CN114441644A - 基于反射式超声波的土壤干深度检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于反射式超声波的土壤干深度检测装置及方法，所述装置包括：壳体、设置在壳体内的无线模块、温度补偿模块、检测模块、电源模块、显示模块以及控制模块；无线模块用于接收所述控制模块发送的数据并发送至远程显示系统；温度补偿模块将土壤温度信息以及互联网天气温度发送到所述控制模块；检测模块用于获取超声波传播时间；控制模块基于预定的分类算法根据超声波传播时间计算土壤干深度数值。本发明自动实现对检测位置中土壤干深度进行检测并提供灌溉依据，具有省时省力、检测精度和检测效率更高的优点。

Description

基于反射式超声波的土壤干深度检测装置及方法

技术领域

本发明涉及超声波技术领域，尤其是涉及一种基于反射式超声波的土壤干深度检测装置及方法。

背景技术

作物生长的最适土壤温度、湿度、电导率不仅仅由表层20cm土壤决定，不同深层次的土壤决定根系不同位置的发育与生命活性，要客观的对农作物土壤进行数据监测，需要对不同深度的土壤进行综合分析。

传统的土壤传感器只能获取一组土壤数据，一般测量0-20cm的表层土壤，如果要对不同深度的土壤进行监测，需要采用人工挖截的方式，即先将土壤挖开大坑值深度，然后将传感器插入指定位置，无法利用一支传感器对土壤不同深度层面进行监测。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于反射式超声波的土壤干深度检测装置及方法，旨在解决现有技术中的上述问题。

本发明提供一种基于反射式超声波的土壤干深度检测装置，包括：壳体、设置在壳体内的无线模块、温度补偿模块、检测模块、电源模块、显示模块以及控制模块；

无线模块与所述控制模块连接，用于接收控制模块发送的数据并发送至远程显示系统；

温度补偿模块与所述控制模块连接，用于通过温度传感器获取土壤温度信息，通过互联网天气信息获取互联网天气温度，并将土壤温度信息以及互联网天气温度发送到控制模块；

检测模块与控制模块连接，用于基于预先设定的土壤类型以及土壤温度信息获取超声波在土壤中的传播时间，并将传播时间发送到控制模块；

控制模块与无线模块、温度补偿模块、检测模块以及电源模块连接，用于接收温度补偿模块发送的土壤温度信息，接收检测模块发送的超声波传播时间，基于预定的分类算法根据超声波传播时间计算土壤干深度数值，并将土壤温度信息、互联网天气信息以及土壤干深度数值发送到显示模块；

显示模块与控制模块连接，用于接收控制模块发送的土壤温度信息、互联网天气信息以及土壤干深度数值并进行显示；

电源模块与控制模块连接，用于为控制模块提供电力。

本发明提供一种基于反射式超声波的土壤干深度检测方法，包括：

通过温度补偿模块用于基于温度传感器获取土壤温度信息，基于互联网天气信息获取互联网天气温度，并将土壤温度信息以及互联网天气温度发送到控制模块；

通过控制模块接将土壤温度信息发送到检测模块，检测模块基于预先设定的土壤类型以及土壤温度信息获取超声波在土壤中的传播时间，并将传播时间发送到控制模块；

控制模块接收所述传播时间，基于预定的分类算法根据传播时间计算土壤干深度数值，并将土壤温度信息、互联网天气信息以及土壤干深度数值发送到显示模块。

采用本发明实施例，通过检测模块发送超声波，根据超声波传播时间计算超声波在土壤中的传播时间，再通过超声波速度，进而计算出土壤干深度值，通过控制模块采用的分类算法提高不同土壤类型的土壤干深度测量精度以及检测效率。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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是本发明实施例的基于反射式超声波的土壤干深度检测装置的示意图；

图2是本发明实施例基于反射式超声波的土壤干深度检测装置的检测模块的示意图；

图3是本发明实施例的基于反射式超声波的土壤干深度检测方法的流程图。

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明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做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。

装置实施例

根据本发明实施例，提供了一种基于反射式超声波的土壤干深度检测装置，图1是本发明实施例的基于反射式超声波的土壤干深度检测装置的示意图，如图1所示，根据本发明实施例的基于反射式超声波的土壤干深度检测装置具体包括：壳体16、设置在壳体内的无线模块13、温度补偿模块12、检测模块11、电源模块14、显示模块15以及控制模块10；

无线模块13与控制模块13连接，用于接收控制模块10发送的数据并发送至远程显示系统；

温度补偿模块12与控制模块13连接，用于通过温度传感器获取土壤温度信息，通过互联网天气信息获取互联网天气温度，并将土壤温度信息以及互联网天气温度发送到控制模块10；

