CN113049433B - 一种土壤凝结水自动测量装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于土壤监测领域，公开了一种土壤凝结水自动测量装置及方法，包括外套管、微渗仪、带孔环片、环状底盘、导线、第一单片机、无线传输装置、防风罩支架、防风罩罩体和电源；微渗仪设置在外套管内部，环状底盘上设置若干质量传感器，带孔环片一面与微渗仪底部接触，另一面与若干质量传感器接触；质量传感器通过导线与第一单片机连接，第一单片机与无线传输装置连接；防风罩支架一端设置定滑轮，另一端上设置绕线轮、电机和第二单片机，防风罩罩体位于外套管上方。加入防风罩罩体与无线传输装置，集成了自动测量、数据存储及数据发送与接收于一体，安装更为方便，测量成本低，能极大地减少风对测量过程的影响，节约科研人员大量的时间与精力。
Description
技术领域
本发明属于土壤监测领域，涉及一种土壤凝结水自动测量装置及方法。
背景技术
在水资源紧缺的地区，凝结水作为一种重要的水资源，是组成生物结壳的细菌、节肢动物、软体动物及植物的重要水源，也是维系生态环境的重要水源之一。土壤凝结水来源于吸湿水及热凝结水。在干旱及半干旱地区，凝结水一般主要生成于地表以下0～10cm。
近年来，众多学者对土壤凝结水的研究开展了大量的工作，但对土壤凝结水的全自动收集测量装置的研究较少。目前已知的对土壤凝结水测量方法有：称重法、人造凝结面法、Hiltnor凝结水平衡法、热脉冲法及Duvdevani凝结水计量器法等，但这些方法未实现自动化测量与数据收集，需花费科研人员大量的时间与精力，同时测量过程容易受风等气象因素的影响，存在一定的局限性。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术中，土壤凝结水测量过程复杂，且易受风等气象因素的影响，测量精度不高的缺点，提供一种土壤凝结水自动测量装置及方法。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
本发明第一方面，一种土壤凝结水自动测量装置，包括外套管、微渗仪、带孔环片、环状底盘、导线、第一单片机、无线传输装置、防风罩支架、防风罩罩体和电源；微渗仪设置在外套管内部，环状底盘上设置若干质量传感器，带孔环片一面与微渗仪底部接触，另一面与若干质量传感器接触；若干质量传感器均通过导线与第一单片机一端连接，第一单片机另一端与无线传输装置连接；第一单片机用于采集若干质量传感器的测量数据并通过无线传输装置存储和发送；防风罩支架一端设置定滑轮，另一端上设置绕线轮、电机和第二单片机；防风罩罩体位于外套管上方，且防风罩罩体上设置钢索，钢索穿过定滑轮后与绕线轮连接；电机一端连接绕线轮，另一端依次连接第二单片机，第二单片机用于控制电机的运行状态；第一单片机、无线传输装置、电机以及第二单片机均通过导线与电源连接。
本发明土壤凝结水自动测量装置进一步的改进在于：
所述微渗仪包括试桶、尼龙网和提绳；提绳与试桶顶部连接，试桶底部开口，尼龙网与试桶底部连接。
所述外套管的高度为12cm，直径为10cm；所述试桶的外径为7.5cm，高度为10cm，尼龙网为300目，试桶的外壁上设置标签；所述防风罩罩体为圆柱体，高度为10～20cm，直径与外套管的直径相同，防风罩罩体的顶端设置用于连接钢索的提钮。
所述带孔环片上设置若干凸点；若干凸点分别与若干质量传感器的上表面接触点对应接触。
所述带孔环片上的环片镂空孔的直径为0.2～0.5cm，所述质量传感器的数量至少为四个，且在环状底盘上均匀分布。
所述环状底盘上表面与外套管内壁上均设置用于容纳导线的凹槽。
