CN206657479U - 地表温湿数据采集设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种地表温湿数据采集设备，包括嵌入式系统，其包括MCU、SRAM存储器、FLASH存储器、第一RS485通信接口、第一1‑Wire串行通信接口；土壤温度采集终端，其包括依次连接的土壤温度传感器、第一AD变换器、第一微处理器和第二RS485通信接口，且第二RS485通信接口与第一RS485通信接口通过RS485总线连接；土壤湿度采集终端，包括土壤湿度传感器、第二AD变换器、第二微处理器和第三RS485通信接口，且第三RS485通信接口与第一RS485通信接口通过RS485总线连接；大气温度采集终端，包括大气温度传感器、第三AD变换器、第三微处理器和第二1‑Wire串行通信接口，且第一1‑Wire串行通信接口与第二1‑Wire串行通信接口通过1‑Wire总线连接。其适合再青藏高原极端环境下及无人区野外科考环境数据采集。

Description

地表温湿数据采集设备

技术领域

本实用新型涉及一种地表温湿数据采集设备领域，特别是涉及一种用于苛刻环境土壤温度、湿度和大气温度数据采集与存储的地表温湿数据采集设备。

背景技术

如今数据采集系统在野外科考、物联网、生物医学、工业、农业等领域得到了十分广泛的应用。但是随着现代科学技术的发展，尤其是军事国防、天文观测、农业信息化等领域的发展和深入，对数据采集系统的稳定性和环境适应性提出了越来越高的要求，苛刻环境土壤温度采集设备的研究无论是对于国民经济增长以及科学研究的促进都具有十分重要的意义。

尤其是在高海拔地区进行地理信息研究，需要长时间对土壤和大气数据进行观察，人工实地观察不仅需要投入大量的人力物力，而且需要做很多后勤保障工作，给科研工作带来很大的压力。

现有的数据采集系统往往需要诸多设备，诸多设备的并未很好地整合在一起的话，会造成功耗大、体积大、不易携带的缺点。而且，现有数据采集系统中土壤温湿度采集和大气温度采集同时进行，其比较耗费电力，无法合理分配壤温湿度、大气温度的采集时间。

实用新型内容

为了解决现有的数据采集系统往往需要诸多设备，诸多设备的并未很好地整合在一起的话，会造成功耗大、体积大、不易携带的缺点，本实用新型提供了一种地表温湿数据采集设备，包括

嵌入式系统，其包括MCU以及与所述MCU连接的SRAM存储器、FLASH存储器、第一RS485通信接口、第一1-Wire串行通信接口；

土壤温度采集终端，其包括依次连接的土壤温度传感器、第一AD变换器、第一微处理器和第二RS485通信接口，且第二RS485通信接口与第一RS485通信接口通过RS485总线连接；

土壤湿度采集终端，其包括依次连接的土壤湿度传感器、第二AD变换器、第二微处理器和第三RS485通信接口，且第三RS485通信接口与第一RS485通信接口通过RS485总线连接；

大气温度采集终端，其包括依次连接的大气温度传感器、第三AD变换器、第三微处理器和第二1-Wire串行通信接口，且第一1-Wire串行通信接口与第二1-Wire串行通信接口通过1-Wire总线连接；

电源模块，其与嵌入式系统、土壤温度采集终端、土壤湿度采集终端、大气温度采集终端电性连接。

为了解决现有数据采集系统中土壤温湿度采集和大气温度采集同时进行，其比较耗费电力，无法合理分配壤温湿度、大气温度的采集时间的问题，优选的，所述嵌入式系统还包括比较控制器，与所述MCU连接，设置有预设值，当所述大气温度传感器检测的温度与所述土壤温度传感器检测的温度之差的绝对值小于所述预设值时，向所述MCU发送开启所述土壤湿度传感器的信号。

优选的，所述嵌入式系统还包括报警模块，设置有报警值，当所述土壤湿度传感器的检测值低于报警值时发出报警。

优选的，所述嵌入式系统还包括SPI接口，所述地表温湿数据采集设备还包括SD卡，且所述SPI接口与SD卡连接。

优选的，所述地表温湿数据采集设备还包括时钟模块。

优选的，所述土壤温度传感器为PT1000铂热电阻，所述PT1000铂热电阻的外表面包裹有环氧树脂层。

优选的，所述土壤湿度传感器为频域型土壤湿度传感器或时域型土壤湿度传感器，频域型土壤湿度传感器和时域型土壤湿度传感器的外表面均包裹有环氧树脂层。

本实用新型地表温湿数据采集设备具有以下有益效果：

(1)本实用新型地表温湿数据采集设备，可实现地表土壤温度、土壤湿度、大气湿度的数据采集。本设备能在环境相对湿度0-100％，环境温度为-45℃至+80℃条件下完成土壤温湿度及地表气温采集。通过低功耗设计，系统可以稳定工作一年以上，适合再青藏高原极端环境下及无人区野外科考环境数据采集。

