CN111707803B - 一种便携式土壤多参数原位测定及校准装置的使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种便携式土壤多参数原位测定及校准装置的使用方法，由触摸式人机交互仪表面板，多参数数据测量及校准嵌入式主板和防水型便携式结构组成。采用本发明的装置提出的必须进行原位土壤上的土壤类传感器的稳定测量参数获取方法，去除土壤本身干扰信号，更科学，更接近真实数据，误差小，本发明的装置获取的空间信息，包括经纬度和土壤深度，不仅进行时间轴的数据记录，还进行了空间轴信息记录，非常适用于野外调查过程中土壤空间数据统计分析，大大提高土壤调查工作中效率。

Description

一种便携式土壤多参数原位测定及校准装置的使用方法

技术领域

本发明属于一种便携式土壤多参数原位测定及校准装置的使用方法，涉及具备准确测量和原位校准当前土壤类传感器(土壤含水量、土壤温度、土壤电导率/土壤盐分、土壤pH、土壤氧化还原电位等传感器)的便携式智能仪表领域，具体是便携式土壤多参数原位测定及校准装置。

背景技术

近年来随着数字农业、精准农业、物联网农业、智慧农业、生态环境监测、防汛抗旱水资源监测的大量需求，已推动了土壤类传感器的发展。各种不同类型的土壤传感器近几年发展迅速，种类繁多，现有的各传感器厂家的产品输出信号有以下几种类型：电压、电流、485数字、SDI-12、232数字、频率。然至今没有统一标准，所以对应的读数仪表都是各厂家自己配套，市面上出售的配套仪表根据各自厂家自己标定的土壤标样进行写入各自的计算公式。

据国内外研究表明，由于土壤介质在全球分布范围内，其土壤类型(土壤机械组成)、土壤有机质、土壤盐分、土壤孔隙、土壤溶液可溶性成分具有空间差异性，每一种土壤传感器都难于用一个通用的测量方程去准确(<1％全量程误差)评估全球各地的土壤测量参数，为了达到准确测量的目的，往往需要用户使用土壤类传感器时必须进行原位校准或率定。而厂家使用自己标定的计算公式，即应用较少的样本进行统计分析和归纳出厂的率定曲线和方程，往往在实际现场使用时测量效果不佳，甚至出现测量错误。

土壤类传感器一般应用场景分为固定式数据采集和移动巡航式数据采集，当前固定式数据采集方式存在以下问题：(1)传感器校准或率定参数不准；(2)传感器运行期内存在土壤孔隙影响引起数据急剧变化；(3)地理位置信息人为干预而采集不准确等问题。移动巡航式数据采集往往使用一个读数仪表进行操作，当前存在以下的问题：只具备显示功能，常出现掉电时间信息不准，传感器较多只能用厂家设定计算方式进行，没有计量校准相关的标准。

在土壤类测量设备的专利中，现有专利都将仪表看作测量显示设备进行了保护。如中国专利号CN103837665B公布了一种点阵式土壤负压/含水量测量装置，中国专利号CN203519604U是一种微波雷达测深土壤水分测试仪，中国专利号CN2098033U是电势差式土壤含水量计，中国专利号CN102788566A是一种土壤表面粗糙度测量板及测量方法，中国专利号CN102288643A是土壤中有机质的测量方法及装置等，这些专利都将仪表作为一种测量方法的显示装置进行专利保护。

还有一部分如中国专利号CN2045494U是关于多功能土壤分析仪，专利号WO2014094381A1是一种土壤表面氮元素分布的快速测量方法和系统，专利号CN201765468U是一种通用信号输入数显控制仪表，专利号CN104244697A是土壤条件的监测与控制装置，这些专利技术中描述的仪表除了测量以外还具备分析和控制功能。

