述手柄壳体（11）内的DC-DC转换器（12）、储能单元（13）以及无线信号传输单元（14），所述太阳能面板（15）、所述储能单元（13）以及所述DC-DC转换器（12）顺序连接，所述无线信号传输单元（14）与所述DC-DC转换器（12）连接；

设置于所述手柄壳体（11）下方的柱状插入部（16），所述柱状插入部（16）为空心结构，且其表面设置有多个均匀分布的通孔（161）；

设置于所述手柄壳体（11）内的加热电阻丝（18）以及多个温度传感器（17）；所述加热电阻丝（18）沿所述手柄壳体（11）的长度方向设置，且其两端分别与所述DC-DC转换器（12）电连接；所述温度传感器（17）沿所述加热电阻丝（18）的长度方向间隔设置于所述加热电阻丝（18）的表面，且每一温度传感器（17）分别与所述无线信号传输单元（14）连接，所述柱状插入部（16）内设置若干隔板（21），所述温度传感器（17）分别设置于若干所述隔板（21）与所述柱状插入部（16）的内壁围合形成的不同的隔板空间中；

数据处理控制单元（20），用于获取每一温度传感器（17）在单位时间的升温情况，并根据单位时间的升温情况计算出不同深度的土壤的含水率，单位时间的升温情况ΔT及土壤的含水率x 满足：ΔT= 35.002x²-37.341x+12.383；

粒径为0.25-0.35mm的细沙，填充于所述手柄壳体（11）内。

2.根据权利要求1所述的土壤含水量检测系统，其特征在于，所述柱状插入部（16）的长度为0.5米~1米。

3.根据权利要求1所述的土壤含水量检测系统，其特征在于，所述温度传感器（17）沿所述加热电阻丝（18）的长度方向每间隔0.2~0.3米设置于所述加热电阻丝（18）的表面。

4.根据权利要求1所述的土壤含水量检测系统，其特征在于，所述温度传感器（17）的型号为NB-PTCO-157的薄膜型铂电阻传感器。

5.根据权利要求1所述的土壤含水量检测系统，其特征在于，所述通孔（161）的孔径为0.1~0.2毫米。

6.一种使用土壤含水量检测系统进行土壤肥瘦预警方法，其特征在于，所述土壤含水量检测系统包括：土壤含水量信息传输装置（10），其包括：手柄壳体（11）；设置于所述手柄壳体（11）表面的太阳能面板（15）；设置于所述手柄壳体（11）内的DC-DC转换器（12）、储能单元（13）以及无线信号传输单元（14），所述太阳能面板（15）、所述储能单元（13）以及所述DC-DC转换器（12）顺序连接，所述无线信号传输单元（14）与所述DC-DC转换器（12）连接；设置于所述手柄壳体（11）下方的柱状插入部（16），所述柱状插入部（16）为空心结构，且其表面设置有多个均匀分布的通孔（161）；设置于所述手柄壳体（11）内的加热电阻丝（18）以及多个温度传感器（17）；所述加热电阻丝（18）沿所述手柄壳体（11）的长度方向设置，且其两端分别与所述DC-DC转换器（12）电连接；所述温度传感器（17）沿所述加热电阻丝（18）的长度方向间隔设置于所述加热电阻丝（18）的表面，且每一温度传感器（17）分别与所述无线信号传输单元（14）连接，所述柱状插入部（16）内设置若干隔板（21），所述温度传感器（17）分别设置于若干所述隔板（21）与所述柱状插入部（16）的内壁围合形成的不同的隔板空间中；数据处理控制单元（20），用于获取每一温度传感器（17）在单位时间的升温情况，并根据单位时间的升温情况计算出不同深度的土壤的含水率，单位时间的升温情况ΔT及土壤的含水率x满足：ΔT= 35.002x²-37.341x+12.383；粒径为0.25-0.35mm的细沙，填充于所述手柄壳体（11）内；设置于每一土壤含水量信息传输装置（10）旁的浇水管路（40）以及电控阀门（50）；所述预警方法包括：

S1，打开所述电控阀门（50）对沟畦（30）进行浇水；

S2，通过所述土壤含水量检测系统对对应区域的含水率进行检测，当土壤湿度达到预值时，关闭所述电控阀门（50），并统计每一土壤含水量信息传输装置（10）附近的浇水时长Time-i以及平均浇水时长T=（Time-1+ Time-2+…Time-n）/i,其中，i为顺序的编号；

S3，判断每一区域浇水时长Time-i相对所述平均浇水时长T是否异常，是，则初步判断土壤含水量信息传输装置（10）所对应区域的土壤肥力下降并进行预警。