检测模块11与控制模块10连接，用于基于预先设定的土壤类型以及土壤温度信息获取超声波在土壤中的传播时间，并将传播时间发送到控制模块10，检测模块11具体包括：超声波变频控制器、多级信号放大电路、超声波发生器、超声波换能器、信号放大电路、多级滤波电路以及超声波比较器；

超声波变频控制器，基于预先设定的土壤类型与温度补偿装置的温度值获根据输出频率输出第一电信号；超声波变频控制器包括频率控制器，多个信号放大器。

多级信号放大器，用于对所述第一电信号进行放大；

超声波发生器，基于放大后的第一电信号产生相应频率的超声波信号，向土壤中发射所述超声波信号，并记录发射时间；根据不同的环境温度调节反射式超声波超声波振幅、周期、频率等参数，用以补偿传感器的在不同温度下的声波传播速度以及声阻抗率；

超声波换能器，用于接收超声波信号的返回信号，记录返回信号的接收时间，并将所述超声波返回信号转换成第二电信号，将第二电信号发送到信号放大电路；

信号放大电路，用于接收第二电信号，并对第二电信号进行放大，将放大后的第二电信号发送到多级滤波器；

多级滤波器，用于接收所述放大后的第二电信号，对所述第二电信号进行过滤；将过滤后的第二电信号发送到所述超声波比较器；

超声波比较器，接收过滤后的第二电信号，测量不同端点的电压差确定超声波是否被接受，基于发射时间以及接收时间输出超声波传播时间。

如图2所示为检测模块的示意图，根据图2可知，检测模块工作流程如下：超声波变频控制器接收到预先设定的土壤类型与温度补偿装置的温度值后，判断出超声波反射式土壤干深度传感器的输出频率，经由超声波变频控制器输出相应的信号，使得电信号经由相应的多级信号放大器传输至超声波发生器，产生相应频率的超声波。超声波换能器接受到超声波发生器反射的超声波振动信号，将其转换成电信号，再次经由信号放大电路，将电信号放大，在对应频率滤波电路中过滤掉不符合规范的信号值，并将得到的电信号经过比较器，测量不同端点的电压差确定是否超声波被接受。比较器的作用是为了消除发送探头的干扰信号，在没有收到返回信号时，比较器输出高电平，收到返回信号时，比较器输出低电平，这样就可以消除发射探头对反射回的信号的干扰，而且基于在超声波发射时间以及返回时间获取超声波的在土壤中的传播时间。

控制模块10与无线模块13、温度补偿模块12、检测模块11以及电源模块14连接，用于接收温度补偿模块12发送的土壤温度信息，接收检测模块10发送的超声波传播时间，基于预定的分类算法根据超声波传播时间计算土壤干深度数值，并将土壤温度信息、互联网天气信息以及土壤干深度数值发送到显示模块15，控制模块10进一步用于：基于预先设定的分类算法对超声波信号进行分类，根据分类获取土壤的超声波速度；将超声波速度与超声波传播时间相乘，获取土壤的干深度值。通过分类算法滤除掉非干湿度交界面返回的超声波信号。运用分类算法提高不同土壤类型的土壤干深度测量精度以及检测效率。其获取的土壤干深度值，并通过无线模块，传输至控制系统，并在可视化模块上显示出来最终数值，并作出灌溉决策。

将温度补偿模块测量的土壤温度信息与所述互联网天气温度信息校对，若两者温度差值大于预设值时，则确定温度传感器损坏需更换温度传感器；若小于或等于预设值时，则将传感器温度信息传输至检测模块。

显示模块15与控制模块10连接，用于接收控制模块10发送的土壤温度信息、互联网天气信息以及土壤干深度数值并进行显示；

电源模块14与控制模块10连接，用于为控制模块10提供电力。

土壤干深度值是由超声波反射时间、声压反射率以及频率来计算的得出的，通过前期检测的该地区的土壤密度与质量以确定不同土壤的声压反射率，在控制模块10收到来自于检测模块11的超声波信号后通过分类算法，将超声波信号进行分类后，再使用预先设定好的相对应的算法得出超声波反射的准确时间，并间接得出土壤的干深度值并将其反馈到可视化界面上，并作出灌溉决策。

实验测得不同土壤含水率的超声波波长数值，再由公式

得到超声波的速度v，与控制系统计算出的超声波反射时间，相乘得到土壤的干深度数值，并将其显示在可视化界面上。其中，超声波速度是提前测量好的，通过实验数据测量得出不同粒级的土壤的超声波速度，将其内写入数据库中，在得知土壤的粒级之后，通过对比数据库中的不同粒级的土壤超声波速度进行匹配，在和检测模块测得的超声波传播时间相乘得到干深度数值。

