KR20200046648A - Soil moisture sensor and method of operation thereof - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 토양의 수분함량을 측정하는 토양 수분 센서 및 그 동작 방법에 관한 것으로, 구체적으로는 토양 내의 수분량에 따라 센싱 회로에 형성되는 주파수의 변화를 탐지하여 토양의 수분함량을 측정하는 토양 수분 센서 및 그 동작 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a soil moisture sensor for measuring the moisture content of the soil and its operation method, specifically, a soil moisture sensor for measuring the moisture content of the soil by detecting a change in the frequency formed in the sensing circuit according to the moisture content in the soil And its operation method.
기존의 토양 수분 계측 방법으로는 건조평량법, 토성별 감촉에 의하여 토양 수분을 평가하는 감촉법, 석고 블록 모세관 공극에 흡수된 수분의 전기 전도도로 측정하는 방법, 초벌구이 다공질 컵(porous cup) 수분 장력계 방법, 중성자 측정(neutron probe) 방법 등이 있다.Existing methods for measuring soil moisture include dry basis weight, a method of evaluating soil moisture by the texture of each soil, a method of measuring the electrical conductivity of moisture absorbed by gypsum block capillary pores, and a super-porous porous cup moisture tension And neutron probe methods.
건조평량법으로 수분의 중량 백분율을 구하는 방법은 오래 동안 수분 측정의 대표적인 방법으로 자리하였지만 그 절차가 번거롭고 시간이 오래 걸려서 불편함을 초래하였고, 토성별 감촉에 의하여 토양 수분을 평가하는 감촉법은 평가하는 사람마다의 개인 편차가 크고 상당한 훈련이 요구되어 비효율적이다. 비교적 간편한 방법으로 석고 블록 모세관 공극에 흡수된 수분의 전기 전도도로 측정하는 방법은 석고 블록의 공극이 매우 미세하여 토양 수분 장력이 낮을 때에는 거의 모든 공극이 포화되어 만족스럽지 못한 결과를 초래한다는 단점이 있고, 초벌구이 다공질컵(porous cup) 수분 장력계 방법도 관개 시점 판별 등에 널리 채택되지만 수분 장력이 1기압 보다 높은 영역에서 작동하지 않는다는 단점이 있다.The method of obtaining the weight percentage of moisture by the dry basis method has been established as a representative method for measuring moisture for a long time, but the procedure is cumbersome and takes a long time to cause inconvenience, and the touch method for evaluating soil moisture by texture by soil is evaluated It is inefficient due to the large individual variation of each person and the considerable training required. The relatively simple method of measuring the electrical conductivity of moisture absorbed in the gypsum block capillary pores has the disadvantage that the pores of the gypsum block are very fine, so that when the soil moisture tension is low, almost all pores are saturated, resulting in unsatisfactory results. , Porous cup moisture tensometer method is also widely adopted to determine irrigation timing, but has a disadvantage that the moisture tension does not work in areas higher than 1 atm.
중성자 측정(neutron probe) 방법은 초기 보정(calibration)절차가 까다롭고 운반 측정 조작이 번거롭고 가격이 상당한 고가이어서 일반에 널리 사용되지 못하고 있다는 단점이 있다.The neutron probe method has the disadvantages that the initial calibration procedure is difficult, the transport measurement operation is cumbersome, and the price is quite expensive, and thus it is not widely used in general.
또한 기가 헤르쯔(Giga Herz) 전자장에서 이온의 이동은 무시할 정도로 적어져서 물 분자 회전운동에 따른 물의 유전 특성만 부각되는 원리를 이용하는 TDR(Time Domain Reflectometry) 방식이 제안되기도 하였다. TDR은 기가헤르쯔 레벨의 고에너지 주파수를, 토양에 삽입한 무피복 철봉을 콘덴서로 사용하는 센서에 발사하여 토양수분에 따른 유전율의 정도에 따라 반사되어 오는 주파수의 수에 따라 시간차 또는 전압차를 분석하는 방식이다. TDR은 콘덴서에 의해 전자파가 변형되는 원리를 이용하여 토양 콘덴서로 변형된 반사되어 오는 전자파를 간단히 증폭한 후 오실로스코프로 읽는 방법으로 토양 수분을 정량화 하는데, 이에 필요한 장비가 비교적 복잡하고 고가라는 단점이 제기되어 왔다.In addition, the movement of ions in the Giga Herz electromagnetic field is negligibly reduced, and a time domain reflectometry (TDR) method using the principle of highlighting the dielectric properties of water due to the rotational motion of water molecules has been proposed. TDR fires a high-energy frequency of gigahertz level to a sensor that uses uncoated iron rod inserted into the soil as a condenser to analyze the time difference or voltage difference depending on the number of reflected frequencies depending on the degree of dielectric constant according to the soil moisture. Is the way to do it. TDR uses a principle that electromagnetic waves are transformed by a condenser to amplify reflected electromagnetic waves transformed into a soil condenser, and then quantifies soil moisture by reading with an oscilloscope. However, the equipment required for this is relatively complicated and expensive. It has been.
이러한 이유로 말미암아 보다 간편하고 조작과 절차가 간단하며, 빠른 시간 내에 정확한 데이터를 측정하고 수집할 수 있는 저가의 토양 수분 측정 장치의 개발과 도입이 절실히 요구되고 있는 실정이다.For this reason, the development and introduction of a low-cost soil moisture measurement device that is simpler, simpler to operate and simpler to measure and collect accurate data in a short period of time, is urgently required.
한편, 일본특허출원공개공보 제2016-217795호 "수분 센서 및 수분 측정 장치"에서는 서로 엇갈리는 빗살(comb teeth) 모양으로 구성된 전극을 가지는 수분센서를 이용하여 토양에 포함되는 수분량의 변화에 의한 등가 인덕턴스 변화에 따라 공진 주파수가 변화하는 공진 회로를 형성하고 이 공진 회로에 의해 발진되는 공진 주파수를 산출하는 수분 센서가 개시된 바 있다. 상기 선행기술은 공진 회로를 이용하여 임피던스 변화를 인덕턴스 변화로 치환해 검출하는 구성 상의 특징이 있다.On the other hand, in Japanese Patent Application Publication No. 2016-217795, "Moisture sensor and moisture measuring device", an equivalent inductance caused by a change in the amount of water contained in the soil using a moisture sensor having electrodes composed of comb teeth that cross each other. A moisture sensor has been disclosed in which a resonance circuit in which a resonance frequency is changed according to a change is formed and a resonance frequency oscillated by the resonance circuit is calculated. The prior art has a configuration feature that detects an impedance change by replacing it with an inductance change using a resonant circuit.
그러나 상기 선행기술에 의하더라도 공진 주파수를 직접적으로 측정하는 것이 아니라 측정된 진폭 값을 변환하여 산출하는 과정이 복잡하므로 공진 주파수를 신속하고 정밀하게 측정하기 어려운 문제점이 있다. 이로 인하여 실시간으로 토양의 수분량을 측정하는 경우 노이즈(noise)가 발생하여 측정값이 부정확해지는 문제점이 있다.However, even according to the prior art, since the process of converting and calculating the measured amplitude value is complicated rather than directly measuring the resonance frequency, it is difficult to measure the resonance frequency quickly and accurately. Due to this, when measuring the moisture content of the soil in real time, noise is generated and the measurement value is inaccurate.
상기 선행기술은 공진 회로에 인가되는 입력 전기 신호의 주파수를 가변하여 입력 전기 신호에 대한 응답으로 공진 회로에 형성되는 출력 전기 신호의 크기를 스캔하여 최대 크기를 가지는 경우의 주파수를 공진 주파수로 산출하는 구성을 취한다. 이로 인하여 상기 선행기술은 입력 전기 신호의 가변 주파수의 해상도 만큼의 오차를 가지며, 전기 신호의 크기를 검출하여 공진 주파수를 산출하는 간접적인 방법으로 정확도가 떨어지고, 입력 전기 신호의 주파수를 가변해야 하므로 시간이 소요되는 문제점이 있다. The prior art scans the magnitude of the output electric signal formed in the resonant circuit in response to the input electric signal by varying the frequency of the input electric signal applied to the resonant circuit to calculate the frequency when the maximum magnitude is the resonance frequency. Take the configuration. Due to this, the prior art has an error as much as the resolution of the variable frequency of the input electric signal, and the accuracy is reduced by an indirect method of calculating the resonance frequency by detecting the magnitude of the electric signal, and the frequency of the input electric signal must be varied. There is a problem that it takes.
본 발명은 상기의 종래 기술에서 나타나는 문제점을 해결하기 위하여 도출된 것으로서, 토양을 매질로 하는 토양 수분 센서용 프로브(probe)에 형성된 정전용량을 가지는 회로와 레퍼런스(reference) 정전용량을 가지는 회로 각각에 고주파 신호를 발진시켜 두 회로에서의 고주파 신호에 대한 주파수를 측정하고 비교하여 토양내의 수분 함유량을 정량화 시킴으로써, 토양의 수분 상태를 보다 정확하고 실시간으로 파악할 수 있는 토양 수분 센서를 제공하는 것을 목적으로 한다.The present invention has been derived to solve the problems shown in the prior art, the circuit having a capacitance formed in a probe for a soil moisture sensor using a soil medium and a circuit having a reference capacitance (reference) It is an object of the present invention to provide a soil moisture sensor capable of more accurately and real-time grasping the moisture condition of the soil by quantifying the moisture content in the soil by measuring and comparing the frequencies of the high-frequency signals in two circuits by oscillating the high-frequency signal. .
