CN204086886U - 一种农田环境自动监测装置 - Google Patents

Abstract

一种农田环境自动监测装置，属于环境监测设备和仪器技术领域，用于对农田小范围环境进行移动监测。其技术方案是：本实用新型的监控工作台的立柱和水平移动板上分别安装了步进电机和传动丝杠，步进电机驱动传动丝杠转动，可以带动监测传感器沿垂直方向和水平方向移动，获取农田中农作物周围小范围的不同空间位置的气象和土壤监测信息，监测信息通过模拟量输入单元模块、数据信息传输模块输送到监控中心进行处理。本实用新型结构简单，可以实现远程自动化操作，克服了传统的监控传感器采用固定点设置，不能移动的缺点，能够更加准确地监测农作物周围小范围内不同空间位置的环境数据，为科研和生产提供了更加准确的参考资料。

Description

一种农田环境自动监测装置

技术领域

本实用新型涉及一种对农田环境进行自动监测的装置，属于环境监测设备和仪器技术领域。

背景技术

农作物的生长、发育和产量形成，同农田环境各因素之间有着密切的关系，尤其是土壤墒情和农作物生长关键期的气象参数，其中温度和湿度影响农作物的发育速度，并对病虫害的发生有着一定影响；光照影响作物的光合作用。通过合理的调节这些因子，可以有效的增加农作物的产量或降低极端情况对作物产量的影响。通过获得土壤墒情和农作物生长关键期的气象参数，可为农作物的精细化生产和产量预估提供坚实的数据支持，有效提高农田管理的信息化和自动化水平。

目前，国外对信息化农业相关技术的发展很重视，近年来在农、林、牧业的监控方面进行了***研究。如日本北海道国家旱作农业研究所利用无线局域网建立了覆盖大型试验区域的信息***，该***可采集田间不同的信息直接将其上传给研究所同时用户可下载各种需要的数据和信息，也可通过***接入互联网，提高信息的利用率克服了有线局域网的局限性。美国加州Camalie葡萄园，组建了土壤温湿度监测网络，实时的提供土壤信息供用户参考，以使用最少的水灌溉同时优化葡萄质量，近几年葡萄年产量不断提高，在节省了灌溉用水的同时，还大大改善了葡萄品质。美国伊利诺依州的农户、农场主可以通过信息网络，随时查询农作物生长的状况信息，制定生产经营方案。西班牙将信息采集技术和无线通信技术相结合，研制出能保证农作物正常生长的遥控温室***，温室中布置多种传感器，实时的收集温室的温度、湿度、光照强度和CO2浓度等环境参数信息，控制中心可将这些信息收集并提供给用户以实施管理，不仅提高农作物产量，还节约30％的水和肥料。该***在西班牙南部的阿尔梅里亚省成功试验运行。

国内许多研究人员在农业监控方面做了许多研究，以提高农业生产的自动化、信息化水平。乔晓军等人开发了农业设施环境数字化监控***，实现农业设施信息采集和处理的自动化；句荣辉等人应用GSM短消息技术实现了温室环境的实时控制，提高了***的自动化程度；周国祥等人开发一个基于GSM数字农业远程监控***，为作物生长过程与产量、农业气象等信息的实时采集提供保障；刘忠超、何东健等开发的基于嵌入式Web服务器的温室远程监控***，将廉价的单片微处理器做成一个嵌入TCP/IP协议的Web服务器，其不仅实现室内各种状态数据的采集功能,还替代了过去的上下位机远程控制。

上述国内外的各种农业监控***都对当地的农业生产发展起到了很大的促进作用，提高了农产品的产量和质量，节约了灌溉用水和肥料，降低了生产成本。但是经过考察和研究，发现这些监控***和装置的共同缺点是监控装置的监控传感器均采用固定点设置，不能移动。而在农作物的实际生长过程中，农作物在不同时期的生长高度、展开范围都是变化的，各部分需要的光照、水分都有所不同，并随着生长的时期发生变化。因此在不同时期、不同时间对农作物周围环境的空间监测位置应该用所不同，以达到准确反映对农作物影响最大的周围环境，满足农作物在不同生长时期和不同时间的需求。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种农田环境自动监测装置，这种自动监测装置的传感器可以移动，获取农田中农作物周围不同空间位置的监测信息，信息传输至监控中心进行处理，以达到最准确监控农作物周围环境的目的。

