CN215493282U - 一种新型时域反射式土壤测量装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型是关于一种新型时域反射式土壤测量装置。该装置包括：信号控制和处理系统、电源模块和探针；信号控制和处理系统包括Wi‑Fi芯片组、环形器和微控制器，Wi‑Fi芯片组包括第一Wi‑Fi芯片和第二Wi‑Fi芯片，第一Wi‑Fi芯片和第二Wi‑Fi芯片分别与微控制器连接，还分别通过环形器与探针连接。本实用新型提供的方案，通过在传统TDR技术的基础上，区别于传统TDR设备，创新采用2个Wi‑Fi芯片分别作为高频信号的信号发射源和信号接收器，可通过测量信号在土壤介质中传播的相关参数，从而同时实现土壤含水率和电导的测量，提高了测量准确率并且大大降低了成本和实现难度。

Description

一种新型时域反射式土壤测量装置

技术领域

本实用新型属于土壤测量领域，尤其涉及一种基于Wi-Fi芯片组的创新型时域反射式土壤水分和电导率测量的装置。

背景技术

土壤水分作为农作物生长所需水分的主要供给来源，对农作物生长有着重要的作用。土壤中水分过少会导致土壤硬化，不利于作物对水分和养分的吸收，影响作物生长。土壤水分过多会影响作物根系活力，同样不利于作物生长，并且有可能导致肥料流失造成污染。作物在吸收水分的同时从土壤中吸收营养物质如无机盐等。而土壤的电导率可以反映一定水分条件下土壤盐分的实际情况，影响到土壤养分的转化、存在状态的有效性，限制微生物活性的阈值以及作物根系的盐分吸收。故测量土壤含水率和土壤电导率不仅能够有效进行灌溉控制，提高灌溉效率，节约农业用水，同时能够通过对农作物的需求规律，提供精准的施肥管理，合理指导农作物生长。

随着农业节水技术推广和应用，在生产过程中越来越需要实时、快速、低成本地检测土壤水分和电导率，以确保对农作物适时、适量的灌溉和施肥。虽然现在已经发展了许多的检测方法和技术手段，如水分检测的称重烘干法、土壤电阻率传感器、张力计、中子仪等，测量土壤电导率常用的电极法，但是这些技术方法通常只能测量单一参数，不能同时实现土壤水分和电导率的测量。

现阶段，时域反射(Time Domain Reflectance，TDR)技术基于能够实时、快速、准确、无污染地测量土壤水分和电导率，并且受土壤类型影响小，具有可以同时实现土壤含水率了和电导率的测量的优势，使其越来越收到重视。然而，现有的TDR设备要求能够产生一个具有极小上升沿(<200ps)的阶跃电压信号，然后通过高速采样示波器获取整个TDR波形，其涉及到快速阶跃信号发生器、超高速的AD转换器和高精高分辨率的时间基准，从而导致技术实现难度大，应用成本高，故而限制了其推广使用。

实用新型内容

本实用新型目的在于提供了一种基于Wi-Fi芯片组的新型TDR式土壤水分和电导率测量的装置，以解决传统TDR式设备技术实现难度大、成本高的问题，并且实现了土壤含水率和电导率多参数同时测量的技术难题。为解决上述技术问题，本实用新型的具体技术方案如下：

本实用新型实施例提供一种新型时域反射式土壤测量装置，包括：信号控制和处理系统、电源模块和探针；

所述信号控制和处理系统包括Wi-Fi芯片组、环形器和微控制器，所述Wi-Fi芯片组包括第一Wi-Fi芯片和第二Wi-Fi芯片，所述第一Wi-Fi芯片和第二Wi-Fi芯片分别与所述微控制器连接，还分别通过所述环形器与所述探针连接；

所述第一Wi-Fi芯片用于发射高频的源信号，所述第二Wi-Fi芯片用于接收反射回的信号，并将信号传输至微控制器进行处理，得到土壤测量结果，所述电源模块为所述信号控制和处理系统提供电力。

进一步，所述环形器通过同轴电缆与所述探针连接。

进一步，所述探针的形状采用多排直线型针式、回旋针式或线圈式。

本实用新型的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：

1.本实用新型创新使用Wi-Fi芯片组设计时域反射式的土壤测量装置，其中一个Wi-Fi芯片作为高频信号源的发射器，提供可持续的高频数字源信号，另一个Wi-Fi芯片作为信号接收器，接收因电磁波在阻抗不同的探针首末两端反射回的累计信号延迟，避免了采用高成本的阶跃信号发生器和高精度的时间基准，大大降低了成本和实现难度。

