CN201000448Y - 土壤水分无线测量装置 - Google Patents

Abstract

土壤水分无线测量装置，包括无线传感装置和与其相连的、用于检测操作的无线设定装置两部分。无线传感装置用于测量土壤含水量、温度和压实度，包括阻抗变换器、压力传感器、温度传感器、信息采集器、第二无线通讯模块和CPU处理器。无线设定装置设计为手持式仪表，包括中央控制器和与之分别相连的键盘输入模块、显示模块、存储模块和第一无线通讯模块。阻抗变换器由信号源、传输线和探头三部分构成。本实用新型土壤水分无线测量装置的优点是：可以将土壤温度、压实度与土壤含水量同时进行测量，具有高频宽、高线性度和功耗小的性能，设计简洁，操作简单，可随身携带，有利于实现田间土壤含水量实时检测。

Description

土壤水分无线测量装置

技术领域

本实用新型涉及测量技术领域，特别涉及一种土壤水分无线测量装置。

背景技术

当前，在水资源日益短缺情况下，节约用水、高效用水越来越受到世界各国政府的普遍重视。推广节水技术和设备是节约水资源，提高水资源利用率的一条有效途径。作为世界农业大国的中国来说，施行节水灌溉，寻求高效的土壤水分快速测量技术尤为重要。中国人口占世界的22％，而淡水资源只占世界总量的8％，人均水资源占有量仅2300m3/年，只相当于世界人均的1/4，是世界上人均占有水资源最贫乏的13个国家之一。我国水资源一方面非常贫乏，另一方面浪费又非常大。农业用水占社会总耗水量的80％以上，但有效性很差。目前，中国年灌溉用水量约3800亿m3，有效利用率只有30％-40％，而先进国家已达70％-80％，中国每立方厘米水的粮食生产能力不足1公斤，先进国家已达2.35公斤。造成这种局面的原因之一就是没有一种有效的土壤水分测量技术来保障节水农业技术体系的实施，所以说我国更迫切需要研究开发一种适合在生产中推广应用的土壤水分快速测量技术。

土壤作为一个由惰性固体、活性固体、溶质、气体以及水组成的多元复合***，它的物理性质可以通过不同定义下的物理参数反映出来。大量研究结果已经表明，土壤含水量与压实度是影响农作物生长的两个至关重要物理参数。水是保证农作物生长的命脉，土壤中所发生的一系列反应，能量与物质交换均与水分有关，它直接关系着作物产量与品质。土壤压实度不仅与种子的发芽破土率与植物的根系发育状况密切相关，同时也直接影响着土壤水分的运移过程。本申请者在此领域通过长期深入研究后认为，尽管自上世纪八十年代以来在实验室环境中对土壤压实度与水分实时测量方法的研究已经分别取得了某些突破性进展，但迄今仍尚未找出一种有效的信息获取手段能够真正走出实验室直接应用于农田水分与压实度测量。

对于目前已经有的土壤水分传感器存在以下一个问题：

1.迄今为止，虽然利用土壤介电特性测量土壤含水量取得了很大的进展，但不论是得到普遍认可的TDR测量方法，还是FD及SWR，等传统测量方法都将土壤压实度与含水量这两个重要的物理参数在土壤信息实时获取过程中分割处理，以至无法有效地应用于农田实际测量。

2.测量土壤压实度当前世界各国最常用的仍是Penetrometer。该装置包括一个按照ASAE(美国农业工程师协会)标准化设计的圆锥，当圆锥以恒定速度进入土壤层时，通过实时测量圆锥表面受到的阻力大小来估计土壤的实际压实程度。考虑到其阻力与圆锥表面的受力面积成正比，所以将“圆锥指数”定义为“圆锥以恒定速度进入土壤层时圆锥表面单位面积上的阻力”。虽然所定义的圆锥指数确实与土壤压实度成正比，但它同时与土壤质地与土壤含水量等因数密切相关。例如在土壤压实度为一定值的情况下，土壤含水量越大，圆锥指数的测量值数值越小。显然，孤立地直接应用圆锥指数并非能够真实客观评价土壤压实度的大小。

