CN209590021U - 土壤信息采集装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型实施例提供一种土壤信息采集装置，所述土壤信息采集装置包括太阳能供电模块、主控模块、传感器模块以及开关模块，通过主控模块按照预设时间间隔发送控制指令至所述开关模块，开关模块根据所述控制指令进行开断，然后太阳能供电模块在所述开关模块闭合时，对所述传感器模块进行供电，以使所述传感器模块以所述预设时间间隔采集土壤信息发送至所述主控模块，由此，主控模块可以按照需要设置预设时间间隔来控制开关模块的开断时间间隔，进而控制太阳能供电模块为传感器模块供电的时间，使得传感器模块可以在供电时才进行信息的采集，从而降低了土壤信息采集装置的功耗，延长了土壤信息采集装置的寿命，更利于应用于极地高寒特殊环境中。

Description

土壤信息采集装置

技术领域

本实用新型涉及土壤监测领域，具体而言，涉及一种土壤信息采集装置。

背景技术

土壤温湿度不仅是植物生长的一个重要条件，还可作为生态环境、全球气候变化的有效信息之一。目前市面上的温湿度采集系统，一类是应用于农业大棚监测和土地灌溉控制，此类采集系统的应用安装地点靠近农业生活区，有稳定的电源供电，稳定的通信信号和有限的应用区域，可通过GPRS、Zigbee等无线方式进行实时监控；另一类是便携式温湿度监测仪器。而极地高寒无人地区的土壤温湿度长期监测，存在着监测地域广、无网络及通信信号、无稳定节点供电等特点，前面提及的传感器会因为采集频率设置不科学导致传感器处于高功耗的工作状态，特别不适应于极地高寒特殊环境(一天内多变天气、多变土壤温湿度)的应用。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种土壤信息采集装置，其能够改善上述问题。

本实用新型的实施例是这样实现的：

一种土壤信息采集装置，所述土壤信息采集装置包括太阳能供电模块、主控模块、传感器模块以及开关模块，所述太阳能供电模块与所述开关模块、所述主控模块连接，所述开关模块与所述传感器模块连接，所述开关模块与所述主控模块连接；

所述主控模块，用于按照预设时间间隔发送控制指令至所述开关模块；

所述开关模块，用于根据所述控制指令进行开断；

所述太阳能供电模块，用于在所述开关模块闭合时，对所述传感器模块进行供电，以使所述传感器模块以所述预设时间间隔采集土壤信息发送至所述主控模块。

在本实用新型较佳的实施例中，所述太阳能供电模块包括光伏充电器、太阳能板、锂电池及电压转换电路，所述光伏充电器分别与所述太阳能板、所述电压转换电路、所述锂电池连接，所述电压转换电路分别与所述开关模块、所述主控模块连接。

在本实用新型较佳的实施例中，所述主控模块包括主控芯片、时钟电路、串口转换电路以及存储模块，所述主控芯片与所述开关模块、所述串口转换电路连接，所述主控芯片还与所述时钟电路、所述存储模块连接。

在本实用新型较佳的实施例中，所述存储模块为SD卡。

在本实用新型较佳的实施例中，所述传感器模块包括多个传感器及集线器，所述多个传感器与所述集线器连接，所述集线器分别与所述开关模块、所述串口转换电路连接。

在本实用新型较佳的实施例中，所述集线器为RS485集线器。

在本实用新型较佳的实施例中，所述串口转换电路为RS485转换芯片。

在本实用新型较佳的实施例中，所述开关模块为继电器。

在本实用新型较佳的实施例中，所述太阳能供电模块包括太阳能面板、控制器以及变压器，所述控制器分别与所述太阳能面板、所述变压器连接，所述变压器分别与所述开关模块、所述主控模块连接。

