CN211627551U

CN211627551U - 一种集成型土壤及周围环境检测系统

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Publication number: CN211627551U
Application number: CN201920994405.XU
Authority: CN
Inventors: 秦征; 候志军; 陈宇光; 姚海涛
Original assignee: Nanjing Tianbu Zhilian Information Technology Co ltd
Current assignee: Nanjing Tianbu Zhilian Information Technology Co ltd
Priority date: 2019-06-28
Filing date: 2019-06-28
Publication date: 2020-10-02
Anticipated expiration: 2029-06-28

Abstract

本实用新型实施例一种集成型土壤及周围环境检测系统，所述检测系统包含多原理数据感应装置、检测数据处理模块，其中，所述多原理数据感应装置采用多探针及传感器芯片结合的形式，用于测量环境数据以及土壤数据；所述检测数据处理模块中包括抗干扰单元、检测指标校正单元、电压参考源校正单元，所述抗干扰单元用于解决土壤及环境数据感应检测中同原理数据的互相干扰的问题；该检测系统采用智能芯片控制、电路处理、计算模型、结构模型等途径将多种测量参数集成在同一设备中，测量方便、数据精确，提供交互数据。

Description

一种集成型土壤及周围环境检测系统

技术领域

本实用新型涉及土壤及环境数据检测领域及数据收集应用技术领域，尤其涉及一种集成型土壤及周围环境检测系统。

背景技术

现有的土壤检测传感器有检测土壤温度、土壤湿度、土壤pH、土壤电解质含量土壤温度采用热敏电阻封装在空心金属钢针中壤湿度，使用电阻法，即采用测量电极之间的土壤电阻和高频电磁波的方式，基于驻波原理的测定方法来检测土壤电解质含量；同样，通过测量电极之间土壤电阻的变化来测量土壤pH值，采用参比标准电极（甘汞电极）的电阻变化情况来指示其他电极，如玻璃电极测定方法，最终得到土壤pH值。

现有技术存在的问题和缺点：

由于测量方法互相干扰，土壤温度、湿度、pH、电解质含量等数据必须采用分立的测量设备才能测量得到，没有一种能够测量多土壤、环境数据的集成系统；即使将多探针集成使用，也是采用拨码开关的方法人工拨位分别测量，测得的数据干扰大，不准确。

本实用新型检测系统有效的解决了土壤及环境数据感应检测中上述技术问题，达到高效、精准、稳定、集成的效果。

实用新型内容

针对上述现有技术中的问题，本实用新型的目的是提供一种集成土壤及周围环境检测传感器装置，采用单片机控制、电路处理、结构模型等技术，解决了测量数据互相干扰的问题，将多种测量参数集成在同一设备中，能进行数据间智能校正，测量方便与系统平台自动交互数据。

本实用新型提供一种集成土壤及周围环境检测系统，所述检测系统包含多原理数据感应装置、检测数据处理模块，其中，所述多原理数据感应装置采用多探针及传感器芯片结合的形式，用于测量环境数据以及土壤数据；

所述检测数据处理模块中包括抗干扰单元、检测指标校正单元，所述检测指标校正单元用于校正检测指标参考源，所述抗干扰单元用于解决土壤及环境数据感应检测中多原理数据的互相干扰的问题。

进一步的，所述检测系统还包括信息传输模块，是一个高效、低能耗、精准的集成型无线环境数据传感检测系统。

进一步的，所述多原理数据感应装置，检测及传送至少八个但不限于以下八个土壤及环境数据：土壤温度、水分、pH、EC 、空气温度、湿度、光照和二氧化碳检测数据。

进一步的，所述多原理数据感应装置的硬件部分包括：若干土壤检测探针、环境数据检测模块、检测数据处理模块，其中，土壤检测探针位于装置整体的下部，探针的检测端伸入土壤中，环境数据检测模块采用传感器芯片采集环境数据，所述传感器芯片安装于检测系统的上部；所述检测数据处理模块安装于检测系统中的固定部件上，与土壤检测探针、环境数据检测模块相连接，用于对检测到的数据进行处理。

进一步的，所述多原理数据感应装置对数据的检测方式包括但不限于电磁波、电阻、光能、热敏、等效有机物含量、荧光光谱法、电感耦合等离子体发射光谱法、射线法、微波检测法。

进一步的，所述抗干扰单元采用电源隔离、或者采用设置若干组独立电源、或者采用光电耦合的方式分别测量各数据。

作为一种优选，所述检测系统中设有一组电源，在所述抗干扰单元中设置继电器，针对每种需要测量的土壤数据通过继电器触发对应电源，在不同时间段测量不同土壤数据信息，控制单元对应继电器打开。

