CN116008149A - 一种农田犁底层渗漏在线实时检测系统及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及农田水位检测领域，具体涉及一种农田犁底层渗漏在线实时检测系统及检测方法，该系统包括主处理器模块、电子水尺模块、温湿度检测模块、FLASH存储模块、能源管理模块、4G通信模块、RS‑485通信模块及现场LCD显示模块。本发明通过使用低功耗电源芯片、建立能源时序实现极低设备功耗：测量时电流低于8mA,休眠模式电流消耗低于1mA，解决大面积农田犁底层渗漏中长期无人值守的问题。本发明还通过电容检测和水压检测相结合的水位方法，实现1mm精度水位检测，同时具备在线实时校准功能，大大提高监测精度及水位监测的可靠性。解决了传统电子水尺精度低及投入式水位监测设备可靠性不高的问题。

Description

一种农田犁底层渗漏在线实时检测系统及检测方法

技术领域

本发明实施例涉及农田水位检测领域，尤其涉及一种农田犁底层渗漏在线实时检测系统及检测方法。

背景技术

在农业生产上，随着化肥的大量施用及灌溉条件的改善，由施肥带入农田土壤的氮、磷等养分含量愈高，也意味着未被转化利用的肥料养分向水体环境迁移的能力愈强。其中，农田犁底层又称“亚表土层”，是位于耕作层以下较为紧实的土层，由于长期耕作经常受到犁的挤压和降水时黏粒随水沉积所致。一般离地表12cm~18cm，厚约5cm~7cm，最厚可达到20cm。

对耕作土壤来说，具有不太厚犁底层对保持养分，保存水分还是非常有益的。但是犁底层过厚（20cm）、坚实，对物质的转移和能量的传递，作物根系下伸，通气透水都非常不利的，这种情况必须采取深翻或深松办法，改造、消除犁底层。

因此，由于犁底层的存在，降低了土壤的通气性和透水性，坚硬的犁底层限制了农作物根系的下扎，根系生长受限，一些农作物发生倒伏，影响作物产量。需要研发一套便于对农田犁底层渗漏在线实时检测的系统，尤其是研发轻巧、便于操作及能够解决大面积农田犁底层渗漏中长期无人值守的问题，提高水位监测的准确性，以具有非常广泛的用途。

发明内容

鉴于此，本发明实施例的目的在于提供一种农田犁底层渗漏在线实时检测系统及检测方法。

为实现上述目的，本发明实施例提供了如下的技术方案。

第一方面，在本发明提供的一些实施例中，提供了一种农田犁底层渗漏在线实时检测系统，包括主处理器模块、电子水尺模块、温湿度检测模块、FLASH存储模块、能源管理模块、4G通信模块、RS-485通信模块及现场LCD显示模块；所述主处理器模块分别连接所述电子水尺模块、温湿度检测模块、FLASH存储模块、能源管理模块、4G通信模块、RS-485通信模块及现场LCD显示模块。基于所述电子水尺模块检测犁底层水位的实时信息，基于所述温湿度检测模块检测犁底层周围环境的温度实时信息，基于所述FLASH存储模块以文件FAT32形式存储，基于所述4G通信模块和RS-485通信模块与主处理器通过串行口通信及检测系统内部各模块通信，基于所述能源管理模块进行提供和管理电源，基于所述现场LCD显示模块显示检测系统的信息。

可选的，所述主处理器模块包括主控处理芯片、看门狗复位定时器芯片以及低功耗RTC芯片，用于控制检测农田犁底层渗漏在线实时检测系统实现各项功能。所述主控处理芯片为ARM Cortex-M3芯片，所述看门狗复位定时器芯片内部设有看门狗电路，所述看门狗电路通过WDT-RESET引脚连接主控处理芯片。

可选的，所述电子水尺模块包括超低功耗处理器STM32L052及电容监测、水压监测、RS-485通信模块及电源管理部分组成，用于检测犁底层水位的实时信息。

可选的，所述温湿度检测模块包括温湿度检测芯片，用于检测犁底层周围环境的实时信息。所述温湿度检测模块中温湿度检测芯片型号为SHT30，通过I2C1与主控芯片通信，用于将当前环境温度、湿度传输给主控芯片，以提供水位测量计算所需参数。