在本实用新型较佳的实施例中，所述太阳能供电模块还包括储蓄电池，所储蓄电池与所述控制器连接。

本实用新型实施例的有益效果是：

本实用新型实施例提供一种土壤信息采集装置，所述土壤信息采集装置包括太阳能供电模块、主控模块、传感器模块以及开关模块，通过主控模块按照预设时间间隔发送控制指令至所述开关模块，开关模块根据所述控制指令进行开断，然后太阳能供电模块在所述开关模块闭合时，对所述传感器模块进行供电，以使所述传感器模块以所述预设时间间隔采集土壤信息发送至所述主控模块，由此，主控模块可以按照需要设置预设时间间隔来控制开关模块的开断时间间隔，进而控制太阳能供电模块为传感器模块供电的时间，使得传感器模块可以在供电时才进行信息的采集，从而降低了土壤信息采集装置的功耗，延长了土壤信息采集装置的寿命，更利于应用于高寒特殊环境中。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本实用新型的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本实用新型实施例提供的一种土壤信息采集装置的结构框图；

图2为本实用新型实施例提供的一种太阳能供电模块的结构框图；

图3为本实用新型实施例提供的另一种土壤信息采集装置的结构框图；

图4为本实用新型实施例提供的一种电压转换电路的电路原理图；

图5为本实用新型实施例提供的一种太阳能板与光伏充电器的连接结构示意图；

图6为本实用新型实施例提供的一种传感器模块与主控模块的连接结构示意图。

图标：100-土壤信息采集装置；110-太阳能供电模块；111-太阳能面板；112-控制器；113-变压器；114-储蓄电池；115-光伏充电器；116-太阳能板；117-锂电池；118-电压转换电路；120-主控模块；122-串口转换电路；124-主控芯片；126-存储模块；128-时钟电路；130-开关模块；140-传感器模块；142-集线器。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本实用新型实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本实用新型的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围，而是仅仅表示本实用新型的选定实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本实用新型的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

本实用新型的其他特征和优点将在随后的说明书阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本实用新型实施例而了解。本实用新型的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

请参照图1，图1为本实用新型实施例提供的一种土壤信息采集装置100的结构框图，所述土壤信息采集装置100包括太阳能供电模块110、主控模块120、传感器模块140以及开关模块130，所述太阳能供电模块110与所述开关模块130、所述主控模块120连接，所述开关模块130与所述传感器模块140连接，所述开关模块130与所述主控模块120连接。

所述主控模块120，用于按照预设时间间隔发送控制指令至所述开关模块130。

所述开关模块130，用于根据所述控制指令进行开断。

所述太阳能供电模块110，用于在所述开关模块130闭合时，对所述传感器模块140进行供电，以使所述传感器模块140以所述预设时间间隔采集土壤信息发送至所述主控模块120。

其中，作为一种实施方式，所述主控模块120可以为一种集成电路芯片，具有信号的处理能力的处理器。上述的处理器可以是通用处理器，包括中央处理器(CentralProcessing Unit，简称CPU)、网络处理器(Network Processor，简称NP)等；还可以是数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、现成可编程门阵列(FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。可以实现或者执行本实用新型实施例中的公开的各方法、步骤及逻辑框图。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。

作为一种实施方式，所述开关模块130可以为开关，用于在闭合时实现太阳能供电模块110与传感器模块140之间的连通。

作为一种实施方式，所述传感器模块140可以包括有多个传感器，例如，温度传感器、湿度传感器等等，可用于采集土壤的温湿度信息等。

太阳能供电模块110可以采集太阳能转换成电能输送至主控模块120以及传感器模块140，实现对传感器模块140和主控模块120的供电。

为了实现土壤信息采集装置100的低功耗，所以，传感器模块140可以按照预设时间间隔进行数据采集，即主控模块120可以按照预设时间间隔发送控制指令至开关模块130，使得开关模块130可以根据控制指令进行开断，在开关模块130闭合时，传感器模块140通电，即太阳能供电模块110对传感器模块140进行供电，使得传感器模块140可以按照预设时间间隔来进行土壤信息采集，从而在传感器模块140没有太阳能供电模块110进行供电时，可不进行信息采集，即不消耗电量，此时，整个土壤信息采集装置100进入低功耗待机模式，由此可延长土壤信息采集装置100的寿命，使得其可适应于高寒特殊环境下的土壤信息采集。

