CN104678180B - 一种土壤电导率的检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种土壤电导率的检测装置及方法，该方法包括：对已知电导率的土壤进行测试，确定电导率常数；通过对待测土壤输入激励电信号，采集第一路和第二路反馈电压信号，并将其转换成第一路和第二路直流电压信号；根据第一路和第二路直流电压信号的平均值以及所述电导率常数获取待测土壤在农田环境下的电导率。该方法根据所述待测土壤的第一路和第二路直流电压信号的平均值获取待测土壤较准确的直流电压信号，提高了检测精度，根据所述直流电压信号以及所述电导率常数获取待测土壤在农田环境下的电导率，该方法可以检测多区域、多层土壤的电导率，有效提高了检测效率和检测精度。

Description

一种土壤电导率的检测装置及方法

技术领域

本发明涉及电导率检测技术领域，具体涉及一种土壤电导率的检测装置及方法。

背景技术

农田要想取得较高的产量，合理的管理是非常关键的。而农田管理的关键是：施肥、灌溉等。现在农田的管理主要依靠管理人员的经验，有很大的主观性。有的管理人员为了提高产量，过度使用农药、化肥，造成浪费的同时也污染了环境。使用本***获得农田信息，进而指导农田管理，对节约成本，提高产量，保护环境都有积极作用。

现有技术中测量土壤电导率是直接测量农田环境下的土壤的电导率，由于一些农田环境的复杂会导致测量结果不够准确，而实验室测量方法的测量过程复杂，耗时长，成本高，无法满足大面积测量的需要。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明提供了一种土壤电导率的检测装置及方法，该方法可以检测不同区域、不同深度土壤的电导率，有效提高了检测效率和检测精度。

第一方面，本发明提供一种土壤电导率的检测方法，包括：

对已知电导率的土壤进行测试，确定电导率常数；

通过对待测土壤输入激励电信号，采集第一路和第二路反馈电压信号，并将所述第一路和第二路反馈电压信号转换成第一路和第二路直流电压信号；

根据第一路和第二路直流电压信号的平均值以及所述电导率常数获取待测土壤在农田环境下的电导率。

可选的，所述方法还包括：

对已知电导率的土壤进行测试，并分别测试该土壤在农田环境下的电导率和去除环境因素影响后的电导率；

建立土壤在农田环境下的电导率和去除环境因素后的电导率的转换模型；

根据所述模型将所述待测土壤在农田环境下的电导率转换成去除环境因素影响后的电导率。

可选的，所述环境因素包括：土壤的含盐量以及所述土壤的水分、土壤的粒度、有机质含量。

第二方面，本发明还提供了一种土壤电导率的检测装置，所述装置包括：信号采集模块、检测模块和显示模块，所述信号采集模块与所述检测模块相连，所述检测模块与所述显示模块相连；

所述信号采集模块，用于采集已知电导率土壤以及待测土壤的第一路和第二路反馈电压信号，并将所述第一路和第二路反馈电压信号转换成第一路和第二路直流电压信号；

所述检测模块，用于根据已知电导率土壤的第一路和第二路直流电压信号的平均值以及该土壤的电导率值确定电导率常数；

所述检测模块，还用于根据所述待测土壤的第一路和第二路直流电压信号的平均值以及所述电导率常数，获取所述待测土壤在农田环境下的电导率；

所述显示模块，用于显示所述检测模块获取的所述待测土壤在农田环境下的电导率。

可选的，所述检测模块中设置有模型转换单元；

所述模型转换单元，用于将所述待测土壤在农田环境下的电导率转换成去除环境因素后的电导率。

可选的，所述采集模块包括两个电流探针和四个电压探针；

所述电流探针，用于向待测土壤中输入激励电信号；

所述电压探针，用于采集待测土壤中第一路和第二路反馈电压信号。

可选的，所述检测模块包括控制单元、电压转换电路、正弦信号发生电路、恒流源发生电路、差分信号采集电路、有效值转换电路、 GPS单元和信号放大电路。

可选的，所述电压转换电路用于给所述检测模块中的各个电路供电。

可选的，所述恒流源发生电路用于给所述电流探针发送交流恒流源的激励信号。

可选的，所述有效值转换电路，用于将所述电压探针采集的第一路和第二路反馈电压信号转换成第一路和第二路直流电压信号。

由上述技术方案可知，本发明提供的一种土壤电导率的检测装置及方法，该方法通过采集待测土壤的第一路和第二路反馈电压信号转换成第一路和第二路直流电压信号，根据所述待测土壤的第一路和第二路直流电压信号的平均值获取待测土壤较准确的直流电压信号，提高了检测精度，根据所述直流电压信号以及所述电导率常数获取待测土壤在农田环境下的电导率，该方法可以检测多区域、多层土壤的电导率，有效提高了检测效率和检测精度。