可选的，所述FLASH存储模块包括TF卡、三极管，用于存储检测系统检测数据。

可选的，所述能源管理模块包括低功耗电源芯片、数字晶体管、防雷击电路、平衡电容，用于提供和管理整个检测系统的电源，其中，所述平衡电容在4G通信模块工作时放电，对系统整体电流进行补偿，保证电流的稳定性；能源时序控制数字晶体管通断实现对各模块供电时间和顺序的有效管理，降低系统整体功耗。

可选的，所述4G通信模块包括电压转换芯片、4G芯片、SIM卡，用于检测系统检测数据的远程上传。所述4G通信模块中4G芯片型号为MOD_A7680C_92，用于与主处理器通过串行口通信。

可选的，所述RS-485通信模块包括485芯片以及三极管，用于将串口信号转换为RS-485信号用以检测系统内部各模块通信。

可选的，所述现场LCD显示模块包括墨水屏、电源管理、负电压产生电路，用于显示检测系统的各项信息。所述现场LCD显示模块的电源管理由数字晶体管Q9、P沟道三极管Q11、电源芯片PW6206B33HV组成，LCDPOWER-CTL控制现场LCD显示模块供电，所述现场LCD显示模块中的LCD模块电压产生电路用于产生负电压PREVGL和高电压PREVGH为墨水屏供电。

可选的，所述电子水尺采用分节式设计，可根据不同测量深度，快速通过预留接口，实现量程的增减。

可选的，所述主处理器模块提取温湿度检测模块、电子水尺模块的数据，通过算法处理得到实时水位数据，检测数据存储于TF卡，并通过4G通信模块传输到云平台进行数据在线分析。

第二方面，在本发明提供的一些实施例中，还提供了一种农田犁底层渗漏在线实时检测方法，所述方法使用如前所述的农田犁底层渗漏在线实时检测系统，该方法包括以下步骤：

将电子水尺模块设置在待检测位置，通过电子水尺模块检测获取犁底层水位的水位实时数据，并通过温湿度检测模块检测获取犁底层周围环境的温度实时数据；水位实时数据和温度实时数据分别通过RS-485通信模块传输到主处理器模块；

所述主处理器模块对获取水位实时数据以及温度实时数据进行计算得到实时修正水位数据，并将修正水位数据写入FLASH存储模块，并通过串行口通信利用4G通信模块远程通信。

与现有技术相比，本发明实施例提供的农田犁底层渗漏在线实时检测系统及检测方法，通过使用低功耗电源芯片、建立能源时序实现极低设备功耗：测量时电流低于8mA，休眠模式电流消耗低于1mA，解决大面积农田犁底层渗漏中长期无人值守的问题。

发明实施例提供的农田犁底层渗漏在线实时检测系统及检测方法，还通过电容检测和水压检测相结合的水位方法，实现1mm精度水位检测，同时具备在线实时校准功能，大大提高监测精度及水位监测的可靠性。解决了传统电子水尺精度低及投入式水位监测设备可靠性不高的问题。

本发明的这些方面或其他方面在以下实施例的描述中会更加简明易懂。应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本发明。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是本发明实施例的农田犁底层渗漏在线实时检测系统的结构框图。

图2是本发明实施例的主处理器芯片引脚连接的电路图。

图3是本发明实施例的主处理器与看门狗芯片连接的电路图。

图4是本发明实施例的低功耗RTC芯片的电路图。

图5是本发明实施例的低功耗RTC芯片中外置电路供电的电路图。

图6是本发明实施例的电容检测的电路图。

图7是本发明实施例的水压检测的电路图。

图8是本发明实施例的主处理器与温湿度检测模块连接的电路图。

图9是本发明实施例的主处理器与FLAH存储模块连接的电路图。

图10是本发明实施例的主供电电路（包括防雷击电路和平衡电容）的电路图。

图11是本发明实施例的4G芯片的电路图。

图12是本发明实施例的主处理器与4G通信模块电平转换芯片连接的电路图。

图13是本发明实施例的4G通信模块电源管理的电路图。

图14是本发明实施例的RS-485通信芯片的电路图。

图15是本发明实施例的现场LCD显示模块电源管理的电路图。

图16是本发明实施例的现场LCD显示模块负电压产生的电路图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

由于需要研发一套便于对农田犁底层渗漏在线实时检测的系统，尤其是研发轻巧、便于操作及能够解决大面积农田犁底层渗漏中长期无人值守的问题，提高水位监测的准确性，以具有非常广泛的用途，本发明的提供一种农田犁底层渗漏在线实时检测系统。

以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，绝不作为对本发明公开及其应用或使用的任何限制。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例中的特征可以相互结合。