또한 본 발명에 따른 토양 수분 센서는 비파괴적이며 반영구적으로 사용 가능하고, 장치의 안정성을 제공하고, 입력 전기 신호의 주파수를 가변시키는 구성이 필요하지 않으므로 종래의 토양 수분 센서보다 생산비를 크게 절감할 수 있는 것을 목적으로 한다. In addition, the soil moisture sensor according to the present invention is non-destructive and can be used semi-permanently, provides stability of the device, and does not require a configuration to vary the frequency of the input electrical signal, thereby significantly reducing production costs than conventional soil moisture sensors. It is aimed at being.
본 발명에 따른 토양 수분 센서는 공진 주파수의 편이(shift)를 효과적으로 검출할 수 있는 회로 및 동작 방법을 제안하는 것을 목적으로 한다. 또한 본 발명에 따른 토양 수분 센서는 입력 전기 신호의 주파수를 가변하는 과정이 필요하지 않으므로 토양 수분 센싱 시간을 단축하는 것을 목적으로 한다.The soil moisture sensor according to the present invention aims to propose a circuit and an operation method that can effectively detect a shift in resonance frequency. In addition, the soil moisture sensor according to the present invention is intended to shorten the soil moisture sensing time because the process of varying the frequency of the input electrical signal is not required.
본 발명은 상기의 목적을 달성하기 위하여 도출된 구성으로서, 본 발명의 일 실시예에 따른 토양 수분 센서는 토양에 침투하도록 제1 방향으로 연장되어 형성되는 한 쌍의 제1 전극들을 포함하는 제1 프로브, 상기 제1 프로브의 상기 한 쌍의 제1 전극들과 한 쌍의 제1 포트를 경유하여 연결되고 제1 교류 신호가 인가되는 제1 공진 회로, 상기 제1 공진 회로와 동일한 임피던스를 가지고, 레퍼런스 교류 신호이면서 상기 제1 교류 신호와 동일한 특성을 가지는 제2 교류 신호가 인가되는 제2 공진 회로 및 상기 제1 공진 회로에 형성되는 제1 전기 신호를 수신하고, 상기 제2 공진 회로에 형성되는 제2 전기 신호를 수신하고, 상기 제1 전기 신호의 제1 공진 주파수와 상기 제2 전기 신호의 제2 공진 주파수에 기반하여 상기 토양의 수분을 판정하는 판정 회로를 포함한다.The present invention is a configuration derived to achieve the above object, the soil moisture sensor according to an embodiment of the present invention is a first comprising a pair of first electrodes formed to extend in a first direction to penetrate the soil A probe, a first resonant circuit connected to the pair of first electrodes of the first probe via a pair of first ports, and applied with a first AC signal, has the same impedance as the first resonant circuit, A second resonant circuit to which a second AC signal having the same characteristics as the first AC signal is a reference AC signal and a first electrical signal formed in the first resonant circuit are received and formed in the second resonant circuit And a determination circuit for receiving a second electrical signal and determining moisture in the soil based on the first resonance frequency of the first electrical signal and the second resonance frequency of the second electrical signal. The.
상기 판정 회로는 상기 한 쌍의 제1 전극들 사이에 위치하는 상기 토양이 함유하는 수분에 의해 상기 한 쌍의 제1 전극들 사이에 형성되는 정전용량에 기반하여 상기 제1 공진 회로에 형성되는 상기 제1 전기 신호의 상기 제1 공진 주파수의 정량적 변화를 검출하고, 상기 검출된 제1 공진 주파수의 정량적 변화에 기반하여, 상기 토양이 함유하는 수분을 판정한다.The determination circuit is formed on the first resonance circuit based on the capacitance formed between the pair of first electrodes by moisture contained in the soil located between the pair of first electrodes. The quantitative change of the first resonance frequency of the first electrical signal is detected, and moisture contained in the soil is determined based on the detected quantitative change of the first resonance frequency.
상기 판정 회로는 상기 제2 공진 회로에 인가되는 상기 제2 교류 신호의 영향으로 상기 제2 공진 회로에 형성되는 상기 제2 전기 신호의 레퍼런스 공진 주파수인 상기 제2 공진 주파수와 상기 제1 공진 주파수 간의 차이를 검출하고, 상기 제2 공진 주파수와 상기 제1 공진 주파수 간의 차이에 기반하여 상기 토양에 함유된 수분을 판정한다.The determination circuit is between the second resonant frequency and the first resonant frequency that is a reference resonant frequency of the second electrical signal formed in the second resonant circuit under the influence of the second AC signal applied to the second resonant circuit. The difference is detected, and moisture contained in the soil is determined based on the difference between the second resonant frequency and the first resonant frequency.
상기 판정 회로는 상기 제2 공진 주파수와 상기 제1 공진 주파수 간의 차이가 제1 임계값 이상이면 상기 제1 공진 주파수가 유의미한 변화를 일으킨 것으로 간주하여 상기 토양이 함유하는 수분의 존재를 판정한다.If the difference between the second resonant frequency and the first resonant frequency is greater than or equal to a first threshold, the determination circuit determines that the first resonant frequency has caused a significant change and determines the presence of moisture contained in the soil.
상기 판정 회로는 상기 제1 공진 주파수와 상기 제2 공진 주파수를 곱셈 연산하는 승산기(multiplier), 상기 승산기의 출력단에 연결되어 고주파 성분을 제거하는 저역통과필터(Low pass filter) 및 상기 저역통과필터의 출력단에 연결되어 상기 제1 공진 주파수와 상기 제2 공진 주파수 간의 차이에 해당하는 제3 주파수 성분 신호의 주파수를 디지털 카운트하는 타임-투-디지털 변환기(Time-to-Digital Converter)를 포함한다.The determination circuit includes a multiplier for multiplying the first resonant frequency and the second resonant frequency, and a low pass filter and a low pass filter connected to an output terminal of the multiplier to remove high frequency components. And a time-to-digital converter connected to an output terminal and digitally counting frequencies of a third frequency component signal corresponding to a difference between the first resonant frequency and the second resonant frequency.
상기 토양의 표층에 근접 또는 침투하도록 형성되는 한 쌍의 제2 전극들을 포함하는 제2 프로브를 더 포함하고, 상기 제2 공진 회로는 상기 제2 프로브에 포함되는 상기 한 쌍의 제2 전극들과 한 쌍의 제2 포트를 경유하여 상호 연결될 수 있다.The second probe further includes a pair of second electrodes formed to approach or penetrate the surface layer of the soil, and the second resonant circuit includes the pair of second electrodes included in the second probe. It can be interconnected via a pair of second ports.
상기 판정 회로는 상기 한 쌍의 제2 전극들 간에 형성되는 제2 정전용량에 기반하여 상기 제2 공진 회로에 형성되는 상기 제2 전기 신호의 상기 제2 공진 주파수와, 상기 제1 공진 주파수 간의 정량적 차이에 기반하여 상기 토양이 함유하는 수분을 판정할 수 있다.The determination circuit is quantitative between the second resonant frequency of the second electrical signal formed in the second resonant circuit and the first resonant frequency based on the second capacitance formed between the pair of second electrodes. The moisture contained in the soil can be determined based on the difference.
본 발명의 일 실시예에 따른 토양 수분 센서의 동작 방법은 제1 오실레이터가, 토양에 침투하도록 제1 방향으로 연장되어 형성되는 한 쌍의 제1 전극들을 포함하는 제1 프로브의 상기 한 쌍의 제1 전극들과 한 쌍의 제1 포트를 경유하여 연결되는 제1 공진 회로를 경유하여 제1 교류 신호를 인가하는 단계, 상기 제1 오실레이터와 동일한 특성을 가지는 제2 오실레이터가, 상기 제1 공진 회로와 동일한 임피던스를 가지는 제2 공진 회로에 레퍼런스 교류 신호인 제2 교류 신호를 인가하는 단계, 판정 회로가 상기 제1 교류 신호의 영향으로 상기 제1 프로브 및 상기 제1 공진 회로에 형성되는 제1 전기 신호를 수신하는 단계, 상기 판정 회로가 상기 제2 공진 회로에 인가되는 상기 제2 교류 신호의 영향으로 상기 제2 공진 회로에 형성되는 제2 전기 신호를 수신하는 단계, 및 상기 판정 회로가 상기 제1 전기 신호의 제1 공진 주파수 및 상기 제2 전기 신호의 제2 공진 주파수에 기반하여 상기 제1 프로브의 상기 한 쌍의 제1 전극들 사이에 위치하는 상기 토양이 함유하는 수분을 판정하는 단계를 포함한다.The operation method of the soil moisture sensor according to an embodiment of the present invention includes the first pair of probes of the first probe including a pair of first electrodes formed by extending in a first direction to penetrate the soil. Applying a first alternating current signal via a first resonant circuit connected via a pair of first ports to one electrode, a second oscillator having the same characteristics as the first oscillator, the first resonant circuit Applying a second alternating current signal as a reference alternating current signal to a second resonant circuit having the same impedance as the first electric current formed by the determination circuit on the first probe and the first resonant circuit under the influence of the first alternating current signal Receiving a signal, the determination circuit receiving a second electrical signal formed in the second resonant circuit under the influence of the second AC signal applied to the second resonant circuit Step, and the soil in which the determining circuit is located between the pair of first electrodes of the first probe based on the first resonant frequency of the first electrical signal and the second resonant frequency of the second electrical signal. And determining the water content.
