CN201527424U - 一种基于gps技术的土壤水分参数速测仪 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种能够实时测量土壤采样点的土壤容积含水量、土壤水势和测量点位的经纬度坐标的土壤水分参数速测仪。该速测仪包括土壤体积含水量传感器、土壤水势电子传感器、GPS接受机、控制按键面板、微处理器、数据存储器、显示液晶模块、232通讯接口电路、充电电路和可充电电源以及高压变低压的转化电路、时钟电路组成。该测试仪用来测定用户指定采样点的容积含水量和土壤水势值等两项土壤水分参数，通过GPS接受机记录测量采用点的经纬度坐标，通过时钟电路记录测量土壤水分的时间，将这4项指标存放到该仪器的存储器中，经232通讯口传送到速测仪佩带上位机(计算机)软件系统中，文件可以TXT或CSV格式存放计算机硬盘中，经GIS处理可生成土壤水分参数空间插值图，用于指导精确灌溉。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种基于GPS技术的土壤水分参数速测仪，特别设计一种测量采样点的土壤体积含水量、土壤水势、经纬度坐标及检测时间的土壤水分参数速测仪，属于电子仪器制造领域。
背景技术
我国农业是用水大户，而我国是一个严重缺水的国家，节水农业技术是我国现代农业发展的重要方向之一。土壤墒情监测室实现农业节水的基础和重要的举措。土壤水分空间异质性和变量灌溉技术需要土壤墒情监测。
农田土壤水分参数可以用两种方法表述：土壤体积含水量和土壤水势。含水量是指单位体积或单位重量土壤中的水分。土壤水势是指从土壤中提取(吸取)单位水分所需引起的能量。水势也称负压，其计算单位和压强相同：Pa或mbar。1mbar＝1cm水柱＝100Pa。因为提取水分要消耗能量，所以土壤水势一般取负值。数值越负，土壤越干旱。一般植物生存的范围是：0～-15巴或0～-1500000Pa，基质水势是全部水势的主要组成部分，在非盐碱土壤中，全部水势等于基质水势。基质水势起因于土壤中毛细现象。在土壤含水量相同的情况下，土壤越粘细，水势越低。
判断土壤的干旱程度的唯一指标是土壤水势。所以，测量土壤水势是实现节水灌溉的关键技术。是否灌，灌多少只能根据土壤的水势高低来决定。世界上许多国家的专家试图用土壤含水量来控制灌溉，最后都以失败告终，因为含水量不直接反应土壤的干旱程度。
每一种植物对其适生环境都有特定要求。通过科研和实践经验，人们对每一种植物适生的温度，空气湿度，光照都有详细的了解。但对植物对土壤湿度的要求人们则知道地很少。某一植物在某一土壤环境条件下是否可以生长，生长的好坏，往往通过多年的实地栽培试验也难以取得确切答案。费时费力，结果极不可靠。问题的关键是我们没有判断植物对土壤水分要求的定量指标。
植物对土壤水分要求的定量指标也就是植物从土壤中吸取水分的能力，也就是植物能克服的最低水势。所以测定植物的对土壤水分的要求(耐旱能力)实际上就是测量土壤水势。
随着我国节水农业技术的发展、普及，依靠传感器和硬件测量电路等技术来实现对单点土壤样区检测的功能，越来越不能满足土壤墒情监测和土壤水分预报等研究工作的需要。急需开发出能够检测大容量样本点土壤水分参数信息，同时测定各个检测点的地理位置信息的农业精准仪器，进行农田水分参数的汇总，生成水分空间分布图来监测田间土壤墒情，达到节水丰产的目的。
实用新型内容
本实用新型的主要目的是提供一种基于GPS技术的土壤水分参数速测仪，可以接受并存储GPS接收机发过来的时间、地理位置数据和土壤水分传感器探头探测的土壤水分数据，将存储的数据发送到上位机进行分析处理，最终生成土壤水分分布图来监测田间土壤墒情，指导变量灌溉，达到节水高产的目的。
本实用新型的目的是通过以下技术方案实现：
一种基于GPS技术的土壤水分参数速测仪，由土壤速测处理模块、GPS接收模块以及土壤水分传感器连接构成；其中，
土壤速测处理模块连接土壤水分传感器，并通过通信接口连接发送时间及地理位置数据信息的GPS接收模块；
土壤速测处理模块至少由用于连接土壤水分传感器并接收该传感器发送探测信号的MCU和存储子模块构成，MCU通过其数据、地址信号及读写控制信号和该存储子模块连接。
所述存储模块由用于存储土壤检测数据和时间及地理位置数据的数据存储器。
所述通信接口为RS-232串行通信接口。
所述的土壤速测处理模块中还设有用于显示检测和数据处理过程及结果的显示模块，土壤速测处理模块中的MCU通过其数据、地址信号及显示控制信号和该显示模块连接。
所述显示模块为LCD显示器。
上述的一种基于GPS技术的土壤水分参数速测仪还设有用于接收用户输入信息的键盘，该键盘和土壤速测处理模块中MCU的输入输出信号连接。
存储器由EEprom组成，可以擦写近万次。所述的可充电电源通过高压变低压的转化电路对各个子部分电路供电。
综上所述，本实用新型设有土壤速测处理模块，该模块通过相应接口接收、处理GPS接收模块发来的时间、地理位置数据以及土壤水分传感器探头探测的土壤水分数据并存储，在适当时候可将存储的数据发送到上位机进行分析处理，最终生成土壤水分分布图来检测田间土壤墒情，指导变量灌溉，达到节水高产的目的。
与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：
①可以同时通过土壤水分参数传感器测量各个样点的土壤水分体积含水量和土壤水势值；
②能够存储所测各点的土壤体积含水量、土壤水势、经纬度值及测定时间数据，最多可保存7500个数据；
