CN204313883U - 一种基于sdi-12协议的手持式土壤多参数测量仪 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种基于SDI-12协议的手持式土壤多参数测量仪，包括：土壤传感器、绝缘塑料电缆和手持式数据采集显示器。所用土壤传感器为5TE三合一传感器，可以同时测量土壤水分，电导率和温度，采用SDI-12协议输出信号，通过绝缘塑料电缆和手持式数据采集显示器连接，绝缘塑料电缆和手持式数据采集显示器连接所用接头为3.5mm立体声插头；手持式数据采集显示器面板上设置有OLED显示屏和操作按键，一台手持式数据采集显示器配有5个接口，可同时检测交替显示5路传感信号。本实用新型提高了土壤参数测量的效率和精度，有利于对土壤进行全面综合分析，同时本传感器数据传输使用的是SDI-12接口协议，具有远距离传送，全天候防护和低成本、微功耗等优点。
Description
技术领域
本实用新型涉及农业生产设备技术领域，具体涉及一种基于SDI-12协议的手持式土壤多参数测量仪。
背景技术
精细农业是当前农业发展的一个新趋势，它是指通过对土壤参数、作物长势等田间信息的监测及对产量的测量等方法来获取数据以了解整个田块的作物生长环境的空间变异特性，从而实现对农业各生产要素的最优控制，以达到农业生产效益最大化的目的。精细农业的研究在我国处于一个刚刚开始的起步阶段。目前在我国发展精细农业过程中最为薄弱一个环节是农田信息的采集技术。尤其对于土壤这个农业生产的重要影响因素，现有的各种信息采集技术还很难达到精细农业生产的要求。这主要是由于土壤本身的特性-空间变异性极大且各参数之间的相互影响较为紧密所造成的。因此，寻求土壤多参数信息的同时获取成为当前土壤信息采集技术研究一个前沿方向。
含水率、电导率及表层温度等土壤墒情信息是进行农牧业精确灌溉作业的基础。市场上单一测量土壤含水率或电导率的传感器已经较为普及，所用原理也各不相同，但大多接口复杂，无法提供标准输出信号，且功耗大，成本高。因此，如何在一个传感器上同时采集土壤多个参数并降低系统功耗，简化电路设计实为本实用新型所欲解决的问题。
实用新型内容
为了解决上述技术问题，本实用新型提供了一种基于SDI-12协 议的手持式土壤多参数测量仪。
为了达到上述目的，本实用新型的技术方案如下：
本实用新型提供一种基于SDI-12协议的手持式土壤多参数测量仪，由硬件和电路两部分组成。硬件部分包括土壤传感器、绝缘塑料电缆和手持式数据采集显示器；土壤传感器通过绝缘塑料电缆和手持式数据采集显示器连接，绝缘塑料电缆和手持式数据采集显示器连接所用接头为3.5mm立体声插头，手持式数据采集显示器面板上设置有OLED显示屏和操作按键，一台手持式数据采集显示器配有5个接口，可同时检测交替显示5路传感信号；电路部分包括电源模块、电压转换电路、复位电路、按键控制电路、主控制电路、接口转换电路、数据存储电路、程序下载电路和显示电路；电源模块直接输出5VDC给土壤传感器和程序下载电路供电，并通过电压转换电路输出3.3VDC给主控制电路和显示电路供电；土壤传感器将采集到的信号经接口转换电路转换格式后输入主控制电路，主控制电路将采集到的数字信号进行数据处理后实时存储于数据存储电路中，然后在按键控制电路控制下通过显示电路显示相应传感数据。
所述的土壤传感器选用美国DECAGON公司的5TE三合一传感器，可以同时测量土壤水分，电导率(EC)和温度，激发电压范围为3-15V DC，采用SDI-12协议输出信号。
所述的绝缘塑料电缆采用三线制，包括电源线、数据线和地线，电缆长度在15m内可保证信号无衰减。
所述的电源模块采用5V可充电聚合物锂电池，电池容量2200mAh；电压转换电路采用正向低压降稳压芯片ASM1117-3.3，稳压输出3.3V直流电压；主控制电路采用增强型51单片机STC12LE5A60S2，内部下载控制程序，以实现数据采集显示等功能；数据存储电路采用美国ATMEL公司的低功耗CMOS串行EEPROM产品AT24C16，存储容量为16K，数据断电不丢失。
本实用新型的有益效果是：由于采用5TE三合一传感器，可以同时测量土壤水分，电导率(EC)和温度，提高了土壤参数测量的效率和精度，有利于对土壤进行全面综合分析，能更好地指导农业生产；同时本传感器数据传输使用的是近年来欧美国家在水利水文、环境监测和气象监测系统中广泛应用的SDI-12接口协议，因此，只要通过一根三芯电缆，就可以把一台数据采集器与多个现场传感器联系起来，而且具有远距离传送，全天候防护和低成本、微功耗等优点。
