CN206546326U - 一种基于无线nrf2401通信的生态土壤水分检测系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型主要涉及生态保护领域，更具体地，涉及一种基于无线NRF2401通信的生态土壤水分检测系统。基于无线NRF2401通信的生态土壤水分检测系统的温湿度传感器、手动按键、压力传感器、电源供电模块、探测器电路的输出端连接着单片机的输入端；单片机的输出端连接着数据显示模块、数据存储模块、红光发射电路、红外发射电路的输入端；单片机连接着无线通信模块；红光发射电路、红外发射电路的输出端连接着探测器电路的输入端。本实用新型通过土壤中水分对红外光线和红光吸收的不同，测定土壤中水分的含量，与温湿度传感器检测环境空气中的温湿度值进行比对，判断环境温湿度值对土壤水分含量的影响，检测到的土壤水分含量通过无线通信模块将数据传送出去。

Description

一种基于无线NRF2401通信的生态土壤水分检测系统

技术领域

本实用新型主要涉及生态保护领域，更具体地说，涉及一种基于无线NRF2401通信的生态土壤水分检测系统。

背景技术

水分是天然的一个重要组成部分，它不仅影响到土壤的物理性质，制约着土壤中养分的溶解、转移和微生物的活动，而且，是构成土壤肥力的一个重要因素，更是一切植物赖以生存的基本条件。因此，测定土壤含水量，对实施精准农业、节水灌溉、提高农业生产效率有重要意义。

实用新型内容

本实用新型主要解决的技术问题是提供一种基于无线NRF2401通信的生态土壤水分检测系统，通过土壤中水分对红外光线和红光吸收的不同，测定土壤中水分的含量，与温湿度传感器检测环境空气中的温湿度值进行比对，判断环境温湿度值对土壤水分含量的影响，检测到的土壤水分含量通过无线通信模块将数据传送出去。

为解决上述技术问题，本实用新型一种基于无线NRF2401通信的生态土壤水分检测系统包括温湿度传感器、手动按键、压力传感器、电源供电模块、单片机、数据显示模块、无线通信模块、数据存储模块、红光发射电路、探测器电路、红外发射电路，通过土壤中水分对红外光线和红光吸收的不同，测定土壤中水分的含量，与温湿度传感器检测环境空气中的温湿度值进行比对，判断环境温湿度值对土壤水分含量的影响，检测到的土壤水分含量通过无线通信模块将数据传送出去。

其中，所述温湿度传感器的输出端连接着单片机的输入端；所述手动按键的输出端连接着单片机的输入端；所述压力传感器的输出端连接着单片机的输入端；所述电源供电模块的输出端连接着单片机的输入端；所述单片机的输出端连接着数据显示模块的输入端；所述单片机的输出端连接着数据存储模块的输入端；所述单片机的输出端连接着红光发射电路的输入端；所述单片机的输出端连接着红外发射电路的输入端；所述单片机连接着无线通信模块；所述探测器电路的输出端连接着单片机的输入端；所述红光发射电路的输出端连接着探测器电路的输入端；所述红外发射电路的输出端连接着探测器电路的输入端。

作为本实用新型的进一步优化，本实用新型一种基于无线NRF2401通信的生态土壤水分检测系统所述单片机采用AT89C51单片机。

作为本实用新型的进一步优化，本实用新型一种基于无线NRF2401通信的生态土壤水分检测系统所述探测器电路采用LM324放大器。

作为本实用新型的进一步优化，本实用新型一种基于无线NRF2401通信的生态土壤水分检测系统所述温湿度传感器采用SHT11温湿度传感器。

作为本实用新型的进一步优化，本实用新型一种基于无线NRF2401通信的生态土壤水分检测系统所述数据显示模块采用LCD1602液晶显示屏。

作为本实用新型的进一步优化，本实用新型一种基于无线NRF2401通信的生态土壤水分检测系统所述无线通信模块采用NRF2401模块。

作为本实用新型的进一步优化，本实用新型一种基于无线NRF2401通信的生态土壤水分检测系统所述压力传感器采用BP800压力传感器芯片。

控制效果：本实用新型一种基于无线NRF2401通信的生态土壤水分检测系统，通过土壤中水分对红外光线和红光吸收的不同，测定土壤中水分的含量，与温湿度传感器检测环境空气中的温湿度值进行比对，判断环境温湿度值对土壤水分含量的影响，检测到的土壤水分含量通过无线通信模块将数据传送出去。