③通过RS-232串行通信接口可将数据传送给计算机进行处理和分析，在GIS软件平台上对采样点测量数据进行处理，生成土壤水分空间分布图。
本实用新型在精准农业中的变量灌溉中和墒情、旱情信息系统工程中有广阔的应用前景。
附图说明
图1为本实用新型系统结构框图；
图2为本实用新型系统功能组成框图；
图3为本实用新型仪器接口示意图；
图4为本实用新型仪器按键示意图；
图5为本实用新型电路原理图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对发明作进一步详细描述：
如图1所示，该基于GPS技术的土壤水分参数速测仪，包括土壤体积含水量传感器、土壤水势电子传感器、GPS接受机、控制按键面板、微处理器、数据存储器、显示液晶模块、232通讯接口电路、充电电路和可充电电源以及高压变低压的转化电路、时钟电路组成。
如图2所示，一种基于GPS技术的土壤水分参数速测仪由通讯、采集、分区存储3个模块完成其系统功能。其中，
通讯模块包括：
MCU微处理器与GPS芯片通讯、测定仪与其电脑软件的通讯。
采集模块包括：
GPS接受机收到的位置坐标信息、土壤体积含水量信息、采集样点土壤水势信息。
分区存储模块包括：
存储地理位置信息数据、存储土壤体积含水量信息、存储土壤水势信息和存储采集土壤样本点的时间。
如图3所示，一种基于GPS技术的土壤水分参数速测仪前端接口面板：其顺序为水势探头接口100、水分探头接口200、充电器接口300、电脑232接口400。
图4为一种基于GPS技术的土壤水分参数速测仪的按键面板，其中“On/Off”为测定仪开机及关机按键；“∧”为返回上级菜单按键；“∨”为查阅及光标键；“存储”是将数据存储到数采中按键；“G/A”为GPS坐标和某一分区已存数据算术平均值转换按键；“进入”为设置功能菜单及确认键。
图5为本实用新型电路原理图，1是微处理器(MCU)，2是数据存储器，3是电池接口，4是电路板上232接口，5是上位机232端口，6是按键接口，7是电池电源模块，8是3.3伏电源模块，9是5伏电源模块，10是蜂鸣器，11是液晶显示屏信号线接口，12是GPS模块13是GPS模块内外天线，14是MCU程序接口，15是传感器接口。
如图5所示，为基于GPS技术的土壤水分参数速测仪一个具体电路实现的原理图。RS-232串行通信接口5及其接口电路接处理器1，处理器1采用CPU型号为C3051F410，单片机为8位处理器；用于接收地理位置信号和时间信息的GPS芯片12，采用型号为LEA-4H，带有内外两种天线12和13部分；水分参数传感器接口15用于接目前常用型号的土壤水分、水势传感器，例如：沈阳巍图农业科技有限公司研发的SWCP1型水分传感器，土壤水势传感器采用德国Ecomatik公司研发的EQ15探头，用于获得土壤水分参数数据。
数据存储器2通过电压变化电路9和8接处理器1，用于存储土壤水分传感器接口15的探头测试土壤水分数据和GPS接收机发过来的时间、地理位置数据结合形成的数据块。
液晶显示器11用于显示处理及探测状况，键盘功能电路6用于接收用户的命令。
最后应说明的是：以上实施例仅说明本实用新型的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本实用新型进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本实用新型技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围中。
Claims (7)
1.一种基于GPS技术的土壤水分参数速测仪，其特征在于：它主要包括由土壤水分参数处理模块、土壤体积含水量传感器、土壤水势电子传感器、GPS接受机、控制按键面板、微处理器、数据存储器、显示液晶模块、232通讯接口电路、充电电路和可充电电源以及高压变低压的转化电路、时钟电路组成，其中，土壤水分参数处理模块至少由用于连接土壤水分、水势传感器并可接受这些传感器发送探测信号的MCU和数据存储模块构成，MCU通过其数据信号、地址信号及读写控制信号和该存储模块连接，
土壤水分参数处理模块除了连接土壤水分、水势传感器外，还通过通信接口电路连接采集时间信息、地理位置信息的GPS接受机芯片。
2.根据权利要求1所述的一种基于GPS技术的土壤水分参数速测仪，其特征在于：所述的数据存储模块用于存储土壤水分水势检测数据和时间、地理位置信息的数据存储器。
3.根据权利要求1所述的一种基于GPS技术的土壤水分参数速测仪，其特征在于：所述上位机通信接口为RS-232串行通信接口。
4.根据权利要求1所述的一种基于GPS技术的土壤水分参数速测仪，其特征在于：所述的土壤水分参数处理模块中还设有用于显示检测和数据处理过程及结果的显示模块，土壤水分参数处理模块的MCU通过其数据信号、地址信号及显示控制信号和该显示模块连接。
5.根据权利要求4所述的一种基于GPS技术的土壤水分参数速测仪，其特征在于：所述的显示模块为LCD显示器。
6.权利要求1和权利要求1所述的一种基于GPS技术的土壤水分参数速测仪，其特征在于：基于GPS技术的土壤水分参数速测仪设有用于接收用户输入信息的键盘，该键盘和土壤水分参数处理模块中MCU的输入输出信号连接。
7.根据权利要求1所述的一种基于GPS技术的土壤水分参数速测仪，其特征在于：所述的可充电电源通过高压变低压的转化电路对各个子部分电路供电。
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