CN114791451A - 一种多级电极探针、多层土壤墒情感知装置、系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多级电极探针、多层土壤墒情感知装置、系统及方法，多级电极探针通过对不同深度的电极进行绝缘嵌套实现墒情探测，多层土壤墒情感知装置的壳体上设有多级电极探针、多级温度探针和核心电路系统，感知系统采用LORA构建包括若干终端节点和中继节点的分布式无线网组，采用多级温度探针弥补墒情数据的温度缺失，采用太阳能绿色节能和任务调度的休眠和低功耗方案极大地降低土壤墒情感知检测的成本，感知方法通过无线网组与服务器信息交互、应用去中心化的终端侧边缘计算迭代优化和独立的分布式无线节点组网结构提高土壤墒情的立体化监测和感知精度，适用于特别是大规模农田、丘陵山区及需要连续墒情立体化感知的不同农业生产环境中。

Description

一种多级电极探针、多层土壤墒情感知装置、系统及方法

技术领域

本发明属于农业传感领域，具体涉及一种多级电极探针、多层土壤墒情感知装置、系统及方法。

背景技术

农业传感系统是实现农业信息化与智能化的关键，而土壤墒情的感知是传感系统中较重要的一个环节。现有土壤湿度采集方法运用较多也较成熟的是频域反射FDR法，该方法通过一对探针对土壤湿度进行的测量，根据电磁波在介质中的传播频率来测量土壤的介电常数，从而得到土壤容积含水量，虽具有简便、快速、准确、少标定等优点，但是在大田种植业中，农田地势的高低往往使得土壤墒情在重力空间上分布不均，单层的测量具有较大的误差，多层测量操作难度大，效率低，同时作物种植密度不均使得土壤墒情在水平空间上分布不均，单点的测量具有误差，在不考虑传感网络的情况下，多点测量的操作性同样繁琐和低效。

对于部署农业传感系统在田间的网络传感节点来说，稳定的电源供应和信号传输，合理的误差管理，低功耗的调度逻辑等，都是农业感知网络部署应用的技术难点，同样解决这些棘手的问题也是当前发展高质量数字智慧农业的突破点。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决上述技术问题之一，本发明提供一种多级电极探针、多层土壤墒情感知装置、系统及方法，通过多级电极探针实现多深度的土壤湿度探测、多级温度探针对多深度的土壤温度探测，采用绿色节能的低功耗方案、独立的分布式节点网络和去中心化的终端侧边缘计算，有利于提高土壤墒情的立体化监测和感知精度、极大降低土壤墒情感知检测的成本。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种多级电极探针，包括依次交替嵌套的N阶电极和N-1阶绝缘，N阶电极中第i阶电极包括有效电极体和/或电极连通体，N-1阶绝缘中第j阶绝缘包括套设在相邻阶有效电极体之间的电极间绝缘体和套设在相邻阶电极连通体之间的导通绝缘体，N为≥2的整数，i∈N且为整数，j∈N-1且为整数。

上述多级电极探针，进一步地，N阶电极中第1阶电极的包括电极尖，第i阶电极的有效电极体为实心或空心结构且外径为R、长度为Ln，第i阶电极的电极连通体为实心或空心结构且实心直径≤R/N、空心厚度≤R/2N，第j阶绝缘的电极间绝缘体为空心结构且厚度为Lm，第j阶绝缘的导通绝缘体为空心结构且厚度≤R/2N，多级电极探针总长L＝N*Ln+(N-1)*Lm。

进一步地，N阶电极和N-1阶绝缘交替嵌套，多级电极探针总长为L，N阶电极中第1阶电极包括相连且实心的第1阶有效电极体和第1阶电极连通体，第1阶有效电极体的直径为R，第1阶有效电极体包括电极尖且长度为Ln，第1阶电极连通体的直径≤R/N；N阶电极中第i'阶电极包括相连且空心的第i'阶有效电极体和第i'阶电极连通体，第i'阶有效电极体的直径和长度与第1阶有效电极体一致，第i'阶电极连通体的厚度≤R/2N，2≤i'≤N-1，i'为整数；N阶电极中第N阶电极包括空心的第N阶有效电极体，第N阶有效电极体的外径和长度与第1阶有效电极体一致，第N阶有效电极体的厚度≤R/2N。