除了土壤类仪器仪表和设备专利外，中国专利号CN205158065U是一种基于蓝牙的便携式双通道传感器采集装置，实现两类传感器信号的直接测量、记录、存储及自动远程传输；中国专利号CN102514491A是一种汽车仪表显示装置，可科学有序显示多种汽车功能和车况信息，以及提示各种故障信息；中国专利号CN202098288U是一种基于汽车总线的虚拟仪表系统，将各种显示状态有机组合，形成一个智能辅驾系统；中国专利号CN101949713B是改进现有的汽车组合仪表，使其具有带诊断功能的串行通讯接口，配合使用汽车仪表诊断器，实现对出现故障的具体仪表、故障原因和采样值误差量化的精确诊断，为准确地判定故障部件提供直接依据，进而缩短维修时间、有效地降低检修成本。以上这类专利提及到的仪表除了具备测量、分析、控制外，由于应用场景富含多类传感器数据，故还具备了如故障诊断相关的专利技术。

发明内容

本发明要解决的技术问题就是克服用户在使用土壤类传感器时使用厂家仪表无法进行现场准确测量和自定义原位校准或率定，本发明提供的便携式土壤多参数原位测定及校准装置通过人机交互的向导作用巧妙的解决了以上问题。

为了解决上述问题，本发明的技术方案为：便携式土壤多参数原位测定及校准装置，由触摸式人机交互仪表面板，多参数数据测量及校准嵌入式主板和防水型便携式结构组成。

作为改进，所述触摸式人机交互仪表面板由测量校准系统软件、四芯快速接口、BNC接口、电源按钮和八通道接线柱，所述四芯快速接口有两个，所述BNC接口有三个，所述电源按钮和八通道接线柱均各有一个。

作为改进，所述多参数数据测量及校准嵌入式主板通过电气连接触摸式人机交互仪表面板，所述多参数数据测量及校准嵌入式主板的输入通道支持采集包括高阻抗电极(1MΩ-1TΩ)、电阻(100Ω-1MΩ)、电压(0-10v)、电流(0-50mA)、RS232、RS485和SDI-12数字型信号输入，兼容以上的信号输入便于直接兼容市面上主流的各种土壤类传感器，且电路表面经过防水涂漆处理。

作为改进，所述多参数数据测量及校准嵌入式主板内含有一套驱动程序及协议，所述驱动程序协议用于多参数数据测量及校准嵌入式主板和触摸式人机交互仪表面板上触摸屏串行接口通信，所述驱动程序协议可以实现测量和校准的质量控制及信号传输。

作为改进，所述多参数数据测量及校准嵌入式主板连接锂电池，所述锂电池中的电路设计可进行充电，且能够防止接口正负反接，所述锂电池中的电路设计对锂电池输出电压进行驱动设定电压输出控制，包括供电电源电压控制和供电时序控制。

作为改进，所述防水型便携式结构与参数数据测量及校准嵌入式主板及触摸式人机交互仪表面板紧凑的装配在一体，且封装接缝通过平面紧固和微量硅胶涂层处理，通信及传感器输入接口通过接口内防水进行处理。

作为改进，所述测量校准系统软件的运行系统为安卓4.0以上，且触摸显示屏为电容式。

作为改进，所述测量校准系统软件可以进行高级数据处理和分析功能，所述高级数据处理和分析功能包括传感器的稳定测量参数W(e、f、g)获取，传感器校准参数L(a、b、c)获取，土壤空间数据分析及历史数据四维(空间三维+时间轴)可视化。

作为改进，两个所述BNC接口支持高阻抗电极连接，所述四芯快速接口支持南京思摩特传感器有限公司生产的SS系列标准接口型传感器，所述八通道接线柱上的端子接口支持市面上各种主流的土壤类传感器裸线连接，其中一个所述BNC接口用于对各种待接入传感器进行信号分析。

本发明与现有的技术相比的优点在于：

采用本发明的装置提出的必须进行原位土壤上的土壤类传感器的稳定测量参数获取方法，去除土壤本身干扰信号，更科学，更接近真实数据，误差小，本发明的装置获取的空间信息，包括经纬度和土壤深度，和实验室仪器仪表完全不同，不仅进行时间轴的数据记录，还进行了空间轴信息记录，非常适用于野外调查过程中土壤空间数据统计分析，大大提高土壤调查工作中效率。