附图说明
图1为本实用新型结构示意图。
图2为本实用新型测量系统框图。
图3-图5为本实用新型电路原理图。
图6为SDI-12通信协议时序图。
图7为SDI-12通信协议软件流程图。
其中，1.土壤传感器，2.绝缘塑料电缆，3.手持式数据采集显示器，4.电源模块，5.电压转换电路，6.复位电路，7.按键控制电路，8.主控制电路，9.接口转换电路，10.数据存储电路，11.程序下载电路，12.显示电路。
具体实施方式
本实用新型下面结合实施例并参照附图作进一步详述：参见图1和图2，本基于SDI-12协议的手持式土壤多参数测量仪，由硬件和电路两部分组成；硬件部分包括土壤传感器1、绝缘塑料电缆2和手持式数据采集显示器3，土壤传感器1通过绝缘塑料电缆2和手持式数据采集显示器3连接，绝缘塑料电缆2和手持式数据采集显示器3连接所用接头为3.5mm立体声插头，手持式数据采集显示器3面板上设置有OLED显示屏和操作按键，一台手持式数据采集显示器3配有 5个接口，可同时检测交替显示5路传感信号；电路部分包括电源模块4、电压转换电路5、复位电路6、按键控制电路7、主控制电路8、接口转换电路9、数据存储电路10、程序下载电路11和显示电路12；电源模块4直接输出5VDC给土壤传感器1和程序下载电路11供电，并通过电压转换电路5输出3.3VDC给主控制电路8和显示电路12供电；土壤传感器1将采集到的信号经接口转换电路9转换格式后输入主控制电路8，主控制电路8将采集到的数字信号进行数据处理后实时存储于数据存储电路10中，然后在按键控制电路7控制下通过显示电路12显示相应传感数据。
参见图1，土壤传感器1选用的是美国DECAGON公司的5TE三合一传感器，可以同时测量土壤水分，电导率(EC)和温度，激发电压范围为3-15V DC，采用SDI-12协议输出信号。该传感器使用70MHz振荡器测量土壤的介电常数，确定水分含量。与传感器热力接触的热敏电阻测量温度，同时传感器表面的金丝组成了四点阵列来测量电导度。其工作原理如下：测量土壤含水率时，传感器向传感器分枝提供70MHz的振荡波，传感器分枝按照材料的电介质充电。存储的电荷与土壤电介质和土壤容积水分含量成比例。5TE微处理器测量传感器的电荷并输出一个值，这个值与水分含量相关；测量电导率(EC)时给2个外部电极施加交变电流，测量2个内部电极之间的电压来得到电导率(EC)。这个电压和电流都用在计算导度上。电压和导度与单元常数(电极的距离与它们的面积的比)相乘得到电导率。5TE使用Wenner矩阵来测量EC。Wenner矩阵分布在2个5TE分枝的四条金带上。5TE在传感器表面安装了热敏电阻来获取温度读数，热敏电阻与传感器的一个分枝热力接触，读取分枝表面的平均温度。
参见图3，电源模块4采用5V可充电聚合物锂电池，电池容量2200mAh；电压转换电路5采用正向低压降稳压芯片ASM1117-3.3， 稳压输出3.3V直流电压；AMS1117内部集成过热保护和限流电路，是电池供电和便携式仪表的最佳选择。
参见图4，程序下载电路11采用PL2303芯片将STC12LE5A60S2芯片与计算机USB接口相连，将控制程序由计算机下载至主控制芯片，JP1为USB接口。为保证PL2303正常工作，需要在引脚VDD、RESET、VDD_232和DSR_N接5V电压，在引脚OSC1和OSC2之间接12MHz晶体振荡器Y3，引脚TXD接主控制芯片引脚RXD，引脚RSD接主控制芯片引脚TXD。
参见图5，主控制电路8采用STC12LE5A60S2单片机作为核心处理器。该系列单片机是宏晶科技生产的单时钟/机器周期(1T)的单片机，是高速/低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051，但速度快8-12倍，采用低压3.3V供电，内部集成MAX810专用复位电路，2路PWM，8路高速10位A/D转换(250K/S，即25万次/秒)，4个16位定时器，56K Flash存储空间、1280B静态存取内存、1K可编程只读存储器，能够满足数据采集存储显示等工作，为系统的功能实现提供了基础和保障。其中P1口连接显示电路12，输出传感信号至OLED显示屏；OLED屏是利用有机发光材料受激辐射发光原理，因此无需背光、亮度高、功耗低，最符合系统需要。