CN116008506A - 一种森林土壤水分监测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种森林土壤水分监测系统，包括：土壤水分采集模块：用于实时采集森林土壤水分数据；数据处理模块：用于对所述森林土壤水分数据进行滤波处理；存储模块：用于存储进行滤波处理后的数据；无线数据收发模块：用于接入无线传感网络并进行无线数据收发；电源供电模块：用于对各个模块进行供电，确保系统正常工作时所必须的能源；其中，电源供电模块分别与土壤水分采集模块、数据处理模块、存储模块连接、无线数据收发模块，土壤水分采集模块、数据处理模块、存储模块、无线数据收发模块依次连接。本发明系统开发价格较低，性价比高，安装维护简单，提高了森林环境土壤信息管理自动化程度。
Description
技术领域
本发明涉及土壤监测技术领域，特别是涉及一种森林土壤水分监测系统。
背景技术
土壤水分是土壤的重要物理参数，它对于植物生长、存活、净生产力等具有重要的意义，同时，土壤水分状况是气候、植被、地形及土壤因素等自然条件的综合反映，对于径流、蒸散(植被蒸腾和土壤蒸发)等具有重要影响。对土壤水分及其变化的监测是生态、农业和水土保持等研究中的一项基础工作。
森林土壤水分是森林土壤的一个重要组成部分，它积极参与土壤中物质的转化过程，并在风化过程和土壤形成过程中起着重要作用。特别是它作为一个肥力因素，与林业生产有着密切的关系，据测定，形成一克森林植物体的干物质，需要消耗几百到一两千克水。因此森林土壤水分的供应，直接影响着森林的分布。森林土壤是矿质元素的充分供应者，但如果没有水分，土壤则完全是非生产性的；如果有足够的水分，即使是贫瘠的沙地也能维持森林生长。森林土壤水分状况是指森林土壤水分在土壤剖面中的存在数量和周年动态变化，它受气候、植被、地形、土壤性质等自然因素的影响，在不同地区、不同土壤类型之间，存在着规律性的差异；在人工林地上，还受营林措施的支配。
森林土壤中水分物理性质沿着土壤剖面具有规律性的变化，表层的容重小，孔隙度大；下层则相反。此外，最小持水量和土壤贮水量也相应降低。最大吸湿量与稳定凋菱含水量的变化与剖面中粘粒及胶粒的分配有关，因为这两种粒级能大量吸着水分，一般淋溶层中矿质胶粒含量低，腐殖质中有机胶粒含量较多，淋溶土壤下层矿质胶粒的含量则增多。
目前，土壤水分监测还存在许多问题，获得的土壤墒情数据常常滞后，因此，亟需一种森林土壤水分监测系统。
发明内容
本发明的目的是提供一种森林土壤水分监测系统，以提高森林土壤信息的提取效率，实现对数据的采集、传输、监控和管理。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种森林土壤水分监测系统，包括：
土壤水分采集模块：用于实时采集森林土壤水分数据；
数据处理模块：用于对所述森林土壤水分数据进行滤波处理；
存储模块：用于存储进行滤波处理后的数据；
无线数据收发模块：用于接入无线传感网络并进行无线数据收发；
电源供电模块：用于对各个模块进行供电，确保系统正常工作时所必须的能源；
其中，所述电源供电模块分别与所述土壤水分采集模块、所述数据处理模块、所述存储模块连接、所述无线数据收发模块，所述土壤水分采集模块、所述数据处理模块、所述存储模块、所述无线数据收发模块依次连接。
优选地，所述土壤水分采集模块包括若干水分监测节点和汇聚节点，所述水分监测节点用于采集土壤水分数据，所述汇聚节点用于与若干所述监测节点进行通信。
优选地，所述水分监测节点包括土壤水分检测装置，所述土壤水分检测装置为水分检测仪，通过所述水分检测仪获取所述水分监测节点的土壤水分含量数据。
优选地，所述土壤水分采集模块还包括用于获取所述水分监测节点坐标的定位单元，其中，所述定位单元与所述水分监测节点连接，所述水分监测节点与所述汇聚节点连接。
优选地，所述数据处理模块包括天气获取单元，所述天气获取单元在接收到所述汇聚节点获取的数据时自动获取当下的天气信息，所述天气获取单元用于将所述天气信息返回到所述汇聚节点，所述汇聚节点用于将天气信息和土壤水分含量数据融合，形成水分记录信息。
优选地，所述数据处理模块还包括判断单元，所述判断单元用于判断所述水分记录信息是否小于预设阈值，若所述水分记录信息小于所述预设阈值，所述汇聚节点识别所述土壤水分监测节点为不可靠土壤水分监测节点，向所述不可靠土壤水分监测节点发送定位坐标获取请求，并记录所述定位坐标。
优选地，所述存储模块用于将水分记录信息与当时天气情况进行融合并打上时间戳，形成水分含量信息进行存储，获得对应森林土壤的水分含量信息数据库。
优选地，所述无线数据收发模块包括ZigBee单元，所述ZigBee单元通过异步串口与各模块进行通信。
优选地，所述无线数据收发模块还包括云端服务器，所述云端服务器与所述存储模块采用设定的网络模式相连接，其中，所述设定的网络模式为4G网络模式或5G网络模式。