附图说明

图1为本发明应用于土壤多参数传感器准确测量的原理图。

图2为土壤类传感器的稳定测量参数原位获取曲线图。

图3为装置的八通道接口及BNC接口连接的核心电路原理图。

图4为产品结构示意图。

图5为校准曲线图。

如图所示：1、触摸式人机交互仪表面板，2、多参数数据测量及校准嵌入式主板，3、防水型便携式结构，4、四芯快速接口，5、BNC接口，6、电源按钮，7、八通道接线柱。

具体实施方式

下面结合实施例和附图说明对本发明做进一步的描述。

如图1至图4所示，便携式土壤多参数原位测定及校准装置，由触摸式人机交互仪表面板1，多参数数据测量及校准嵌入式主板2和防水型便携式结构3组成。

所述触摸式人机交互仪表面板1由测量校准系统软件、四芯快速接口4、BNC接口5、电源按钮6和八通道接线柱7，所述四芯快速接口4有两个，所述BNC接口5有三个，所述电源按钮6和八通道接线柱7均各有一个。

所述多参数数据测量及校准嵌入式主板2通过电气连接触摸式人机交互仪表面板1，所述多参数数据测量及校准嵌入式主板2的输入通道支持采集包括高阻抗电极(1MΩ-1TΩ)、电阻(100Ω-1MΩ)、电压(0-10v)、电流(0-50mA)、RS232、RS485和SDI-12数字型信号输入，兼容以上的信号输入便于直接兼容市面上主流的各种土壤类传感器，且电路表面经过防水涂漆处理，有效的防止野外调查工作仪表内部电路板淋水。

所述多参数数据测量及校准嵌入式主板2内含有一套驱动程序及协议，所述驱动程序协议用于多参数数据测量及校准嵌入式主板2和触摸式人机交互仪表面板1上触摸屏串行接口通信，所述驱动程序协议可以实现测量和校准的质量控制及信号传输。

所述多参数数据测量及校准嵌入式主板2连接锂电池，所述锂电池中的电路设计可进行充电，且能够防止接口正负反接，有效的提供野外调查工作实际需要，所述锂电池中的电路设计对锂电池输出电压进行驱动设定电压输出控制，包括供电电源电压控制和供电时序控制。

所述防水型便携式结构3与参数数据测量及校准嵌入式主板2及触摸式人机交互仪表面板1紧凑的装配在一体，且封装接缝通过平面紧固和微量硅胶涂层处理，保证接缝防水，通信及传感器输入接口通过接口内防水进行处理，保证接口无法通水，只支持电气连接，如检测到接口中Vcc和Gnd连通，系统自动保护切断主电路。

所述测量校准系统软件的运行系统为安卓4.0以上，且触摸显示屏为电容式，可进行对使用者手指操作输入和向导、数据展示及人机互动。

所述测量校准系统软件可以进行高级数据处理和分析功能，所述高级数据处理和分析功能包括传感器的稳定测量参数W(e、f、g)获取，传感器校准参数L(a、b、c)获取，土壤空间数据分析及历史数据四维(空间三维+时间轴)可视化。

两个所述BNC接口5支持高阻抗电极连接，所述四芯快速接口4支持南京思摩特传感器有限公司生产的SS系列标准接口型传感器，所述八通道接线柱7上的端子接口支持市面上各种主流的土壤类传感器裸线连接，其中一个所述BNC接口5用于对各种待接入传感器进行信号分析。

在具体的使用中，其使用方法如下：

第一步：兼容市面上主流土壤传感器信号及传感器供电方式

在触摸式人机交互仪表面板1上，设计的其中两个BNC接口5支持高阻抗电极连接，接口所连接的电路板高阻抗测量电路实现该类传感器的毫伏测量(类似毫伏计)，支持包括传统pH电极、氧化还原电位电极。

在触摸式人机交互仪表面板1上，设计的四芯快速接口4支持南京思摩特传感器有限公司生产的SS系列标准接口型传感器，接口所连接的电路板数字电路部分实现该类传感器的地址识别和数据采集，支持包括SS-TRS20x系列、SS-TRS40x系列、SS-PHxxx系列和SS-EHxxx系列土壤类传感器。