附图说明

下面结合附图和具体实施方法对本实用新型做进一步详细的说明。

图1为本实用新型一种基于无线NRF2401通信的生态土壤水分检测系统的硬件结构图。

图2为本实用新型一种基于无线NRF2401通信的生态土壤水分检测系统的单片机的电路图。

图3为本实用新型一种基于无线NRF2401通信的生态土壤水分检测系统的红光发射电路的电路图。

图4为本实用新型一种基于无线NRF2401通信的生态土壤水分检测系统的红外发射电路的电路图。

图5为本实用新型一种基于无线NRF2401通信的生态土壤水分检测系统的探测器电路的电路图。

图6为本实用新型一种基于无线NRF2401通信的生态土壤水分检测系统的电源供电模块的电路图。

图7为本实用新型一种基于无线NRF2401通信的生态土壤水分检测系统的数据显示模块的电路图。

图8为本实用新型一种基于无线NRF2401通信的生态土壤水分检测系统的温湿度传感器的电路图。

图9为本实用新型一种基于无线NRF2401通信的生态土壤水分检测系统的数据存储模块的电路图。

图10为本实用新型一种基于无线NRF2401通信的生态土壤水分检测系统的无线通信模块的电路图。

图11为本实用新型一种基于无线NRF2401通信的生态土壤水分检测系统的手动按键的电路图。

图12为本实用新型一种基于无线NRF2401通信的生态土壤水分检测系统的压力传感器的电路图。

具体实施方式

具体实施方式一：

结合图1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12说明本实施方式，本实施方式所述一种基于无线NRF2401通信的生态土壤水分检测系统包括温湿度传感器、手动按键、压力传感器、电源供电模块、单片机、数据显示模块、无线通信模块、数据存储模块、红光发射电路、探测器电路、红外发射电路，通过土壤中水分对红外光线和红光吸收的不同，测定土壤中水分的含量，与温湿度传感器检测环境空气中的温湿度值进行比对，判断环境温湿度值对土壤水分含量的影响，检测到的土壤水分含量通过无线通信模块将数据传送出去。

其中，所述温湿度传感器的输出端连接着单片机的输入端，温湿度传感器采用SHT11温湿度传感器，温湿度传感器检测环境的温湿度值，查看环境温湿度对生态土壤水分的影响。SHT11温湿度传感器的SCK引脚为串行时钟输入，用于使单片机与温湿度传感器的通讯同步，DATA引脚为串行数据，用于读取传感器数据，当向传感器发送命令时，DATA在SCK上升沿有效且在SCK高电平时必须保持稳定。DATA在SCK下降沿之后改变。为了确保通讯安全，DATA的有效时间在SCK上升沿之前和下降沿之后应该分别延长一段时间，当从传感器读取数据时，DATA在SCK变低以后有效，且维持到下一个SCK的下降沿，为避免信号冲突，单片机驱动DATA在低电平，需要一个外部的上拉电阻将信号提拉至高电平，温湿度传感器的DATA引脚和SCK引脚分别连接到单片机的P0.6、P0.7引脚。

所述手动按键的输出端连接着单片机的输入端，手动按键采用独立按键，手动按键共有两个按键，按键S1控制检测系统开始测量工作，按键S2控制检测系统进行复位，按键S1、S2的一端连接分压电阻接VCC电源，一端连接到单片机的P1.0、P1.1引脚，当有按键按下，经过电阻分压，P1.0、P1.1引脚接收到低电平信号，单片机接收到信号后进行相应控制。