另外，如图2所示，作为一种实施方式，所述太阳能供电模块110包括太阳能面板111、控制器112以及变压器113，所述控制器112分别与所述太阳能面板111、所述变压器113连接，所述变压器113分别与所述开关模块130、所述主控模块120连接。

所述太阳能供电模块110还包括储蓄电池114，所储蓄电池114与所述控制器112连接。

本实施方式中可以采用太阳能供电模块110能吸收太阳光，其可以将太阳能转换为电能，并为土壤信息采集装置100中的用电装置(如传感器模块140和主控模块120)进行供电。具体的，在太阳能供电模块110中，在有太阳光照射时，且在开关模块130闭合时，太阳能面板111可以直接向所述传感器模块140和主控模块120供电，同时将一部分电量提供给储蓄电池114，以使储蓄电池114存储电量，在无日照或者阴雨天时，向用电装置供电。

其中，所述太阳能面板111的作用是将太阳的辐射能量转换为电能，该电能一方面被传输到储蓄电池114存储起来，另一方面用于推动所述传感器模块140和主控模块120工作。

所述控制器112的作用是控制整个太阳能供电模块110的工作状态，并对储蓄电池114起到过放电保护的作用。由于太阳能面板111的电能不是按照需求量进行发电的，而是无法控制的，其中，该储蓄电池114在处于满容量或者基本满容量时，控制器112能保护储蓄电池114不过充电和保护太阳能供电模块110输出的电压不超过所述传感器模块140和主控模块120允许的电压范围。同时，该储蓄电池114在深度放电后，太阳能面板111不会因储蓄电池114需要充电而多发电，从而导致储蓄电池114的使用寿命变短，即该控制器112能防止所述储蓄电池114过度放电。

其中，所述储蓄电池114的作用是在有光照时，将太阳能面板111所提供的多余的电能存储起来，到需要的时候再释放出来，该储蓄电池114能使其太阳能供电模块110实现对所述传感器模块140和主控模块120的不间断供电，可以确保用电装置在阴雨天时仍然有足够的电可用。作为一种方式，该储蓄电池114一般为铅酸电池，小微型系统中，也可以为镍氢电池、镍镉电池或锂电池等等。

其中，变压器113的作用是给所述传感器模块140和主控模块120提供不同等级的电压。根据实际需要的耗电量，来确定提供的电压的大小，例如输出5V或者3.3V等不同电压的直流电。

请参照图3，图3为本实用新型实施例提供的另一种土壤信息采集装置100的结构框图，所述太阳能供电模块110包括光伏充电器115、太阳能板116、锂电池117及电压转换电路118，所述光伏充电器115分别与所述太阳能板116、所述电压转换电路118、所述锂电池117连接，所述电压转换电路118分别与所述开关模块130、所述主控模块120连接。

由光伏充电器115进行电源管理，当阴天或晚上光线不足时，主控模块120和传感器的供电仅来自于锂电池117，当白天光照充足时，除正常给主控模块120和传感器模块140供电外，同时还给锂电池117充电，以使锂电池117存储电量。光伏充电器115的输出的5V电源通过开关模块130闭合时直接为传感器模块140供电，输出3.3V电源给主控模块120进行供电。

所以，考虑到高寒地区的阳光照射充足，供电方式采用充电锂电池117和太阳能板116，可以降低电池的更换频率，延长土壤信息采集装置100的采集周期，并且，高寒地区昼夜温差极大，冬季时气温常在-10℃以下，对电池的防电性能要求高，所以，采用低温充电锂电池117，可在-40℃进行正常充放电。