2.本实用新型探针可根据实际应用需求设计为不同形状的结构，拓展了探针的应用场景和适用范围。

3.本实用新型同时实现对土壤水分和电导率双土壤参数的测量，弥补了实验室设备只能针对单一参数测量的缺陷。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本实用新型。

附图说明

通过结合附图对本实用新型示例性实施方式进行更详细的描述，本实用新型的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本实用新型示例性实施方式中，相同的参考标号通常代表相同部件。

图1是根据本实用新型一示例性实施例示出的一种新型时域反射式土壤测量装置的结构及工作原理示意图。

具体实施方式

为了更好地了解本实用新型的目的、结构及功能实现，下面结合附图，对本实用新型提供的一种新型时域反射式土壤水分和电导率测量装置做进一步详细的描述。所举实例只用于解释本实用新型，并非用于限定本实用新型的范围。

如图1所示，本实用新型提供了一种基于Wi-Fi芯片组的新型TDR式土壤水分和电导率测量的装置，该装置包括信号控制和处理系统、电源模块和检测的探针。其中信号的产生、传输、接收和处理是在信号控制和处理系统中完成的，主要包括Wi-Fi芯片组、环形器和微控制器。Wi-Fi芯片组包括两个高频Wi-Fi芯片，两个Wi-Fi芯片分别与微控制器连接，还分别通过环形器与探针连接，其中第一Wi-Fi芯片发射高频的源信号，第二Wi-Fi芯片接收反射回的信号，并将信号传输至微控制器进行处理。电源模块为信号控制和处理系统提供电力，检测的探针完全插入土壤，保证和土壤的完全接触。探针的具体形状可以通过实际应用情况设计为多排直线型针式或是回旋针式、线圈式等结构。

基于该装置，本实用新型实现了与传统TDR式土壤测量装置不同的测量原理，具体说明如下：

传统的TDR式土壤水分和电导率测量原理是由信号发生器产生一个具有极陡上升沿的阶跃电压信号，该信号以电磁波的形式沿同轴电缆和埋入土壤中的探针(长度为L)传播，由于阻抗的改变而产生反射，部分信号沿原线路返回，其余信号继续传播至探针末端，其形成的开路产生全反射，反射信号回传至超高速采样示波器。可知，电磁波沿电缆传播的速度与其周围介质的表观介电常数的平方根成反比，即：

其中，v为电磁波在介质中传播的速度，m/s；c为电磁波在真空中的传播的速度，m/s；K_a为介质的表观介电常数。

通过探针的信号采用超高速采样示波器将入射与反射信号的叠加信号记录下来，根据所记录的波形采用双切线法计算信号沿探针传播的时间。其中以t₁记为探针首端反射信号被示波器捕获的时间点，t₂为探针末端反射的信号被示波器捕获的时间点。V₁为探针首端反射信号所对应的电压，V₂经探针末端反射回所对应的电压。为考虑到电磁波在探针上来回传播的距离为2L，传播的时间为t₂-t₁，则由(1)式可得出土壤介电常数为：

然后通过TOPP经验公式，基于所测量的土壤介电常数K_a，计算出土壤的体积含水率θ_v:

θ_v＝(0.043K_a ³-5.5K_a ²+292K_a-530)×10^-4 (3)

基于Dalton的研究，通过土壤表观介电常数可以计算出土壤对应的电导率σ：

通过(3)、(4)公式，即可测量出土壤的体积含水率和电导率值。

本实用新型在传统TDR技术的基础上，区别于传统TDR设备，创新采用2个Wi-Fi芯片分别作为高频信号的信号发射源和信号接收器。通过测量信号在土壤介质中传播的累计信号延迟以及对应的累计电压幅值的信号衰减系数建立土壤水分和电导率的标定公式，从而实现土壤含水率和电导的测量，下面结合图1进一步对该装置的工作原理做具体说明：

如图1所示，第一Wi-Fi芯片在微控制器的控制下发射持续性的高频数据源信号，该信号包含大量的数字信息。信号通过同轴电缆传输至探针(长度为L)。由于同轴电缆与探针的阻抗不同，部分电磁波在同轴电缆与探针的连接处(即探针首端)发生反射并沿同轴电缆传回，通过环形器信号传输至第二Wi-Fi芯片。剩下的电磁波信号继续沿探针传播，在探针末端被全部反射并传回至第二Wi-Fi芯片接收。因为所发射的信号源为大量的持续性的数字信号，信号通过探针并且因为阻抗的不同产生信号延迟，直至第二Wi-Fi芯片能够读取累计的信号延迟，再通过微处理器对信号的分析、转化和处理，计算累计信号延迟的时间以及对应的累积电压幅值，并进一步根据计算得到的上述参数得到土壤测量结果。