所述压力传感器的输出端连接着单片机的输入端，压力传感器采用BP800压力传感器芯片，压力传感器检测生态土壤水分检测系统测量时插入土壤中的深度，探头上设置多个压力传感器，每个固定距离设置一个压力传感器，根据检测接收到压力信号的个数，计算出探头深入土壤中的深度。BP800压力传感器芯片利用单晶硅的压阻效应，以单晶硅为基体，按特定晶向，用先进的微机械加工技术形成弹性元件，在其适当位置用集成电路工艺形成四个等值应变电阻，组成惠斯登电桥，对电桥施加一恒定电压，当有压力作用到弹性元件时，使输出与对应于所加压力成比例的电压信号，输出信号传送到单片机进行处理，压力传感器的Y1引脚与单片机的P1.7引脚相连接。

所述电源供电模块的输出端连接着单片机的输入端，电源供电模块采用AP5056芯片，该芯片可以对聚合物锂电池进行恒流/恒压充电，外围只需接极少的元器件，可以适应USB电源和适配器电源工作，非常适用于便携式应用的领域旧。充电输出电压为4.2V充电电流可以通过一个外部电阻设置。在恒压充电阶段，当充电电流降至设定值1/10时，AP5056将终止充电循环。其它功能包括输入电压掉电自动进入睡眠模式、电压输入过低锁存、芯片使能控制输入、自动再充电、充放电状态指示以及电池温度监控等功能。电源供电模块与单片机通过VCC引脚相连接。

所述单片机的输出端连接着数据显示模块的输入端，数据显示模块采用LCD1602液晶显示屏，数据显示模块显示检测到的土壤水分含量，数据显示模块的DB0、DB1、DB2、DB3、DB4、DB5、DB6、DB7端与单片机的P2.0、P2.1、P2.2、P2.3、P2.4、P2.5、P2.6、P2.7引脚相连接，用来显示数据；数据显示模块的RS端与单片机的P3.0引脚相连接，用来控制数据命令；数据显示模块的R/W端与单片机的P3.1引脚相连接，用来控制读写操作；数据显示模块的使能端E与单片机的P3.2引脚相连接；单片机的P3.0、P3.1、P3.2引脚用于控制数据显示模块中的数码管的选通状态。

所述单片机的输出端连接着数据存储模块的输入端，数据存储模块采用FEM25256芯片，数据存储模块的CS(片选端)、MISO(SPI总线主机输入/从机输出)、MOSI(SPI总线主输出/从输入)、SCLK(时钟引脚)端分别与单片机的P0.4、P0.5、P1.3、P1.4引脚相连接。

所述单片机的输出端连接着红光发射电路的输入端，红光发射电路采用LED发光二极管，红光发射电路由单片机的P0.1口控制，单片机的P0.1口与P0.2口交替出现高、低电平，红光发射电路DS1和红外发射电路DS2循环点亮，发出的光由探测器电路接收。

所述单片机的输出端连接着红外发射电路的输入端，红外发射电路采用LED发光二极管，红外发射电路由单片机的P0.2口控制，单片机的P0.2口与P0.1口交替出现高、低电平，红外发射电路DS2和红光发射电路DS1循环点亮，发出的光由探测器电路接收。

所述单片机连接着无线通信模块，无线通信模块采用NRF2401模块，nRF2401有工作模式有四种：收发模式、配置模式、空闲模式和关机模式。nRF2401的工作模式由PWR_UP、CE、TX_EN和CS四个引脚决定，当单片机有数据要发送时，把CE引脚置高，使NRF2401工作；把接收端的地址和要发送的数据按时序送入nRF2401中，单片机把CE引脚置低，激发nRF2401进行ShockBurstTM发射；nRF2401的ShockBurstTM发射数据，单片机的CE、CLK1、DATA引脚分别与单片机的P1.2、P1.5、P1.6引脚相连接。