상기 판정 회로가 상기 토양이 함유하는 수분을 판정하는 단계는 상기 한 쌍의 제1 전극들 사이에 위치하는 상기 토양이 함유하는 수분에 의해 상기 한 쌍의 제1 전극들 사이에 형성되는 정전용량에 기반하여 상기 제1 공진 회로에 형성되는 상기 제1 전기 신호의 상기 제1 공진 주파수의 정량적 변화를 검출하는 단계, 및 상기 검출된 제1 공진 주파수의 정량적 변화에 기반하여, 상기 토양이 함유하는 수분을 판정하는 단계를 포함할 수 있다.The determining circuit determining the moisture contained in the soil is based on the capacitance formed between the pair of first electrodes by the moisture contained in the soil located between the pair of first electrodes. Detecting a quantitative change in the first resonant frequency of the first electrical signal formed in the first resonant circuit based on the first resonant circuit, and based on the detected quantitative change in the first resonant frequency, moisture contained in the soil It may include the step of determining.
상기 판정 회로가 상기 제1 공진 주파수 및 상기 제2 공진 주파수 간의 차이를 검출하는 단계를 더 포함하고, 상기 판정 회로가 상기 토양이 함유하는 수분을 판정하는 단계는 상기 제1 공진 주파수 및 상기 제2 공진 주파수 간의 차이에 기반하여 상기 제1 프로브의 상기 한 쌍의 제1 전극들 사이에 위치하는 상기 토양이 함유하는 수분을 판정할 수 있다.The determining circuit further includes detecting a difference between the first resonance frequency and the second resonance frequency, and the determining circuit determining the moisture contained in the soil includes: the first resonance frequency and the second resonance frequency. The moisture contained in the soil located between the pair of first electrodes of the first probe may be determined based on a difference between resonance frequencies.
상기 제2 오실레이터가, 상기 제2 공진 회로와 한 쌍의 제2 포트를 경유하여 연결되고, 상기 토양의 표층에 근접 또는 침투하도록 형성되는 한 쌍의 제2 전극들을 포함하는 제2 프로브에 상기 한 쌍의 제2 포트를 경유하여 상기 제2 교류 신호를 인가하는 단계를 더 포함할 수 있다.The second oscillator is connected to the second resonant circuit via a pair of second ports, and the second probe includes a pair of second electrodes formed to approach or penetrate the surface layer of the soil. The method may further include applying the second AC signal via a pair of second ports.
본 발명에 따르면 토양을 매질로 하는 토양 수분 센서용 프로브(probe)에 형성된 정전용량을 가지는 회로와 레퍼런스 정전용량을 가지는 회로 각각에 고주파 신호를 발진시켜 두 회로에서의 고주파 신호에 대한 주파수를 측정하고 비교하여 토양내의 수분 함유량을 정량화 시킴으로써, 토양의 수분 상태를 보다 정확하고 빠르게 실시간으로 파악할 수 있다.According to the present invention, a high frequency signal is oscillated to each of a circuit having a capacitance formed in a soil moisture sensor probe and a circuit having a reference capacitance to measure the frequencies of the high frequency signals in both circuits, By comparing and quantifying the moisture content in the soil, it is possible to grasp the moisture state of the soil more accurately and quickly in real time.
또한, 본 발명에 따르면 토양 수분 센서를 비파괴적이며 반영구적으로 사용 가능하고, 토양 수분 센서 장치의 안정성이 보장될 수 있다.In addition, according to the present invention, the soil moisture sensor can be used non-destructively and semi-permanently, and stability of the soil moisture sensor device can be ensured.
또한, 본 발명에 따르면 토양 수분 센서의 판정 회로를 하나의 칩(chip)으로 제작하는 경우, 센서 회로와 레퍼런스 공진 회로를 근접하게 배치하고, 동일한 종류의 소자로 제작하여 공정 변이(process variation)에 따른 측정 오차를 줄일 수 있으므로, 실시간으로 정확하게 토양내의 수분량을 판정할 수 있다.In addition, according to the present invention, when the determination circuit of the soil moisture sensor is manufactured with one chip, the sensor circuit and the reference resonant circuit are disposed close to each other and manufactured with the same type of device to process variation. Since the measurement error can be reduced, it is possible to accurately determine the amount of moisture in the soil in real time.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 토양 수분 센서를 도시하는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 토양 수분 센서를 도시하는 도면이다.
도 3은 제1 프로브와 제2 프로브의 동작 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 토양 수분 센서를 도시하는 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 토양에 함유된 수분을 판정하는 방법을 도시하는 동작 흐름도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 토양에 함유된 수분을 센싱하는 방법을 도시하는 동작 흐름도이다.1 is a view showing a soil moisture sensor according to an embodiment of the present invention.
2 is a view showing a soil moisture sensor according to an embodiment of the present invention.
3 is a view for explaining the operating principle of the first probe and the second probe.
4 is a view showing a soil moisture sensor according to an embodiment of the present invention.
5 is an operation flowchart showing a method for determining moisture contained in soil according to an embodiment of the present invention.
6 is an operation flowchart showing a method of sensing moisture contained in soil according to an embodiment of the present invention.
상기 목적 외에 본 발명의 다른 목적 및 특징들은 첨부 도면을 참조한 실시예에 대한 설명을 통하여 명백히 드러나게 될 것이다. 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다. 이하에서는, 본 발명의 일 실시예에 따른 토양 수분 센서 및 그 동작 방법을 첨부된 도 1 내지 도 6을 참조하여 상세히 설명한다.Other objects and features of the present invention in addition to the above object will be apparent through the description of the embodiment with reference to the accompanying drawings. Preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In describing the present invention, when it is determined that detailed descriptions of related known configurations or functions may obscure the subject matter of the present invention, detailed descriptions thereof will be omitted. Hereinafter, a soil moisture sensor and an operation method according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to FIGS. 1 to 6.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 토양 수분 센서(100)를 도시하는 도면이다.1 is a view showing a
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 토양 수분 센서(100)는 제1 프로브(probe, 110), 제1 공진 회로(140), 제1 포트(141), 제1 오실레이터(147), 제2 공진 회로(240), 제2 오실레이터(247) 및 판정 회로(250)를 포함한다.Referring to FIG. 1, a
제1 프로브(110)는 전극(111) 및 전극(111)과 대향하여 평행하게 배치되는 전극(112)으로 이루어진 한 쌍의 제1 전극들(111, 112)을 포함한다. 제1 프로브(110)의 한 쌍의 제1 전극들(111, 112)은 토양에 침투하도록 토양을 향하는 방향으로 연장되어 형성될 수 있다.The
제1 공진 회로(140)는 제1 프로브(110)의 한 쌍의 제1 전극들(111, 112)과 한 쌍의 포트(141)를 경유하여 연결되고, 제1 프로브(110)에 제1 교류 신호를 인가한다. 또한, 제1 공진 회로(140)는 제1 인덕터(145) 및 제1 커패시터(144)를 포함한다. 제1 인덕터(145)는 코일의 형태를 취할 수도 있으나 제어 가능한 인덕턴스를 가지는 반도체 패턴의 형태로 구현될 수도 있다. 도 1을 참조하면 제1 공진 회로(140)에 형성되는 제1 기생 저항(146)이 도시된다. 본 발명의 일 실시예에 따라서는 제1 공진 회로(140)와 후술할 다른 회로들 간의 밸런싱을 위하여 저항기 R'(도시되지 않음)을 추가 배치할 수도 있다.The first