第j阶绝缘内设有j阶电极，第j阶绝缘的第j阶电极间绝缘体为空心结构且厚度为Lm、外径与第1阶有效电极体一致、内径与第j阶电极连通体一致，Ln远大于Lm，第j阶绝缘的第j阶导通绝缘体为空心结构且厚度≤R/2N，第j阶导通绝缘体的长度为L-jLn-jLm，第j阶电极连通体的长度为L-j*Ln-(j-1)*Lm，多级电极探针总长L＝N*Ln+(N-1)*Lm，实现相邻阶电极的电气物理隔离，用于同时实现多层土壤墒情测量。

一种多层土壤墒情感知装置，包括壳体，所述壳体上设有两个如上所述的多级电极探针，壳体内设有核心电路系统，所述核心电路系统包括电源管理模块、传感模块、逻辑计算核心模块、本地存储模块和无线收发模块，所述电源管理模块用于管理供电，所述传感模块用于采集多级电极探针的信号、获取多层土壤墒情数据，所述逻辑计算核心模块用于配置装置运行、基于边缘计算迭代优化当前多层土壤墒情数据，所述本地存储模块用于承担边缘计算的本地存储，所述无线收发模块用于数据收发。

上述多层土壤墒情感知装置，进一步地，所述壳体上设有多级温度探针，所述多级温度探针内设有若干等高对应各有效电极体的温度传感器，所述传感模块包括温度信号处理电路，所述温度信号处理电路用于采集温度传感器的模拟信号、经过信号滤波和模数转换获取多层土壤温度数据，所述逻辑计算核心模块用于基于边缘计算迭代优化当前多层土壤温度数据。

上述多层土壤墒情感知装置，进一步地，所述壳体上设有太阳能电池板，所述电源管理模块包括储能单元、电荷泵充电管理单元、DCDC电源管理单元，所述电荷泵充电管理单元用于管理太阳能电池板向储能单元的充电和储能单元的放电，所述DCDC电源管理单元用于按电压等级变换配置储能单元的供电，实现稳定的电源管理与供应。

上述多层土壤墒情感知装置，进一步地，所述传感器模块包括休眠电路、振荡电路和湿度信号处理电路，所述休眠电路用于控制传感器模块低功耗待机，所述振荡电路用于运用频域反射FDR、在等高的有效电极体之间加入振荡信号，所述湿度信号处理电路用于分析振荡电路的振荡信号衰减、经过信号滤波和模数转换获取多层土壤墒情数据。

上述多层土壤墒情感知装置，进一步地，所述逻辑计算核心模块包括微控制器和支持系统，所述微控制器用于控制包括被动授时、任务调度、低功耗管理、模拟信号数字化转换、数据计算和数据收发，数据计算用于基于边缘计算、根据上一状态多层土壤数据的修正结果和置信度、修正当前状态的多层土壤数据并更新当前多层土壤数据的置信度。

进一步地，所述微控制器选用低功耗MCU微控制器，具有在空闲任务下能主动降低主频，关闭部分外设的低功耗的设计。

进一步地，所述数据计算包括数据预测模型和数据估计模型，数据计算的当前状态计为k，数据计算的上一状态计为k-1；

所述数据预测模型包括：

上式中X(k/k-1)表示利用上一状态预测的当前状态多层土壤数据，X(k-1/k-1)表示上一状态的最优多层土壤数据，A表示数据预测模型参数，B表示控制量参数，U(k)表示当前状态的控制量，P(k/k-1)表示X(k/k-1)的协方差，P(k-1/k-1)表示X(k-1/k-1)的协方差，A'表示A的转置矩阵，Q是数据计算过程的协方差；

所述数据估计模型包括：

上式中，X(k/k)表示当前最优多层土壤数据估计值，Kg(k)表示增益，Z(k)表示当前多层土壤数据测量值，H表示测量参数，H'表示H的转置矩阵，r表示测量噪声方差，P(k/k)表示X(k/k)的协方差，I表示单位矩阵。

上述多层土壤墒情感知装置，进一步地，所述本地存储模块包括一个Flash存储单元，是一种非易失性内存，在没有电压供应的条件下也能够长久地保持数据，目的是承担边缘计算的存储任务，将数据就近存储在终端节点处。

一种多层土壤墒情感知系统，包括若干如上任意一项所述多层土壤墒情感知装置作为终端节点和中继节点、采用LORA构建的分布式无线网组，中继节点逐级连接并通过网关与服务器信息交互。

进一步地，所述壳体上设有电连接无线收发模块的增益天线，通过增益天线以实现无线信号的物理传输。

进一步地，所述无线收发模块包括LORA集成模块，通过LORA的mesh组网协议配置多层土壤墒情感知装置在节点中的角色，即可而完成星型和网状结构的分布式网络构建，LORA为一种低功耗远程无线电技术，在本发明的应用中通过逻辑计算核心模块对无线收发模块进行低功耗控制、发挥低功耗的调度逻辑优势，同时在无线收发模块电路设计上结合RTS(request to send)-CTS(Clear to send)机制避免数据拥塞。