附图说明

图1为本发明一实施例提供的一种土壤电导率的检测方法的流程示意图；

图2为本发明一实施例提供的“电流-电压”六端法原理图；

图3为本发明另一实施例提供的一种土壤电导率的检测装置的结构示意图；

图4为本发明一实施例提供的一种土壤电导率的检测装置的电路结构示意图；

图5为本发明一实施例提供的检测装置的电路的封装外观示意图；

图6为本发明一实施例提供的ARM控制器与检测装置的连接示意图；

图7为本发明一实施例提供的电压转换电路示意图；

图8为本发明一实施例提供的恒流源发生电路示意图；

图9为本发明一实施例提供的正弦信号发生电路示意图；

图10为本发明一实施例提供的差分电路示意图；

图11为本发明一实施例提供的有效值转换电路示意图；

图12为本发明一实施例提供的放大电路示意图；

图13为本发明一实施例提供的GPS电路示意图；

图14为本发明一实施例提供的SD卡电路示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对发明的具体实施方式作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

图1示出了本发明实施例提供的一种土壤电导率的检测方法的流程示意图，如图1所示，该方法包括如下步骤：

101、对已知电导率的土壤进行测试，确定电导率常数；

为了准确测定土壤电导率，本发明通过多次的田间试验，通过与实验室测量值对比，确定了***的电导率常数的值。电导率常数K 是只取决于传感器本身结构的常量，确定过程如下：

用车载式土壤电导率仪在农田中测量10组电压值V_MN；

在每组车载式土壤电导率采样处，在犁的中心处采集一个土壤样品，犁的四周均匀采集八个土壤样品；

在实验室中，将土壤样品烘干，取5g烘干土和25ml蒸馏水配置土壤溶液；

将土壤溶液充分搅拌、过滤后，测量出土壤溶液电导率值，用每个采样点处九个土壤样品的溶液电导率值表示此处的真实电导率值σ；

使用公式σ＝K*I/V_MN推导出K值(I为车载式土壤电导率仪信号发生电路的电流值)；

以上10组K值的平均值即为所求的电导率常数；

102、通过对待测土壤输入激励电信号，采集第一路和第二路反馈电压信号，并将所述第一路和第二路反馈电压信号转换成第一路和第二路直流电压信号；

为了提高检测仪的精确度，减少土壤特性不均对实验结果的影响，采用中心、外侧两路电位差信号检测的设计，每一路均能检测当下位置的土壤电导率值，通过求平均值得出最后电导率值，提高了测量精度。电导率检测模型是支持向量机(SVM)模型，本***将LIBSVM 工具箱移植到了Linux***中，使用Python语言接口调用函数进行分析数据。在多种分析数据的方法中，支持向量机模型效果较好、容错性强、便于移植，非常适合农田的复杂环境。集成支持向量机模型后，***可以实时分析、处理农田现场数据，提高了***的实用性。

103、根据第一路和第二路直流电压信号的平均值以及所述电导率常数获取待测土壤在农田环境下的电导率。

土壤电导率是根据第一路和第二路直流电压信号的平均值得到的，这是为了减少误差。3、4探针测得的第一路直流电压信号用EC (内)表示，1、6探针测得的第二路直流电压信号用EC(外)表示。农田现场的第一路和第二路直流电压信号的平均值＝1/2*EC(内) +1/2*EC(外)。

在具体应用中，上述方法还包括图中未示出的以下步骤：

104、对已知电导率的土壤进行测试，并分别测试该土壤在农田环境下的电导率和去除环境因素影响后的电导率；

105、建立土壤在农田环境下的电导率和去除环境因素后的电导率的转换模型；

所述环境因素包括：土壤的含盐量以及所述土壤的水分、土壤的粒度和有机质含量等。

106、根据所述模型将所述待测土壤在农田环境下的电导率转换成去除环境因素影响后的电导率。

“电流-电压”六端法的结构如图2所示，包括一对电流探针(J 和K)和两对电压探针(M和N，P和Q)。稳幅正弦交流电流信号通过通过电流探针导入土壤；两对电压探针用于采集土壤的反馈电压信号。反馈电压信号是包含噪声的正弦信号，在***中被转换成直流电压信号。在***中，犁的六个圆盘当做探针使用。