解决上述技术问题的技术方案是：

一种农田环境自动监测装置，它包括监测传感器、模拟量输入单元模块、数据信息传输模块，监测传感器的信号输出端与模拟量输入单元模块相连接，模拟量输入单元模块与数据信息传输模块相连接，其改进之处是，它有监控工作台，监控工作台包括底座、立柱、水平移动板、传感器箱、垂直传动丝杠、水平传动丝杠、垂直步进电机、水平步进电机、联轴器、丝母滑台、步进电机驱动器和电源，立柱的下端固定在底座上，立柱的顶端固定安装垂直步进电机，立柱上沿着纵轴安装垂直传动丝杠，垂直传动丝杠的上端通过联轴器与垂直步进电机相连接，垂直传动丝杠上套装丝母滑台，丝母滑台与水平移动板的一侧板面相连接，水平移动板的另一侧板面的一端固定有水平步进电机，水平步进电机通过联轴器与水平传动丝杠相连接，水平传动丝杠上套装丝母滑台，传感器箱固定在丝母滑台上，监测传感器安装在传感器箱中，垂直步进电机、水平步进电机分别通过步进电机驱动器与电源和数据信息传输模块相连接。

上述农田环境自动监测装置，在与垂直传动丝杠相对的立柱面上固定有垂直滑轨，垂直滑轨与垂直传动丝杠平行，垂直滑轨上嵌装有滑块，滑块与垂直滑轨为滑动配合，滑块与丝母滑台相连接。

上述农田环境自动监测装置，在与水平传动丝杠相对的水平移动板的板面上固定有水平滑轨，水平滑轨与水平传动丝杠平行，水平滑轨上嵌装有滑块，滑块与水平滑轨为滑动配合，滑块与丝母滑台相连接。

上述农田环境自动监测装置，所述立柱为两根，两根立柱平行，两根立柱的上端有横梁相连接，一根立柱安装上述垂直传动丝杠和垂直滑轨，另一根立柱上相同的立柱面上安装有辅助滑轨，辅助滑轨与垂直滑轨平行，辅助滑轨上嵌装有滑块，滑块与辅助滑轨为滑动配合，滑块与水平移动板的相对板面相连接。

上述农田环境自动监测装置，所述电源为太阳能电池板和太阳能电池，太阳能电池板与太阳能电池相连接，太阳能电池分别与垂直步进电机、水平步进电机、步进电机驱动器、监测传感器、模拟量输入单元模块、数据信息传输模块相连接。

本实用新型的有益效果是：

本实用新型的监控工作台的立柱和水平移动板上分别安装了步进电机和传动丝杠，步进电机驱动传动丝杠转动，可以带动监测传感器沿垂直方向和水平方向移动，获取农田中农作物周围小范围的不同空间位置的气象和土壤监测信息，监测信息通过模拟量输入单元模块、数据信息传输模块输送到监控中心进行处理；同时，监控中心可以通过数据信息传输模块控制监控工作台的步进电机的动作，使监测传感器移动到不同的空间位置进行监测，以达到最准确监控农作物周围环境的目的。

本实用新型结构简单，可以实现远程自动化操作，克服了传统的监控传感器采用固定点设置，不能移动的缺点，能够更加准确地监测农作物周围小范围内不同空间位置的环境数据，为科研和生产提供了更加准确的参考资料。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图；

图2是水平移动板的结构示意图；

图3是本实用新型的电连接示意图。

图中标记如下：底座1、立柱2、水平移动板3、传感器箱4、垂直传动丝杠5、水平传动丝杠6、垂直步进电机7、水平步进电机8、联轴器9、丝母滑台10、滑块11、垂直滑轨12、水平滑轨13、辅助滑轨14、模拟量输入单元模块15、数据信息传输模块16、空气温湿度传感器17、光照度传感器18、二氧化碳传感器19、土壤湿度传感器20、步进电机驱动器21、电缆22、横梁23、钢锥24。