一种多层土壤墒情感知方法，基于上述多层土壤墒情感知系统，方法包括：

服务器根据多层土壤墒情感知装置的请求向全部终端节点和中继节点授时；

多层土壤墒情感知装置在无任务调度的情况下处于休眠模式；

多层土壤墒情感知装置在任务调度的情况下唤醒，主动采集多层土壤数据；

多层土壤墒情感知装置或服务器根据上一状态多层土壤数据的修正结果和置信度、修正当前状态的多层土壤数据并更新当前多层土壤数据的置信度并本地存储；

修正后的多层土壤数据通过中继节点逐级上报、通过网关汇集到服务器；

多层土壤墒情感知装置被无线收发模块唤醒、进行数据转发或被动授时。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)一次性多层次多深度的土壤墒情探测：多级电极探针通过对不同深度的电极进行绝缘嵌套实现多层土壤墒情探测，简化操作、提高了测量效率。

(2)多层土壤温度探测：多层土壤墒情感知装置通过多级温度探针对不同深度的温度测量弥补墒情数据在土壤深度方向上的温度缺失，提高墒情数据的严谨性。

(3)绿色、低能耗设计：采用绿色的太阳能和锂电池储能共同为节点供电，无需考虑在复杂农业生产环境中的电源供应条件，保证稳定的电源管理供应，采用低功耗远程无线电技术，在任务调度和硬件设计方面采用休眠和低功耗方案，降低电能的消耗，利于大田生产环境中大规模部署该多层土壤墒情感装置。

(4)应用去中心化的终端侧边缘计算迭代优化：多层土壤墒情感知装置基于边缘计算，从土壤墒情原始数据的获取、到数据的本地记录、再到终端侧数据的计算和模拟，在靠近终端侧的微观范围内对数据进行初步的计算存储，分担了服务器的计算任务和存储空间，提高了数据利用效率，对多次预测精度进行自校正实现更高精度的墒情感知。

(5)应用独立的分布式无线节点组网结构：采用LORA无线传感设置感知装置在节点网络中的角色，完成数据的采集和中继转发，使得每个终端节点总能通过最优路径将数据逐级上报给服务器，降低节点间的耦合联系，提高容错率和可靠性，保证稳定的信号传输。

综上，有利于提高土壤墒情的立体化监测和感知精度、极大降低土壤墒情感知检测的成本，适用于特别是大规模农田、丘陵山区及需要连续墒情立体化感知的不同农业生产环境中，满足高质量数字智慧农业的发展需求。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是本发明实施例1的结构示意且A处放大图；

图2是本发明实施例1的结构拆解且B、C、D、E、F、G、H、I处放大图；

图3是本发明实施例1的第1阶电极结构和第1阶绝缘结构且B处放大示意图；

图4是本发明实施例1的第2阶电极结构和第2阶绝缘结构且C、D处放大示意图；

图5是本发明实施例1的第3阶电极结构和第3阶绝缘结构且E、F处放大示意图；

图6是本发明实施例1的第4阶电极结构、第4阶绝缘结构和第5阶电极结构且G、H、I处放大示意图；

图7是本发明实施例2的结构示意图；

图8是本发明实施例2的核心电路系统结构示意图；

图9是本发明实施例2的传感模块原理示意图；

图10是本发明实施例3的结构示意图；

图11是本发明实施例4的工作流程图。

图中标记：第1阶电极11，电极尖111，第1阶有效电极体112，第1阶电极连通体113；第1阶绝缘12，第1阶电极间绝缘体121，第1阶导通绝缘体122；第2阶电极13，第2阶有效电极体131，第2阶电极连通体132；第2阶绝缘14，第2阶电极间绝缘体141，第2阶导通绝缘体142；第3阶电极15，第3阶有效电极体151，第3阶电极连通体152；第3阶绝缘16，第3阶电极间绝缘体161，第3阶导通绝缘体162；第4阶电极17，第4阶有效电极体171，第4阶电极连通体172；第4阶绝缘18，第4阶电极间绝缘体181，第4阶导通绝缘体182；第5阶电极19，第5阶有效电极体191；一个多级电极探针1，另一个多级电极探针2，多级温度探针3，壳体4，太阳能电池板5，增益天线6。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“轴向”、“径向”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”、“若干”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例1：