(2)本实用新型地表温湿数据采集设备，嵌入式系统还包括比较控制器与所述MCU连接，设置有预设值，当所述大气温度传感器检测的温度与所述土壤温度传感器检测的温度之差的绝对值小于所述预设值时，向所述MCU发送开启所述土壤湿度传感器的信号，从而解决现有数据采集系统中土壤温湿度采集和大气温度采集同时进行，其比较耗费电力，无法合理分配壤温湿度、大气温度的采集时间的问题。

下面结合附图对本实用新型的地表温湿数据采集设备作进一步说明。

附图说明

图1是地表温湿数据采集设备的电路连接图。

图2是土壤温度采集终端的电路连接图。

图3是土壤湿度采集终端的电路连接图。

图4是大气温度采集终端的电路连接图。

图5是电池的电路连接图。

具体实施方式

如图1所示，本实用新型地表温湿数据采集设备包括：

嵌入式系统1，其包括MCU11以及与所述MCU11连接的SRAM存储器12、FLASH存储器13、第一RS485通信接口14、第一1-Wire串行通信接口15；

土壤温度采集终端2，其包括依次连接的土壤温度传感器21、第一AD变换器22、第一微处理器23和第二RS485通信接口24，且第二RS485通信接口24与第一RS485通信接口14通过RS485总线连接，如图2所示；

土壤湿度采集终端3，其包括依次连接的土壤湿度传感器31、第二AD变换器32、第二微处理器33和第三RS485通信接口34，且第三RS485通信接口34与第一RS485通信接口14通过RS485总线连接，如图3所示；

大气温度采集终端4，其包括依次连接的大气温度传感器41、第三AD变换器42、第三微处理器43和第二1-Wire串行通信接口44，且第一1-Wire串行通信接口15与第二1-Wire串行通信接口44通过1-Wire总线连接，如图5所示；

电源模块5，其与嵌入式系统1、土壤温度采集终端2、土壤湿度采集终端3、大气温度采集终端4电性连接；

其中，所述嵌入式系统1还包括比较控制器17，与所述MCU11连接，设置有预设值，当所述大气温度传感器41检测的温度与所述土壤温度传感器21检测的温度之差的绝对值小于所述预设值时，向所述MCU11发送开启所述土壤湿度传感器31的信号；报警模块18，设置有报警值，当所述土壤湿度传感器31的检测值低于报警值时发出报警；所述嵌入式系统1还包括SPI接口16，所述地表温湿数据采集设备还包括SD卡，且所述SPI接口16与SD卡连接；所述地表温湿数据采集设备还包括时钟模块6。

其中，土壤温度采集终端2、土壤湿度采集终端3和大气温度采集终端4采集到的数据存储在SRAM存储器12或FLASH存储器13中。

MCU可采用MSP430单片机，该单片机具有处理能力强、运算速度快及超低功耗的特点。

土壤湿度采集终端上电以后就开始数据采集，土壤湿度传感器返回土壤湿度模拟电压，AD变换电路把土壤湿度传感器返回的模拟电压转换为数字信号，微处理器把数字信号存储至SRAM存储器中。当RS485总线收到嵌入式最小系统发送来的读取数据请求，土壤湿度采集终端把土壤湿度数据通过RS485总线上传至嵌入式最小系统。同理，土壤温度采集终端和大气温度采集终端也是如此工作。

本实用新型通过上述结构可实现地表土壤温度、土壤湿度、大气湿度的数据的整合，从而在苛刻采集。本设备能在环境相对湿度0-100％，环境中的可能只温度为-45℃至+80℃条件下完成土壤温湿度及地表气温采集。通过一台设备进行多功能的检测和分析，并且将上述低功耗设计，系统可以稳定工作一年以上，适合再青藏高原极端环境下及无人区野外科考环境数据存储至数据存储模块以供以后使用采集。

当然，土壤温度采集模块、土壤湿度采集模块可整合为土壤温湿度采集模块，所述土壤温湿度采集模块括土壤温湿度传感器、AD转换电路、单片机和RSS485总线控制器。

其中参见图5，所述电池的一端与稳压器连接，稳压器与滤波器连接，所述滤波器与电子开关连接，所述电子开关与负载的一端连接，所述负载的另一端与电池的另一端连接。所述负载可为上述任一功能模块。

