CN106680318A - 一种多层多针土壤水分速测方法及装置 - Google Patents

一种多层多针土壤水分速测方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种多层多针土壤水分速测方法及装置，将插针式土壤水分传感器的探针部分***待测土层中，测量规定范围内土壤通体平均体积含水量；将无线信号发射器的信号采集接口与插针式土壤水分传感器的输出端口直接插接，土壤通体平均体积含水量数据传输至无线信号发射器的信号采集模块中；在无线信号发射器中控制模块的控制下，将信号采集模块的数据通过通讯模块传输至移动终端；移动终端通过APP软件进行多层土壤水分测量计算，得到各单独土层的平均体积含水量。本发明实现不同深度土层的土壤水分测量的多频段检测，提高了分辨率，广泛应用于农业、水利、气象、环保、林业等行业部门的土壤墒情监测、节水灌溉、温室控制、精细农业等。

Description

一种多层多针土壤水分速测方法及装置
技术领域
本发明涉及一种土壤水分速测技术，具体地说是一种多层多针土壤水分速测方法及装置。
背景技术
土壤水分是指保持在土壤孔隙中的水分，又称土壤湿度。通常可以通过把土样放在电烘箱内烘干(温度控制在105～110℃)，然后从土壤孔隙中测得释放的水量作为土壤水分含量。土壤水分并非纯水，而是稀薄溶液，还含有胶体颗粒。土壤水分主要来源是大气降水和灌溉水，此外尚有近地面水气的凝结、地下水位上升及土壤矿物质中的水分。而大气降水渗入土壤中的多少，主要取决于降水量的大小、降水的强度和性质。一般来说，降水量大，进入土壤中的水分就可能多，但土壤水分含量不一定高。强度大的降水或者阵性降水，因易造成地面流失，故渗入土壤中的水分就少；而强度小的连续性降水，有利于土壤对水分的吸收和储存，土壤水分含量也不一定低。
可见，土壤水分的测量十分重要，要求能够快速、客观的反应土壤中的真实含水量。目前采用的测量探针长度一般在6～20cm，输出为模拟电压信号。对于较深的土层不能再用加长的探针测量，这是由于加长的探针官须采用多频段信号，信号强度不均匀，影响测量的准确性。
发明内容
针对现有技术中对深层土壤水分的测量准确性差等不足，本发明要解决的问题是提供一种可以加长探针长度、提高测量准确性的多层多针土壤水分速测方法及装置。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
本发明一种多层多针土壤水分速测装置，包括移动终端、无线信号发射器以及插针式土壤水分传感器，其中插针式土壤水分传感器与无线信号发射器的通讯插口连接，无线信号发射器与移动终端进行无线通讯。
插针式土壤水分传感器具有多个平行设置的探针及传感器壳体，其中一个为信号正极，其他为信号负极，多个探针端部进入壳体内固定在绝缘板上，绝缘板通过两侧固定板安装于壳体两侧。
所述插针式土壤水分传感器壳体外设有把手。
插针式土壤水分传感器探针长为10cm、20cm、30cm、40cm。
插针式土壤水分传感器包括成RC振荡电路、仪表放大器以及运算放大器，其中多个探针端部形成RC振荡电路，多个探针中的信号正极做为频率输出点与仪表放大器相连，仪表放大器再经运算放大器接至输出端口。
无线信号发射器包括信号采集模块、控制模块、通讯模块、电源模块以及信号采集接口，封装于发射器壳体中，其中信号采集模块在控制模块的控制下通过信号采集接口接收插针式土壤水分传感器数据，插针式土壤水分传感器数据经通讯模块传输至移动终端。
插针式土壤水分传感器的输出端口与无线信号发射器的信号采集接口为直接插接结构，无线信号发射器与插针式土壤水分传感器相对的端面上设有多个垫脚。
所述通讯模块为WIFI无线通讯模块。
本发明一种多层多针土壤水分速测方法，包括以下步骤：
将插针式土壤水分传感器的探针部分***待测土层中，测量规定范围内土壤通体平均体积含水量；
将无线信号发射器的信号采集接口与插针式土壤水分传感器的输出端口直接插接，土壤通体平均体积含水量数据传输至无线信号发射器的信号采集模块中；