如图1-6所示，为本发明所述多级电极探针的一种较佳实施方式，所述多级电极探针包括依次交替嵌套的N阶电极和N-1阶绝缘，N阶电极中第i阶电极包括有效电极体和/或电极连通体，N-1阶绝缘中第j阶绝缘包括套设在相邻阶有效电极体之间的电极间绝缘体和套设在相邻阶电极连通体之间的导通绝缘体，N为≥2的整数，i∈N且为整数，j∈N-1且为整数。

进一步地，N＝5，五阶电极和四阶绝缘交替嵌套，多级电极探针总长为L，五阶电极包括第1阶电极11、第2阶电极13、第3阶电极15、第4阶电极17和第5阶电极19，五阶电极材料为导体不锈钢材质，四阶绝缘包括第1阶绝缘12、第2阶绝缘14、第3阶绝缘16、第4阶绝缘18。

进一步地，所述第1阶电极11包括相连且实心的第1阶有效电极体112和第1阶电极连通体113，第1阶有效电极体112的直径为R，第1阶有效电极体112包括电极尖111且长度为Ln，第1阶电极连通体113的直径≤R/5，第1阶电极连通体113的长度为L-Ln。

进一步地，所述第1阶绝缘12套设在第1阶电极连通体113外部，用于实现第2阶电极13与第1阶电极11的电气物理隔离，第1阶绝缘12的内径为第1阶电极连通体113的外径，第1阶绝缘12套包括相连且空心的第1阶电极间绝缘体121和第1阶导通绝缘体122，第1阶电极间绝缘体121的厚度为Lm，Ln远大于Lm，第1阶电极间绝缘体121的外径为R，第1阶导通绝缘体122的厚度≤R/10，第1阶导通绝缘体122的长度为L-Ln-Lm。

进一步地，所述第2阶电极13套设第1阶导通绝缘体122外部，第2阶电极13的内径为第1阶导通绝缘体122的外径，第2阶电极13包括相连且空心的第2阶有效电极体131和第2阶电极连通体132，第2阶有效电极体131的外径为R，第2阶有效电极体131的长度为Ln，第2阶电极连通体132的厚度≤R/10，第1阶电极连通体113的长度为L-2*Ln-Lm。

进一步地，所述第2阶绝缘14套设在第2阶电极连通体132外部，用于实现第3阶电极15与第2阶电极13之间的电气物理隔离，第2阶绝缘14的内径为第2阶电极连通体132的外径，第2阶绝缘14套包括相连且空心的第2阶电极间绝缘体141和第2阶导通绝缘体142，第2阶电极间绝缘体141的厚度为Lm，Ln远大于Lm，第2阶电极间绝缘体141的外径为R，第2阶导通绝缘体142的厚度≤R/10，第2阶导通绝缘体142的长度为L-2*Ln-2*Lm。

进一步地，所述第3阶电极15套设第2阶导通绝缘体142外部，第3阶电极15的内径为第2阶导通绝缘体142的外径，第3阶电极15包括相连且空心的第3阶有效电极体151和第3阶电极连通体152，第3阶有效电极体151的外径为R，第3阶有效电极体151的长度为Ln，第3阶电极连通体152的厚度≤R/10，第3阶电极连通体152的长度为L-3*Ln-2*Lm。

进一步地，所述第3阶绝缘16套设在第3阶电极连通体152外部，用于实现第4阶电极17与第3阶电极15之间的电气物理隔离，第3阶绝缘16的内径为第3阶电极连通体152的外径，第3阶绝缘16套包括相连且空心的第3阶电极间绝缘体161和第3阶导通绝缘体162，第3阶电极间绝缘体161的厚度为Lm，Ln远大于Lm，第3阶电极间绝缘体161的外径为R，第3阶导通绝缘体162的厚度≤R/10，第3阶导通绝缘体162的长度为L-3*Ln-3*Lm。

进一步地，所述第4阶电极17套设第3阶导通绝缘体162外部，第4阶电极17的内径为第3阶导通绝缘体162的外径，第4阶电极17包括相连且空心的第4阶有效电极体171和第4阶电极连通体172，第4阶有效电极体171的外径为R，第4阶有效电极体171的长度为Ln，第4阶电极连通体172的厚度≤R/10，第3阶电极连通体152的长度为L-4*Ln-3*Lm。

进一步地，所述第4阶绝缘18套设在第4阶电极连通体172外部，用于实现第5阶电极19与第4阶电极17之间的电气物理隔离，第4阶绝缘18的内径为第4阶电极连通体172的外径，第4阶绝缘18包括相连且空心的第4阶电极间绝缘体181和第4阶导通绝缘体182，第4阶电极间绝缘体181的厚度为Lm，Ln远大于Lm，第4阶电极间绝缘体181的外径为R，第4阶导通绝缘体182的厚度≤R/10，第4阶导通绝缘体182的长度为L-4*Ln-4*Lm。