具体地，下面结合附图，对本申请实施例作进一步阐述。

如图1所示，本发明的一些实施例提供一种农田犁底层渗漏在线实时检测系统，包括主处理器模块、电子水尺模块、温湿度检测模块、FLASH存储模块、能源管理模块、4G通信模块、RS-485通信模块及现场LCD显示模块。所述主处理器模块分别连接所述电子水尺模块、温湿度检测模块、FLASH存储模块、能源管理模块、4G通信模块、RS-485通信模块及现场LCD显示模块。

本发明的农田犁底层渗漏在线实时检测系统同时具备对温度、湿度等环境参数的监测功能，该在线实时检测系统的渗漏监测数据一方面存储在本地监测FLASH存储模块，以文件FAT32形式存储，同时通过4G通信模块传输到云平台，该检测系统基于电流平衡技术，采用蓄能元件实现整个监测的过程能量平衡，特别是4G收发模式下的能量平衡问题，基于多点电源分时管理技术，根据测量过程，分析各监测对象的时序关系，建立测量系统的能源时序，并加以平衡，从而实现测量系统低功耗。

如图2所示，所述主处理器模块包括主控处理芯片、看门狗复位定时器芯片以及低功耗RTC芯片，用于控制检测农田犁底层渗漏在线实时检测系统实现各项功能。

在本发明的一些实施例中，参见图2所示，所述主控处理芯片为ARM Cortex-M3芯片，其型号为STM32L1623VET6，图2为STM32L1623VET6型号的主处理器芯片引脚连接示意图；所述看门狗复位定时器芯片型号为EM6323LZSP5B-2.9。所述低功耗RTC芯片信号型号为RX8010SJ。

参见图3所示，所述看门狗复位定时器芯片内部设有看门狗电路，所述看门狗电路通过WDT-RESET引脚控制看门狗功能的使能，高电平有效。在调试时通过主控处理芯片将WDT-RESET置低电平，防止其在调试过程中的不必要复位，即STM32L1623VET6主处理器芯片通过WDT-RESET引脚控制门狗电路实现看门狗功能。

如图4和图5所示，所述低功耗RTC芯片的实时RTC芯片RX8010SJ其工作电流在160nA，通过外置电池供电；与主控处理芯片通过I2C进行通信。

如图6所示，所述电子水尺模块包括超低功耗处理器STM32L052及电容监测、水压监测、RS-485通信模块及电源管理部分组成，用于检测犁底层水位的实时信息。

其中，所述电子水尺模块内部设置有电子水尺电容测量电路主体，所述电子水尺电容测量电路主体由单点水位检测芯片VK36W1D及其外置电路组成；其中TP1为电容单极点；C9为基准电容；C20为接地电容，用于灵敏度调节；犁底层水位与TP1形成电容结构，通过与基准电容C9比较得到当前电容值，通过WATERL4输出给多路比较模块。

如图7所示，所述电子水尺模块检测犁底层水位的实时信息时，单点水位检测芯片VK36W1D基于外置压阻式水位测量传感器实现，其中，所述外置压阻式水位测量传感器通过连接器J5输入多路比较器TMUX1309PWR，其输出经过AD装换芯片AD8236转化为水位信号WATERLEVEL。

如图8所示，所述温湿度检测模块包括温湿度检测芯片，用于检测犁底层周围环境的实时信息。其中，所述温湿度检测模块中温湿度检测芯片型号为SHT30，通过I2C1与主控芯片通信，将当前环境温度、湿度传输给主控芯片，以提供水位测量计算所需参数。

如图9所示，所述FLASH存储模块由TF卡主控芯片TF002及三极管Q4组成，其中，FLASH存储模块主要用于存储检测系统检测数据，所述TF卡主控芯片TF002控制三极管Q4的通断，使其能够在需要存储数据时使能，非工作时间处于休眠状态，降低功耗。

如图10所示，所述能源管理模块包括低功耗电源芯片、数字晶体管、防雷击电路、平衡电容，用于提供和管理整个检测系统的电源。

在本实施例中，所述能源管理模块由数字晶体管Q1、保险丝、防雷击管、平衡电容C10及C19、变压器TRAN1等组成。当4G通信模块工作时平衡电容释放补偿电流。

如图11所示，所述4G通信模块包括电压转换芯片、4G芯片、SIM卡，用于检测系统检测数据的远程上传。在本实施例中，所述4G通信模块中4G芯片型号为MOD_A7680C_92，其与主处理器通过串行口通信。