在触摸式人机交互仪表面板1上，设计的八通道接线柱7上的端子接口支持市面上各种主流的土壤类传感器裸线连接，包括美国CSI、德国IMKO、美国Stevens、英国DeltaT、美国Meter、澳大利亚Sentek等各大土壤传感器厂家。八通道接线柱7上的端子接口所连接的电路板数字电路部分可程式控制直流电压5-24v输出给传感器电源线端，并采集传感器输出的原始信号。

第二步：可兼容型土壤类传感器的稳定测量参数获取W(e、f、g)

触摸式人机交互仪表面板1上，设计的另一个BNC接口5用于对各种待接入传感器进行信号分析，这个BNC接口5所连接的采集电路部分高速采集和记录接入传感器放置在待测原位土壤中，上电时刻t1到信号稳定时刻t2后20s时刻t3(t2+20)间的模拟量采集过程曲线M，通过分析提取稳定测量参数获取W(e、f、g)。f为曲线M中稳定段曲线m的采集值的算术平均值，e为传感器上电时刻t1到曲线m段前5％位置时刻t4的时间差T，T以秒为单位，如T的计算结果为小数即进一取整，如计算的T＝3.4秒，则T＝4。g为曲线M中稳定段曲线m的采集值的标准差值，g值由自定义型gmax为前置条件，即gmax为已设定的固定值，当获取曲线的g值大于gmax值，将永远不会输出，将一直进行采集直至达到g值小于gmax值的条件下。以确保原位高质量的稳定曲线m段的获取。需要强调的是该过程必须要在原位土壤上进行获取，在非待测土壤、其他材料上或者空气中对某一个传感器进行获取的W(e、f、g)值不能混用在待测量土壤上。

第三步：校准与测量

对于土壤含水量传感器以下定义的标准样必须采用类似南京思摩特传感器有限公司提供的QY200型环刀进行取样操作。其他类传感器使用国标的标准样进行测定。

连接待测定传感器，放入标准样A中，设定对应传感器的稳定测量参数W(e、f、g)，获得传感器“一次”数据a，自动记录统计数据；

连接待测定传感器，放入标准样B中，设定对应传感器的稳定测量参数W(e、f、g)，获得传感器“一次”数据b，自动记录统计数据；

完成测量后对统计数据参与运算进行线性回归计算L(a、b、c)，检验是否通过校准合格；

校准合格后，进行参数L(a、b、c)保存和输出；参数默认保存为当前校准参数L(a、b、c)，确认后，下一时刻即进行实际测量工作模式。

参数L(a、b、c)可输入到其他智能仪表中，包括物联网数据平台或变送器。

第四步：测量时空间数据同步记录

在测量过程中，除对测量对象(待测点土壤)上所插入的传感器数据进行采集记录，电路板上内置GPS高增益天线和定位功能，即测量时记录N(w、x、y、z)，w为准确测量值，x为准确测量时刻，y为准确测量过程中定位的地球坐标系(经度)，z为准确测量过程中定位的地球坐标系(纬度)。

除输出和记录N(w、x、y、z)值外，还可通过触摸式人机交互仪表面板上触摸屏进行输入待插入传感器所在土壤深度值h cm，即N扩展为N(w、x、y、z、h)。

基于以上的测量数据，可进行空间土壤信息数据统计分析结果输出。

实施例一

(1)连接SS-TRS401土壤水分传感器，插入待测土壤现场，获得其稳定测量参数

第一个土壤湿度条件下，

(原始信号＝0.80v左右)，设定γ＝0.001，数据显示T＝3.5s，所以取ε＝4s；

同样步骤，插入第二个土壤湿度条件下，

(原始信号＝1.50v左右)，设定γ＝0.001，数据显示T＝3s，所以取ε＝3s；

同样步骤，插入第三个土壤湿度条件下，

(原始信号＝1.80v左右)，设定γ＝0.001，数据显示T＝1.5s，所以取ε＝2s；

同样步骤，插入第四个土壤湿度条件下，

(原始信号＝2.15v左右)，设定γ＝0.001，数据显示T＝3.5s，所以取ε＝4s；

本例用4个条件下进行获得其稳定测量参数W，其中取ε＝4s，取[0,0.4]区间，为四个条件中最大值，所以最终取W(4,0～0.4,0.001)，保证在0～0.4m3/m3土壤含水量范围内都保证稳定信号采集。