进一步地，所述第5阶电极19套设第4阶导通绝缘体182外部，第5阶电极19包括空心的第5阶有效电极体191，第5阶有效电极体191的外径为R，第5阶电极19的内径为第4阶导通绝缘体182的外径，第4阶有效电极体171的长度为Ln，第4阶电极连通体172的厚度≤R/10。

上述多级电极探针，通过N-1阶绝缘分别嵌套在N阶电极的相邻电极之间起到绝缘作用，相邻有效电极体通过导通绝缘体绝缘、起主要的探测任务，电极连通体起连接有效电极体和电气组件的作用，使多级电极探针总长L＝N*Ln+(N-1)*Lm，通过对不同深度的电极进行绝缘嵌套，以便实现一次性对土壤多层次多深度的墒情探测，提高了测量效率。

实施例2：

如图7-9所示，为本发明所述多层土壤墒情感知装置的一种较佳实施方式，所述多层土壤墒情感知装置包括壳体4，所述壳体4上设有两个如实施例1所述的多级电极探针1和多级电极探针2，壳体4内设有为计算核心的核心电路系统，所述核心电路系统包括电源管理模块、传感模块、逻辑计算核心模块、本地存储模块和无线收发模块，所述电源管理模块用于管理供电，所述传感模块用于采集多级电极探针的信号、获取多层土壤墒情数据，所述逻辑计算核心模块用于配置装置运行、基于边缘计算迭代优化当前多层土壤墒情数据，所述本地存储模块用于承担边缘计算的本地存储，所述无线收发模块用于数据收发。

进一步地，所述壳体4上设有太阳能电池板5，所述电源管理模块包括储能单元、电荷泵充电管理单元、DCDC电源管理单元，所述电荷泵充电管理单元用于管理太阳能电池板5向储能单元的充电和储能单元的放电，所述DCDC电源管理单元为直流转直流开关稳压，用于按电压等级变换、升压和降压为电路其他组件提供匹配的电压供应，实现稳定的电源管理与供应。

进一步地，所述太阳能电池板5安装在壳体4顶部以采集自然光，所述储能单元选用锂电池，太阳能电池板5为该感知装置的唯一电量来源，多余电量存储在锂电池中，待太阳能电池板5无法满足系统电量需求时，锂电池可为装置提供电量支持。

进一步地，所述壳体4顶部设有通过导线连接无线收发模块的增益天线6，通过增益天线6以实现无线信号的物理传输。

进一步地，所述壳体4上设有多级温度探针3，所述多级温度探针3为空心结构，多级温度探针3内设有若干等高对应各有效电极体的温度传感器，目的是测量电极探针所在深度的土壤温度；如图8所示，所述传感模块包括温度信号处理电路，所述温度信号处理电路用于采集温度传感器的模拟信号、经过信号滤波和模数转换获取多层土壤温度数据，所述逻辑计算核心模块用于基于边缘计算迭代优化当前多层土壤温度数据，通过不同深度的温度测量弥补墒情数据在土壤深度方向上的温度缺失，提高墒情数据的严谨性。

进一步地，所述壳体4选用防水壳体，将感知装置的电气部分与外界隔离，防止潮湿环境对电气设备和敏感传感模块的腐蚀，两个多级电极探针和一个多级温度探针3安装在防水壳体4底部，便于插入土壤检测。

如图8所示，进一步地，所述传感器模块包括休眠电路、振荡电路和湿度信号处理电路，所述休眠电路用于控制传感器模块低功耗待机，通过控制传感模块的供电实现在休眠模式下的低电量消耗；所述振荡电路用于运用频域反射FDR对土壤湿度进行介电常数的测量、通过在两个多级电极探针上等高的有效电极体之间加入不同频率的振荡信号，以便通过信号的衰减来分析土壤含水率；所述湿度信号处理电路用于分析等高的有效电极体之间振荡电路的振荡信号衰减、实现对土壤湿度的间接测量，经过信号滤波和模数转换获取多层土壤墒情数据。

如图9所示，进一步地，所述逻辑计算核心模块包括微控制器和支持系统，所述微控制器用于控制包括被动授时、任务调度、低功耗管理、模拟信号数字化转换、数据计算和数据收发，数据计算用于基于边缘计算、根据上一状态多层土壤数据的修正结果和置信度、修正当前状态的多层土壤数据并更新当前多层土壤数据的置信度。