具体实施方式

本实用新型由监测传感器和监控工作台、模拟量输入单元模块15、数据信息传输模块16组成。

监测传感器的信号输出端与模拟量输入单元模块15相连接，模拟量输入单元模块15与数据信息传输模块16相连接，监测传感器可以在监控工作台上进行移动。

监控工作台由底座1、立柱2、水平移动板3、传感器箱4、垂直传动丝杠5、水平传动丝杠6、垂直步进电机7、水平步进电机8、联轴器9、丝母滑台10、滑块11、垂直滑轨12、水平滑轨13、辅助滑轨14、步进电机驱动器21组成。

图中显示，立柱2的下端固定在底座1上，立柱2的顶端固定安装垂直步进电机7，立柱2上沿着纵轴安装垂直传动丝杠5，垂直传动丝杠5的上端通过联轴器9与垂直步进电机7相连接，垂直传动丝杠5上套装丝母滑台10，丝母滑台10与水平移动板3的一侧板面相连接。垂直步进电机7在步进电机驱动器21的驱动下转动，带动垂直传动丝杠5转动，使得丝母滑台10沿着垂直传动丝杠5上下移动，从而使丝母滑台10带动水平移动板3上下移动。底座1的下端有钢锥24***到土壤中，将整个监控工作台安装在农田中。

图中显示，与垂直传动丝杠5相对的立柱面上固定有垂直滑轨12，垂直滑轨12与垂直传动丝杠5平行，垂直滑轨12上嵌装有滑块11，滑块11与垂直滑轨12为滑动配合，滑块11与丝母滑台10相连接。丝母滑台10移动时，滑块11沿着垂直滑轨12移动，滑块11和垂直滑轨12对垂直传动丝杠5上的丝母滑台10起到移动导向作用，使垂直传动丝杠5上的丝母滑台10移动平稳。

图中显示，本实用新型的立柱2可以是单柱，也可以是双柱。在单柱情况下，水平移动板3沿着单柱上下滑动。在双柱情况下，水平移动板3沿着两根立柱2上下滑行，更加稳定。立柱2为两根时，两根立柱2平行，两根立柱2的上端有横梁23相连接。一根立柱2安装上述垂直传动丝杠5和垂直滑轨12，另一根立柱2上相同的立柱面上安装有辅助滑轨14，辅助滑轨14与垂直滑轨12平行，辅助滑轨14上嵌装有滑块11，滑块11与辅助滑轨14为滑动配合，滑块11与水平移动板3的相对板面相连接。辅助滑轨14和滑块11可以使水平移动板3在水平方向得到另一个支撑点，水平移动板3在上下移动时更加平稳。

图中显示，水平移动板3的的一端固定有水平步进电机8，水平步进电机8通过联轴器9与水平传动丝杠6相连接，水平传动丝杠6上套装丝母滑台10，传感器箱4固定在丝母滑台10上，监测传感器安装在传感器箱4中。水平步进电机8和水平传动丝杠6可以使传感器箱4在随着水平移动板3上下移动的同时在水平移动板3上左右移动，使传感器箱4中的监测传感器能够监测不同高度和不同水平位置的环境状态。

图中显示，在与水平传动丝杠6相对的水平移动板3的板面上固定有水平滑轨13，水平滑轨13与水平传动丝杠6平行，水平滑轨13上嵌装有滑块11，滑块11可以沿着水平滑轨13滑动，滑块11与丝母滑台10相连接。同样，水平滑轨13和滑块11对水平传动丝杠6上的丝母滑台10起到移动导向作用，使水平传动丝杠6上的丝母滑台10移动平稳。

图中显示，本实用新型的监测传感器为空气温湿度传感器17、光照度传感器18、二氧化碳传感器19、土壤湿度传感器20，它们分别与模拟量输入单元模块15相连接。

本实用新型还可以在两个立柱2的下方分别安装与水平移动板3垂直的水平传动丝杠和滑轨，使得两个立柱2能够在垂直与水平移动板3的方向进行水平移动，从而达到使监测传感器能够在三维立体的空间移动，更好地监测小范围空间环境数据，这种结构应该也是本实用新型的保护范围。

本实用新型的电源为太阳能电池板和太阳能电池，太阳能电池板与太阳能电池相连接，太阳能电池分别与垂直步进电机7、水平步进电机8、步进电机驱动器21、监测传感器、模拟量输入单元模块15、数据信息传输模块16相连接。