所述无线传输装置包括初始化模块、配对识别模块、数据读取模块、存储模块、修正校验模块以及信号发送模块；其中，初始化模块用于初始化各模块的参数，配对识别模块用于与预设的无线接收装置配对，数据读取模块用于读取质量传感器的测量数据，得到凝结水质量数据并将凝结水质量数据转换为凝结水高度数据；存储模块用于存储凝结水高度数据，修正校验模块用于根据预设的修正方法修正凝结水高度数据，信号发送模块用于将修正后的凝结水高度数据发送至预设的无线接收装置。
所述外套管的底部为尖端。
包括防护箱，所述第一单片机、无线传输装置、第二单片机和电源均设置在防护箱内部。
本发明第二方面，一种土壤凝结水自动测量方法，包括以下步骤：
S1：在待测量区域开设取土孔，通过取土孔将土壤凝结水自动测量装置安装在待测量区域；
S2：通过第二单片机控制防风罩罩体下降至外套管上方，在预设时间后通过第一单片机获取若干质量传感器的测量数据，得到凝结水质量数据，将凝结水质量数据转换为凝结水高度数据并发送至无线传输装置存储，通过第二单片机控制防风罩罩体提升至预设高度；
S3：周期性的重复S2，得到若干凝结水高度数据，并通过无线传输装置将若干凝结水高度数据发送至预设的无线接收装置。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明土壤凝结水自动测量装置，通过设置质量传感器以及无线传输装置，实现质量检测与无线传输技术相结合，对土壤凝结水的测量实现了自动化测量、数据采集与发送功能，免去科研人员日夜蹲守的辛劳，减少了科研人员的工作量，节约了大量的时间。采用的带孔环片作为一种特殊媒介，巧妙地将微渗仪与质量传感器分开，间接测得微渗仪的质量变化量，且避免了微渗仪在长期受力过程中被破坏，造成装置测量不准确，保证了装置的耐用性。同时，设置了防风罩罩体，免去了测量过程中风对测量结果的影响，极大地保证了测量结果的可靠性。
进一步的，外套管的底部为尖端，便于插入土壤。
进一步的，包括防护箱，第一单片机、无线传输装置、第二单片机和电源均设置在防护箱内部，防止恶劣天气对装置测量产生影响。
本发明土壤凝结水自动测量方法，基于本发明的土壤凝结水自动测量装置实现，集成了自动测量、数据存储及数据发送与接收于一体，测量成本低，能极大地减少风对测量过程的影响，节约科研人员大量的时间与精力。
附图说明
图1为本发明的土壤凝结水自动测量装置使用状态示意图；
图2为本发明的防风罩罩体及定滑轮的结构示意图；
图3为本发明的绕线轮的结构示意图；
图4为本发明的电机、第二单片机及第二电源的结构示意图；
图5为本发明的带孔环片的结构示意图；
图6为本发明的微渗仪的结构示意图；
图7为本发明的无线传输装置运行流程框图。
其中：1-外套管；2-微渗仪；3-带孔环片；4-质量传感器；5-环状底盘；6-导线；7-第一单片机；8-无线传输装置；9-第一电源；10-防风罩罩体；11-定滑轮；12-绕线轮；13-电机；14-第二单片机；15-第二电源；16-凸点；17-环片镂空孔；18-试桶；19-尼龙网；20-提绳。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，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做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
参见图1至6，本发明提供了一种土壤凝结水自动测量装置，设计新颖合理，每隔一定时间移动防风罩罩体10至地面的同时，质量传感器4完成对土壤凝结水的测量，并将测量的数据储存在无线传输装置8中，通过无线传输模块8将数据发送到预设的无线接收装置，大大的减少了科研人员的工作量，并消除了风对测量过程的影响，测量精度高，测量数据满足科研人员的需求，适用于干旱、半干旱地区土壤凝结水的测量。
具体的，该土壤凝结水自动测量装置，其特征在于，包括外套管1、微渗仪2、带孔环片3、环状底盘5、导线6、第一单片机7、无线传输装置8、防风罩支架、防风罩罩体10和电源。