제1 오실레이터(147)는 제1 공진 회로(140)에 제1 교류 신호를 인가한다. 제1 교류 신호의 인가에 의하여 제1 공진 회로(140)에 형성되는 제1 전기 신호의 제1 공진 주파수(ω1)는 제1 공진 회로(140)의 임피던스 및 제1 프로브(110)의 한 쌍의 제1 전극들(111, 112) 사이에 위치하는 토양이 함유하는 수분에 의해 형성되는 커패시턴스(capacitance)에 기반하여 결정될 수 있다.The
또한, 제1 오실레이터(147)는 포트(141)를 경유하여 제1 프로브(110)의 한 쌍의 제1 전극들(111, 112)에도 제1 교류 신호를 인가할 수 있다. 인가된 제1 교류 신호가 제1 공진 회로(140) 및 제1 프로브(110)의 한 쌍의 제1 전극들(111, 112) 사이에 위치하는 토양이 함유하는 수분에 의해 형성되는 커패시턴스의 합성 임피던스와 결합하여 제1 공진 회로(140) 및 제1 프로브(110)에는 제1 전기 신호가 형성된다. 이때 포트(141)는 제1 공진 회로(140)와 제1 프로브(110)의 한 쌍의 제1 전극들(111, 112) 간의 인터페이스 포트로서 기능한다. Also, the
한편, 본 발명의 토양 수분 센서(100)는 제1 공진 회로(140), 제1 오실레이터(147), 제2 공진 회로(240), 제2 오실레이터(247), 및 판정 회로(250)를 하나의 집적회로(IC)로서 구현할 수 있으며, 이 경우, 집적회로는 인터페이스 포트 기능을 가지는 제1 포트(141)를 통하여 제1 프로브(110)의 한 쌍의 제1 전극들(111, 112)과 연결될 수 있다.Meanwhile, the
이와 같이, 토양 수분 센서의 판정 회로(250) 부분이 하나의 칩(chip)으로 제작되는 경우, 센서 회로와 레퍼런스 공진 회로가 근접하게 배치되고, 동일한 종류의 소자로 제작되므로, 공정 변이(process variation)에 따른 측정 오차를 줄일 수 있으므로, 실시간으로 정확하게 토양내의 수분량을 판정할 수 있다.As described above, when the
제1 전기 신호의 제1 공진 주파수(ω1)는 제1 프로브(110)의 한 쌍의 제1 전극들(111, 112) 사이에 위치하는 토양이 함유하는 수분에 기반하여 결정될 수 있다.The first resonance frequency ω1 of the first electrical signal may be determined based on moisture contained in the soil located between the pair of
즉, 제1 프로브(110)의 한 쌍의 제1 전극들(111, 112) 사이에 위치하는 토양이 함유하는 수분에 의해 형성되는 커패시턴스의 변화로 인하여, 제1 공진 회로(140)의 임피던스 및 제1 프로브(110)에 형성된 커패시턴스가 병렬로 연결되어 산술적으로 합산된 커패시턴스를 가지는 합성 임피던스가 변화한다. 이러한 합성 임피던스와 제1 교류 신호가 결합하여 제1 공진 회로(140)에 제1 공진 주파수(ω1)를 가지는 제1 전기 신호가 형성된다. 한 쌍의 제1 전극들(111, 112)을 포함하는 제1 프로브(110)에도 마찬가지로 제1 공진 주파수(ω1)를 가지는 제1 전기 신호가 형성된다. That is, due to a change in capacitance formed by moisture contained in the soil located between the pair of
제2 공진 회로(240)는 제1 공진 회로(140)와 동일한 임피던스를 가지도록 설계된다. 특히 제2 공진 회로(240) 내의 인덕터(L)와 커패시터(C)는 제1 공진 회로(140) 내의 제1 인덕터(145) 및 제1 커패시터(144)와 동일한 값을 가지도록 설계될 수 있다. 또한, 제2 공진 회로(240)는 제1 공진 회로(140)와 근접하게 배치되어 제조 시 공정 변이의 영향을 덜 받게 할 수 있다.The second
한편, 제2 공진 회로(240) 내의 기생 저항 성분(R)이 도시되었으나, 본 발명의 일 실시예에 따라서는 제1 공진 회로(140) 및 제2 공진 회로(240)의 임피던스를 정확히 일치시키고 밸런싱을 개선하기 위하여 저항기 R'(도시되지 않음)이 추가로 포함될 수도 있다.On the other hand, although the parasitic resistance component R in the second
제2 오실레이터(247)에 의하여 인가되는 제2 교류 신호가 제2 공진 회로(240)에 인가된다. 인가된 제2 교류 신호가 제2 공진 회로(240)의 임피던스와 결합하여 제2 공진 회로(240)에는 제2 전기 신호가 형성된다. 제2 교류 신호는 레퍼런스 교류 신호이고, 이로 인하여 제2 공진 회로(240)에 형성되는 제2 전기 신호는 레퍼런스 전기 신호이다. 이때 제2 전기 신호는 레퍼런스 공진 주파수인 제2 공진 주파수(ω2)를 가진다.The second AC signal applied by the
제2 공진 회로(240)는 외부에 노출되지 않으므로 토양에 함유하는 수분 유무에 관계없이 제2 공진 회로(240)의 전기적 특성에는 영향이 없다. 따라서 제2 전기 신호는 토양에 함유하는 수분 유무에 관계없이 레퍼런스 공진 주파수인 제2 공진 주파수(ω2)를 유지할 수 있다.Since the second
제1 공진 회로(140)에 형성된 제1 공진 주파수(ω1)를 가지는 제1 전기 신호 및 제2 공진 회로(240)에 형성된 제2 공진 주파수(ω2)를 가지는 제2 전기 신호가 판정 회로(250)로 전달된다. 판정 회로(250)에 포함되는 제어부/컨트롤러/프로세서(도시되지 않음)에 의하여 제2 오실레이터(247) 및 제2 공진 회로(240)의 동작 또한 제어될 수 있다.The first electrical signal having the first resonance frequency ω1 formed in the
판정 회로(250)는 제1 공진 회로(140)에 형성되는 제1 공진 주파수(ω1)를 가지는 제1 전기 신호를 수신하고, 제2 공진 회로(240)에 형성되는 제2 공진 주파수(ω2)를 가지는 제2 전기 신호를 수신하고, 제1 공진 주파수(ω1) 및 제2 공진 주파수(ω2)에 기반하여 제1 프로브(110)의 한 쌍의 제1 전극들(111, 112) 사이에 위치하는 토양에 함유하는 수분량을 판정할 수 있다.The
이때, 판정 회로(250)는 제1 공진 주파수(ω1)의 변화값을 통하여 제1 프로브(110)의 한 쌍의 제1 전극들(111, 112) 사이에 위치하는 토양에 함유하는 수분량이 어느 정도인지를 판정할 수 있다.In this case, the
판정 회로(250)는 제1 프로브(110)의 한 쌍의 제1 전극들(111, 112) 사이에 위치하는 토양에 함유하는 수분량의 정도에 따라 형성되는 정전용량에 기반하여 제1 공진 회로(140)에 형성되는 제1 전기 신호의 제1 공진 주파수(ω1)의 정량적 변화를 검출하고, 검출된 제1 공진 주파수(ω1)의 정량적 변화에 기반하여 제1 프로브(110)의 한 쌍의 제1 전극들(111, 112) 사이에 위치하는 토양에 함유하는 수분량을 측정할 수 있다.The
구체적으로, 정전용량은 다음과 같은 수식으로 나타낼 수 있다.Specifically, the capacitance can be expressed by the following equation.
여기서, C는 정전용량/커패시턴스이고, ε은 유전상수이고, S는 대향하는 전극의 면적, d는 전극간의 거리이다. 유전상수 ε와 정전용량 C는 서로 비례한다. 또한,Here, C is the capacitance / capacitance, ε is the dielectric constant, S is the area of the opposing electrode, and d is the distance between the electrodes. The dielectric constant ε and the capacitance C are proportional to each other. In addition,
로서, 유전상수 ε은 일정한 진공의 유전율인 ε0와의 비율인 비유전율 εr을 특성값으로 사용한다. 공기의 비유전율은 진공의 비유전율과 유사하고, 물의 비유전율 εr은 80 정도로 공기와 토양입자들에 비하여 상대적으로 훨씬 크기 때문에, 토양의 유전상수는 토양의 수분함량에 강하게 영향을 받는다. 토양 사이의 공극 또한 공기이므로 수분 함량에 의한 비유전율의 변화에 크게 영향을 주지 못한다. 한편, 진공의 비유전율은 온도의 변화에 상관없이 항상 1을 유지하나, 물의 유전율은 온도가 높아지면 감소한다. 따라서, 일정한 온도에서 토양에 함유되는 수분량이 많을수록 토양의 유전상수가 증가할 것이며, 그에 따라 토양의 정전용량은 증가할 것이다.As, the dielectric constant ε uses a specific dielectric constant εr, which is a ratio with a constant vacuum dielectric constant ε0, as a characteristic value. Since the relative dielectric constant of air is similar to that of vacuum, and the relative dielectric constant of water, εr, is 80, which is relatively much larger than that of air and soil particles, the dielectric constant of the soil is strongly influenced by the moisture content of the soil. Since the air gap between the soils is also air, it does not significantly affect the change in relative dielectric constant due to moisture content. On the other hand, the relative dielectric constant of vacuum always remains 1 regardless of the change in temperature, but the dielectric constant of water decreases as the temperature increases. Therefore, as the amount of moisture contained in the soil increases at a constant temperature, the dielectric constant of the soil will increase, and thus the capacitance of the soil will increase.
토양에 함유된 수분을 센싱하는 회로와 레퍼런스 회로의 공진 주파수 f는 다음과 같은 수식으로 나타낼 수 있다.The resonance frequency f of the circuit sensing the moisture contained in the soil and the reference circuit can be expressed by the following equation.
여기서, L은 인덕턴스(inductance)이고, C는 정전용량이다. 공진 주파수 f와 정전용량 C는 서로 반비례한다. 따라서, 토양의 정전용량이 증가할수록 공진 주파수 f는 감소하게 된다.Here, L is inductance and C is capacitance. The resonance frequency f and the capacitance C are inversely proportional to each other. Therefore, as the soil capacitance increases, the resonance frequency f decreases.