通过采用本发明实施例具有如下有益效果：

提供一种反射式超声波土壤干深度检测装置，可以自动实现对检测位置中土壤干深度进行检测并提供灌溉依据，具有省时省力、检测精度和检测效率更高的优点。

方法实施例

根据本发明实施例，提供了一种基于反射式超声波的土壤干深度检测方法，图2是本发明实施例的基于反射式超声波的土壤干深度检测方法的流程图，如图2所示，根据本发明实施例的基于反射式超声波的土壤干深度检测方法具体包括：

步骤S301，通过温度补偿模块用于基于温度传感器获取土壤温度信息，基于互联网天气信息获取互联网天气温度，并将土壤温度信息以及互联网天气温度发送到控制模块；

步骤S302，通过控制模块接将土壤温度信息发送到检测模块，检测模块基于预先设定的土壤类型以及土壤温度信息获取超声波在土壤中的传播时间，并将传播时间发送到控制模块，步骤S302具体包括：

通过超声波变频控制器基于预先设定的土壤类型与温度补偿装置的温度值获根据输出频率输出第一电信号；通过多级信号放大器对所述第一电信号进行放大；通过超声波发生器基于放大后的第一电信号产生相应频率的超声波信号，向土壤中发射所述超声波信号，并记录发射时间；通过超声波换能器接收超声波信号的返回信号，记录返回信号的接收时间，并将超声波返回信号转换成第二电信号，将第二电信号发送到信号放大电路；通过信号放大电路接收第二电信号，并对第二电信号进行放大，将放大后的第二电信号发送到多级滤波器；通过多级滤波器接收放大后的第二电信号，对第二电信号进行过滤；将过滤后的第二电信号发送到超声波比较器；通过超声波比较器接收过滤后的第二电信号，基于发射时间以及接收时间输出超声波传播时间。

步骤S303，控制模块接收传播时间，基于预定的分类算法根据传播时间计算土壤干深度数值，并将土壤温度信息、互联网天气信息以及土壤干深度数值发送到显示模块，步骤S303具体包括：

基于预先设定的分类算法对超声波信号进行分类，根据分类获取土壤的超声波速度；将超声波速度与超声波传播时间相乘，获取土壤的干深度值。通过分类算法滤除掉非干湿度交界面返回的超声波信号。将温度补偿模块测量的土壤温度信息与互联网天气温度信息校对，若两者温度差值大于预设值时，则确定温度传感器损坏需更换温度传感器；若小于或等于预设值时，则将传感器温度信息传输至检测模块。

土壤干深度值是由超声波反射时间、声压反射率以及频率来计算的得出的，通过前期检测的该地区的土壤密度与质量以确定不同土壤的声压反射率，在控制系统收到来自于检测装置的超声波信号后通过分类算法，将超声波信号进行分类后，再使用预先设定好的相对应的算法得出超声波反射的准确时间，并间接得出土壤的干深度值并将其反馈到可视化界面上，并作出灌溉决策。

实验测得不同土壤含水率的超声波波长数值，再由公式

得到超声波的速度v，与控制系统计算出的超声波反射时间，相乘得到土壤的干深度数值，并将其显示在可视化界面上。

通过采用本发明实施例具有如下有益效果：

提供一种反射式超声波土壤干深度检测方法，可以自动实现对检测位置中土壤干深度进行检测并提供灌溉依据，具有省时省力、检测精度和检测效率更高的优点。

以上所述仅为本文件的实施例而已，并不用于限制本文件。对于本领域技术人员来说，本文件可以有各种更改和变化。凡在本文件的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本文件的权利要求范围之内。

Claims (10)

1.一种基于反射式超声波的土壤干深度检测装置，其特征在于，包括壳体、设置在壳体内的无线模块、温度补偿模块、检测模块、电源模块、显示模块以及控制模块；

所述无线模块与所述控制模块连接，用于接收所述控制模块发送的数据并发送至远程显示系统；

所述温度补偿模块与所述控制模块连接，用于通过温度传感器获取土壤温度信息，通过互联网天气信息获取互联网天气温度，并将所述土壤温度信息以及互联网天气温度发送到所述控制模块；

所述检测模块与所述控制模块连接，用于基于预先设定的土壤类型以及所述土壤温度信息获取超声波在土壤中的传播时间，并将所述传播时间发送到所述控制模块；

所述控制模块与所述无线模块、温度补偿模块、检测模块以及电源模块连接，用于接收所述温度补偿模块发送的土壤温度信息，接收所述检测模块发送的超声波返回时间，基于预定的分类算法根据所述超声波传播时间计算土壤干深度数值，并将所述土壤温度信息、互联网天气信息以及土壤干深度数值发送到所述显示模块；