在无线信号发射器中控制模块的控制下，将信号采集模块的数据通过通讯模块传输至移动终端；
移动终端通过APP软件进行多层土壤水分测量计算，得到各单独土层的平均体积含水量。
所述APP软件进行多层土壤水分测量计算，具体为：
传感器测量值为0至各监测深度的土壤平均体积含水量分别用以下符号表示：
θ0-10为0～10cm监测深度的土壤平均体积含水量百分数；
θ0-20为0～20cm监测深度的土壤平均体积含水量百分数；
θ0-30为0～30cm监测深度的土壤平均体积含水量百分数；
θ0-40为0～40cm监测深度的土壤平均体积含水量百分数；
计算各层土壤平均含水量：
1)第一土层，深度10cm平均土壤含水量直接等于θ0-10
2)第二土层，深度10～20cm平均土壤含水量计算公式如下：
θ10-20＝2*θ0-20–θ0-10 (2-1)
3)第三土层，深度20～30cm平均土壤含水量计算公式如下：
θ20-30＝3*θ0-30–θ0-10–θ10-20 (2-2)
4)第四土层，深度30～40cm平均土壤含水量计算公式如下：
θ30-40＝4*θ0-40–θ0-10–θ10-20–θ20-30 (2-3)
式中，θ0-10为第一层(10cm)土壤平均体积含水量百分数；θ10-20为第二层(10cm～20cm)土壤平均体积含水量百分数；θ20-30为第三层(20cm～30cm)土壤平均体积含水量百分数；θ30-40为第四层(30cm～40cm)土壤平均体积含水量百分数。
本发明具有以下有益效果及优点：
1.本发明采用手机自带GPS定位功能，在测量土壤含水率的同时，可以测定测点的精确信息(经度、纬度)，可随时显示采样点的位置信息，并可将位置和水分等信息存储到主机内，也可通过计算机导出，因而，能够反映土壤水分的空间差异，不仅有利于实施节水灌溉，同时精确的供水也有利于提高作物的产量和品质，实现了含水率和三维位置信息的自动采样和处理，同时，导出的数据可以上传至网站进行数据分析。
2.本发明可实现不同深度土层的土壤水分测量，通过多频段数据计算实现多频段检测，提高了分辨率。
3.本发明引用智能手机代替传统手持式采集器，进行土壤水分测量。相比传统手持式数据采集器，手机APP的使用使得操作更加简便，一站式实现数据采集、存储和上传云端数据库，是现代信息技术在农业测量仪器发展上的一大突破性进展。
4.本发明产品广泛应用于农业、水利、气象、环保、林业等行业部门的土壤墒情监测、节水灌溉、温室控制、精细农业等，以满足科研、生产、教学等相关工作需求。
附图说明
图1为本发明装置总体电气结构框图；
图2为本发明装置电气结构示意图；
图3为本发明装置插接前状态示意图(需修改，见附图)；
图4为本发明装置插接后状态示意图。
其中，1为无线信号发射器，101信号采集接口，102为垫脚，103为充电口，104为工作指标灯，105为开关按钮，为2为插针式土壤水分传感器，201为探针信号正极，202为探针信号负极，203为把手，204为输出端口。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明作进一步阐述。
如图1所示，本发明一种多层多针土壤水分速测装置，包括移动终端、无线信号发射器以及插针式土壤水分传感器，其中插针式土壤水分传感器与无线信号发射器的通讯插口连接，无线信号发射器与移动终端进行无线通讯。
如图2所示，插针式土壤水分传感器包括成RC振荡电路、仪表放大器以及运算放大器，其中多个探针端部形成RC振荡电路，多个探针中的信号正极做为频率输出点与仪表放大器相连，仪表放大器再经运算放大器接至输出端口。
无线信号发射器包括信号采集模块、控制模块、通讯模块、电源模块以及信号采集接口，封装于发射器壳体中，其中信号采集模块在控制模块的控制下通过信号采集接口接收插针式土壤水分传感器数据，插针式土壤水分传感器数据经通讯模块传输至移动终端。
插针式土壤水分传感器的输出端口与无线信号发射器的信号采集接口为直接插接结构，无线信号发射器与插针式土壤水分传感器相对的端面上设有多个垫脚，是为了保证插针式土壤水分传感器的输出端口与无线信号发射器的信号采集接口插接到位不偏移，以保证信号准确有效的传输。