微渗仪2设置在外套管1内部，环状底盘5上设置若干质量传感器4，带孔环片3一面与微渗仪2底部接触，另一面与若干质量传感器4接触；若干质量传感器4均通过导线6与第一单片机7一端连接，第一单片机7另一端与无线传输装置8连接；第一单片机7用于采集若干质量传感器4的测量数据并通过无线传输装置8存储和发送。通过环状底盘5、若干质量传感器4、导线6、第一单片机7和无线传输装置8构成质量测量系统，进行凝结水质量数据的测量。
防风罩支架一端设置定滑轮11，另一端上设置绕线轮12、电机13和第二单片机14；防风罩罩体10位于外套管1上方，且防风罩罩体10上设置钢索，钢索穿过定滑轮11后与绕线轮12连接；电机13一端连接绕线轮12，另一端依次连接第二单片机14，第二单片机14用于控制电机13的运行状态，这里的运行状态为开启、关闭、正转及反转等。
本实施例中，为了便于取电，电源包括第一电源9和第二电源15，第一电源9与第一单片机7及无线传输装置8均通过导线6连接，第二电源15与电机13以及第二单片机14均通过导线6连接。
优选的，微渗仪2包括试桶18、尼龙网19和提绳20；提绳20与试桶18顶部连接，试桶18底部开口，尼龙网19与试桶18底部连接。其中，试桶18的外径为7.5cm，高度为10cm，尼龙网19为300目，试桶18的外壁上设置标签，可以标记类型及参数，便于识别不同的微渗仪2及其具体参数。
优选的，带孔环片3上设置若干凸点16；若干凸点16分别与若干质量传感器4的上表面接触点对应接触，基于凸点16的设计，进一步提升了质量传感器4的测量精度。
优选的，带孔环片3的材质为铝，其上的环片镂空孔的直径为0.2～0.5cm，所述质量传感器4的数量至少为四个，可根据测量精度需要增加质量传感器4的数量，且在环状底盘5上均匀分布，带孔环片3不与外套管1内壁相接触并且可以在外套管1内自由移动，环状底盘5的外径为9cm，环宽为1cm。
优选的，防风罩罩体10的材质为不锈钢，防风罩罩体10为圆柱体，高度为10～20cm，直径与外套管1的直径相同，防风罩罩体10的顶端设置用于连接钢索的提钮。在使用时，防风罩罩体10的底部离外套管1的垂直高度为2m，受第二单片机14的控制，通过电机13的正反转来实现防风罩罩体10的上下移动，防风罩罩体10的上升及下降速率均设定为0.02m/s。
优选的，环状底盘5上表面与外套管1内壁上均设置用于容纳导线6的凹槽，导线6沿着环状底盘5上的凹槽将多个质量传感器4连接起来，并沿着外套管1内壁的凹槽与第一单片机7相连接。
优选的，无线传输装置8包括初始化模块、配对识别模块、数据读取模块、存储模块、修正校验模块以及信号发送模块；其中，初始化模块用于初始化各模块的参数，配对识别模块用于与预设的无线接收装置配对，数据读取模块用于读取质量传感器4的测量数据，得到凝结水质量数据并将凝结水质量数据转换为凝结水高度数据；存储模块用于存储凝结水高度数据，修正校验模块用于根据预设的修正方法修正凝结水高度数据，信号发送模块用于将修正后的凝结水高度数据发送至预设的无线接收装置。参见图7，展示了无线传输装置8如何建立连接发送数据给预设的无线接收装置。
优选的，所述外套管1的底部为尖端，便于插入土壤。
优选的，包括防护箱，所述第一单片机7、无线传输装置8、第二单片机14和电源均设置在防护箱内部，防护箱可以是一个铁皮箱，防止恶劣天气对装置测量产生影响。
本发明土壤凝结水自动测量装置，与无线传输技术相结合，对土壤凝结水的测量实现了自动化测量、数据采集与发送功能，免去科研人员日夜蹲守的辛劳，减少了科研人员的工作量，节约了大量的时间。采用的带孔环片3作为一种特殊媒介，巧妙地将微渗仪2与质量传感器4分开，间接测得微渗仪2的质量变化量，且避免了微渗仪2底部尼龙网19在长期受力过程中被破坏，造成装置测量不准确，保证了装置的耐用性。同时，设置了防风罩罩体10，免去了测量过程中风对测量结果的影响，极大地保证了测量结果的可靠性。