已知电磁波在土壤中的传播速度与土壤的表观介电性质相关，而土壤水分是主要影响土壤表观介电性质的因素，故而通过测量数字信号在不同水分含量条件下的累计信号延迟，建立不同含水率与累计信号延迟之间的标定公式，进一步通过测量的累计延迟和预设的标定公式即可实现土壤含水率的测量。

而土壤电导率的测量则需要对入射和反射的信号通过整流后得到相应的累计电压幅值，通过累计电压幅值的转换后由微控制器计算信号的反射系数。鉴于电磁波在经由同轴电缆、环形器的电路传输过程中对信号的衰减很小，可忽略不计，则反射系数反映了测试信号在沿传感器探针传播时由土壤的累计介电损耗和传导电流引起的信号衰减。因此通过反射系数和土壤电导率建立函数关系。将反射系数和土壤水分作为自变量，电导率作为因变量，使用反向传播神经网络或是幂函数建立土壤电导率的标定公式，即可通过反射系数和预设的标定公式计算出土壤电导率。

具体来说，如图1所示，记录上述过程中第一Wi-Fi芯片发射源信号的初始时间t₀，源信号在探针首端反射后以及经由探针末端反射后被接收时对应时间分别为t₁和t₂,对应的电压分别为u₁和u₂，其累计时间差为t₂-t₁。通过多次实验，获取不同土壤含水率条件下的累计信号延迟，可建立如下关系：

θ_v＝a₁(t₂-t₁)³+a₂(t₂-t₁)²+a₃(t₂-t₁)+b (5)

其中a₁，a₂，a₃为多次项系数，b为调整常数。由此建立的土壤含水率和累计信号延迟的标定公式，即可实现土壤含水率的测量。

而土壤电导率的测量则需要对入射和反射的信号通过整流后得到相应的累计电压幅值，通过累计电压幅值的转换后由微控制器计算信号的反射系数ρ：

鉴于电磁波在经由同轴电缆、环形器的电路传输过程中对信号的衰减很小，可忽略不计，则反射系数反映了测试信号在沿传感器探针传播时由土壤的累计介电损耗和传导电流引起的信号衰减。因此通过反射系数和土壤电导率建立函数关系。将反射系数和土壤水分作为自变量，电导率作为因变量，使用反向传播神经网络或是幂函数建立土壤电导率的标定公式，即可通过反射系数和预设的标定公式计算出土壤电导率。

本实用新型实施例提供的一种新型时域反射式土壤测量装置，创新使用Wi-Fi芯片组设计时域反射式的土壤测量装置，其中一个Wi-Fi芯片作为高频信号源的发射器，提供可持续的高频数字源信号，另一个Wi-Fi芯片作为信号接收器，接收因电磁波在阻抗不同的探针首末两端反射回的累计信号延迟，避免了采用高成本的阶跃信号发生器和高精度的时间基准，大大降低了成本和实现难度。并且，探针可根据实际应用需求设计为不同形状的结构，拓展了探针的应用场景和适用范围。

并且，本实用新型通过研究累计信号延迟和土壤水分之间的计量关系，累计电压幅值和电导率的关系，分别建立土壤含水率和电导率的标定公式，实现基于本实用新型装置的专有测定方法，避免因采取经验公式直接测量而导致的测量偏差。

最后，本实用新型能够同时实现对土壤水分和电导率双土壤参数的测量，弥补了实验室设备只能针对单一参数测量的缺陷。

可以理解，本实用新型是通过一些实施例进行描述的，本领域技术人员知悉的，在不脱离本实用新型的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。另外，在本实用新型的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本实用新型的精神和范围。因此，本实用新型不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本申请的权利要求范围内的实施例都属于本实用新型所保护的范围内。

Claims (3)

1.一种新型时域反射式土壤测量装置，其特征在于，包括：信号控制和处理系统、电源模块和探针；

所述信号控制和处理系统包括Wi-Fi芯片组、环形器和微控制器，所述Wi-Fi芯片组包括第一Wi-Fi芯片和第二Wi-Fi芯片，所述第一Wi-Fi芯片和第二Wi-Fi芯片分别与所述微控制器连接，还分别通过所述环形器与所述探针连接；

所述第一Wi-Fi芯片用于发射高频的源信号，所述第二Wi-Fi芯片用于接收反射回的信号，并将信号传输至微控制器进行处理，得到土壤测量结果，所述电源模块为所述信号控制和处理系统提供电力。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述环形器通过同轴电缆与所述探针连接。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述探针的形状采用多排直线型针式、回旋针式或线圈式。

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