3.目前，市场上销售的土壤水分传感器基本以单点传感器为主，在应用中主要依靠有线方式组网，不适合远距离无人监控***的需要。

通过以上分析可知，目前存在的土壤水分传感器仅测量土壤含水量这一单参数，既没有考虑对土壤含水量有重大影响的土壤压实度问题，也没有考虑无线传输问题。对于将土壤压实度与土壤含水量两个重要参数融为一体，同时测量实现田间土壤含水量的无人实时检测目前尚未有见。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种可以将土壤温度、压实度与土壤含水量同时进行测量，高频宽、高线性度和小功耗，操作简单，可随身携带，有利于实现田间土壤含水量无人实时检测的土壤水分无线测量装置。

为达到上述目的，本实用新型土壤水分无线测量装置，包括若干无线传感装置和与其相连的、用于检测操作的无线设定装置，无线传感装置包括用于检测土壤含水量的阻抗变换器、用于检测土壤压实度的压力传感器、信息采集器、第二无线通讯模块和CPU处理器，阻抗变换器的检测信号通过信息采集器接至CPU处理器，压力传感器的检测信号接至CPU处理器，CPU处理器与第二无线通讯模块相连；无线设定装置包括中央控制器和与之分别相连的键盘输入模块、显示模块、存储模块和第一无线通讯模块；CPU处理器与中央控制器通过第一无线通讯模块与第二无线通讯模块无线相连。

本实用新型土壤水分无线测量装置，其中所述阻抗变换器包括高频信号源、同轴传输线和土壤水分探头，高频信号源和土壤水分探头分别接于同轴传输线的两端，所述阻抗变换器的检测信号分别由同轴传输线的两端取出并接至信息采集器。

本实用新型土壤水分无线测量装置，其中所述信息采集器包括第一高频检波器、第二高频检波器和比较放大器，所述阻抗变换器的检测信号分别接至第一高频检波器和第二高频检波器，第一高频检波器和第二高频检波器的输出信号分别接至比较放大器的两个输入端，比较放大器的输出信号接至所述CPU处理器的信号输入端。

本实用新型土壤水分无线测量装置，其中所述无线传感装置进一步包括温度传感器，所述温度传感器的检测信号接至所述CPU处理器。

本实用新型土壤水分无线测量装置，其中所述第一高频检波器和第二高频检波器分别采用宽频带检波器。

本实用新型土壤水分无线测量装置，其中所述无线传感装置和无线设定装置分别设有与CPU处理器相连的第二电源模块和与中央控制器相连的第一电源模块，无线设定装置设有与第一电源模块相连的充电模块。

本实用新型土壤水分无线测量装置，其中所述中央控制器设有与之分别相连的键盘输入模块和显示模块，所述无线设定装置为可移动式结构，所述可移动式结构包括具有若干个按键的键盘和显示器。

本实用新型土壤水分无线测量装置，其中所述中央控制器采用型号为SPCE061A的芯片，所述CPU处理器采用型号为MEGA8的芯片。

本实用新型土壤水分无线测量装置的优点是：

1.无线传感装置的土壤水分测量电路线性度好，具有较宽频带。由于信号源频率高达100MHz，因此检波电路的频率很高，高频运算放大器LT1813在高频工况下保证了检波电路的高频性能，此外电阻电容参数的匹配使土壤水分测量电路具有良好的线性输出，有效保证了测量的精度和量程，性能足以满足实际应用。