其中所述土壤温度采集终端、土壤湿度采集终端、大气温度采集终端用于完成采集土壤温度、土壤湿度、大气温度，并响应RS485数据请求等功能。

其中，嵌入式最小系统用于定时数据采集和数据存储功能。

其中，数据存储模块为工业级SD卡，通过SPI总线进行数据读写。

电源管理模块是为降低系统功耗设计的，当系统进入休眠状态时电源管理模块切断了大部分用电设备，仅保留最小系统处于中断接收状态。本地表温湿数据采集设备能在环境湿度0-100、环境温度为-45℃至+80℃下完成土壤湿度、土壤温度、大气温度采集，并且把数据存储至SD卡中，通过低功耗设计，系统可以稳定工作一年以上，适合苛刻环境野外土壤数据采集科考实验。

其中，电源管理模块可以分别控制不同模块的输入电源，当该数据采集模块不工作时，电源管理模块将把数据采集模块的电源切断，从而实现低功耗，该设备更适合在野外环境进行土壤数据采集。

优选地，所述土壤温度传感器为PT1000铂热电阻，所述PT1000铂热电阻的外表面包裹有环氧树脂层。

基于PT1000的这种特性，电路把电阻信号转换为采集仪器常用的电压信号，土壤温度传感器采用凝固性好，固化后坚硬，结实、不易损坏的环氧树脂浇注。埋于土壤表层，也可分层测量。可以采用土钻在地面选好的测试点进行挖掘一个理想深度的洞，将传感器埋进去。可以长期野外观测。

优选地，所述土壤湿度传感器为频域型土壤湿度传感器和时域型土壤湿度传感器，频域型土壤湿度传感器和时域型土壤湿度传感器的外表面包裹有环氧树脂层。

地表温湿数据采集设备采用了频域型土壤湿度传感器，它利用电磁脉冲原理、根据电磁波在介质中传播频率来测量土壤的表观介电常数(ε)，从而得到土壤容积含水量(θv)，FDR具有简便安全、快速准确、定点连续、自动化、宽量程、少标定等优点。是一种工作稳定，测量参数优选的土壤水分测定传感器。本传感器体积小巧化设计，携带方便，安装、操作及维护简单。结构设计合理，不绣钢探针保证使用寿命。外部以环氧树脂纯胶体封装，密封性好，可直接埋入土壤中使用，且不受腐蚀。土质影响较小，应用地区广泛。测量精度高，性能可靠，确保正常工作。响应速度快，数据传输效率高。

嵌入式系统由单片机MSP430、SRAM存储器、FLASH、RS485控制器、SPI控制器、1-Wire穿行通信控制器等设备组成。该嵌入式CPU采用的是MSP430处理器，CPU:MSP430系列单片机是一个16位的单片机，采用了精简指令集(RISC)结构。主要优点为:处理能力强，运算速度快，功耗低，片内资源丰富，不需要太多外部设备就可工作，能够满足当前的技术要求，成本相对较低。MSP430系列单片机能在25MHz晶体的驱动下，实现40ns的指令周期。16位的数据宽度、40ns的指令周期以及多功能的硬件乘法器相配合，能实现复杂数字信号处理算法。MSP430单片机另一个显著特点是超低功耗，是因为其在降低芯片的电源电压和灵活而可控的运行时钟方面都有其独到之处。

RS485控制器采用MAX-485EESA芯片可以直接驱动485总线，而且与CPU之间的数据交互可以通过串口完成。

1-Wire串口控制器根据传输协议通过GPIO实现，嵌入式软件控制GPIO实现协议传输。

SPI控制器应用MSP430自带的SPI控制器，可以方便与SD卡进行数据交互。

MSP430系列单片机的各系列都集成了较丰富的片内外设，包括程序存储器FLASH和数据存储器SRAM存储器，看门狗(WDT)、DMA、GPIO端口、基本定时器(Basic Timer)、实时时钟(RTC)等模块。其中，看门狗可以使程序失控时迅速复位；16位定时器具有捕获/比较功能，大量的捕获/比较寄存器，可用于定时终端，主要为了系统低功耗设计，土壤数据采集设备在大部分时间都处于低功耗模式，每个一个小时或者一定时间间隔进行一次数据采样。SPI通信接口可方便的实现嵌入式最小系统与SD卡完成数据读写。MSP430系列单片机的这些片内外设为系统的单片解决方案提供了极大的方便。