进一步地，所述微控制器选用低功耗MCU微控制器，具有在空闲任务下能主动降低主频，关闭部分外设的低功耗的设计，微控制器带有32.768KHz的晶体振荡器，晶体振荡器用于离线或者授时后提供时钟服务。

进一步地，所述数据计算包括数据预测模型和数据估计模型，数据计算的当前状态计为k，数据计算的上一状态计为k-1；

所述数据预测模型包括：

上式中X(k/k-1)表示利用上一状态预测的当前状态多层土壤数据，X(k-1/k-1)表示上一状态的最优多层土壤数据，A表示数据预测模型参数，A可以设为1，B表示控制量参数，U(k)表示当前状态的控制量，如果没有控制量，U(k)可以为0，P(k/k-1)表示X(k/k-1)的协方差、用于衡量上一状态预测当前状态的置信度，P(k-1/k-1)表示X(k-1/k-1)的协方差、用于衡量上一状态最优多层土壤数据的置信度，A'表示A的转置矩阵，Q是数据计算过程的协方差，Q影响收敛速率，Q根据数据预测模型调试过程给出；

所述数据估计模型包括：

上式中，X(k/k)表示当前最优多层土壤数据估计值，Kg(k)表示增益，Kg(k)在计算中进行迭代更新，Z(k)表示当前多层土壤数据测量值、Z(k)作为输入参与计算，H表示测量参数，H可以设为1，H'表示H的转置矩阵，r表示测量噪声方差，r通过统计方法实验测出，P(k/k)表示X(k/k)的协方差，得到k状态下最优的估计值X(k/k)之后，还要更新k状态下P(k/k)，P(k/k)用于衡量当前状态最优多层土壤数据的置信度、以便进行下次的迭代，I表示单位矩阵。

进一步地，所述本地存储模块包括一个Flash存储单元，是一种非易失性内存，在没有电压供应的条件下也能够长久地保持数据，目的是承担边缘计算的存储任务，将数据就近存储在终端节点处。

实施例3：

如图10所示，为本发明所述多层土壤墒情感知系统的一种较佳实施方式，所述多层土壤墒情感知系统包括若干如实施例2所述多层土壤墒情感知装置作为终端节点和中继节点、采用LORA构建的分布式无线网组，中继节点逐级连接并通过网关与服务器信息交互。

进一步地，所述无线收发模块包括LORA集成模块，可实现2KM范围内的组网通信，通过LORA的mesh组网协议配置多层土壤墒情感知装置在节点中的角色，通过编程方式切换该模块的组网方式，配置为不同的终端节点和中继节点实现大范围的分布式组网、完成星型和网状结构的分布式网络构建，LORA为一种低功耗远程无线电技术，在本发明的应用中通过逻辑计算核心模块对无线收发模块进行低功耗控制、发挥低功耗的调度逻辑优势，同时在无线收发模块电路设计上结合RTS(request to send)-CTS(Clear to send)机制避免数据拥塞。

实施例4：

如图11所示，为本发明所述多层土壤墒情感知系统的一种较佳实施方式，所述多层土壤墒情感知方法，基于实施例3所述多层土壤墒情感知系统，方法包括以下步骤：

S1：在大田范围内的不同地点部署多层土壤墒情感知装置，采用LORA设置中继节点和终端节点构建的分布式无线网组，中继节点逐级连接并通过网关与服务器交互；

S2：多层土壤墒情感知装置上电工作后，核心电路系统上的硬件初始化工作，复位各传感状态和收发数据缓存；

S3：多层土壤感知装置在初始化完成后由无线收发模块发送网络授时请求信号，网络授时请求信号由终端节点经中继节点逐级上报、通过网关到达服务器，服务器根据指令发出授时信号、经网关和中继节点遍历所有终端节点，对全部节点进行网络授时、更新本地日期时间，在多层土壤感知装置离线或者授时之后，多层土壤感知装置的时钟由晶体振荡器独立提供，多层土壤墒情感知装置在无任务调度的情况下处于休眠模式，休眠模式关闭传感模块供电和部分硬件外设以节省电能，多层土壤墒情感知装置被唤醒的方式包括下述步骤S4和步骤S8两种；

S4：多层土壤墒情感知装置在任务调度的情况下唤醒，开启传感模块供电，主动通过传感器模块温度信号处理电路采集获取多级温度探针3检测的多层土壤温度数据，湿度信号处理电路采集获取多级电极探针经振荡电路间接测量的多层土壤湿度即墒情数据，采集获得不同深度的多层土壤温湿度数据并作为原始数据Z(k)，在本地存储模块进行持久化保存；