本发明采用改进的“电流-电压四端法”，同时测量两路电位差信号进行校正，提高测量精度。精心设计了恒流交流电流源，能够稳定提供激励信号，保证了设备的稳定性。采用ARM为处理器，用触屏控制，用SD卡存储数据，简便易用，便于后期处理。采集土壤电导率信息的同时，同步采集GPS信息，为后期的绘制分布图，定量施肥提供保障。

本发明还提供了一种土壤电导率的检测装置，所述装置包括：信号采集模块、检测模块和显示模块，所述信号采集模块与所述检测模块相连，所述检测模块与所述显示模块相连；

所述信号采集模块，用于采集已知电导率土壤以及待测土壤的第一路和第二路反馈电压信号，并将所述第一路和第二路反馈电压信号转换成第一路和第二路直流电压信号；

所述检测模块，用于根据已知电导率土壤的第一路和第二路直流电压信号的平均值以及该土壤的电导率值确定电导率常数；

所述检测模块，还用于根据所述待测土壤的第一路和第二路直流电压信号的平均值以及所述电导率常数，获取所述待测土壤在农田环境下的电导率；

所述显示模块，用于显示所述检测模块获取的所述待测土壤在农田环境下的电导率。

所述检测模块中设置有模型转换单元；

所述模型转换单元，用于将所述待测土壤在农田环境下的电导率转换成去除环境因素影响后的电导率。

所述采集模块包括两个电流探针和四个电压探针；

所述电流探针，用于向待测土壤中输入激励电信号；

所述电压探针，用于采集待测土壤中第一路和第二路反馈电压信号。

所述检测模块包括控制单元、电压转换电路、正弦信号发生电路、恒流源发生电路、差分信号采集电路、有效值转换电路、GPS单元和信号放大电路。

检测模块由电路部分和犁的机械结构部分组成。电路部分包括控制器ARM、电压转换电路、正弦信号发生电路、恒流源产生电路、差分信号采集电路、有效值转换电路、信号放大电路、GPS模块等部分构成。机械部分有六个圆盘式犁头的犁构成，可以与拖拉机相连，并调节***土壤的深度，在农田中测量土壤电导率信息，并同步记录 GPS信息。计算后的结果在7寸触屏上显示，并同步保存在SD卡中。

电路的功能主要包括：交流恒流源信号的产生，反馈信号的采集，反馈信号的转换等工作。图3为传感器的总体结构框图。下面将分别从机械结构、硬件电路设计、软件电路设计等方面作详细介绍。

电路部分的整体设计如图3所示，主要包括信号发生电路，信号采集、处理电路，串口模块，GPS模块，电源模块等部分。通过右上端的接口可以与ARM控制器进行通信，数据可以显示在ARM的触屏上，通过操作触屏可以方便的实现对仪器的控制。

电路部分和ARM控制器的外观如图5、图6所示，两者通过导线相连，电路部分将处理的结果反馈给ARM控制器，用户通过操作 ARM可以实现对***的控制。

仪器由一个12V蓄电池经电源电路转换后给各个电路供电， ICL8038芯片用于产生正弦波，经过LM324芯片处理后，电路能够避免信号过大造成的失真，输出稳定的交流电流源。交流电流源的频率是300Hz，幅值是15mV，电位器用于调节电流源的频率和幅值。LM324不需要太多辅助的电路，能较容易的提供需要的电流源。 LM324输入的正弦信号由正弦信号发生器ICL8038产生。土壤不均匀的质地和结构、农田复杂的环境和犁的移动会引入大量的噪声信号。减少噪声输入对于提高***精度非常重要。差分电路的设计可以增强反馈信号，抑制噪声信号的输入。反馈信号经过处理后成为直流电流信号，再A/D转换电路，则成为数字信号，便于计算、处理。处理结果处在显示屏上显示外，还同步保存在SD卡中。

下面对检测模块中的电路进行详细描述。

(1)电压转换电路

所述电压转换电路用于给所述检测模块中的各个电路供电。检测仪所用电源为12伏蓄电池,而电路中各个芯片的工作电压值为5伏，这需要电源转换电路来实现。采用LM2596芯片用来将电压转化为 5V芯片供电电压，图7为电源转换电路图。