토양에 함유된 수분을 센싱하는 회로에서, 제1 프로브(110)의 한 쌍의 제1 전극들(111, 112) 사이에 위치하는 토양에 함유하는 수분량이 많을수록 제1 프로브(110)에 커플링되는 정전용량이 커지므로, 병렬적으로 연결되어 산술적으로 더해지는 제1 공진 회로(140)의 합성 정전용량에 의해 형성되는 제1 전기 신호의 제1 공진 주파수(ω1)는 감소할 것이다.In a circuit for sensing moisture contained in the soil, the larger the amount of moisture contained in the soil located between the pair of
토양의 수분량을 측정하는 제1 프로브(110)의 한 쌍의 제1 전극들(111, 112)은 제1 포트(141)를 경유하여 제1 공진 회로(140)에만 연결되어 있고, 레퍼런스 공진 회로의 제2 공진 회로(240)에는 연결되어 있지 않다. 제1 전기 신호의 제1 공진 주파수(ω1)는 제1 프로브(110)의 한 쌍의 제1 전극들(111, 112) 사이에 위치한 토양이 함유하는 수분에 기반하여 결정될 수 있다. 구체적으로, 제1 프로브(110)의 한 쌍의 제1 전극들(111, 112) 사이에 위치한 토양에 함유하는 수분량에 따라 형성되는 커패시턴스의 변화로 인하여 제1 공진 회로(140)의 임피던스 및 커패시턴스가 병렬로 연결되어 산술적으로 더해지는 합성 임피던스가 변화함에 따라 제1 전기 신호의 제1 공진 주파수(ω1)도 변화한다.A pair of
한편, 제1 공진 회로(140)와는 달리 제2 공진 회로(240)는 토양의 수분량을 측정하는 제1 프로브(110)와 연결되지 않으므로, 토양의 수분 유무와 관계 없이 제2 공진 주파수(ω2)를 그대로 유지한다. 이때 제2 공진 회로(240)는 공기를 매질로 하는 정전용량을 기준으로 하는 제2 공진 주파수(ω2)를 가지는 제2 전기 신호를 발생시킬 수 있다.On the other hand, unlike the first
그러므로, 제2 공진 회로(240)의 제2 전기 신호와 제1 공진 회로(140)의 제1 전기 신호 간의 주파수 차이를 검출하면 제1 공진 회로(140)의 제1 공진 주파수(ω1)가 제2 공진 주파수(ω2)에서 shift되었는지 여부, 및 shift되었다면 그 shift된 정도에 대한 정량적인 분석이 가능하다.Therefore, when the frequency difference between the second electrical signal of the second
레퍼런스 공진 회로는 제1 공진 회로(140)에서 발생하는 제1 공진 주파수(ω1) 변화를 트랙킹(tracking)하여, 판정 회로(250)가 측정하는 제1 공진 주파수(ω1)에 부가되는 노이즈(noise)를 실시간으로 제거하고, 제1 공진 주파수(ω1) 변화량을 정확하게 측정하게 할 수 있다.The reference resonant circuit tracks a change in the first resonant frequency (ω1) generated in the first
제1 프로브(110)를 토양에 찔러 넣으면, 토양을 경유하여 제1 전극들(111, 112) 사이에 형성되는 정전용량/커패시턴스의 영향으로 인하여 제1 공진 주파수(ω1)가 변화하는데, 이때 대단히 건조한 토양, 예를 들면 마른 모래, 또는 건조한 황무지에서는 제1 공진 주파수(ω1)의 변화는 크지 않고, 수분을 함유한 토양의 경우에는 제1 공진 주파수(ω1)의 변화가 크게 감지된다.When the
판정 회로(250)는 제2 공진 회로(240)에 인가되는 제2 교류 신호의 영향으로 제2 공진 회로(240)에 형성되는 제2 전기 신호의 레퍼런스 공진 주파수인 제2 공진 주파수(ω2) 와 제1 공진 주파수(ω1) 간의 차이를 검출하고, 제2 공진 주파수와 제1 공진 주파수 간의 차이(ω2 - ω1)에 기반하여 제1 프로브(110)로부터 토양에 함유하는 수분량을 판정할 수 있다.The
한편, 제1 프로브(110) 사이의 토양에 도전체와 같은 이물질이 들어간 경우, 또는 토양에 함유된 수분이 매우 많은 경우, 예를 들어 진흙탕이 된 경우에는 제1 프로브(110)의 한 쌍의 제1 전극들(111, 112) 간의 전기적 특성이 최초 가정된 범위에서 크게 벗어날 수 있다. 또한 토양에 함유된 수분이 너무 많은 경우로서 물이 토양에서 흘러 넘치는 수준인 경우, 또는 반대로 물에 토양이 잠긴 것과 같은 경우에도 제1 프로브(110)에 결합되는 정전용량/커패시턴스가 최초 가정된 범위를 크게 벗어날 수 있다. 이 경우 본 발명의 일 실시예에 따라서는 제1 공진 주파수(ω1)가 제2 공진 주파수(ω2)보다 더 커지게 되어 제2 공진 주파수(ω2)와 제1 공진 주파수(ω1)의 차이가 음수가 될 수 있다. Meanwhile, when a foreign material such as a conductor enters the soil between the
이 경우, 판정 회로(250)는 적절한 센싱이 아닌 것으로 판정하여 에러(error)를 사용자에게 디스플레이나 스피커와 같은 시각적, 또는 청각적 수단으로 통지할 수 있다.In this case, the
한편, 판정 회로(250)는 제1 공진 주파수(ω1)의 정량적 변화에 따라 공진 주파수에 대한 복수개의 기준값을 가질 수도 있다. 토양의 수분량을 측정하지 않는 경우, 즉, 제1 프로브(110)의 한 쌍의 제1 전극들(111, 112) 사이에 위치하는 토양이 없는 경우의 제1 공진 주파수(ω1)와 제2 공진 주파수(ω2)의 차이를 제1 임계값으로 정의하면, 판정 회로(250)는 제1 공진 주파수(ω1)의 변화값이, 제1 임계값 이상이면 제1 공진 주파수(ω1)가 유의미한 변화를 일으킨 것으로 간주하여 토양에 함유되는 수분이 유효한 의미를 갖는 양으로 존재하고 있음으로 판정할 수 있다.Meanwhile, the
제1 공진 회로(140)에 근접하게 배치되고, 동일한 임피던스를 갖도록 제1 커패시터(144)와 동일한 커패시턴스를 갖는 커패시터(C), 제1 인덕턴스(145)와 동일한 인덕턴스를 갖는 인덕터(L), 및 제1 기생 저항(146)과 동일한 저항값을 갖는 저항(R)을 갖는 제2 공진 회로(240)가 제1 오실레이터(147)와 동일한 주파수 또는 위상을 가진 제2 오실레이터(247)에서 인가되는 제2 교류신호로부터 형성되는 레퍼런스 공진 주파수인 제2 공진 주파수(ω2)를 가지는 제2 전기신호는, 제1 공진 주파수(ω1)를 가지는 제1 전기신호와 특정한 주파수 차이값을 가질 수 있다. A capacitor C disposed close to the first
판정 회로(250)는 이러한 특정한 주파수 차이값을 오프셋(offset)으로 설정하고 제1 임계값으로 정의하여, 제2 공진 주파수(ω2) 와 제1 공진 주파수(ω1) 간의 차이가 제1 임계값 이상인 경우에만, 제1 공진 주파수(ω1)가 유의미한 변화를 일으킨 것으로 간주하여 토양에 함유된 수분량이 유효한 의미를 가진 양만큼 있음으로 판정할 수 있다.The
또한, 본 발명의 일 실시예에 따라서는 판정 회로(250)는 제1 공진 주파수(ω1)의 변화값을 제1 임계값의 배수에 따라 제2 임계값, 제3 임계값, 제4 임계값 등등의 복수개의 기준값으로 정의하여 토양에 함유되는 수분량의 등급을 나누어 판정할 수 있다.In addition, according to an embodiment of the present invention, the
판정 회로(250)는 추가적으로 내부에 제1 오실레이터(120) 및 제1 공진 회로(110)의 동작을 제어하기 위한 제어부/컨트롤러/프로세서(도시되지 않음)를 더 포함할 수도 있다. 제어부의 제어 명령에 의하여 제1 교류 신호가 제1 오실레이터(120)로부터 제1 공진 회로(110)에 인가되고, 제1 공진 회로(110)에 형성된 제1 전기 신호의 제1 공진 주파수(ω1)에 대한 정보를 판정 회로(250)가 수신할 수 있다.The
또한, 판정 회로(250)는 캘리브레이션(calibration) 과정을 수행할 수 있다. 판정 회로(250)는 토양 수분량을 측정하지 않는 경우, 즉 제1 프로브(110)의 한 쌍의 제1 전극들(111, 112) 사이에 위치한 토양에 함유된 수분이 없는 상태에서 캘리브레이션 과정을 수행할 수 있다. 이때 캘리브레이션 과정을 통해 제1 공진 주파수(ω1) 및 제2 공진 주파수(ω2) 간의 차이가 zero가 되도록 제1 공진 회로(140) 또는 제2 공진 회로(240)가 조정될 수 있다. Further, the
캘리브레이션 과정을 통해 제1 프로브(110)의 한 쌍의 제1 전극들(111, 112) 사이에 위치한 토양에 함유된 수분이 없는 상태에서 검출되는 제1 공진 주파수(ω1) 및 제2 공진 주파수(ω2) 간의 차이가 별도의 메모리 또는 스토리지(storage)에 저장되어 향후 토양 수분 센싱 과정에서 오프셋(offset) 정보로 처리될 수 있다. The first resonance frequency (ω1) and the second resonance frequency detected in the absence of moisture contained in the soil located between the pair of
캘리브레이션을 거친 후 제1 공진 주파수(ω1) 및 제2 공진 주파수(ω2) 간의 차이에 대한 조정은 가변 저항기 R' 의 값을 조정하는 등의 수단을 이용하여 실행될 수 있다.After calibration, adjustment for a difference between the first resonant frequency ω1 and the second resonant frequency ω2 may be performed using means such as adjusting the value of the variable resistor R '.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 토양 수분 센서(200)를 도시하는 도면이다. 도 2를 참조하면, 토양 수분 센서(200)는 제1 프로브(110), 제1 공진 회로(140), 제1 포트(141), 제1 오실레이터(147), 제2 프로브(210), 제2 공진 회로(240), 제2 포트(241), 제2 오실레이터(247), 및 판정 회로(250)를 포함한다.2 is a view showing a