其中，如图12所示，4G通信模块电平转换采用SN74LVC2G07DBVR芯片，将4G芯片1.8V电平转换为主控芯片所需3.3V电平。

如图13所示，4G通信模块电源管理由电源芯片TPS561201/8、数字晶体管Q13、P沟道三极管、滤波电路等组成。4GPW-CTL通过控制Q13和Q12的通断来控制4G通信模块的工作，实现低电流低功耗。

如图14所示，所述RS-485通信模块包括485芯片以及三极管，用于检测系统内部各模块通信。其中，所述RS-485通信模块的485芯片型号为SP3485EN-L/TR，将串口信号转换为RS-485信号。

如图15所示，所述现场LCD显示模块包括墨水屏、电源管理、负电压产生电路，用于显示检测系统的各项信息。在本实施例中，所述现场LCD显示模块的电源管理由数字晶体管Q9、P沟道三极管Q11、电源芯片PW6206B33HV组成。LCDPOWER-CTL控制现场LCD显示模块供电，从而实现能源时序。

如图16所示，所述现场LCD显示模块中的LCD模块电压产生电路用于产生负电压PREVGL和高电压PREVGH为墨水屏供电。

在本申请的实施例中，电子水尺采用分节式设计，可根据不同测量深度，快速通过预留接口，实现量程的增减。

其中，所述平衡电容在4G通信模块工作时放电，对系统整体电流进行补偿，保证电流的稳定性。

其中，所述能源时序控制数字晶体管通断实现对各模块供电时间和顺序的有效管理，降低系统整体功耗。

其中，所述主处理器模块提取温湿度检测模块、电子水尺模块的数据，通过算法处理得到实时水位数据，检测数据存储于TF卡，并通过4G通信模块传输到云平台进行数据在线分析。

本发明还提供了一种农田犁底层渗漏在线实时检测方法，基于上述的农田犁底层渗漏在线实时检测系统执行所述农田犁底层渗漏在线实时检测方法，该方法包括以下步骤：

将电子水尺模块设置在待检测位置，通过电子水尺模块检测获取犁底层水位的水位实时数据，并通过温湿度检测模块检测获取犁底层周围环境的温度实时数据；水位实时数据和温度实时数据分别通过RS-485通信模块传输到主处理器模块；

所述主处理器模块对获取水位实时数据以及温度实时数据进行计算得到实时修正水位数据，并将修正水位数据写入FLASH存储模块，并通过串行口通信利用4G通信模块远程通信。本发明的工作原理是，当检测系统工作时，犁底层水位与单极点TP形成电容结构，通过单点水位测量芯片获取当前电容值传输给电容检测主控芯片进行处理，并将处理结果通过RS-485总线传输给主处理器；压阻式水位测量传感器测量信号通过多路比较器、AD转换得到当前水压换算的水位实时数据并将结果通过RS-485总线传输给主处理器。温湿度传感器测量周围环境的温度和湿度，通过I2C传输给主控芯片。主控芯片通过电容检测、压力检测两者结合计算得出当前水位，并将温湿度环境影响进行剔除，得到精确到1mm的水位数据。主控芯片控制数据写入TF卡，并通过4G芯片发送给云端。在整个过程中主控芯片根据能源时序控制各个模块的供电，实现低功耗。此外，实时RTC电路供电由独立的外置电池提供，保证实时时间的准确性。

本发明公开了一种农田犁底层渗漏在线实时检测系统，主要由主处理器模块、电子水尺模块、温湿度检测模块、FLASH存储模块、能源管理模块、4G通信模块、RS-485通信模块及现场LCD显示模块等组成，所述主处理器模块分别连接所述电子水尺模块、温湿度检测模块、FLASH存储模块、能源管理模块、4G通信模块、RS-485通信模块及现场LCD显示模块。本发明通过电容检测和水压检测相结合、电流平衡技术、多点电源分时管理技术、4G通信模块，实现了高精度的电子水尺，其测量精度可达1mm，大大提高监测精度及水位监测的可靠性；有效降低犁底层渗漏检测系统的功耗，可以在不充电模式下持续运行5天以上，设备功耗测量时低于8mA，休眠时低于1mA。

因此，本发明通过使用低功耗电源芯片、建立能源时序实现极低设备功耗：测量时电流低于8mA,休眠模式电流消耗低于1mA，解决大面积农田犁底层渗漏中长期无人值守的问题。