由于外界土壤的不同会引起电源的变化，影响电源的稳定性，所以对土壤采用恒流源电路供电。

(2)恒流源发生电路

所述恒流源发生电路用于给所述电流探针发送交流恒流源的激励信号。为了减少噪声干扰，本***所采用的激励信号是交流恒流源。交流电流源的频率是300Hz，幅值是15mV，由LM324芯片产生， LM324不需要太多辅助的电路，能较容易的提供需要的电流源，电路能够避免信号过大造成的失真，输出稳定的交流电流源。ICL8038 芯片用于产生正弦波，供LM324产生交流恒流源使用。

(3)差分电路

土壤不均匀的质地和结构、农田复杂的环境和犁的移动会引入大量的噪声信号。然而，减少噪声输入才能提高***精度。差分电路的设计可以增强反馈信号，抑制噪声信号的输入。如图10所示，电路包括反相输入端和非反相输入端的放大电路。通过Vin+减去Vin-，可以滤除大部分的输入噪声信号，同时也放大了有效信号。

(4)有效值转换电路

所述有效值转换电路，用于将所述电压探针采集的第一路和第二路反馈电压信号转换成第一路和第二路直流电压信号。由于反馈信号是交流信号，不便于处理，因此将反馈信号转换成直流电压信号，如图11所示。

(5)放大电路

当反馈信号的有效值较小时，可通过放大电路放大该信号，提高***的精度，如图12所示。

(6)GPS电路

GPS模块采用u-blox公司的NEO-6M芯片，定位精度平均为3m， GPS信息输出频率为1Hz，输出的数据格式包括$GPRMC、GPGSV、 GPGSA、GPGGA等信息。

(7)SD卡电路

***使用的是Micro SD卡，体积小，容量大，便于程序控制、写入数据，便于数据的长期保存。图14为SD卡电路图。

本***在多次田间试验后，采集了大量的数据。并采集了许多土壤样本进行实验室测量，将土壤电导率的实验室测量值和农田现成测量值进行分析，在多次实验，分析、总结的基础上，提出了基于支持向量机的模型，并将模型嵌入了***中。该模型的建模精度为0.6897，预测精度为0.7730。

软件使用Qt开发软件，用C++语言写成。Qt是跨平台C++图形用户界面应用程序开发框架，能开发运行在linux***上的图形界面应用程序。软件可以通过ARM的触屏进行操作，控制***的运行。通过操作触屏，***可以接收GPS数据，设置串口速率、奇偶校验位等参数并将数据存储在微型SD卡中。土壤电导率值和经纬度在 ARM中计算得到、在触屏上显示并实时存储在微型SD卡中。

软件有图形界面，运行在嵌入式linux操作***中。在微型SD中创建文件后，***定时执行AD转换并接收GPS数据如果“打开GPS”按钮被按下，EC值和GPS信息一样定时保存到文件中。当触屏上的“打开文件”按钮被按下后，另一个窗口被打开用于选择将要显示的文件。查阅保存的数据可以确认***是否工作正常。一旦退出按钮被按下，会返回主窗口。通过操作触屏可以控制***工作。

第一步，安装犁，将犁与拖拉机连接好，并将检测仪安装到拖拉机上，连接好电源线，信号线等。

第二步，按下【电源】键，打开***电源，液晶屏显示开始标志，表示仪器已经初始化完成，可以正常工作。

第三步，点击触屏上“Open GPS”按钮，打开GPS，接收GPS 信息。

第四步，开动拖拉机，即可实时测量不同位置的土壤电导率值。

第五步，点击“Clear”按钮，查看当下***当下最新的电导率值和GPS信息。

第六步，点击“Files”按钮，查看已经保存的数据是否正常。

第七步，实验结束后，点击“关闭”按钮，程序退出。

电导率分布图采用VC+MapX的方法实现，可以将单点土壤电导率和GPS坐标信息结合，实现单点土壤电导率显示，插值，小区面积测算，小区土壤电导率等值线图生成，为农田管理提供决策依据。

本发明内嵌了基于支持向量机的模型，本发明在多次实验数据分析的基础上，使用LIBSVM工具箱处理数据，支持向量机模型(SVM) 的建模精度可以达到0.6897，预测精度可以达到0.7730。并使用Python 语言接口，将LIBSVM工具箱移植到了Linux***中，将支持向量机模型集成到了本***中供分析数据使用。使用支持向量机模型后，大大提高了***的容错性。可以在本***采集到农田电导率后直接推导出该处大致的实验室测量电导率值。与之前的研究相比，大大降低了工作量，为测量大面积农田提够了便利。