本实施例中，通讯模块为Wifi无线通讯模块。移动终端采用手机，通过局部Wifi与无线信号发射器进行数据传输。用户需要通过智能手机APP软件***完成数据的采集、存储和传输。软件使用环境为安卓***4.2.2版本以上。
如图3、4所示，插针式土壤水分传感器具有多个平行设置的探针及传感器壳体，其中一个为信号正极，其他为信号负极，多个探针端部进入壳体内固定在绝缘板上，绝缘板通过两侧固定板安装于壳体两侧。
本实施例中，插针式土壤水分传感器壳体外设有把手；插针式土壤水分传感器探针长为10cm、20cm、30cm、40cm。
无线信号发射器、各种探针规格的插针式土壤水分传感器以及充电器等配件放置于一仪器箱中。
应用本发明多层多针土壤水分速测装置进行土壤水分速测通过以下步骤实现：
将插针式土壤水分传感器的探针部分***待测土层中，测量规定范围内土壤通体平均体积含水量；
将无线信号发射器的信号采集接口与插针式土壤水分传感器的输出端口直接插接，土壤通体平均体积含水量数据传输至无线信号发射器的信号采集模块中；
在无线信号发射器中控制模块的控制下，将信号采集模块的数据通过通讯模块传输至移动终端；
移动终端通过APP软件进行多层土壤水分测量计算，得到各单独土层的平均体积含水量。
APP软件进行多层土壤水分测量计算，具体为：
传感器测量值为0至各监测深度的土壤平均体积含水量分别用以下符号表示：
θ0-10为0～10cm监测深度的土壤平均体积含水量〔％〕；
θ0-20为0～20cm监测深度的土壤平均体积含水量〔％〕；
θ0-30为0～30cm监测深度的土壤平均体积含水量〔％〕；
θ0-40为0～40cm监测深度的土壤平均体积含水量〔％〕；
计算各层土壤平均含水量：
1)第一土层，深度10cm平均土壤含水量直接等于θ0-10；
2)第二土层，深度10～20cm平均土壤含水量按公式(2-1)计算：
θ10-20＝2*θ0-20–θ0-10 (2-1)
3)第三土层，深度20～30cm平均土壤含水量按公式(2-2)计算：
θ20-30＝3*θ0-30–θ0-10–θ10-20 (2-2)
4)第四土层，深度30～40cm平均土壤含水量按公式(2-3)计算：
θ30-40＝4*θ0-40–θ0-10–θ10-20–θ20-30 (2-3)
式中θ0-10为第一层(10cm)土壤平均体积含水量〔％〕；θ10-20为第二层(10cm～20cm)土壤平均体积含水量〔％〕；θ20-30为第三层(20cm～30cm)土壤平均体积含水量〔％〕；θ30-40为第四层(30cm～40cm)土壤平均体积含水量〔％〕。
测量时插针式土壤水分传感器的探针部分一定要完全***土壤中，确保土壤与探针部分充分接触；被测点应尽量避开石子、空穴、根茎较多的地方；在坚硬的地表测量时，应先钻孔(孔径小于探针直径)，再沿孔***土壤测量；为了避免土壤不均匀或操作不正确而带来的测量误差，可测量多点求平均值；正确使用插针式土壤水分传感器，防止传感器受到强力按压、剧烈振动和冲击，绝不能用硬物敲击。如果仪表长时间没有使用，在使用前先为电池充电；每月为发射器充电一次，提高电池使用寿命。
将插针式土壤水分传感器与无线信号发射器连接时，是将无线信号发射器的信号采集接口与插针式土壤水分传感器的输出端口直接插接,连接好后，点击无线信号发射器上的按钮，即可开始采集。将待测试的探针***土壤中，打开无线数据发射器，将手机WIFI连接到土壤水分速测仪发射器的USR-WIFI232-T，并显示“已连接”。点击相应长度探针土层的【Read】按钮，读取探针原始电压值和土壤体积含水量，单位分别为mv和％。同时，用户可对采集器电量进行读取，确定是否需要充电。
采集完成后，如想将采集数据发送到云端，请先进行网络设置，将手机与无线数据发射器的连接断开，并将手机网络换成数据网络或外部WIFI。将云端设置界面打开。
数据的存储与发送：将手机网络换成数据网络或外部WIFI。连接网络后，点击【发送】，数据上传至服务器，如未获取到GPS信息，或土层信息不全，则显示“发送失败，数据已存储”，数据将存储在智能手机内，用户可在“本地数据”界面进行数据查询和管理。