P0.4、P0.5采用I2C总线连接数据存储电路10，数据存储电路10使用的AT24C16支持I2C总线数据传送协议。I2C总线协议规定任何将数据传送到总线的器件作为发送器，任何从总线接收数据的器件为接收器，存储能力为16k，在不影响使用的情况下减小了设计成本。P2口连接按键控制电路7，按键采用了上、下、左、右四个方向键和确认功能键。C7和R3构成单片机复位电路6，在上电时对程序复位，C7可用10μF/16V电解电容，R3用1K精密电阻。P2.0通过接口转换电路9和5TE土壤传感器相连接，采集传感信号。C8、C9和X1构成单片机振荡电路，提供时间基准，C8和C9可用22pF瓷 片电容，X1可用11.0592MHz晶振。
土壤传感器1采用SDI-12协议输出信号，该协议是近年来欧美国家在水利水文、环境监测、气象监测中广泛使用的一种串行数据通讯接口协议。SDI-12采用串行数据接口，使用的波特率是1200baud。SDI-12通信协议采用三线制，包括+12V电源线、数据线和地线。SDI-12的数据结构为1位起始位、7位数据位(低位在前)、1位偶校验位、1位停止位。图6表示SDI-12的命令及响应的时序，所有计时的允差为0.4ms。图7为通信协议的软件流程图，主控制器采用3个定时器实现通信协议。其中定时器1主要用于接收和发送每一位二进制数据位按照波特率的要求每一位的定时为定时器主要用于限定每次重试的时间如果在内传感器没有回应说明通信失败将释放总线定时器用于判断传感器是否休眠每次通信过程使用内外两层循环各次若通信成功则返回并返回测量结果否则返回说明通信失败。
使用本测量仪时，先将土壤传感器1插入待测土壤中，然后按下手持式数据采集显示器3面板上的电源键，开启仪器，OLED显示屏上可实时显示土壤水分，电导率和温度数据。通过上、下、左、右四个方向键和确认功能键可实现参数设置，历史数据存储调用等功能。
Claims (4)
1.一种基于SDI-12协议的手持式土壤多参数测量仪，由硬件和电路两部分组成；硬件部分包括土壤传感器(1)、绝缘塑料电缆(2)和手持式数据采集显示器(3)，其特征在于土壤传感器(1)通过绝缘塑料电缆(2)和手持式数据采集显示器(3)连接，绝缘塑料电缆(2)和手持式数据采集显示器(3)连接所用接头为3.5mm立体声插头，手持式数据采集显示器(3)面板上设置有OLED显示屏和操作按键，一台手持式数据采集显示器(3)配有5个接口，可同时检测交替显示5路传感信号；电路部分包括电源模块(4)、电压转换电路(5)、复位电路(6)、按键控制电路(7)、主控制电路(8)、接口转换电路(9)、数据存储电路(10)、程序下载电路(11)和显示电路(12)，其特征在于电源模块(4)直接输出5VDC给土壤传感器(1)和程序下载电路(11)供电，并通过电压转换电路(5)输出3.3VDC给主控制电路(8)和显示电路(12)供电；土壤传感器(1)将采集到的信号经接口转换电路(9)转换格式后输入主控制电路(8)，主控制电路(8)将采集到的数字信号进行数据处理后实时存储于数据存储电路(10)中，然后在按键控制电路(7)控制下通过显示电路(12)显示相应传感数据。
2.根据权利要求1所述的基于SDI-12协议的手持式土壤多参数测量仪，其特征在于，所述土壤传感器(1)选用的是美国DECAGON公司的5TE三合一传感器，可以同时测量土壤水分，电导率(EC)和温度，激发电压范围为3-15V DC，采用SDI-12协议输出信号。
3.根据权利要求1所述的基于SDI-12协议的手持式土壤多参数测量仪，其特征在于，所述绝缘塑料电缆(2)采用三线制，包括电源线、数据线和地线，电缆长度在15m内可保证信号无衰减。
4.根据权利要求1所述的基于SDI-12协议的手持式土壤多参数测量仪，其特征在于，所述的电源模块(4)采用5V可充电聚合物锂电池， 电池容量2200mAh；电压转换电路(5)采用正向低压降稳压芯片ASM1117-3.3，稳压输出3.3V直流电压；主控制电路(8)采用增强型51单片机STC12LE5A60S2，内部下载控制程序，以实现数据采集显示功能；数据存储电路(10)采用美国ATMEL公司的低功耗CMOS串行EEPROM产品AT24C16，存储容量为16K，数据断电不丢失。
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