作为一种优选，所述检测系统中对应每种土壤数据设置独立电源。

进一步的，所述检测指标校正单元采用标定测量数据基准的方式对测量指标进行校正。

进一步的，所述检测指标校正单元采用切换参考源的方式实现对测得的数据之间相互校正。

更进一步的，所述检测系统中还包含用于校正电压参考源的电压源校正单元，所述电压参考源校正单元通过设定参考源电压标定值的方式对电源电压进行校正，参考源电压标定值对应的数据量为DATA1参考源检测出来的数据为DATA2, DATA1-DATA2，变化量以参考源的变化对各通道检测的数据进行修正。

进一步的，所述检测数据通过包括但不限于红外、wifi、蓝牙及移动数据传送方式传送到云计算平台及应用接收平台。

进一步的，所述检测系统中还包括定位模块。

本实用新型采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

本实用新型主要土壤温度、土壤湿度、土壤pH值、土壤电解质含量、外部环境温度、外部环境湿度、外部环境CO2等有机物含量、环境光照强度、环境大气压、集成在同一设备中自动测量方便与系统平台自动交互数据。解决了测量土壤湿度、温度、pH值在同一装置中探针之间的干扰。

附图说明

图1为本实用新型一种集成土壤及周围环境检测系统的整体结构示意图；

图2为本实用新型实施例提供的检测探针的方位示意图；

图3为本实用新型实施例提供的检测探针的局部示意图；

图4为本实用新型土壤湿度检测的电源连接示意图；

图5为本实用新型土壤电解质含量EC检测的电源连接示意图；

图6为本实用新型土壤pH值检测的电源连接示意图；

图7为本实用新型中数据输出的电路示意图。

具体实施方式

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描述。显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。

本实用新型提供的一种集成土壤及周围环境检测系统，如图1所示，所述检测系统包含多原理数据感应装置、检测数据处理模块，其中，所述多原理数据感应装置采用多探针及传感器芯片结合的形式，用于测量环境数据以及土壤数据；

本实用新型提供的检测系统，分为依次连接的上、中、下三部分。该检测系统上部为通讯数据处理模块，所述通讯数据处理模块中包含天线，用于处理其他部分发送的数据并发送给外部接收设备。

中部为支撑体，所述支撑体内安装导线以及检测电路板。

所述下部包括探针支撑件、检测电路板、探针、若干螺母；其中，所述探针支撑件中设有若干探针，所述探针延探针支撑件的径向方向安装，其一端突出探针支撑件上表面上，另一端深入到土壤中；电路板安装于探针支撑件的上端面，所述探针一端设有螺纹，通过螺母固定。

图2为本实用新型实施例提供的检测探针的方位示意图，如图2所示，该传感器装置下部为若干个探针或者检测传感器检测端，所述下部还设有检测信号处理板，所述下部的每个探针或检测端分别连接到检测信号处理板上。

由于检测原理的多样性，检测到的各数据间存在干扰，针对该问题解决办法有：1.采用隔离3组电源不共用的办法解决（3组电源不能同时供电，土壤EC、土壤pH值和土壤可溶电解质有关系）；2.采用测量土壤湿度、EC、pH继电器电源切换的办法；3.采用光电耦合的办法。

进一步的，所述检测指标校正单元采用标定测量数据基准的方式对测量指标进行校正；所述检测指标校正单元采用切换参考源的方式实现对测得的数据之间相互校正。

进一步的，所述检测系统中还包括定位模块。

实施例1

本实施例只给出了基于上述检测系统制造出的检测装置的一种形式，本实用新型不限于该实施例提供的产品形式，所有计算模块进行最佳排列以合理安排在装置内以提高集成度。

本实施例中，该传感器系统能够实现空气环境中各项指标的检测，包含但不限于温度、湿度、CO2等效有机物、光照检测；土壤中各项指标的检测，包含但不限于土壤温度、土壤湿度、土壤电解质含量EC、土壤pH值。环境指标的温度、湿度、CO2等效有机物、光照检测，通过集成芯片检测，均通过I2C总线级联与主芯片(CPU)连接。

本实用新型提供的检测数据处理模块中包括所述检测指标校正单元、所述抗干扰单元，该检测数据处理模块安装于整个装置的中间部分，中间部分还包括必要的支撑部件，所述抗干扰单元用于解决土壤及环境数据感应检测中同原理数据的互相干扰的问题，所述电压参考源校正单元根据电源电压变化自动修正检测偏差。