点击【本地数据】按钮，进入本地数据界面。本地数据界面显示了数据存储内容，可以选择数据进行数据的上传、删除操作。

Claims (10)

1.一种多层多针土壤水分速测装置，其特征在于：包括移动终端、无线信号发射器以及插针式土壤水分传感器，其中插针式土壤水分传感器与无线信号发射器的通讯插口连接，无线信号发射器与移动终端进行无线通讯。
2.按权利要求1所述的多层多针土壤水分速测装置，其特征在于：插针式土壤水分传感器具有多个平行设置的探针及传感器壳体，其中一个为信号正极，其他为信号负极，多个探针端部进入壳体内固定在绝缘板上，绝缘板通过两侧固定板安装于壳体两侧。
3.按权利要求2所述的多层多针土壤水分速测装置，其特征在于：所述插针式土壤水分传感器壳体外设有把手。
4.按权利要求2所述的多层多针土壤水分速测装置，其特征在于：插针式土壤水分传感器探针长为10cm、20cm、30cm、40cm。
5.按权利要求1所述的多层多针土壤水分速测装置，其特征在于：插针式土壤水分传感器包括成RC振荡电路、仪表放大器以及运算放大器，其中多个探针端部形成RC振荡电路，多个探针中的信号正极做为频率输出点与仪表放大器相连，仪表放大器再经运算放大器接至输出端口。
6.按权利要求1所述的多层多针土壤水分速测装置，其特征在于：无线信号发射器包括信号采集模块、控制模块、通讯模块、电源模块以及信号采集接口，封装于发射器壳体中，其中信号采集模块在控制模块的控制下通过信号采集接口接收插针式土壤水分传感器数据，插针式土壤水分传感器数据经通讯模块传输至移动终端。
7.按权利要求4或5所述的多层多针土壤水分速测装置，其特征在于：插针式土壤水分传感器的输出端口与无线信号发射器的信号采集接口为直接插接结构，无线信号发射器与插针式土壤水分传感器相对的端面上设有多个垫脚。
8.按权利要求5所述的多层多针土壤水分速测装置，其特征在于：所述通讯模块为WIFI无线通讯模块。
9.一种多层多针土壤水分速测方法，其特征在于包括以下步骤：
将插针式土壤水分传感器的探针部分***待测土层中，测量规定范围内土壤通体平均体积含水量；
将无线信号发射器的信号采集接口与插针式土壤水分传感器的输出端口直接插接，土壤通体平均体积含水量数据传输至无线信号发射器的信号采集模块中；
在无线信号发射器中控制模块的控制下，将信号采集模块的数据通过通讯模块传输至移动终端；
移动终端通过APP软件进行多层土壤水分测量计算，得到各单独土层的平均体积含水量。
10.按权利要求9所述的多层多针土壤水分速测方法，其特征在于所述APP软件进行多层土壤水分测量计算，具体为：
传感器测量值为0至各监测深度的土壤平均体积含水量分别用以下符号表示：
θ0-10为0～10cm监测深度的土壤平均体积含水量百分数；
θ0-20为0～20cm监测深度的土壤平均体积含水量百分数；
θ0-30为0～30cm监测深度的土壤平均体积含水量百分数；
θ0-40为0～40cm监测深度的土壤平均体积含水量百分数；
计算各层土壤平均含水量：
1)第一土层，深度10cm平均土壤含水量直接等于θ0-10
2)第二土层，深度10～20cm平均土壤含水量计算公式如下：
θ10-20＝2*θ0-20–θ0-10 (2-1)
3)第三土层，深度20～30cm平均土壤含水量计算公式如下：
θ20-30＝3*θ0-30–θ0-10–θ10-20 (2-2)
4)第四土层，深度30～40cm平均土壤含水量计算公式如下：
θ30-40＝4*θ0-40–θ0-10–θ10-20–θ20-30 (2-3)
式中，θ0-10为第一层(10cm)土壤平均体积含水量百分数；θ10-20为第二层(10cm～20cm)土壤平均体积含水量百分数；θ20-30为第三层(20cm～30cm)土壤平均体积含水量百分数；θ30-40为第四层(30cm～40cm)土壤平均体积含水量百分数。
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