所述探测器电路的输出端连接着单片机的输入端，探测器电路采用LM324放大器，探测器电路采用两极放大电路，第一级完成I/V的转换，转换电阻越大，转换效率越高；但是过大会使放大器自激，一般R6不大于1M。第二级是对电压信号进一步放大，以满足采集的需要，探测器电路的输出端OUT1端与单片机的P0.3引脚相连接。

所述红光发射电路的输出端连接着探测器电路的输入端，红光发射电路采用LED发光二极管，红光发射电路由单片机的P0.1口控制，单片机的P0.1口与P0.2口交替出现高、低电平，红光发射电路DS1和红外发射电路DS2循环点亮，发出的光由探测器电路接收。

所述红外发射电路的输出端连接着探测器电路的输入端，红外发射电路采用LED发光二极管，红外发射电路由单片机的P0.2口控制，单片机的P0.2口与P0.1口交替出现高、低电平，红外发射电路DS2和红光发射电路DS1循环点亮，发出的光由探测器电路接收。

具体实施方式二：

结合图1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12说明本实施方式，所述单片机采用AT89C51单片机。所述AT89C51单片机从它内部的硬件到软件都有一套完整的按位操作系统，片内RAM区间还特别开辟了一个双重功能的地址区间，十六个字节，单元地址20H～2FH，它既可作字节处理，也可作位处理。51单片机的I/O脚的设置和使用非常简单，当该脚作输入脚使用时，只须将该脚设置为高电平(复位时，各I/O口均置高电)。当该脚作输出脚使用时，则为高电平或低电平均可。

具体实施方式三：

结合图1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12说明本实施方式，所述探测器电路采用LM324放大器。LM324是单电源四路运算放大器。LM324系列是低成本的四路运算放大器，具有真正的差分输入。在单电源应用中，它们与标准运算放大器类型相比具有几个明显的优势。该四路放大器可以工作于低至3.0V或高达32V的电源电压，静态电流是MC1741的五分之一左右(每个放大器)。共模输入范围包括负电源，因此在众多应用中无需外部偏置元器件。输出电压范围也包括负电源电压。

具体实施方式四：

结合图1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12说明本实施方式，所述温湿度传感器采用SHT11温湿度传感器。SHT11温湿度传感器将传感元件和信号处理电路集成在一块微型电路板上，输出完全标定的数字信号。传感器采用专利的CMOSens技术，确保产品具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。传感器包括一个电容性聚合体测湿敏感元件、一个用能隙材料制成的测温元件，并在同一芯片，与14位的A/D转换器以及串行接口电路实现无缝连接。

具体实施方式五：

结合图1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12说明本实施方式，所述数据显示模块采用LCD1602液晶显示屏。LCD1602液晶显示屏也叫1602字符型液晶，它是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块。它由若干个5X7或者5X11等点阵字符位组成，每个点阵字符位都可以显示一个字符，每位之间有一个点距的间隔，每行之间也有间隔，起到了字符间距和行间距的作用，正因为如此所以它不能很好地显示图形(用自定义CGRAM，显示效果也不好)。

具体实施方式六：

结合图1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12说明本实施方式，所述无线通信模块采用NRF2401模块。NRF2401是单片射频收发芯片，工作于2.4～2.5GHz ISM频段，芯片内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器和调制器等功能模块，输出功率和通信频道可通过程序进行配置。芯片能耗非常低，以-5dBm的功率发射时，工作电流只有10.5mA，接收时工作电流只有18mA，多种低功率工作模式，节能设计更方便。其DuoCeiverTM技术使NRF2401可以使用同一天线，同时接收两个不同频道的数据。nRF2401适用于多种无线通信的场合，如无线数据传输系统、无线鼠标、遥控开锁、遥控玩具等。