而其他现有土壤水分传感器测定时大都设定500ms的测量时间，默认500ms数值已经稳定。

(2)将获得的W(4,0～0.4,0.001)输入便携式土壤多参数原位测定及校准装置，设备调到校准模式，整理后的校准数据如下表1：

表1W(4,0～0.4,0.001)条件下的校准数据

校准曲线拟合详见图5：

所以获取到L(α、β、χ)，其中α＝0.0479，β＝-0.0785，χ＝0.1378。

为了对测量效果进行比较，增加进行设定为稳定测量参数为W＝W(0.5,0～0.4,0.001)，即500ms就数据采集记录进行校准步骤。整理后的校准数据如下表：

所以将获得的L(α、β、χ)，其中α＝0.0475，β＝-0.0774，χ＝0.1376(相关系数R²＝0.9912)。虽然两者相关系数很好，但是非稳态测量导致的随机误差引起的综合误差会非常不利于校准后测量，这部分偏差大约为0.003V，比本例中原始信号标准误的值还大1倍多。

(3)以上校准参数L(0.0479、-0.0785、0.1378)输入本发明的便携式土壤多参数原位测定及校准装置后即可进行正常测量。

(4)但对土壤温度、土壤pH和土壤盐分测量的操作中，由于温度场、酸碱度和盐分分布不如土壤水运动快，所以对于如土壤温度、土壤pH和土壤盐分原位实际测量操作时的校准不需要如土壤水分传感器的原位校准工作，但必须要进行原位传感器稳定测量参数获取后进行用市面上标准样进行校准(比如：现阶段土壤盐分的测量用电导率溶液作为校准标液进行校准，但校准时用的稳定测量参数必须是在土壤上原位测定时获得测量电导率原始信号稳定参数，放在标准电导率溶液中进行测量校准)。

(5)原位测量时，同步获取的时间信息和GPS定位信息全部记录在本地数据库内，数据行列结构如表2:

表2便携式土壤多参数原位测定及校准装置土壤数据行列结构

时间

土壤体积含水量

土壤温度

土壤电导率

土壤pH

经度

纬度

深度

因此基于以上数据库，即可进行土壤空间数据可视化快速分析。

以上对本发明及其实施方式进行了描述，这种描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。总而言之如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种便携式土壤多参数原位测定及校准装置的使用方法，其特征在于：由触摸式人机交互仪表面板(1)，多参数数据测量及校准嵌入式主板(2)和防水型便携式结构(3)组成；

所述触摸式人机交互仪表面板(1)设有测量校准系统软件、四芯快速接口(4)、BNC接口(5)、电源按钮(6)和八通道接线柱(7)，所述四芯快速接口(4)有两个，所述BNC接口(5)有三个，所述电源按钮(6)和八通道接线柱(7)均各有一个；

所述BNC接口(5)支持高阻抗电极连接，所述四芯快速接口(4)支持SS系列标准接口型传感器，所述八通道接线柱(7)上的端子接口支持市面上各种主流的土壤类传感器裸线连接，其中一个所述BNC接口(5)用于对各种待接入传感器进行信号分析，所述多参数数据测量及校准嵌入式主板(2)上内置GPS高增益天线和定位功能；

所述便携式土壤多参数原位测定及校准装置的使用方法包括以下步骤：

步骤一、连接所述SS系列标准接口型传感器，并将SS系列标准接口型传感器插入土壤中，获取稳定测量参数W(e、f、g)，其中e为传感器上电时刻到采集过程曲线M中稳定段曲线m前5％位置时刻的时间差，f为曲线M中稳定段曲线m的采集值的算术平均值，g为曲线M中稳定段曲线m的采集值的标准差值；