S5：多层土壤墒情感知装置的逻辑计算核心模块基于边缘计算迭代优化：数据预测模型根据上一状态多层土壤温湿度数据的修正结果X(k-1/k-1)和置信度P(k-1/k-1)，计算当前状态多层土壤温湿度预测数据X(k/k-1)、当前状态多层土壤温湿度预测数据置信度P(k/k-1)；将步骤S4的多层土壤温湿度数据作为当前k状态下的原始数据Z(k)输入，数据估计模型根据X(k/k-1)、P(k/k-1)计算修正当前状态的最优多层土壤温湿度数据X(k/k)，并更新当前多层土壤温湿度数据的置信度P(k/k)；

S6：本地存储模块将步骤S5的X(k/k)、P(k/k)进行持久化保存，承担边缘计算的本地存储；

S7：无线收发模块采用LORA将步骤S5的X(k/k)、P(k/k)数据编码上传，通过中继节点逐级上报、最终通过网关将田间不同地点不同深度的墒情和温度数据汇集到服务器；

S8：若多层土壤墒情感知装置被无线收发模块唤醒，感知装置会根据收到的信息，做数据转发或者被动授时；

S9：完成唤醒任务后，多层土壤墒情感知装置进入空闲状态，返回步骤S3。

多层土壤墒情感知装置、系统和方法应用包括步骤S5-S6的去中心化的终端侧边缘计算，从土壤墒情原始数据的获取，到数据的本地记录，再到数据的迭代优化，将计算资源就近放置在更靠近用户或设备的“边缘”，从而减少延迟和带宽消耗，提供靠近数据源的实时处理，进行就近的近端服务，其应用在边缘侧发起，产生更快的任务响应，分担了中央服务器的计算任务和存储空间，提高了数据的利用效率，满足行业在实时业务、安全与隐私等方面的应用需求；将采集到的多层土壤墒情数据进行迭代计算，对多次预测精度进行自校正以实现更高精度的墒情预测。

多层土壤墒情感知系统和方法应用分布式结构，将分散节点通过LORA无线传感网络互连起来，在大田范围内部署多个土壤墒情感知节点，通过设置多层土壤墒情感装置在节点网络中的角色，完成数据的采集和中继转发，使得每个终端节点总能通过最优路径将墒情数据通过中继节点逐级上报，最终通过网关将田间不同地点不同深度的墒情数据汇集到服务器，服务器也可通过网关对分布式节点进行授时和对数据的矫正；独立的分布式节点网络采用分散控制降低节点间的耦合联系，即使整个网络中的某个节点出现故障，也不会影响其他节点和整个网络的功能，提高容错率，具有很高的可靠性，节点的分散部署产生较大的有效网络覆盖面积，在农业传感中具有较大的优势，可满足在实时业务、智能应用等方面的基本需求。

在能耗方面：对于节点设备的电源管理，一方面采用绿色的太阳能和锂电池储能共同为节点系统供电，另一方面采用低功耗远程无线电技术，在任务调度和硬件设计方面采用休眠和低功耗方案，降低电能的消耗，节省了农业传感网络中的电源成本和有线线路的架设成本，充分发挥低功耗的优势。

综上，通过多级电极探针实现多深度的土壤湿度探测、多级温度探针对多深度的土壤温度探测，采用绿色节能的低功耗方案、独立的分布式节点网络和去中心化的终端侧边缘计算，有利于提高土壤墒情的立体化监测和感知精度、极大降低土壤墒情感知检测的成本，适用于特别是大规模农田、丘陵山区及需要连续墒情立体化感知的不同农业生产环境中。

本文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施例的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施例或变更均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种多级电极探针，其特征在于，包括依次交替嵌套的N阶电极和N-1阶绝缘，N阶电极中第i阶电极包括有效电极体和/或电极连通体，N-1阶绝缘中第j阶绝缘包括套设在相邻阶有效电极体之间的电极间绝缘体和套设在相邻阶电极连通体之间的导通绝缘体，N为≥2的整数，i∈N且为整数，j∈N-1且为整数。

2.根据权利要求1所述的一种多级电极探针，其特征在于，N阶电极中第1阶电极(11)的包括电极尖(111)，第i阶电极的有效电极体为实心或空心结构且外径为R、长度为Ln，第i阶电极的电极连通体为实心或空心结构且实心直径≤R/N、空心厚度≤R/2N，第j阶绝缘的电极间绝缘体为空心结构且厚度为Lm，第j阶绝缘的导通绝缘体为空心结构且厚度≤R/2N，多级电极探针总长L＝N*Ln+(N-1)*Lm。