本实施例中测量土壤温度采用电阻法来测量，测量土壤湿度的探针为发射高频电磁波探针，还需3根反射高频电磁波探针与其配合完成土壤湿度测量；检测土壤pH探针基于不同的金属酸碱活动性不一样，在金属电极间产生电压差的原理制成，所测量土壤为酸性具体pH值大小根据电压大小标定。

基于上述测量方法，在本实用新型检测系统中，几个探针集成于同一个检测装置中，由于检测原理多次涉及带电检测，对测到的数据会产生相互干扰，具体的干扰源有：1.不同的检测探针上带不同的电压，2. 检测不同的数据共用一个探针，这样互相测量有干扰,干扰的原因在于测量土壤pH值、土壤电解质含量、土壤湿度都和土壤中电解质有关，探针上带测量电压就产生土壤中电解质离子的运动。为了得到准确、真实的检测数据，本实用新型采用电源隔离的办法来分别对数据进行测量。

下面来具体介绍抗干扰单元的实现过程，详细说明通过本实用新型检测系统是如何实现通过本实用新型的检测探针检测多个土壤中的数据信息的：

检测土壤EC和pH数据，如果采用电阻法测量检测土壤EC数据，需给探针上加电压，这样就不能够测量pH数据；而测量土壤湿度数据时，需要启动4根探针，要求其他3根电极要接地，同样达不到测量的目的。

针对上述问题解决办法有：1.采用隔离3组电源不共用的办法解决（3组电源不能同时供电，土壤EC、土壤pH值和土壤可溶电解质有关系）；2.采用测量土壤湿度、EC、pH继电器电源切换的办法；3.采用光电耦合的办法。

1、采用电源切换的方法的具体技术方案为：在检测系统中设有一组电源，在所述抗干扰单元中设置继电器，针对每种需要测量的土壤数据通过继电器触发对应电源，在不同时间段测量不同土壤数据信息，控制对应继电器打开。

2、采用独立电源的方法的具体技术方案为：检测系统中对应每种土壤数据设置独立电源。

如图4至图6所示，在测量中通过分时测量土壤湿度把对用测量土壤湿度电源继电器打开，测量土壤电解含量质把对用测量土壤电解含量电源继电器打开，测量土壤pH把对用测量土壤pH电源继电器打开，并结合所测量的数据量分时段以及设定特定的时长检测数据，如，在检测土壤pH值时，检测时间为半小时；检测其他数据时单独打开其他数据，检测10分钟或5分钟。

检测系统还设有信息传输模块，根据设定的时间，定时检测，并设有一定容量的存储器，能够至少存储几天的数据，并定时上传，是一个高效、低能耗、精准的集成型无线环境数据传感检测系统。基于上述实施方式，可实现探针检测装置内，分时检测多个数据信息的功能。

实施例2

在实施例1的基础上，本实施例进一步公开电压参考源校正单元的具体内容，由于采用LI 电池供电在实际使用中，电压会不断的下降，虽然有稳压参考源，但是降到参考源以下时会造成检测电路极大的偏差这样就要求频繁的对设备频繁的充电，本实用新型采用基准电压的修正的方法，解决此问题。

通过设定参考源电压标定值的方式对电源电压进行校正，参考源电压VREF 标定值对应的数据量为DATA1参考源检测出来的数据位DATA2, DATA1- DATA2，变化量以参考源的变化对各通道AD检测的数据进行修正。

实施例3

检测指标校正单元应用及数据传输

本实施例只给出了基于上述检测系统制造出的检测装置的一种形式，本实用新型不限于该实施例提供的产品形式，所有计算模块或单元进行最佳排列，以合理安排在装置内以提高电压参考源稳定，集成度和数据传输的精确。

检测数据处理系统通过多原理数据感应装置获得土壤及环境数据信号，经本实用新型多个感应探针的不同机理及特殊排列进行第一级个数据信号的干扰处理，八种不同检测数据信号放大及电压参考源校正单元得到稳定信号后，进一步进入电子抗干扰单元进行数据处理（见实施例1和2）。经抗干扰处理的数据进一步检测指标校正单元。首先，八种检测信号和标定参考源进行配对，相关性标定，通过电脑学习、计算得到各检测指标的数字模型；例如土壤和水分的总数学模型为f(x)=a/(x-b)+c，其中，相关范围的a=1.829，b=-0.84，c=-1.402；数据相关性为95%。上述数学模型，进一步输入到检测指标校正单元。八个数据模型通过校正单元的联点校正，智能数字控制及实际数据单位转换得到稳定，准确的土壤及环境数据。不能实施例的联点校正，主要通过智能数字控制技术校正，各测定数据的互相关联以进一步保证数据的准确定。