使用滤波电路减少噪声，本***使用交流恒流源作为激励源，频率为1k Hz，在反馈信号中使用电感、电容组成的滤波电路进行滤波提，提取出1k Hz附近频率的信号，将过滤后的信号转换成直流信号，再进行AD转换。从而降低了干扰信号，提高了***的精度。与之前的研究相比，提高了***的精度和抗干扰能力，提高了***的实用性。

实现土壤电导率三维、平面、等值线等分布图，在大田检测土壤电导率是为了获取土壤电导率值，更好地指导工作人员对农田进行管理，提高产量。获得单点土壤电导率值意义有限，为了实时指导工作人员进行农田管理，结合GPS坐标信息，本发明提出了一种基于Python的土壤电导率三维、平面等值线等分布图的实现方法。并且可以结合土壤的施肥量，作物长势等其他农田信息，给出农田管理处方图。与之前的研究相比，能提供更详细的农田信息，并可以结合其他农田信息，给出农田管理处方图。

实现了土壤类型的自动识别，本***可以再采集了一些大田的土壤电导率后，自动识别土壤的类型，为进一步分析农田信息提供帮助。***在采集了一定量的的电导率信息后，可以根据电导率值的范围和变化特点判断农田的土壤类型。

本发明的说明书中，说明了大量具体细节。然而，能够理解，本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。

Claims (10)

1.一种土壤电导率的检测方法，其特征在于，包括：

对已知电导率的土壤进行测试，确定电导率常数；

通过电流探针对待测土壤输入激励电信号，通过两对位于电流探针两侧的电压探针采集第一路和第二路反馈电压信号，并将所述第一路和第二路反馈电压信号转换成第一路和第二路直流电压信号；各探针等间距设置；

根据所述激励电信号的电流值、第一路和第二路直流电压信号两者的平均值以及所述电导率常数获取待测土壤在农田环境下的电导率。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

对已知电导率的土壤进行测试，并分别测试该土壤在农田环境下的电导率和去除环境因素影响后的电导率；

建立土壤在农田环境下的电导率和去除环境因素后的电导率的转换模型；

根据所述模型将所述待测土壤在农田环境下的电导率转换成去除环境因素影响后的电导率。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述环境因素包括：土壤的含盐量以及所述土壤的水分、土壤的粒度、有机质含量。

4.一种土壤电导率的检测装置，其特征在于，所述装置包括：信号采集模块、检测模块和显示模块，所述信号采集模块与所述检测模块相连，所述检测模块与所述显示模块相连；

所述信号采集模块，用于通过电流探针对已知电导率土壤和待测土壤输入激励电信号，通过两对位于电流探针两侧的电压探针采集已知电导率土壤以及待测土壤的第一路和第二路反馈电压信号，并将所述第一路和第二路反馈电压信号转换成第一路和第二路直流电压信号；各探针等间距设置；

所述检测模块，用于根据已知电导率土壤的第一路和第二路直流电压信号两者的平均值以及该土壤的电导率值确定电导率常数；

所述检测模块，还用于根据所述激励电信号的电流值、所述待测土壤的第一路和第二路直流电压信号的平均值以及所述电导率常数，获取所述待测土壤在农田环境下的电导率；

所述显示模块，用于显示所述检测模块获取的所述待测土壤在农田环境下的电导率。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述检测模块中设置有模型转换单元；

所述模型转换单元，用于将所述待测土壤在农田环境下的电导率转换成去除环境因素后的电导率。

6.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述采集模块包括两个电流探针和四个电压探针；

所述电流探针，用于向待测土壤中输入激励电信号；

所述电压探针，用于采集待测土壤中第一路和第二路反馈电压信号。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述检测模块包括控制单元、电压转换电路、正弦信号发生电路、恒流源发生电路、差分信号采集电路、有效值转换电路、GPS单元和信号放大电路。

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述电压转换电路用于给所述检测模块中的各个电路供电。

9.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述恒流源发生电路用于给所述电流探针发送交流恒流源的激励信号。

10.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述有效值转换电路，用于将所述电压探针采集的第一路和第二路反馈电压信号转换成第一路和第二路直流电压信号。