本发明再一实施例中，提供了一种土壤凝结水自动测量方法，基于上述的土壤凝结水自动测量装置，包括以下步骤：S1：在待测量区域开设取土孔，通过取土孔将土壤凝结水自动测量装置安装在待测量区域；S2：通过第二单片机14控制防风罩罩体10下降至外套管1上方，在预设时间后通过第一单片机7获取若干质量传感器4的测量数据，得到凝结水质量数据，将凝结水质量数据转换为凝结水高度数据并发送至无线传输装置8存储，通过第二单片机14控制防风罩罩体10提升至预设高度；S3：周期性的重复S2，得到若干凝结水高度数据，并通过无线传输装置8将若干凝结水高度数据发送至预设的无线接收装置。
具体的，具体步骤如下：
步骤一、钻取土壤及安装外套管1。选择合适的试验地点，用微渗仪2配套土钻在样地取自地表向下深度10cm的土壤，装入试桶18内，并做好标记。将取土孔的底部整平，插入PVC的外套管1，外套管1顶部齐平于地面。
步骤二、利用调油刀在外套管1内部挖取环状沟，环状沟的深度略大于质量传感器4的高度，环状沟的沟宽与环状底盘5的环宽相同，并用碎石将环状沟底部压实，以免沉降；将多个质量传感器4均匀镶嵌于环状底盘5，将环状底盘5和质量传感器4放置于环状沟内，导线6与质量传感器4连接后，沿着外套管1内壁与设置在地面上的第一单片机7相连，第一单片机7与无线传输装置8及第一电源9连接。
步骤三、安装微渗仪2。安装好环形底盘5及质量传感器4后，在质量传感器4上表面嵌入带孔环片3，使带孔环片3上每个凸点16与每个质量传感器4上表面的接触点相接触即可。将制作好的微渗仪2放入外套管1内，并将事先用调油刀或土钻剥离出去的土壤重新填装至外套管1与周围土壤之间的缝隙中。整个过程需细致小心，避免对周围土壤产生较大扰动。
步骤四、安装防风罩罩体10。设置防风罩支架，防风罩罩体10通过钢索绕过定滑轮11连接到一侧的绕线轮12上，并将防风罩罩体10底部拉升至离外套管1顶部2m的垂直高度，绕线轮12与电机13相连，电机13与第二单片机14相连，并分别与第二电源15相连。
本实施例中，电机13受第二单片机14控制，防风罩罩体10的第二单片机14闭合时间的设置早于质量测量系统的测量时间，预设定第二单片机14控制防风罩罩体10闭合时间应早100s，测量时间为5s。也就是说整个测量过程从防风罩罩体10开启到最终测量完成时间为105s。一次测量过程进行三次，得到三次数据。测量后，防风罩罩体10在电机13的控制下上升至距离地面2m处，保证微渗仪2所处环境接近自然条件。
步骤五、单片机设定。设定测量周期与测量时间，测量周期为1小时，测量时间为5s。防风罩罩体10落下后开始测量。将公式h＝10△m/ρπr2的算法写入第一单片机7内，其中，h为凝结水高度，△m为质量传感器4观测的质量变化量，即凝结水质量数据，r为微渗仪2的内半径。利用第一单片机7将凝结水质量数据转换为凝结水高度数据。
步骤六、发送数据。测量完毕后，将数据存储在无线传输装置8的存储模块内，并每隔一定时间将数据发送至特定的无线接收装置上。
本发明土壤凝结水自动测量方法，集成了自动测量、数据存储及数据发送与接收于一体，安装更为方便，测量成本低，能极大地减少风对测量过程的影响，节约科研人员大量的时间与精力。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种土壤凝结水自动测量装置，其特征在于，包括外套管(1)、微渗仪(2)、带孔环片(3)、环状底盘(5)、导线(6)、第一单片机(7)、无线传输装置(8)、防风罩支架、防风罩罩体(10)和电源；
微渗仪(2)设置在外套管(1)内部，环状底盘(5)上设置若干质量传感器(4)，带孔环片(3)一面与微渗仪(2)底部接触，另一面与若干质量传感器(4)接触；若干质量传感器(4)均通过导线(6)与第一单片机(7)一端连接，第一单片机(7)另一端与无线传输装置(8)连接；第一单片机(7)用于采集若干质量传感器(4)的测量数据并通过无线传输装置(8)存储和发送；