另外，所述电压转换电路118的电路原理图如图4所示。

如图5所示，图5为太阳能板116与光伏充电器115的连接结构示意图，其中太阳能板116的两个端口与光伏充电器115的输入端口连接，其光伏充电器115的输出端口与锂电池117的正负极连接，并与电压转换电路118连接。

作为一种实施方式，所述主控模块120包括主控芯片124、时钟电路128、串口转换电路122以及存储模块126，所述主控芯片124与所述开关模块130、所述串口转换电路122连接，所述主控芯片124还与所述时钟电路128、所述存储模块126连接。

其中，为降低功耗，延长土壤信息采集装置100的使用寿命，所述主控芯片124为STM32L432KCU6单片机，STM32L4X系列芯片为低功耗芯片，所述串口转换电路122为RS485转换芯片，所述时钟电路128为RTC时钟电路，所述存储模块126为SD卡。

时钟电路128为主控模块120提供准确的基准时间及设置定时功能，如设置定时时间为20min，则预设时间间隔为20min，主控模块120可在定时时间结束后发送控制指令至开关模块130。

串口转换电路122将传感器模块140输出的携带有土壤信息的信号电平转换为TTL电平供主控芯片124识别。

存储模块126采用SD卡是由于该土壤信息采集装置100的应用环境多为无人区的野外环境，无通信信号，故采用SD来存储传感器模块140采集的数据，可以保证数据不易丢失，且存储量大。

作为一种实施方式，所述传感器模块140包括多个传感器及集线器142，所述多个传感器与所述集线器142连接，所述集线器142分别与所述开关模块130、所述串口转换电路122连接。

作为一种实施方式，所述集线器142为RS485集线器。

作为一种实施方式，所述开关模块130为继电器。

所以，为了进一步降低功耗，采用继电器控制RS485集线器142和多个传感器的供电，根据主控模块120发送的控制指令对继电器进行开关控制，从而对多个传感器的信息采集时间进行控制，使得土壤信息采集装置100在非采集时间内处于低功耗待机模式。

传感器模块140采用RS485集线器142一体式传感器，RS485集线器142输出型的传感器比电流、电压输出型的传感器功耗更低，并且可以实现长距离布线(理论可达1200m，加RS485集线器142后能到10km)以及多点布线，在不增加主控模块120接口的情况下，任意扩展传感器的个数，形成一对多型(1个串口--多个RS485设备)的多通道采集模式，可以减少采集系统数量，统一管理采集数据，降低系统成本，解决土壤分层测量、分区域测量的问题。

如图6所示，图6为传感器模块140与主控模块120的连接结构示意图，该主控模块120为通过连接线与集线器142连接，底板上可以设置有多个传感器，多个传感器通过底板上的连接端口与集线器142的连接端口连接。

另外，主控模块120中可设置有采集模式，包括正常采集模块和加密采集模式，在正常采集模式下，如正常无降雨情况下，通过主控芯片124判断传感器模块140中的雨量传感器采集的雨量值，进入正常采集模式，预先设置好常规采集间隔(如10分钟采集一次数据)，当采集时间点到来后，主控芯片124发出控制继电器闭合的控制指令至继电器，所述开关模块130接收到所述控制指令后闭合，从而传感器模块140通电，然后由主控芯片124发出数据读取指令，经串口转换电路122，获取传感器采集的土壤信息，将土壤信息存储于SD卡中，存储完毕后，主控芯片124输出控制继电器关闭的控制指令至继电器，由此，传感器模块140断电，整个土壤信息采集装置100进入低功耗待机模式。并且，主控芯片124还可对同一个传感器两次采集的土壤信息做差值比较，如果差值小于设定阈值(如湿度变化小于2％)，则认为无降雨、灌溉情况或持续降雨，则继续执行正常采集模式。