本发明的有益效果为：
本发明能够识别不可靠土壤水分监测节点，根据通知数据包中的定位坐标，能快速定位到不可靠土壤水分监测节点的具体位置，因此，能减少排查时间，有利于提高水分监测节点的修复效率；本发明系统开发价格较低，性价比高，安装维护简单，提高了森林环境土壤信息管理自动化程度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例的森林土壤水分检测系统结构示意图。
具体实施方式
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。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
一种森林土壤水分监测系统，如图1，包括：
土壤水分采集模块：用于实时采集森林土壤水分数据；
数据处理模块：用于对所述森林土壤水分数据进行滤波处理；
存储模块：用于存储进行滤波处理后的数据；
无线数据收发模块：用于接入无线传感网络并进行无线数据收发；
电源供电模块：用于对各个模块进行供电，确保系统正常工作时所必须的能源；
其中，所述电源供电模块分别与所述土壤水分采集模块、所述数据处理模块、所述存储模块连接、所述无线数据收发模块，所述土壤水分采集模块、所述数据处理模块、所述存储模块、所述无线数据收发模块依次连接。
土壤水分采集模块对土壤含水率信息进行感知并获取监测区域内的信息，在选择检测装置时，主要考虑能耗、测量范围与精度、成本与体积等因素。
进一步优化方案，所述土壤水分采集模块包括若干水分监测节点和汇聚节点，所述水分监测节点用于采集土壤水分数据，所述汇聚节点用于与所述若干监测节点进行通信。所述水分监测节点包括土壤水分检测装置，所述土壤水分检测装置为水分检测仪，通过所述水分检测仪获取所述水分监测节点的土壤水分含量数据。
所述土壤水分采集模块还包括用于获取所述水分监测节点坐标的定位单元，其中，所述定位单元与所述水分监测节点连接，所述水分监测节点与所述汇聚节点连接。
所述土壤水分监测节点接收汇总数据包获取请求后，向汇聚节点上报汇总数据包，汇总数据包携带自身的土壤水分监测节点编号、土壤水分监测数据包转发率、剩余能量、能量利用率、接收信号强度以及时间戳，所述接收信号强度表示接收到汇聚节点信号的强度，所述时间戳表示产生所述汇总数据包的时间。
土壤水分监测节点和汇聚节点之间使用无线信号通信，无线信道频率为2.433GHz，采用最小移频键控(Minimum shift keying，MSK)调制格式，数据传输速率250kbps。汇聚节点的无线数据传输模块，直接使用普通节点的传输模块以降低成本和节约能量。PC机只有通过汇聚节点才能对网络中的传感器节点进行监控和管理。因此要求汇聚节点具有计算能力强，内存容量大，能量供给充足的特性。
数据处理模块用于对所述森林土壤水分数据进行滤波处理，将土壤水分数据进行放大并滤波处理，转换为数字信号，由放大、滤波及辅助电路组成。
进一步优化方案，所述数据处理模块还包括判断单元，所述判断单元用于判断所述水分记录信息是否小于预设阈值，若所述水分记录信息小于所述预设阈值，所述汇聚节点识别所述土壤水分监测节点为不可靠土壤水分监测节点，向所述不可靠土壤水分监测节点发送定位坐标获取请求，并记录所述定位坐标。
如果所述土壤水分监测节点当前的可靠系数小于预设阈值，就识别所述土壤水分监测节点为不可靠土壤水分监测节点，向所述不可靠土壤水分监测节点发送定位坐标获取请求，接收所述不可靠土壤水分监测节点返回的所述定位坐标，按无线传感网络数据包的格式，将所述不可靠土壤水分监测节点自身的土壤水分监测节点编号、所述定位坐标进行封装，生成通知数据包，向无线数据收发模块发送通知数据包，以使终端接收并显示所述通知数据包，所述通知数据包携带所述不可靠土壤水分监测节点自身的土壤水分监测节点编号、所述定位坐标，如果所述土壤水分监测节点当前的可靠系数不小于预设阈值，就识别所述土壤水分监测节点为可靠土壤水分监测节点，向所述可靠土壤水分监测节点发送土壤水分数据获取请求。所述可靠土壤水分监测节点接收到土壤水分数据获取请求后，将产生的土壤水分数据以及自身的土壤水分监测节点编号进行封装，生成土壤水分监测数据包，将所述土壤水分监测数据包发送至所述汇聚节点；汇聚节点接收可靠土壤水分监测节点发送的所述土壤水分监测数据包，在所述土壤水分监测数据包中提取所述土壤水分数据并存储至存储模块。
所述数据处理模块包括天气获取单元，所述天气获取单元在接收到所述汇聚节点获取的数据时自动获取当下的天气信息，所述天气获取单元用于将所述天气信息返回到所述汇聚节点，所述汇聚节点用于将天气信息和土壤水分含量数据融合，形成水分记录信息。
进一步优化方案，所述存储模块用于将水分记录信息与当时天气情况进行融合并打上时间戳，形成水分含量信息进行存储，获得对应森林土壤的水分含量信息数据库。