2.土壤水分测量电路具有很宽的测量范围(0-100％含水量)。

3.无线设定装置为手持式仪表，体积小，便于随身携带，其功耗小，不需要配备大量备用电池。

4.键盘设计简洁，操作简单，价格低廉，满足市场需求。

下面将结合实施例参照附图进行详细说明，以对本实用新型的目的、特征和优点有深入的理解。

附图说明

图1为本实用新型土壤水分无线测量装置的方框图；

图2为本实用新型测量装置中央控制器的电路图；

图3为本实用新型测量装置中CPU处理器以及第二无线通讯模块和传感器的电路图；

图4为本实用新型测量装置中阻抗变换器和信息采集器的电路图；

图5为本实用新型测量装置中第一电源模块的电路图；

图6为本实用新型测量装置中第二电源模块的电路图；

图7为本实用新型测量装置中充电模块的电路图；

图8为本实用新型测量装置中第一无线通讯模块的电路图；

图9为本实用新型测量装置中存储模块的电路图；

图10为本实用新型测量装置中键盘输入模块的电路图；

图11为本实用新型测量装置中显示模块的电路图；

图12为本实用新型测量装置的测量原理图；

图13为本实用新型测量装置中无线设定装置的外形图；

图14为本实用新型测量装置中无线传感装置的外形图。

具体实施方式

下面以实例对技术方案做详细说明。

参照图1，本实用新型土壤水分无线测量装置，包括若干无线传感装置2和与其相连的、用于检测操作的无线设定装置1两部分，均采用9V电池供电。无线传感装置2用于测量土壤含水量、温度和压实度，无线设定装置1设计为手持式仪表，参照图13，手持装置设有“开/关”、“设定”、“测量”、“删除”和4个选择键，用于设定无线传感装置的参数、读取并显示无线传感装置的测量结果。手持装置体积小，便于随身携带，其功耗小，可充电，不需要配备大量备用电池。

无线传感装置2包括用于检测土壤含水量的阻抗变换器21、用于检测土壤压实度的压力传感器23、温度传感器27、信息采集器22、第二无线通讯模块25和CPU处理器20(MEGA8)。无线设定装置1包括中央控制器10和与之分别相连的键盘输入模块11、显示模块12、存储模块13和第一无线通讯模块14。参照图2，中央控制器采用型号为SPCE061A的芯片。参照图10和图11，给出了键盘输入模块和显示模块的电路图。参照图9给出了存储模块的电路图。参照图8，给出了第一无线通讯模块的电路图。参照图13，给出了无线设定装置的外形图，无线设定装置1为可移动式结构，该结构包括8个按键的键盘28和一个小型显示器24。

在无线传感装置2中，阻抗变换器21的检测信号通过信息采集器22接至CPU处理器20，压力传感器23和温度传感器27的检测信号接至CPU处理器20，CPU处理器20与第二无线通讯模块25相连。

阻抗变换器21包括频率为100MHz的高频信号源、同轴传输线和土壤水分探头，高频信号源和土壤水分探头分别接于同轴传输线的两端，所述阻抗变换器的检测信号分别由同轴传输线的两端取出并接至信息采集器22。参照图14，给出了无线传感装置的外形图。

参照图12，下面说明本实用新型土壤水分无线测量装置中土壤含水量的测量原理：

阻抗变换器21由信号源、传输线和探头三部分构成。其中信号源为100MHz的正弦波，传输线为特征阻抗是50欧姆的同轴电缆。传输线上的电压和电流均以波动的形式向前传播，并且是由正向行波和反向行波叠加而成。为方便起见，设z的方向与电磁波的传播方向相反。沿着z的正方向传播的波称为反射波，而沿着z的反方向传播的波称为入射波。

将任意一段均匀传输线划分成许多的微分段dz，对于均匀传输线而言，由于其分布参数是沿线均匀分布的，且由于线元dx的长度极短，故可将看成一个集总参数电路，并用一个Γ型网络来等效。当传输线的长度等于波长的四分之一时，驻波的波峰与波谷恰在同轴电缆的两端。即：

${\hat{U}}_j-{\hat{U}}_0=2\mathrm{A\ρ}=2A\frac{Z_L-Z_C}{Z_L+Z_C}$

上式中 是传输线两端电位，A的数值取决于振荡器的振幅，Zc为同轴传输线的特征阻抗，当同轴传输线一旦确定，其值即为确定值。故在A和Zc恒定的情况下传输线两端的电位差只与探头的特征阻抗ZL有关，探头的特征阻抗与土壤的介电特性有关，而土壤的介电特性又决定于土壤的含水量，所以通过测量探头的特征阻抗即可达到测量土壤含水量的目的。因此，上壤水分测量原理是一种基于传输线阻抗变换原理的测量方法。

参照图4，信息采集器22包括第一高频检波器、第二高频检波器和比较放大器，阻抗变换器21的检测信号分别接至第一高频检波器和第二高频检波器，第一高频检波器和第二高频检波器的输出信号分别接至比较放大器的两个输入端。第一高频检波器和第二高频检波器均为宽频带检波器。