具体实施方式七：

结合图1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12说明本实施方式，所述压力传感器采用BP800压力传感器芯片。BP800压力传感器利用单晶硅的压阻效应，以单晶硅为基础，按特定品向，用先进的微机械加工技术形成弹性元件，在其适当位置用集成电路工艺形成四个等值应变电阻，组成惠斯登电桥，对电桥施加一恒定电压(流)，当有压力(压差)作用到弹性元件时，使输出与对应于所加压力成比例的电压信号，经电子线路把电压信号放大转换成二进制的4mA～20mADC输出。

本实用新型一种基于无线NRF2401通信的生态土壤水分检测系统的工作原理为：本实用新型一种基于无线NRF2401通信的生态土壤水分检测系统通过光电探测器分别对两路光(近红外光作为测量光，红光作为参考光)进行采集，并将光信号转变成电流信号，经滤波去除干扰后，通过前置放大器对信号进行I/V转换和放大，再通过单片机内部自带的A/D转换器转换成脉冲信号。单片机根据所设定的初值进行相应的数据运算和处理，同时把运算结果存储到数据存储模块中。根据土壤中水分与土壤中其他微生物对近红外光和红光吸收程度的不同，测量土壤中水分含量。在探头测量土壤水分含量的同时，温湿度传感器检测环境空气中的温湿度值，将环境温湿度值与土壤水分含量进行不对，掌握环境温湿度值对土壤水分含量的影响。在测量探头上每个固定距离设置一个压力传感器，当测量探头插入土壤中进行测量时，根据检测到的压力信号，判断探头插入的深度，并将检测到的温湿度值、土壤水分含量、探头压力值通过显示模块显示出来，并将信号通过无线通信模块采用无线通信的方式传送到接收端。电源供电模块为生态土壤水分检测系统提供电源。

虽然本实用新型已以较佳的实施例公开如上，但其并非用以限定本实用新型，任何熟悉此技术的人，在不脱离本实用新型的精神和范围内，都可以做各种改动和修饰，因此本实用新型的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。

Claims (7)

1.一种基于无线NRF2401通信的生态土壤水分检测系统，其特征在于，所述基于无线NRF2401通信的生态土壤水分检测系统包括温湿度传感器、手动按键、压力传感器、电源供电模块、单片机、数据显示模块、无线通信模块、数据存储模块、红光发射电路、探测器电路、红外发射电路，所述温湿度传感器的输出端连接着单片机的输入端；所述手动按键的输出端连接着单片机的输入端；所述压力传感器的输出端连接着单片机的输入端；所述电源供电模块的输出端连接着单片机的输入端；所述单片机的输出端连接着数据显示模块的输入端；所述单片机的输出端连接着数据存储模块的输入端；所述单片机的输出端连接着红光发射电路的输入端；所述单片机的输出端连接着红外发射电路的输入端；所述单片机连接着无线通信模块；所述探测器电路的输出端连接着单片机的输入端；所述红光发射电路的输出端连接着探测器电路的输入端；所述红外发射电路的输出端连接着探测器电路的输入端。

2.根据权利要求1所述的一种基于无线NRF2401通信的生态土壤水分检测系统，其特征在于：所述单片机采用AT89C51单片机。

3.根据权利要求1所述的一种基于无线NRF2401通信的生态土壤水分检测系统，其特征在于：所述探测器电路采用LM324放大器。

4.根据权利要求1所述的一种基于无线NRF2401通信的生态土壤水分检测系统，其特征在于：所述温湿度传感器采用SHT11温湿度传感器。

5.根据权利要求1所述的一种基于无线NRF2401通信的生态土壤水分检测系统，其特征在于：所述数据显示模块采用LCD1602液晶显示屏。

6.根据权利要求1所述的一种基于无线NRF2401通信的生态土壤水分检测系统，其特征在于：所述无线通信模块采用NRF2401模块。

7.根据权利要求1所述的一种基于无线NRF2401通信的生态土壤水分检测系统，其特征在于：所述压力传感器采用BP800压力传感器芯片。