도 2의 제1 공진 회로(140), 제1 포트(141), 제1 오실레이터(147), 제2 공진 회로(240), 제2 포트(241), 제2 오실레이터(247), 및 제1 프로브(110)는 도 1에 도시된 사항으로부터 충분히 설명되었으므로 중복된 설명은 생략한다. 도 2의 판정 회로(250)의 동작 또한 도 1의 판정 회로(250)와 중복되는 설명은 생략한다.The first
도 2를 참조하면, 제2 공진 회로(240)는 제2 포트(241)를 경유하여 제2 프로브(210)의 한 쌍의 제2 전극들(211, 212)와 연결된다. 제2 프로브(210)에 대해서는 도 3에서 자세히 설명한다.Referring to FIG. 2, the second
도 3은 제1 프로브(110)와 제2 프로브(210)의 동작 원리를 설명하기 위한 도면이다. 도 3을 참조하면, 제1 프로브(110)는 전술한 바와 같이 토양에 깊숙이 침투하는 한 쌍의 제1 전극들(111, 112) 사이에 위치하는 토양에 함유되는 수분의 양을 측정할 수 있다. 제2 프로브(210)는 제1 프로브(110)와 평행하게 배치되고, 토양에 침투하는 방향으로 연장되는 한 쌍의 제2 전극들(211, 212)을 포함한다.3 is a view for explaining the operating principle of the
제2 프로브(210)는 제2 포트(241)를 경유하여 레퍼런스 공진 회로인 제2 공진 회로(240) 및 제2 오실레이터(247)와 전기적으로 연결되는데, 이는 제1 프로브(110)에서 측정된 토양의 수분량이나 온도에 따른 오프셋(offset)을 제거하기 위한 용도일 수 있다. 따라서, 제2 프로브(210)는 측정 상태의 온도와 큰 차이가 없고 토양에 함유되는 수분이 거의 없는 토양 자체만의 정전용량값을 측정할 수 있도록, 토양의 표층에만 침투할 수 있게 하기 위해서 제1 프로브(110)보다 길이가 짧을 수 있다.The
제2 프로브(210)는 토양의 표층에만 침투하거나 토양의 표층에 접촉하기 위해 제1 프로브(110)보다 길이가 짧으며, 제1 프로브(110)와 인접하고, 평행하게 배치되므로, 제1 프로브(110)에서는 토양의 심층 또는 내부 부분에서 토양에 함유된 수분에 의한 정전용량값(126)을 측정할 수 있고, 제2 프로브(210)에서는 토양의 표층 부분에서 토양에 함유된 수분에 의한 정전용량값(125)을 측정할 수 있다.The
토양의 심층 또는 내부 부분에서는 수분의 증발량이 적어 실질적으로 토양에 함유된 수분에 의한 정전용량값(126)을 정확히 측정할 수 있으나, 토양의 표층 부분에서는 수분의 증발량이 크므로, 실질적으로 토양에 수분이 포함되지 않은, 토양 자체(수분을 제외한 토양)에 대한 정전용량값(125)을 측정할 수 있다.Since the evaporation amount of water is small in the deep or inner part of the soil, it is possible to accurately measure the
판정 회로(250)는 캘리브레이션 과정을 통해, 실질적으로 토양의 심층 또는 내부 부분에서 토양에 함유된 수분에 의한 정전용량값(126)과 실질적으로 토양의 표층 부분에서, 토양에 함유된 수분이 없는, 토양 자체에 대한 정전용량값(125)을 고려하여 제1 프로브(110)의 한 쌍의 제1 전극들(111, 112) 사이에 위치한 토양에 함유된 수분량이 유의미한 값으로 존재하는지 여부를 판정할 수 있다.The
이 경우, 판정 회로(250)는 실질적으로 토양의 심층 또는 내부 부분에서 토양에 함유된 수분에 의한 정전용량값(126)에 의해 발생하는 제1 공진 주파수(ω1)와 실질적으로 토양의 표층 부분에서 토양에 함유된 수분이 없는 토양 자체에 대한 정전용량값(125)에 의해 발생하는 제2 공진 주파수(ω2)의 차이값을 최소한의 임계치로 기준으로 토양의 수분량을 센싱할 수 있다.In this case, the
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 토양 수분 센서(300)를 도시하는 도면이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 토양 수분 센서(300)는 제1 프로브(110), 제1 공진 회로(140), 제1 포트(141), 제1 오실레이터(147), 제2 공진 회로(240), 제2 포트(241), 제2 오실레이터(247), 및 판정 회로(350)를 포함한다. 4 is a view showing a
도 4의 제1 프로브(110), 제1 공진 회로(140), 제1 포트(141), 제2 공진 회로(240), 제2 포트(241), 제1 오실레이터(147), 및 제2 오실레이터(247)는 도 1 내지 도 3에 도시된 사항으로부터 충분히 설명되었으므로 중복된 설명은 생략한다. 도 4의 판정 회로(350)의 동작 또한 도 1 및 도 3의 판정 회로(250)와 중복되는 설명은 생략한다.4, the
도 4에서 판정 회로(350)는 승산기(352, multiplier), 저역통과필터(354, Low Pass Filter), 타임-투-디지털 변환기(356, Time-to-Digital Converter)를 포함한다.The
승산기(352)는 제1 공진 주파수(ω1)와 제2 공진 주파수(ω2)를 곱셈 연산한다. 저역통과필터(354)는 승산기(352)의 출력단에 연결되어 고주파 성분을 제거한다. 이로 인하여 제1 공진 주파수(ω1)와 제2 공진 주파수(ω2) 간의 차이에 해당하는 제3 주파수 성분의 저주파 신호가 생성된다.The
타임-투-디지털 변환기(356)는 저역통과필터(354)의 출력단에 연결되어 제3 주파수 성분 신호의 주파수를 디지털 카운트한다. 이때 타임-투-디지털 변환기(356)는 제3 주파수 성분 신호의 주파수에 비례하는 디지털화된 값을 출력할 수 있다.The time-to-
실시예에 따라서는 타임-투-디지털 변환기(356)는 제3 주파수 성분 신호의 제3 주파수 성분 신호의 주파수에 비례하는 제4 주파수를 가지는 펄스 신호를 생성할 수 있다. 제4 주파수는 제3 주파수 성분 신호의 주파수와 동일할 수도 있으나, 승산기(352) 및 저역통과필터(354)를 거치면서 반영되는 전달 함수(Transfer function)의 영향으로 최초의 주파수와는 다른 제4 주파수를 가질 수도 있다. 타임-투-디지털 변환기(356)는 제4 주파수를 가지는 펄스 신호의 펄스 개수를 일정 시간 구간 동안 카운트하거나, 제4 주파수를 가지는 펄스 신호의 펄스폭 또는 주기에 대한 디지털 카운트 값을 생성할 수 있다.Depending on the embodiment, the time-to-
판정 회로(350)에서 생성된 디지털화된 카운트값, 즉, 제3 주파수 성분 신호의 주파수에 비례하는 디지털화된 값은 토양 수분 센서(300)의 구성에 따라서 다시 디지털화된 값에 비례하는 아날로그 신호로 변환되어 토양 수분 센서(300)의 메인 프로세서 측으로 전달될 수도 있다. 이때 아날로그 신호의 전압, 전류, 주파수, 또는 진폭 등이 제3 주파수 성분 신호의 주파수에 비례하도록 변환될 수 있다.The digitized count value generated by the
앞선 실시예의 판정 회로(250)에서 적용되는 제1 임계값과 제2 임계값 등은 타임-투-디지털 변환기(356)의 출력으로 생성되는 디지털 카운트 값에 적용될 수 있다. 판정 회로(350)의 실시예에 따라서는 제3 주파수 성분 신호에 대한 샘플러 및 비교기(comparator)를 포함할 수 있는데, 이때 판정 회로(350)의 원활한 동작을 위하여 샘플러 및 비교기는 제2 임계값에 해당하는 주파수 성분보다 충분히 큰 동작 주파수를 선택하여 설계될 수 있다. The first threshold, the second threshold, and the like applied in the
토양 수분 센서(300)가 토양에 함유된 수분을 판정하는 데에 소요되는 시간은 수백 밀리초 내지 수 초 수준인데, 본 발명의 토양 수분을 판정하는 과정은 수백 마이크로초 내지 수 밀리초 내에 완전히 결과를 검출할 수 있다. 이처럼, 본 발명에 따른 토양 수분 센서(300)는 PLL 루프 대신 Time-to-Digital Converter를 이용하므로, 제어 루프 없이도 회로의 안정적인 동작이 가능하고, 비용이 보다 저렴하고, 구성 회로의 구현이 간단하다.The time required for the
본 발명의 판정 회로(350)는 디지털 카운트 값에 제1 임계값 및 제2 임계값을 적용하여 판정한 결과를 별도의 신호로 생성하여 토양 수분 센서(300)의 메인 프로세서에 전달할 수 있다. The
메인 프로세서는 제1 임계값의 경우 토양에 함유된 수분량이 유의미한 값을 가지고 있음을 감지하고, 제2 임계값의 경우 토양에 함유된 수분량이 더 많이 존재하고 있음을 판정할 수 있다. 그리고, 설정된 복수의 기준값으로 설정된 복수의 임계값에 따라 토양에 함유된 수분량의 등급을 판정할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서는 제2 임계값이 제1 임계값보다 클 수 있다.In the case of the first threshold, the main processor may detect that the amount of moisture contained in the soil has a significant value, and in the case of the second threshold, it may determine that there is more moisture contained in the soil. And, it is possible to determine the grade of the amount of moisture contained in the soil according to a plurality of thresholds set as a plurality of set reference values. In one embodiment of the present invention, the second threshold may be greater than the first threshold.