本检测指标校正模块也包括数据的单位换算，即从电子信号换算成实际检测指标单位（例如pH O-14等），经本实用新型检测指标校正单元输出的数据为实际本实用新型传感器的输出数据。

上述本实用新型土壤及环境传感数据通过包括但不限于移动无线、红外、WiFi、蓝牙等传送到运计算平台、应用接受平台和移动通讯装置及各类服务器中。本实用新型的传感数据也可以通过上述方式传入各类数据应用模块作为平台应用及校正应用。本实施例的其中一个传送电路连接如图7所示，数据服务器与本实用新型传感器装置之间的通信对数据进行统一接收、保存，并可输出到任何研发管理平台对数据进行学习、处理、计算以进一步开发应用，及矫正其他装置以对区域或大范围土地和环境做进一步的研究、开发和应用。

本实施例中提供的检测系统，数据服务器也可以为云服务器，其与检测装置间的通信方式为无线通信或通过网线连接。

本实用新型提供的检测系统的功能包括但不限于数据收集、数据合成、数据抗干扰、数据校正、云数据反馈权重校正、耗能校正、无线传送等，通过该检测系统产生的数据可应于包括但不限于农业、环境保护、资源信息、政府决策等。

以上所述的具体实施方式，对本实用新型的目的，技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本实用新型的具体实施方式而已，并不用于限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改，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

1.一种集成型土壤及周围环境检测系统，其特征在于，所述检测系统包含多原理数据感应装置、检测数据处理模块，其中，

所述多原理数据感应装置采用多探针及传感器芯片结合的形式，用于测量环境数据以及土壤数据；

所述检测数据处理模块中包括抗干扰单元、检测指标校正单元，和电压参考源校正单元，所述检测指标校正单元用于校正检测指标参考源，所述抗干扰单元用于解决土壤及环境数据感应检测中多原理数据的互相干扰的问题，所述电压参考源校正单元用于稳定检测信号电压降低能耗；

所述多原理数据感应装置的硬件部分包括：若干土壤检测探针、环境数据检测模块、检测数据处理模块，其中，土壤检测探针位于装置整体的下部，探针的检测端伸入土壤中，环境数据检测模块采用传感器芯片采集环境数据，所述传感器芯片安装于检测系统的上部；所述检测数据处理模块安装于检测系统中的固定部件上，与土壤检测探针、环境数据检测模块相连接，用于对检测到的数据进行处理。

2.根据权利要求1所述的一种集成型土壤及周围环境检测系统，其特征在于，所述检测系统还包括信息传输模块，是一个高效、低能耗、精准的集成型无线环境数据传感检测系统。

3.根据权利要求1所述的一种集成型土壤及周围环境检测系统，其特征在于，所述多原理数据感应装置，检测及传送至少八个但不限于以下八个土壤及环境数据：土壤温度、水分、pH、EC、空气温度、湿度、光照和二氧化碳检测数据。

4.根据权利要求1所述的一种集成型土壤及周围环境检测系统，其特征在于，所述抗干扰单元采用电源隔离、或者采用设置若干组独立电源、或者采用光电耦合的方式分别测量各数据。

5.根据权利要求1所述的一种集成型土壤及周围环境检测系统，其特征在于，所述检测系统中设有一组或多组电源，在所述抗干扰单元中设置继电器或电子开关，针对每种需要测量的土壤数据通过继电器触发对应电源，在不同时间段测量不同土壤数据信息，控制单元对应继电器打开。

6.根据权利要求5所述的一种集成型土壤及周围环境检测系统，其特征在于，所述检测系统中对应每种土壤数据设置独立电源。

7.根据权利要求1所述的一种集成型土壤及周围环境检测系统，其特征在于，所述检测指标校正单元采用标定测量数据基准的方式对测量指标进行校正。

8.根据权利要求1所述的一种集成型土壤及周围环境检测系统，其特征在于，所述检测指标校正单元采用切换参考源的方式实现对测得的数据之间相互校正。

9.根据权利要求1所述的一种集成型土壤及周围环境检测系统，其特征在于，所述检测系统中还包含用于校正电压参考源的电压源校正单元，所述电压参考源校正单元通过设定参考源电压标定值的方式对电源电压进行校正，参考源电压标定值对应的数据量为DATA1参考源检测出来的数据为DATA2, DATA1-DATA2，变化量以参考源的变化对各通道检测的数据进行修正。