在加密采集模式下，当有突发降雨、灌溉或冻土融化发生时，土壤的水分值会迅速增加，可缩短采集周期，以便更好记录土壤信息变化情况。主控芯片124对同一传感器前后两次采集的土壤信息(如湿度值)做差值比较，当差值大于设定阈值时(如湿度变化大于等于2％)，认为有降雨、灌溉发生，或天气由晴转降雨，则进入加密采集模式，此时预先设置好传感器的采集周期(如：30s采集一次)，直接启动继电器，传感器一直处于通电等待采集指令状态，主控芯片124发送采集指令，经串口转换电路122，获取传感器采集的土壤信息，将土壤信息存储于SD卡中，直到采集次数达到预先设定的加密采集次数，再次判断同一传感器前后两次采集的土壤信息(如湿度)差值，若小于设定阈值(如湿度变化小于2％)，则执行正常采集模式，反之继续执行加密采集模式。

综上所述，本实用新型实施例提供一种土壤信息采集装置，所述土壤信息采集装置包括太阳能供电模块、主控模块、传感器模块以及开关模块，通过主控模块按照预设时间间隔发送控制指令至所述开关模块，开关模块根据所述控制指令进行开断，然后太阳能供电模块在所述开关模块闭合时，对所述传感器模块进行供电，以使所述传感器模块以所述预设时间间隔采集土壤信息发送至所述主控模块，由此，主控模块可以按照需要设置预设时间间隔来控制开关模块的开断时间间隔，进而控制太阳能供电模块为传感器模块供电的时间，使得传感器模块可以在供电时才进行信息的采集，从而降低了土壤信息采集装置的功耗，延长了土壤信息采集装置的寿命，更利于应用于高寒特殊环境中。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种土壤信息采集装置，其特征在于，所述土壤信息采集装置包括太阳能供电模块、主控模块、传感器模块以及开关模块，所述太阳能供电模块与所述开关模块、所述主控模块连接，所述开关模块与所述传感器模块连接，所述开关模块与所述主控模块连接；

所述主控模块，用于按照预设时间间隔发送控制指令至所述开关模块；

所述开关模块，用于根据所述控制指令进行开断；

所述太阳能供电模块，用于在所述开关模块闭合时，对所述传感器模块进行供电，以使所述传感器模块以所述预设时间间隔采集土壤信息发送至所述主控模块。

2.根据权利要求1所述的土壤信息采集装置，其特征在于，所述太阳能供电模块包括光伏充电器、太阳能板、锂电池及电压转换电路，所述光伏充电器分别与所述太阳能板、所述电压转换电路、所述锂电池连接，所述电压转换电路分别与所述开关模块、所述主控模块连接。

3.根据权利要求1所述的土壤信息采集装置，其特征在于，所述主控模块包括主控芯片、时钟电路、串口转换电路以及存储模块，所述主控芯片与所述开关模块、所述串口转换电路连接，所述主控芯片还与所述时钟电路、所述存储模块连接。

4.根据权利要求3所述的土壤信息采集装置，其特征在于，所述存储模块为SD卡。

5.根据权利要求3所述的土壤信息采集装置，其特征在于，所述传感器模块包括多个传感器及集线器，所述多个传感器与所述集线器连接，所述集线器分别与所述开关模块、所述串口转换电路连接。

6.根据权利要求5所述的土壤信息采集装置，其特征在于，所述集线器为RS485集线器。

7.根据权利要求6所述的土壤信息采集装置，其特征在于，所述串口转换电路为RS485转换芯片。

8.根据权利要求1所述的土壤信息采集装置，其特征在于，所述开关模块为继电器。

9.根据权利要求1所述的土壤信息采集装置，其特征在于，所述太阳能供电模块包括太阳能面板、控制器以及变压器，所述控制器分别与所述太阳能面板、所述变压器连接，所述变压器分别与所述开关模块、所述主控模块连接。

10.根据权利要求9所述的土壤信息采集装置，其特征在于，所述太阳能供电模块还包括储蓄电池，所储蓄电池与所述控制器连接。