3.一种多层土壤墒情感知装置，其特征在于，包括壳体(4)，所述壳体(4)上设有两个如权利要求1所述的多级电极探针，壳体(4)内设有核心电路系统，所述核心电路系统包括电源管理模块、传感模块、逻辑计算核心模块、本地存储模块和无线收发模块，所述电源管理模块用于管理供电，所述传感模块用于采集多级电极探针的信号、获取多层土壤墒情数据，所述逻辑计算核心模块用于配置装置运行、基于边缘计算迭代优化当前多层土壤墒情数据，所述本地存储模块用于承担边缘计算的本地存储，所述无线收发模块用于数据收发。

4.根据权利要求3所述的一种多层土壤墒情感知装置，其特征在于，所述壳体(4)上设有多级温度探针(3)，所述多级温度探针(3)内设有若干等高对应各有效电极体的温度传感器，所述传感模块包括温度信号处理电路，所述温度信号处理电路用于采集温度传感器的模拟信号、经过信号滤波和模数转换获取多层土壤温度数据，所述逻辑计算核心模块用于基于边缘计算迭代优化当前多层土壤温度数据。

5.根据权利要求3所述的一种多层土壤墒情感知装置，其特征在于，所述壳体(4)上设有太阳能电池板(5)，所述电源管理模块包括储能单元、电荷泵充电管理单元、DCDC电源管理单元，所述电荷泵充电管理单元用于管理太阳能电池板(5)向储能单元的充电和储能单元的放电，所述DCDC电源管理单元用于按电压等级变换配置储能单元的供电。

6.根据权利要求3所述的一种多层土壤墒情感知装置，其特征在于，所述传感器模块包括休眠电路、振荡电路和湿度信号处理电路，所述休眠电路用于控制传感器模块低功耗待机，所述振荡电路用于运用频域反射FDR、在等高的有效电极体之间加入振荡信号，所述湿度信号处理电路用于分析振荡电路的振荡信号衰减、经过信号滤波和模数转换获取多层土壤墒情数据。

7.根据权利要求3所述的一种多层土壤墒情感知装置，其特征在于，所述逻辑计算核心模块包括微控制器和支持系统，所述微控制器用于控制包括被动授时、任务调度、低功耗管理、模拟信号数字化转换、数据计算和数据收发，数据计算用于基于边缘计算、根据上一状态多层土壤数据的修正结果和置信度、修正当前状态的多层土壤数据并更新当前多层土壤数据的置信度。

8.根据权利要求7所述的一种多层土壤墒情感知装置，其特征在于，所述数据计算包括数据预测模型和数据估计模型，数据计算的当前状态计为k，数据计算的上一状态计为k-1；

所述数据预测模型包括：

上式中X(k/k-1)表示利用上一状态预测的当前状态多层土壤数据，X(k-1/k-1)表示上一状态的最优多层土壤数据，A表示数据预测模型参数，B表示控制量参数，U(k)表示当前状态的控制量，P(k/k-1)表示X(k/k-1)的协方差，P(k-1/k-1)表示X(k-1/k-1)的协方差，A'表示A的转置矩阵，Q是数据计算过程的协方差；

所述数据估计模型包括：

上式中，X(k/k)表示当前最优多层土壤数据估计值，Kg(k)表示增益，Z(k)表示当前多层土壤数据测量值，H表示测量参数，H'表示H的转置矩阵，r表示测量噪声方差，P(k/k)表示X(k/k)的协方差，I表示单位矩阵。

9.一种多层土壤墒情感知系统，其特征在于，包括若干如权利要求3～8任意一项所述多层土壤墒情感知装置作为终端节点和中继节点、采用LORA构建的分布式无线网组，中继节点逐级连接并通过网关与服务器信息交互。

10.一种多层土壤墒情感知方法，其特征在于，基于权利要求9所述多层土壤墒情感知系统，方法包括：

服务器根据多层土壤墒情感知装置的请求向全部终端节点和中继节点授时；

多层土壤墒情感知装置在无任务调度的情况下处于休眠模式；

多层土壤墒情感知装置在任务调度的情况下唤醒，主动采集多层土壤数据；

多层土壤墒情感知装置或服务器根据上一状态多层土壤数据的修正结果和置信度、修正当前状态的多层土壤数据并更新当前多层土壤数据的置信度并本地存储；

修正后的多层土壤数据通过中继节点逐级上报、通过网关汇集到服务器；

多层土壤墒情感知装置被无线收发模块唤醒、进行数据转发或被动授时。

Images