所述显示模块与所述控制模块连接，用于接收所述控制模块发送的土壤温度信息、互联网天气信息以及土壤干深度数值并进行显示；

所述电源模块与所述控制模块连接，用于为所述控制模块提供电力。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述检测模块具体包括：超声波变频控制器、多级信号放大电路、超声波发生器、超声波换能器、信号放大电路、多级滤波电路以及超声波比较器；

超声波变频控制器，基于预先设定的土壤类型与温度补偿装置的温度值获根据输出频率输出第一电信号；

多级信号放大器，用于对所述第一电信号进行放大；

超声波发生器，基于放大后的第一电信号产生相应频率的超声波信号，向土壤中发射所述超声波信号，并记录发射时间；

超声波换能器，用于接收所述超声波信号的返回信号，记录返回信号的接收时间，并将所述超声波返回信号转换成第二电信号，将所述第二电信号发送到所述信号放大电路；

信号放大电路，用于接收所述第二电信号，并对所述第二电信号进行放大，将放大后的第二电信号发送到所述多级滤波器；

多级滤波器，用于接收所述放大后的第二电信号，对所述第二电信号进行过滤；将过滤后的第二电信号发送到所述超声波比较器；

超声波比较器，接收所述过滤后的第二电信号，基于所述发射时间以及接收时间输出超声波传播时间。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述控制模块进一步用于：

基于预先设定的分类算法对所述超声波信号进行分类，根据所述分类获取土壤的超声波速度；

将所述超声波速度与所述超声波传播时间相乘，获取土壤的干深度值。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述控制模块具体用于：

通过所述分类算法滤除掉非干湿度交界面返回的超声波信号。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述控制模块进一步用于：

将所述温度补偿模块测量的土壤温度信息与所述互联网天气温度信息校对，若两者温度差值大于预设值时，则确定温度传感器损坏需更换温度传感器；若小于或等于预设值时，则将传感器温度信息传输至检测模块。

6.一种基于反射式超声波的土壤干深度检测方法，其特征在于，包括：

通过温度补偿模块用于基于温度传感器获取土壤温度信息，基于互联网天气信息获取互联网天气温度，并将所述土壤温度信息以及互联网天气温度发送到控制模块；

通过控制模块接将所述土壤温度信息发送到检测模块，所述检测模块基于预先设定的土壤类型以及所述土壤温度信息获取超声波在土壤中的传播时间，并将所述传播时间发送到所述控制模块；

所述控制模块接收所述传播时间，基于预定的分类算法根据所述传播时间计算土壤干深度数值，并将所述土壤温度信息、互联网天气信息以及土壤干深度数值发送到所述显示模块。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述所述检测模块基于预先设定的土壤类型以及所述土壤温度信息获取超声波在土壤中的传播时间，并将所述传播时间发送到所述控制模块，具体包括：

通过超声波变频控制器基于预先设定的土壤类型与温度补偿装置的温度值获根据输出频率输出第一电信号；

通过多级信号放大器对所述第一电信号进行放大；

通过超声波发生器基于放大后的第一电信号产生相应频率的超声波信号，向土壤中发射所述超声波信号，并记录发射时间；

通过超声波换能器接收所述超声波信号的返回信号，记录返回信号的接收时间，并将所述超声波返回信号转换成第二电信号，将所述第二电信号发送到所述信号放大电路；

通过信号放大电路接收所述第二电信号，并对所述第二电信号进行放大，将放大后的第二电信号发送到所述多级滤波器；

通过多级滤波器接收所述放大后的第二电信号，对所述第二电信号进行过滤；将过滤后的第二电信号发送到所述超声波比较器；

通过超声波比较器接收所述过滤后的第二电信号，基于所述发射时间以及接收时间输出超声波传播时间。

8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述控制模块接收所述传播时间，基于预定的分类算法根据所述传播时间计算土壤干深度数值具体包括：

基于预先设定的分类算法对所述超声波信号进行分类，根据所述分类获取土壤的超声波速度；

将所述超声波速度与所述超声波传播时间相乘，获取土壤的干深度值。

9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述控制模块接收所述传播时间，基于预定的分类算法根据所述传播时间计算土壤干深度数值进一步包括：

通过所述分类算法滤除掉非干湿度交界面返回的超声波信号。

10.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述通过控制模块接将所述土壤温度信息发送到检测模块具体包括：

将所述温度补偿模块测量的土壤温度信息与所述互联网天气温度信息校对，若两者温度差值大于预设值时，则确定温度传感器损坏需更换温度传感器；若小于或等于预设值时，则将传感器温度信息传输至检测模块。

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