所述W(e、f、g)的获取方法是，使用一个特定的BNC接口(5)对插入土壤中的传感器进行信号分析，所述特定的BNC接口(5)连接的采集电路部分高速采集和记录接入对应传感器获取的数据，通过所述多参数数据测量及校准嵌入式主板(2)获取模拟量采集过程曲线M，通过分析提取稳定测量参数W(e、f、g)；

步骤二、将所述SS系列标准接口型传感器插入标准样中，得到标准样的稳定测量参数W(e、f、g)，检测多组标准样并进行数据的记录,根据不同的稳定测量参数W(e、f、g)的取值范围，确定最终稳定测量参数W(e、f、g)，保证所有标准样都能在最终的稳定测量参数W(e、f、g)下进行稳定的信号采集；

步骤三、将获取的稳定测量参数输入便携式土壤多参数原位测定及校准装置，设备调到校准模式得到标准样下的校准数据，对校准数据进行线性拟合获取到校准参数L(a、b、c)；为了对测量的效果进行比较，增加稳定测量参数W(e、f、g)的取值再次进行标准样的测量，得到新的校准参数L(a、b、c)，比较两次校准参数对测量结果的影响，获取对测量结果有利的校准参数L(a、b、c)，输入便携式土壤多参数原位测定及校准装置后即可进行正常测量；

步骤四、在正常测量获取土壤的多方位参数时，通过所述内置GPS高增益天线和定位功能获取时间信息和GPS定位信息，除此之外通过所述触摸式人机交互仪表面板(1)获取土壤深度h，得到测量时刻记录N(w,x,y,z,h)；其中w为土壤中多参数的准确测量值，x为准确测量时刻，y为准确测量过程中定位的地球经度坐标，z为准确测量过程中定位的地球纬度坐标。

2.根据权利要求1所述的一种便携式土壤多参数原位测定及校准装置的使用方法，其特征在于：所述测量校准系统软件的运行系统为安卓4.0以上，且所述触摸式人机交互仪表面板(1)还设有电容式触摸显示屏。

3.根据权利要求1所述的一种便携式土壤多参数原位测定及校准装置的使用方法，其特征在于：所述多参数数据测量及校准嵌入式主板(2)通过电气连接触摸式人机交互仪表面板(1)，所述多参数数据测量及校准嵌入式主板(2)的输入通道支持采集包括：

高阻抗电极，所述高阻抗电极的取值范围为：1MΩ-1TΩ；

电阻，所述电阻的取值范围为：100Ω-1MΩ；

电压，所述电压的取值范围为：0V-10V；

电流，所述电流的取值范围为：0mA-50mA；

以及RS232、RS485和SDI-12数字型信号输入，兼容以上的信号输入便于直接兼容市面上主流的各种土壤类传感器，且电路表面经过防水涂漆处理。

4.根据权利要求1所述的一种便携式土壤多参数原位测定及校准装置的使用方法，其特征在于：所述多参数数据测量及校准嵌入式主板(2)内含有一套驱动程序及协议，所述驱动程序及协议用于多参数数据测量及校准嵌入式主板(2)和触摸式人机交互仪表面板(1)上触摸屏串行接口通信，所述驱动程序及协议可以实现测量和校准的质量控制及信号传输。

5.根据权利要求1所述的一种便携式土壤多参数原位测定及校准装置的使用方法，其特征在于：所述多参数数据测量及校准嵌入式主板(2)连接锂电池，所述锂电池中的电路设计可进行充电，且能够防止接口正负反接，所述锂电池中的电路设计对锂电池输出电压进行驱动设定电压输出控制，包括供电电源电压控制和供电时序控制。

6.根据权利要求1所述的一种便携式土壤多参数原位测定及校准装置的使用方法，其特征在于：所述防水型便携式结构(3)与多参数数据测量及校准嵌入式主板(2)及触摸式人机交互仪表面板(1)紧凑的装配在一体，且封装接缝通过平面紧固和微量硅胶涂层处理，通信及传感器输入接口通过接口内防水进行处理。

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