参照图5-图7，无线传感装置2和无线设定装置1还分别设有与CPU处理器20相连的第二电源模块26和与中央控制器10相连的第一电源模块15，无线设定装置1设有与第一电源模块15相连的充电模块16。CPU处理器20与中央控制器10通过第一无线通讯模块14和第二无线通讯模块25无线相连。

下面对本实用新型土壤水分无线测量装置中的主要电路分别进行说明。

在无线传感装置2检测土壤含水量过程中，参照图4，U4为阻抗变换器21的高频信号源(SOC)，高频信号从3号管脚输出后分作两路，第一路直接输入信息采集器22的第一高频检波器U6(LT1813)的3号管脚，再由1号管脚输出经过二极管D2、D3和电阻R4后对电容C3充电，将电容C3的电压经电阻R4输入5号管脚，再由7号管脚输出高频信号的峰值电压，将此峰值电压输入至信息采集器22的比较放大器U1(AD623)的2号管脚(反相输入端)；第二路经过电阻R1、电容C1和阻抗变换器21的同轴传输线(50欧姆同轴电缆)发射至阻抗变换器21的土壤水分探头J2-2上，并与J2-2末端反射的高频信号进行耦合产生高频驻波信号，将此驻波信号输入信息采集器22的第二高频检波器U7(LT1813)的3号管脚，经过与第一路信号相同的处理后从U7的7号管脚输出驻波信号的峰值电压至比较放大器U1(AD623)的3号管脚(正相输入端)；两路信号的峰值电压经U1(AD623)处理后从6号管脚输出至图3中CPU处理器20(MEGA8)的24号管脚作A/D转换得到数字信号X，MEGA8采用公式Y＝kX+b计算出土壤含水量并经PB1和PB2(13和14管脚)发送至第二无线通讯模块25，再由第二无线通讯模块25和第一无线通讯模块14(参照图8)发送给中央控制器10(参照图2)。

在无线传感装置2检测土壤温度和压实度过程中，参照图3，土壤温度通过温度传感器测量，其输出数字信号，信号线(2号管脚)直接连至CPU处理器20(MEGA8)的PD1管脚，无线传感装置2收到采集命令后直接通过PD1与温度传感器27通讯获取土壤温度。土壤压实度通过压力传感器23测量，其输出模拟信号，输出信号经CPU处理器20(MEGA8)的PC1管脚进行A/D转换，再通过转换得到土壤压实度参数，无线传感装置2收到采集命令后将此参数连同土壤含水量和土壤温度一起通过二无线通讯模块发送给无线设定装置1。

下面说明本实用新型土壤水分无线测量装置的工作过程：

无线设定装置1有两种工作状态：参数设定状态和测量状态，可通过“设定”按钮进行切换。启动时默认进入测量状态，此时按一次“设定”按钮进入设定状态，设定结束后自动返回测量状态。

设定：在初次使用时，应该对无线传感装置2进行参数设置。启动无线设定装置1，按“设定”按钮进入参数设定状态，按照显示器上的文字提示先后输入无线传感装置2的含水量标定参数，输入完成后无线设定装置1将参数发送给无线传感装置2，无线传感装置2收到数据后向无线设定装置1返回确认信息，设定过程结束，无线设定装置1转入测量状态。土壤含水量通过一次函数关系式Y＝kX+b计算，其中Y为土壤含水量，是百分数，X为土壤湿度检测电路的输出电压值(单位伏特)，k b为标定参数(无量纲)由生产方提供。在设定状态下，“向左”和“向右”键表示清零和确认，数值通过“向上”或“向下”按钮修改。

例如设定参数k的值为22.3：进入设定状态后出现提示语“输入k的整数部分”，此时显示的数值为00，按住“向上”按钮直至数值变为22(按住“向上”按钮数值将不断加1至99，按住“向下”按钮数值将不断减1至-99)，再按“向右”表示确认，此时会出现提示语“输入k的小数部分”，且数值显示为0，通过“向上”键修改为3，按“向右”表示确认进入参数b的设定。参数b的设定同k类似。在输入时，若不慎输入非期望数值可以按“向左”键迅速清零，然后重新输入。