所述存储模块用于将水分记录信息进行实时存储；利用水分检测仪和对应的天气获取单元获取到在所有出现的天气情况下该片土地的水分含量信息；之后将水分含量信息结合当时天气情况融合并打上时间戳形成水分记录信息并存储在存储模块中，从而形成了对应该片土地的水分记录信息数据库。
存储模块包括预测单元，用于根据信息数据库进行预测，预测的方法为：
首先获取传输的实时水分含量准值并将其标记为实时含量；
根据天气获取单元获取到未来预设时间段内的每一天的天气信息；根据每一天的天气信息获取到对应存储模块内的水分记录信息，并获取到水分记录信息内的水分含量准值；计算得到水分差值，根据水分差值进行预测。
所述无线数据收发模块包括ZigBee单元，所述ZigBee单元通过异步串口与各模块进行通信。负责感知节点之间以及节点与汇聚节点之间的通信、交换控制信息和收发所采集的数据。
进一步优化方案，所述无线数据收发模块还包括云端服务器，所述云端服务器与所述存储模块采用设定的网络模式相连接，其中，所述设定的网络模式为4G网络模式或5G网络模式。
所述云端服务器还连接有显示器，可以实时采集数据并显示，形成数据库、报表，供灌溉预报及决策使用，依据监测数据计算灌水时间与灌水量，将监测与计算结果用图表、曲线显示或打印输出。
本发明能够识别不可靠土壤水分监测节点，根据通知数据包中的定位坐标，能快速定位到不可靠土壤水分监测节点的具体位置，因此，能减少排查时间，有利于提高水分监测节点的修复效率。
本发明通过监测节点进行数据采集，通过ZigBee无线技术进行数据传输与汇聚，通过互联网与用户终端进行信息交互，实现了对森林土壤水分的远程监测。
本发明系统开发价格较低，性价比高，安装维护简单，提高了森林环境土壤信息管理自动化程度。
以上所述的实施例仅是对本发明优选方式进行的描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
Claims (9)
1.一种森林土壤水分监测系统，其特征在于，包括：
土壤水分采集模块：用于实时采集森林土壤水分数据；
数据处理模块：用于对所述森林土壤水分数据进行滤波处理；
存储模块：用于存储进行滤波处理后的数据；
无线数据收发模块：用于接入无线传感网络并进行无线数据收发；
电源供电模块：用于对各个模块进行供电，确保系统正常工作时所必须的能源；
其中，所述电源供电模块分别与所述土壤水分采集模块、所述数据处理模块、所述存储模块连接、所述无线数据收发模块，所述土壤水分采集模块、所述数据处理模块、所述存储模块、所述无线数据收发模块依次连接。
2.根据权利要求1所述的森林土壤水分监测系统，其特征在于，所述土壤水分采集模块包括若干水分监测节点和汇聚节点，所述水分监测节点用于采集土壤水分数据，所述汇聚节点用于与若干所述监测节点进行通信。
3.根据权利要求2所述的森林土壤水分监测系统，其特征在于，所述水分监测节点包括土壤水分检测装置，所述土壤水分检测装置为水分检测仪，通过所述水分检测仪获取所述水分监测节点的土壤水分含量数据。
4.根据权利要求3所述的森林土壤水分监测系统，其特征在于，所述土壤水分采集模块还包括用于获取所述水分监测节点坐标的定位单元，其中，所述定位单元与所述水分监测节点连接，所述水分监测节点与所述汇聚节点连接。
5.根据权利要求4所述的森林土壤水分监测系统，其特征在于，所述数据处理模块包括天气获取单元，所述天气获取单元在接收到所述汇聚节点获取的数据时自动获取当下的天气信息，所述天气获取单元用于将所述天气信息返回到所述汇聚节点，所述汇聚节点用于将天气信息和土壤水分含量数据融合，形成水分记录信息。
6.根据权利要求5所述的森林土壤水分监测系统，其特征在于，所述数据处理模块还包括判断单元，所述判断单元用于判断所述水分记录信息是否小于预设阈值，若所述水分记录信息小于所述预设阈值，所述汇聚节点识别所述土壤水分监测节点为不可靠土壤水分监测节点，向所述不可靠土壤水分监测节点发送定位坐标获取请求，并记录所述定位坐标。
7.根据权利要求1所述的森林土壤水分监测系统，其特征在于，所述存储模块用于将水分记录信息与当时天气情况进行融合并打上时间戳，形成水分含量信息进行存储，获得对应森林土壤的水分含量信息数据库。
8.根据权利要求1所述的森林土壤水分监测系统，其特征在于，所述无线数据收发模块包括ZigBee单元，所述ZigBee单元通过异步串口与各模块进行通信。
9.根据权利要求8所述的森林土壤水分监测系统，其特征在于，所述无线数据收发模块还包括云端服务器，所述云端服务器与所述存储模块采用设定的网络模式相连接，其中，所述设定的网络模式为4G网络模式或5G网络模式。
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