该嵌入式系统实现如下三大功能：数据采集、数据存储和数据传输。嵌入式系统的CPU负责总体任务调度和控制外部设备完成相应的功能操作。数据采集由传感器控制器配合外围传感器工作，完成土壤温度，突然湿度和大气温度的采集。采集后的数据存储在SD存储卡中，当一轮数据采集结束后，工作人可以把SD卡中的数据读入电脑进行后期数据处理工作。

苛刻环境突然数据采集设备的数据存储模块采用了SD卡，SD卡体积小巧，工作环境温度范围大，广泛应用在数据采集系统上，是由日本的松下公司、东芝公司和SanDisk公司共同开发的一种全新的存储卡产品，最大的特点就是通过加密功能，保证数据资料的安全保密。

地表温湿数据采集设备采用了一套高效电源管理方法来满足低功耗设计。由于大部分时间采集系统处于休眠状态，当系统进入休眠状态时，电源管理模块将断开所有外围数据采集模块的电源，仅保留CPU供电。当CPU收到计数器产生的定时中断后，电源管理模块重新给外围数据采集供电，然后CPU重新初始化所有外围设备。当各个外围设备工作稳定以后，嵌入式最小系统把采集到的土壤数据存储至SD卡中。

系统上电后，CPU开始初始化各个外围设备，然后初始化计数器，每隔一个小时或者由使用者设定时间间隔定时器产生一次中断，当CPU收到定时器中断后执行一次数据采集工作。首先给各个外围设备供电，然后初始化各个外围数据采集设备，当采集设备工作稳定以后进行数据采集，采样数据要经过多次采样求平均值作为最终采样数据。最后把平均采样结果存储至SD卡中，至此一次数据采样结束。CPU将切断外围设备供电，等待下一次定时器中断。

以上所述的实施例仅仅是对本实用新型的优选实施方式进行描述，并非对本实用新型的范围进行限定，在不脱离本实用新型设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本实用新型的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本实用新型权利要求书确定的保护范围内。

Claims (7)

1.一种地表温湿数据采集设备，其特征在于：包括

嵌入式系统(1)，其包括MCU(11)以及与所述MCU(11)连接的SRAM存储器(12)、FLASH存储器(13)、第一RS485通信接口(14)、第一1-Wire串行通信接口(15)；

土壤温度采集终端(2)，其包括依次连接的土壤温度传感器(21)、第一AD变换器(22)、第一微处理器(23)和第二RS485通信接口(24)，且第二RS485通信接口(24)与第一RS485通信接口(14)通过RS485总线连接；

土壤湿度采集终端(3)，其包括依次连接的土壤湿度传感器(31)、第二AD变换器(32)、第二微处理器(33)和第三RS485通信接口(34)，且第三RS485通信接口(34)与第一RS485通信接口(14)通过RS485总线连接；

大气温度采集终端(4)，其包括依次连接的大气温度传感器(41)、第三AD变换器(42)、第三微处理器(43)和第二1-Wire串行通信接口(44)，且第一1-Wire串行通信接口(15)与第二1-Wire串行通信接口(44)通过1-Wire总线连接；

电源模块(5)，其与嵌入式系统(1)、土壤温度采集终端(2)、土壤湿度采集终端(3)、大气温度采集终端(4)电性连接。

2.根据权利要求1所述的地表温湿数据采集设备，其特征在于：所述嵌入式系统(1)还包括比较控制器(17)，与所述MCU(11)连接，设置有预设值，当所述大气温度传感器(41)检测的温度与所述土壤温度传感器(21)检测的温度之差的绝对值小于所述预设值时，向所述MCU(11)发送开启所述土壤湿度传感器(31)的信号。

3.根据权利要求2所述的地表温湿数据采集设备，其特征在于：所述嵌入式系统(1)还包括报警模块(18)，设置有报警值，当所述土壤湿度传感器(31)的检测值低于报警值时发出报警。

4.根据权利要求1所述的地表温湿数据采集设备，其特征在于：所述嵌入式系统(1)还包括SPI接口(16)，所述地表温湿数据采集设备还包括SD卡(7)，且所述SPI接口(16)与SD卡(7)连接。

5.根据权利要求1所述的地表温湿数据采集设备，其特征在于：所述地表温湿数据采集设备还包括时钟模块(6)。

6.根据权利要求1所述的地表温湿数据采集设备，其特征在于：所述土壤温度传感器(21)为PT1000铂热电阻，所述PT1000铂热电阻的外表面包裹有环氧树脂层。

7.根据权利要求1所述的地表温湿数据采集设备，其特征在于：所述土壤湿度传感器(31)为频域型土壤湿度传感器(31)或时域型土壤湿度传感器(31)，频域型土壤湿度传感器(31)和时域型土壤湿度传感器(31)的外表面均包裹有环氧树脂层。