한편, 도 1 내지 도 2에 도시된 토양 수분 센서(100, 200)의 판정 회로(250)는 도 4에 도시된 토양 수분 센서(300)의 판정 회로(350)와 같은 방식으로 동작하게 설계될 수도 있다. 또한, 본 발명의 토양 수분 센서(100, 200, 300)는 제1 공진 회로(140), 제1 오실레이터(147), 제2 공진 회로(240), 제2 오실레이터(247), 및 판정 회로(250, 350)를 하나의 집적회로(IC)로서 구현할 수 있으며, 이 경우, 집적회로는 인터페이스 포트 기능을 가지는 제1 포트(141), 제2 포트(241)를 통하여 각각 제1 프로브(110)의 한 쌍의 제1 전극들(111, 112), 제2 프로브(210)의 한 쌍의 제2 전극들(211, 212)과 연결될 수 있다.Meanwhile, the
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 토양에 함유된 수분을 판정하는 방법을 도시하는 동작 흐름도이다. 본 발명의 토양 수분 센싱 방법은 도 1의 토양 수분 센서(100), 또는 그 내부의 제어부(도시되지 않음)에 의하여 실행될 수 있다.5 is an operation flowchart showing a method for determining moisture contained in soil according to an embodiment of the present invention. The soil moisture sensing method of the present invention may be executed by the
도 5를 참조하면, 제1 오실레이터(147)에 의해 제1 프로브(110)의 한 쌍의 제1 전극들(111, 112)과 제1 공진 회로(140)에 제1 교류 신호가 인가된다(S510). 제1 오실레이터(147)의 동작 또는 제1 교류 신호의 인가 동작은 제어부/컨트롤러/프로세서(도시되지 않음)에 의하여 제어될 수 있다.Referring to FIG. 5, a first AC signal is applied to the first
제1 교류 신호의 인가로 인하여, 판정 회로(250)가 제1 프로브(110)와 연결된 제1 공진 회로(140)에 형성되고, 제1 공진 주파수(ω1)를 가지는 제1 전기 신호를 수신한다(S520). Due to the application of the first AC signal, the
제2 오실레이터(247)에 의해 제2 공진 회로(240)에 제2 교류 신호가 인가된다(S512). 제2 오실레이터(247)의 동작 또는 제2 교류 신호의 인가 동작은 제어부/컨트롤러/프로세서(도시되지 않음)에 의하여 제어될 수 있다.A second AC signal is applied to the second
제2 교류 신호의 인가로 인하여, 판정 회로(250)가 제2 공진 회로(240)에 형성되고, 제2 공진 주파수(ω2)를 가지는 제2 전기 신호를 수신한다(S522). 단계 S512 및 단계 S522는 단계 S510 및 단계 S520과 병렬적으로 실행될 수 있다.Due to the application of the second AC signal, the
제1 전기 신호 및 제2 전기 신호를 수신한 판정 회로(250)는 제1 공진 주파수(ω1)와 제2 공진 주파수(ω2) 간의 차이를 검출한다(S530). 판정 회로(250)가 제1 공진 주파수(ω1)와 제2 공진 주파수(ω2) 간의 차이에 기반하여, 제1 프로브(110)의 한 쌍의 제1 전극들(111, 112) 사이에 위치한 토양에 함유된 수분이 유의미한 양인지 여부를 판정한다(S540).The
판정 회로(250)가 제1 프로브(110)의 한 쌍의 제1 전극들(111, 112) 사이에 위치한 토양에 함유된 수분이 유의미한 양으로 판단하지 않는다면 현재의 프로세스를 종료한다. 필요에 따라 일정 시간 경과 후 또는 일정 조건이 충족되면 단계 S510이 다시 되풀이될 수 있다.If the
판정 회로(250)가 제1 프로브(110)의 한 쌍의 제1 전극들(111, 112) 사이에 위치한 토양에 함유된 수분이 유의미한 양으로 판단한다면, 제1 프로브(110)로부터 토양에 함유된 수분의 양을 제1 공진 주파수(ω1)와 제2 공진 주파수(ω2) 간의 차이에 기반하여 판정한다(S550).If the
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 토양에 함유된 수분을 센싱하는 방법을 도시하는 동작 흐름도이다. 본 발명의 토양 수분 센싱 방법은 도 1 내지 도 4의 토양 수분 센서(100, 200, 300), 또는 그 내부의 제어부/컨트롤러/프로세서(도시되지 않음)에 의하여 실행될 수 있다.6 is an operation flowchart showing a method of sensing moisture contained in soil according to an embodiment of the present invention. The soil moisture sensing method of the present invention may be executed by the
도 6을 참조하면, 제1 오실레이터(147)에 의해 제1 프로브(110)에 제1 공진 회로(140)를 경유하여 제1 교류 신호가 인가된다(S610). 그리고, 제1 프로브(110)와 연결된 제1 공진 회로(140)에 형성되어 제1 공진 주파수(ω1)를 가지는 제1 전기 신호를, 판정 회로(250)가 수신한다(S620).Referring to FIG. 6, a first AC signal is applied to the
제2 오실레이터(247)에 의해 제2 프로브(210)에 제2 공진 회로(240)를 경유하여 제2 교류 신호가 인가된다(S612). 그리고, 제2 프로브(210)와 연결된 제2 공진 회로(240)에 형성되어 제2 공진 주파수(ω2)를 가지는 제2 전기 신호를, 판정 회로(250)가 수신한다(S622). 단계 S612 및 단계 S622는 단계 S610 및 단계 S620과 병렬적으로 실행될 수 있다.The second AC signal is applied to the
그리고, 판정 회로(250)는 제1 전기 신호의 제1 공진 주파수(ω1)와 제2 전기 신호의 제2 공진 주파수(ω2) 간의 차이를 검출한다(S630). Then, the
판정 회로(250)는 제1 공진 주파수(ω1)와 제2 공진 주파수(ω2) 간의 차이에 기반하여, 제1 프로브(110)의 한 쌍의 제1 전극들(111, 112) 사이에 위치한 토양에 함유된 수분이 유의미한 양인지 여부를 판정한다(S640).The
판정 회로(250)가 제1 프로브(110)의 한 쌍의 제1 전극들(111, 112) 사이에 위치한 토양에 함유된 수분이 유의미한 양으로 판단하지 않는다면 현재의 프로세스를 종료한다. 필요에 따라 일정 시간 경과 후 또는 일정 조건이 충족되면 단계 S610이 다시 되풀이될 수 있다.If the
판정 회로(250)가 제1 프로브(110)의 한 쌍의 제1 전극들(111, 112) 사이에 위치한 토양에 함유된 수분이 유의미한 양으로 판단한다면, 제1 프로브(110)로부터 토양에 함유된 수분의 양을 제1 공진 주파수(ω1)와 제2 프로브(210)로부터 토양의 표층에 대한 레퍼런스 공진 주파수인 제2 공진 주파수(ω2) 간의 차이에 기반하여 판정한다(S650).If the
본 발명의 일 실시예에 따른 회로의 동작 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 본 발명의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.A method of operating a circuit according to an embodiment of the present invention may be implemented in the form of program instructions that can be executed through various computer means and recorded on a computer readable medium. The computer-readable medium may include program instructions, data files, data structures, or the like alone or in combination. The program instructions recorded on the medium may be specially designed and configured for the present invention, or may be known and available to those skilled in computer software. Examples of computer-readable recording media include magnetic media such as hard disks, floppy disks, and magnetic tapes, optical media such as CD-ROMs, DVDs, and magnetic media such as floptical disks. -Hardware devices specially configured to store and execute program instructions such as magneto-optical media, and ROM, RAM, flash memory, and the like. Examples of program instructions include high-level language code that can be executed by a computer using an interpreter, etc., as well as machine language codes produced by a compiler. The hardware device described above may be configured to operate as one or more software modules to perform the operation of the present invention, and vice versa.
그러나, 본 발명이 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다. 본 발명의 실시예와 도면에 소개된 길이, 높이, 크기, 폭 등은 이해를 돕기 위해 과장된 것일 수 있다.However, the present invention is not limited or limited by the embodiments. The same reference numerals in each drawing denote the same members. The lengths, heights, sizes, widths, etc. introduced in the embodiments and drawings of the present invention may be exaggerated to aid understanding.
이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. As described above, the present invention has been described by specific matters such as specific components and limited embodiments and drawings, but is provided to help a more comprehensive understanding of the present invention, and the present invention is not limited to the above embodiments , Anyone having ordinary knowledge in the field to which the present invention pertains can make various modifications and variations from these descriptions.
따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.Therefore, the spirit of the present invention should not be limited to the described embodiments, and should not be determined, and all claims that are equivalent to or equivalent to the scope of the claims as well as the claims described below belong to the scope of the spirit of the present invention. .
100, 200, 300: 토양 수분 센서
110: 제1 프로브
140: 제1 공진 회로
141: 제1 포트
147: 제1 오실레이터
210: 제2 프로브
240: 제2 공진 회로
247: 제2 오실레이터
250, 350: 판정 회로100, 200, 300: soil moisture sensor 110: first probe
140: first resonant circuit 141: first port
147: first oscillator 210: second probe
240: second resonant circuit 247: second oscillator
250, 350: judgment circuit
Claims (11)
상기 제1 프로브의 상기 한 쌍의 제1 전극들과 한 쌍의 제1 포트를 경유하여 연결되고 제1 교류 신호가 인가되는 제1 공진 회로;
상기 제1 공진 회로와 동일한 임피던스를 가지고, 레퍼런스 교류 신호이면서 상기 제1 교류 신호와 동일한 특성을 가지는 제2 교류 신호가 인가되는 제2 공진 회로; 및
상기 제1 공진 회로에 형성되는 제1 전기 신호를 수신하고, 상기 제2 공진 회로에 형성되는 제2 전기 신호를 수신하고, 상기 제1 전기 신호의 제1 공진 주파수와 상기 제2 전기 신호의 제2 공진 주파수에 기반하여 상기 토양의 수분을 판정하는 판정 회로;
를 포함하는 토양 수분 센서.A first probe including a pair of first electrodes formed to extend in a first direction to penetrate the soil;
A first resonant circuit connected to the pair of first electrodes of the first probe via a pair of first ports and to which a first AC signal is applied;
A second resonant circuit having the same impedance as the first resonant circuit and applying a second AC signal having the same characteristics as the reference AC signal and the first AC signal; And
A first electrical signal formed in the first resonant circuit, a second electrical signal formed in the second resonant circuit, and a first resonant frequency of the first electrical signal and a second electrical signal. A determination circuit for determining the moisture of the soil based on the resonance frequency;
Soil moisture sensor comprising a.