本发明还通过电容检测和水压检测相结合的水位方法，实现1mm精度水位检测，同时具备在线实时校准功能，大大提高监测精度及水位监测的可靠性。解决了传统电子水尺精度低及投入式水位监测设备可靠性不高的问题。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种农田犁底层渗漏在线实时检测系统，其特征在于，该系统包括主处理器模块、电子水尺模块、温湿度检测模块、FLASH存储模块、能源管理模块、4G通信模块、RS-485通信模块及现场LCD显示模块：

所述主处理器模块分别连接所述电子水尺模块、温湿度检测模块、FLASH存储模块、能源管理模块、4G通信模块、RS-485通信模块及现场LCD显示模块；基于所述电子水尺模块检测犁底层水位的实时信息，基于所述温湿度检测模块检测犁底层周围环境的温度实时信息，基于所述FLASH存储模块以文件FAT32形式存储，基于所述4G通信模块和RS-485通信模块与主处理器通过串行口通信及检测系统内部各模块通信，基于所述能源管理模块进行提供和管理电源，基于所述现场LCD显示模块显示检测系统的信息。

2. 根据权利要求1所述的农田犁底层渗漏在线实时检测系统，其特征在于，所述主处理器模块包括主控处理芯片、看门狗复位定时器芯片以及低功耗RTC芯片，所述主控处理芯片为ARM Cortex-M3芯片，所述看门狗复位定时器芯片内部设有看门狗电路，所述看门狗电路通过WDT-RESET引脚连接主控处理芯片。

3.根据权利要求2所述的农田犁底层渗漏在线实时检测系统，其特征在于，所述电子水尺模块包括超低功耗处理器STM32L052及电容监测、水压监测、RS-485通信模块及电源管理部分组成，用于检测犁底层水位的实时信息。

4.根据权利要求3所述的农田犁底层渗漏在线实时检测系统，其特征在于，所述温湿度检测模块包括温湿度检测芯片，所述温湿度检测模块中温湿度检测芯片型号为SHT30，通过I2C1与主控芯片通信，用于将当前环境温度、湿度传输给主控芯片，以提供水位测量计算所需参数。

5.根据权利要求4所述的农田犁底层渗漏在线实时检测系统，其特征在于，所述FLASH存储模块由TF卡主控芯片TF002及三极管Q4组成，用于存储检测系统检测数据。

6.根据权利要求1所述的农田犁底层渗漏在线实时检测系统，其特征在于，所述能源管理模块包括低功耗电源芯片、数字晶体管、防雷击电路、平衡电容，用于提供和管理整个检测系统的电源，当4G通信模块工作时所述平衡电容用于释放补偿电流。

7.根据权利要求1-6任一所述的农田犁底层渗漏在线实时检测系统，其特征在于，所述4G通信模块包括电压转换芯片、4G芯片、SIM卡，用于检测系统检测数据的远程上传，所述4G通信模块中4G芯片型号为MOD_A7680C_92，用于与主处理器通过串行口通信。

8.根据权利要求7所述的农田犁底层渗漏在线实时检测系统，其特征在于，所述RS-485通信模块包括485芯片以及三极管，用于将串口信号转换为RS-485信号用以检测系统内部各模块通信。

9.根据权利要求8所述的农田犁底层渗漏在线实时检测系统，其特征在于，所述现场LCD显示模块包括墨水屏、电源管理、负电压产生电路，所述现场LCD显示模块的电源管理由数字晶体管Q9、P沟道三极管Q11、电源芯片PW6206B33HV组成，LCDPOWER-CTL控制现场LCD显示模块供电，所述现场LCD显示模块中的LCD模块电压产生电路用于产生负电压PREVGL和高电压PREVGH为墨水屏供电。

10.一种农田犁底层渗漏在线实时检测方法，其特征在于，所述方法使用如权利要求1~9任一项所述的农田犁底层渗漏在线实时检测系统，该方法包括以下步骤：

将电子水尺模块设置在待检测位置，通过电子水尺模块检测获取犁底层水位的水位实时数据，并通过温湿度检测模块检测获取犁底层周围环境的温度实时数据；水位实时数据和温度实时数据分别通过RS-485通信模块传输到主处理器模块；

所述主处理器模块对获取水位实时数据以及温度实时数据进行计算得到实时修正水位数据，并将修正水位数据写入FLASH存储模块，并通过串行口通信利用4G通信模块远程通信。

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