测量：启动无线设定装置1(按一次“开/关”按钮)，按“测量”按钮无线设定装置1即向无线传感装置2发送数据采集命令，参见图2，命令信号由中央控制器10(SPCE061A)的IOA6管脚输出至图8中第一无线通讯模块14(PTR 4000)的1号管脚DATA，再发送至图3中第二无线通讯模块25(PTR4000)的1号管脚DATA，然后发送至CPU处理器20(MEGA8)的PB2。无线传感装置2收到命令后采集土壤的湿度、温度和压实度，并将数据返回给无线设定装置1，信号传递方向与上述信号走向相反。无线设定装置将收到的数据写入存储模块并实时显示出来。在测量状态下，按“向上”或“向下”按钮可以浏览存储器中保存的测量历史数据，按“删除”按钮可以将当前显示的数据从存储器中清除。

本实用新型土壤水分无线测量装置的优点是：

1.无线传感装置的土壤水分测量电路线性度好，具有较宽频带。由于信号源频率高达100MHz，因此检波电路的频率很高，高频运算放大器LT1813在高频工况下保证了检波电路的高频性能，此外电阻电容参数的匹配使土壤水分测量电路具有良好的线性输出，有效保证了测量的精度和量程，性能足以满足实际应用。

2.土壤水分测量电路具有很宽的测量范围(0-100％含水量)。

3.无线设定装置为手持式仪表，体积小，便于随身携带，其功耗小，不需要配备大量备用电池

4.键盘设计简洁，操作简单，价格低廉，满足市场需求。

Claims (8)

1.一种土壤水分无线测量装置，包括若干无线传感装置(2)和与其相连的、用于检测操作的无线设定装置(1)，其特征在于：所述无线传感装置(2)包括用于检测土壤含水量的阻抗变换器(21)、用于检测土壤压实度的压力传感器(23)、信息采集器(22)、第二无线通讯模块(25)和CPU处理器(20)，所述阻抗变换器(21)的检测信号通过所述信息采集器(22)接至所述CPU处理器(20)，所述压力传感器(23)的检测信号接至所述CPU处理器(20)，所述CPU处理器(20)与所述第二无线通讯模块(25)相连；所述无线设定装置(1)包括中央控制器(10)以及与之分别相连的存储模块(13)和第一无线通讯模块(14)；所述CPU处理器(20)与所述中央控制器(10)通过所述第一无线通讯模块(14)和第二无线通讯模块(25)无线相连。

2.根据权利要求1所述的土壤水分无线测量装置，其特征在于：其中所述阻抗变换器(21)包括高频信号源、同轴传输线和土壤水分探头，高频信号源和土壤水分探头分别接于同轴传输线的两端，所述阻抗变换器的检测信号分别由同轴传输线的两端取出并接至信息采集器(22)。

3.根据权利要求1或2所述的土壤水分无线测量装置，其特征在于：其中所述信息采集器(22)包括第一高频检波器、第二高频检波器和比较放大器，所述阻抗变换器的检测信号分别接至第一高频检波器和第二高频检波器，第一高频检波器和第二高频检波器的输出信号分别接至比较放大器的两个输入端，比较放大器的输出信号接至所述CPU处理器(20)的信号输入端。

4.根据权利要求3所述的土壤水分无线测量装置，其特征在于：其中所述第一高频检波器和第二高频检波器分别采用宽频带检波器。

5.根据权利要求4的土壤水分无线测量装置，其特征在于：其中所述无线传感装置(2)进一步包括温度传感器(27)，所述温度传感器(27)的检测信号接至所述CPU处理器(20)。

6.根据权利要求5的土壤水分无线测量装置，其特征在于：其中所述中央控制器(10)设有与之分别相连的键盘输入模块(11)和显示模块(12)，所述无线设定装置(1)为可移动式结构，所述可移动式结构包括具有若干个按键的键盘和显示器。

7.根据权利要求6的土壤水分无线测量装置，其特征在于：其中所述无线传感装置(2)和无线设定装置(1)分别设有与CPU处理器(20)相连的第二电源模块(26)和与中央控制器(10)相连的第一电源模块(15)，无线设定装置(1)设有与第一电源模块(15)相连的充电模块(16)。

8.根据权利要求7所述的土壤水分无线测量装置，其特征在于：其中所述中央控制器(10)采用型号为SPCE061A的芯片，所述CPU处理器(20)采用型号为MEGA8的芯片。

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