防风罩支架一端设置定滑轮(11)，另一端上设置绕线轮(12)、电机(13)和第二单片机(14)；防风罩罩体(10)位于外套管(1)上方，且防风罩罩体(10)上设置钢索，钢索穿过定滑轮(11)后与绕线轮(12)连接；电机(13)一端连接绕线轮(12)，另一端依次连接第二单片机(14)，第二单片机(14)用于控制电机(13)的运行状态；第一单片机(7)、无线传输装置(8)、电机(13)以及第二单片机(14)均通过导线(6)与电源连接；
通过电机(13)的正反转来实现防风罩罩体(10)的上下移动；
所述带孔环片(3)上设置若干凸点(16)；若干凸点(16)分别与若干质量传感器(4)的上表面接触点对应接触。
2.根据权利要求1所述的土壤凝结水自动测量装置，其特征在于，所述微渗仪(2)包括试桶(18)、尼龙网(19)和提绳(20)；提绳(20)与试桶(18)顶部连接，试桶(18)底部开口，尼龙网(19)与试桶(18)底部连接。
3.根据权利要求2所述的土壤凝结水自动测量装置，其特征在于，所述外套管(1)的高度为12cm，直径为10cm；所述试桶(18)的外径为7.5cm，高度为10cm，尼龙网(19)为300目，试桶(18)的外壁上设置标签；所述防风罩罩体(10)为圆柱体，高度为10～20cm，直径与外套管(1)的直径相同，防风罩罩体(10)的顶端设置用于连接钢索的提钮。
4.根据权利要求1所述的土壤凝结水自动测量装置，其特征在于，所述带孔环片(3)上的环片镂空孔的直径为0.2～0.5cm，所述质量传感器(4)的数量至少为四个，且在环状底盘(5)上均匀分布。
5.根据权利要求1所述的土壤凝结水自动测量装置，其特征在于，所述环状底盘(5)上表面与外套管(1)内壁上均设置用于容纳导线(6)的凹槽。
6.根据权利要求1所述的土壤凝结水自动测量装置，其特征在于，所述无线传输装置(8)包括初始化模块、配对识别模块、数据读取模块、存储模块、修正校验模块以及信号发送模块；
其中，初始化模块用于初始化各模块的参数，配对识别模块用于与预设的无线接收装置配对，数据读取模块用于读取质量传感器(4)的测量数据，得到凝结水质量数据并将凝结水质量数据转换为凝结水高度数据；存储模块用于存储凝结水高度数据，修正校验模块用于根据预设的修正方法修正凝结水高度数据，信号发送模块用于将修正后的凝结水高度数据发送至预设的无线接收装置。
7.根据权利要求1所述的土壤凝结水自动测量装置，其特征在于，所述外套管(1)的底部为尖端。
8.根据权利要求1所述的土壤凝结水自动测量装置，其特征在于，包括防护箱，所述第一单片机(7)、无线传输装置(8)、第二单片机(14)和电源均设置在防护箱内部。
9.一种基于权利要求1至8任一项所述土壤凝结水自动测量装置的土壤凝结水自动测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：在待测量区域开设取土孔，通过取土孔将土壤凝结水自动测量装置安装在待测量区域；
S2：通过第二单片机(14)控制防风罩罩体(10)下降至外套管(1)上方，在预设时间后通过第一单片机(7)获取若干质量传感器(4)的测量数据，得到凝结水质量数据，将凝结水质量数据转换为凝结水高度数据并发送至无线传输装置(8)存储，通过第二单片机(14)控制防风罩罩体(10)提升至预设高度；
其中，电机(13)受第二单片机(14)控制，防风罩罩体(10)的第二单片机(14)闭合时间的设置早于测量时间，预设定第二单片机(14)控制防风罩罩体(10)闭合时间早100s，测量时间为5s；一次测量过程进行三次，得到三次数据；测量后，防风罩罩体(10)在电机(13)的控制下上升至距离地面2m处；
S3：周期性的重复S2，得到若干凝结水高度数据，并通过无线传输装置(8)将若干凝结水高度数据发送至预设的无线接收装置。
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