상기 판정 회로는
상기 한 쌍의 제1 전극들 사이에 위치하는 상기 토양이 함유하는 수분에 의해 상기 한 쌍의 제1 전극들 사이에 형성되는 정전용량에 기반하여 상기 제1 공진 회로에 형성되는 상기 제1 전기 신호의 상기 제1 공진 주파수의 정량적 변화를 검출하고, 상기 검출된 제1 공진 주파수의 정량적 변화에 기반하여, 상기 토양이 함유하는 수분을 판정하는 토양 수분 센서.According to claim 1,
The determination circuit
The first electrical signal formed in the first resonant circuit based on the capacitance formed between the pair of first electrodes by moisture contained in the soil located between the pair of first electrodes. Soil moisture sensor for detecting the quantitative change of the first resonant frequency of, and determining the moisture contained in the soil, based on the detected quantitative change of the first resonant frequency.
상기 판정 회로는
상기 제2 공진 회로에 인가되는 상기 제2 교류 신호의 영향으로 상기 제2 공진 회로에 형성되는 상기 제2 전기 신호의 레퍼런스 공진 주파수인 상기 제2 공진 주파수와 상기 제1 공진 주파수 간의 차이를 검출하고,
상기 제2 공진 주파수와 상기 제1 공진 주파수 간의 차이에 기반하여 상기 토양에 함유된 수분을 판정하는 토양 수분 센서.According to claim 1,
The determination circuit
The difference between the second resonant frequency and the first resonant frequency, which is a reference resonant frequency of the second electrical signal formed in the second resonant circuit, is detected by the second AC signal applied to the second resonant circuit. ,
A soil moisture sensor that determines moisture contained in the soil based on a difference between the second resonance frequency and the first resonance frequency.
상기 판정 회로는
상기 제2 공진 주파수와 상기 제1 공진 주파수 간의 차이가 제1 임계값 이상이면 상기 제1 공진 주파수가 유의미한 변화를 일으킨 것으로 간주하여 상기 토양이 함유하는 수분의 존재를 판정하는 토양 수분 센서.According to claim 3,
The determination circuit
If the difference between the second resonant frequency and the first resonant frequency is greater than or equal to a first threshold, the soil moisture sensor determines that the first resonant frequency has caused a significant change and determines the presence of moisture contained in the soil.
상기 판정 회로는
상기 제1 공진 주파수와 상기 제2 공진 주파수를 곱셈 연산하는 승산기(multiplier);
상기 승산기의 출력단에 연결되어 고주파 성분을 제거하는 저역통과필터(Low pass filter); 및
상기 저역통과필터의 출력단에 연결되어 상기 제1 공진 주파수와 상기 제2 공진 주파수 간의 차이에 해당하는 제3 주파수 성분 신호의 주파수를 디지털 카운트하는 타임-투-디지털 변환기(Time-to-Digital Converter);
를 포함하는 토양 수분 센서.According to claim 1,
The determination circuit
A multiplier for multiplying the first resonance frequency and the second resonance frequency;
A low pass filter connected to the output terminal of the multiplier to remove high frequency components; And
Time-to-digital converter connected to the output of the low-pass filter to digitally count the frequency of a third frequency component signal corresponding to the difference between the first and second resonant frequencies ;
Soil moisture sensor comprising a.
상기 토양의 표층에 근접 또는 침투하도록 형성되는 한 쌍의 제2 전극들을 포함하는 제2 프로브;
를 더 포함하고,
상기 제2 공진 회로는 상기 제2 프로브에 포함되는 상기 한 쌍의 제2 전극들과 한 쌍의 제2 포트를 경유하여 상호 연결되는 토양 수분 센서.According to claim 1,
A second probe including a pair of second electrodes formed to approach or penetrate the surface layer of the soil;
Further comprising,
The second resonant circuit is a soil moisture sensor connected to each other via the pair of second electrodes and the pair of second ports included in the second probe.
상기 판정 회로는 상기 한 쌍의 제2 전극들 간에 형성되는 제2 정전용량에 기반하여 상기 제2 공진 회로에 형성되는 상기 제2 전기 신호의 상기 제2 공진 주파수와, 상기 제1 공진 주파수 간의 정량적 차이에 기반하여 상기 토양이 함유하는 수분을 판정하는 토양 수분 센서.The method of claim 6,
The determination circuit is quantitative between the second resonant frequency of the second electrical signal formed in the second resonant circuit and the first resonant frequency based on the second capacitance formed between the pair of second electrodes. A soil moisture sensor that determines moisture contained in the soil based on the difference.
상기 제1 오실레이터와 동일한 특성을 가지는 제2 오실레이터가, 상기 제1 공진 회로와 동일한 임피던스를 가지는 제2 공진 회로에 레퍼런스 교류 신호인 제2 교류 신호를 인가하는 단계;
판정 회로가 상기 제1 교류 신호의 영향으로 상기 제1 프로브 및 상기 제1 공진 회로에 형성되는 제1 전기 신호를 수신하는 단계;
상기 판정 회로가 상기 제2 공진 회로에 인가되는 상기 제2 교류 신호의 영향으로 상기 제2 공진 회로에 형성되는 제2 전기 신호를 수신하는 단계; 및
상기 판정 회로가 상기 제1 전기 신호의 제1 공진 주파수 및 상기 제2 전기 신호의 제2 공진 주파수에 기반하여 상기 제1 프로브의 상기 한 쌍의 제1 전극들 사이에 위치하는 상기 토양이 함유하는 수분을 판정하는 단계;
를 포함하는 토양 수분 센싱 방법.The first oscillator is connected via the pair of first electrodes and the pair of first ports of the first probe including a pair of first electrodes formed to extend in a first direction to penetrate the soil. Applying a first AC signal via a first resonant circuit;
Applying a second AC signal as a reference AC signal to a second resonant circuit having the same impedance as the first resonant circuit by a second oscillator having the same characteristics as the first oscillator;
A determining circuit receiving a first electrical signal formed on the first probe and the first resonant circuit under the influence of the first AC signal;
Receiving, by the determination circuit, a second electrical signal formed in the second resonant circuit under the influence of the second AC signal applied to the second resonant circuit; And
The soil in which the determination circuit is located between the pair of first electrodes of the first probe based on the first resonant frequency of the first electrical signal and the second resonant frequency of the second electrical signal Determining moisture;
Soil moisture sensing method comprising a.
상기 판정 회로가 상기 토양이 함유하는 수분을 판정하는 단계는
상기 한 쌍의 제1 전극들 사이에 위치하는 상기 토양이 함유하는 수분에 의해 상기 한 쌍의 제1 전극들 사이에 형성되는 정전용량에 기반하여 상기 제1 공진 회로에 형성되는 상기 제1 전기 신호의 상기 제1 공진 주파수의 정량적 변화를 검출하는 단계; 및
상기 검출된 제1 공진 주파수의 정량적 변화에 기반하여, 상기 토양이 함유하는 수분을 판정하는 단계;
를 포함하는 토양 수분 센싱 방법.The method of claim 8,
The determination circuit is the step of determining the moisture contained in the soil is
The first electrical signal formed in the first resonant circuit based on the capacitance formed between the pair of first electrodes by moisture contained in the soil located between the pair of first electrodes. Detecting a quantitative change of the first resonance frequency of the; And
Determining moisture contained in the soil based on the quantitative change of the detected first resonance frequency;
Soil moisture sensing method comprising a.
상기 판정 회로가 상기 제1 공진 주파수 및 상기 제2 공진 주파수 간의 차이를 검출하는 단계;
를 더 포함하고,
상기 판정 회로가 상기 토양이 함유하는 수분을 판정하는 단계는
상기 제1 공진 주파수 및 상기 제2 공진 주파수 간의 차이에 기반하여 상기 제1 프로브의 상기 한 쌍의 제1 전극들 사이에 위치하는 상기 토양이 함유하는 수분을 판정하는, 토양 수분 센싱 방법.The method of claim 8,
The determining circuit detecting a difference between the first resonant frequency and the second resonant frequency;
Further comprising,
The determination circuit is the step of determining the moisture contained in the soil is
The soil moisture sensing method based on the difference between the first resonant frequency and the second resonant frequency determines moisture contained in the soil located between the pair of first electrodes of the first probe.
상기 제2 오실레이터가, 상기 제2 공진 회로와 한 쌍의 제2 포트를 경유하여 연결되고, 상기 토양의 표층에 근접 또는 침투하도록 형성되는 한 쌍의 제2 전극들을 포함하는 제2 프로브에 상기 한 쌍의 제2 포트를 경유하여 상기 제2 교류 신호를 인가하는 단계;
를 더 포함하는 토양 수분 센싱 방법.
The method of claim 8,
The second oscillator is connected to the second resonant circuit via a pair of second ports, and the second probe includes a pair of second electrodes formed to approach or penetrate the surface layer of the soil. Applying the second alternating current signal via a pair of second ports;
Soil moisture sensing method further comprising.
Priority Applications (3)
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|---|---|---|---|
| KR1020180128105A KR102224169B1 (en) | 2018-10-25 | 2018-10-25 | Soil moisture sensor and method of operation thereof |
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| JP2013200194A (en) * | 2012-03-23 | 2013-10-03 | Mega Chips Corp | Moisture detection device, electrical conductivity detection device, sensor network system, program, method of detecting moisture, and method of detecting electrical conductivity |
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2018
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Patent Citations (6)
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