本实用新型的的一个实施例采用以下监测传感器：

空气温湿度传感器17采用传感器探头和变送器一体，工作电压24V，模拟量输出4-20MA，接线方式为六线制，温度量程-40~+80℃，温度精度±0.5℃,分辨率0.1℃；湿度量程0%~100% RH，湿度精度±4% RH (10%~85%)，湿度分辨率1% RH。

光照度传感器18采用传感器探头和变送器一体，工作电压9～36V，输出420MA，接线方式为三线制，光照量程 0～20万 lux，工作环境温湿度-10℃～60℃，0%RH～90%RH，重复测试精度±3%，温度特性±0.5%/ ℃，最大允许误差±5%FS。

二氧化碳传感器19采用传感器探头和变送器一体，工作电压12V，输出4-20MA，接线方式为三线制，传感器的测量方法为固体电解质，测量范围为低量程350~3000PPM，测量精度±10%，测量重复性±3%，预热时间2小时，响应时间60秒,工作环境-10~50℃，5~95%RH。

土壤湿度传感器20采用传感器探头和变送器一体，工作电压12V～24V，输出4-20MA，接线方式为三线制，测量范围0～100%，测量精度3%FSD，测量稳定时间2秒，运行环境-30℃～+85℃，测量区域以中央探针为中心，周围30mm高为70mm区域，测量频率100HZ。

因为在农田环境中，自然环境条件很差，因此需要对上述监测传感器的变送器和探头进行防护处理，主要是防水、防潮和防尘。

本实用新型的一个实施例的模拟量输入模块15的型号为CP1W-AD041，数据信息传输模块16的型号为CP1L-M30DT-D。

CP1L-M30DT-D模块具有数据运算、数据传送、转换、排序和查表等功能，可以进行数据的采集、分析和处理，同时可通过通信接口将这些数据传送给其它智能装置，如计算机数值控制（CNC）设备，进行处理。

本实用新型要实现对监测区内农田环境的数据信息的监测，需要要将监测传感器监测周围环境数据信息而产生的模拟量信号转换成数字量信号。监测区内农田环境数据信息经由相应的监测传感器采集和模拟量输入模块CP1W-AD041的AD转换，并将转换后的数据信息存储到数据信息传输模块CPIL-M30DT-D的数据存储区。数据信息传输模块CP1L-M30DT-D与GPRS DTU模块连接和数据通信，再由GPRS DTU模块将数据信息经无线网络上传至上位机，其中GPRS DTU模块是专门用于将串口数据通过GPRS网络进行传送的GPRS无线设备。

本实用新型所涉及到的监测数据远程传输技术在多种农田监测体系中和其它行业中都有大量应用，属于通用的成熟技术，不再详细介绍。

Claims (5)

1.一种农田环境自动监测装置，它包括监测传感器、模拟量输入单元模块（15）、数据信息传输模块（16），监测传感器的信号输出端与模拟量输入单元模块（15）相连接，模拟量输入单元模块（15）与数据信息传输模块（16）相连接，其特征在于：它有监控工作台，监控工作台包括底座（1）、立柱（2）、水平移动板（3）、传感器箱（4）、垂直传动丝杠（5）、水平传动丝杠（6）、垂直步进电机（7）、水平步进电机（8）、联轴器（9）、丝母滑台（10）、步进电机驱动器（21）和电源，立柱（2）的下端固定在底座（1）上，立柱（2）的顶端固定安装垂直步进电机（7），立柱（2）上沿着纵轴安装垂直传动丝杠（5），垂直传动丝杠（5）的上端通过联轴器（9）与垂直步进电机（7）相连接，垂直传动丝杠（5）上套装丝母滑台（10），丝母滑台（10）与水平移动板（3）的一侧板面相连接，水平移动板（3）的另一侧板面的一端固定有水平步进电机（8），水平步进电机（8）通过联轴器（9）与水平传动丝杠（6）相连接，水平传动丝杠（6）上套装丝母滑台（10），传感器箱（4）固定在丝母滑台（10）上，监测传感器安装在传感器箱（4）中，垂直步进电机（7）、水平步进电机（8）分别通过步进电机驱动器（21）与电源和数据信息传输模块（16）相连接。

2.根据权利要求1所述的农田环境自动监测装置，其特征在于：在与垂直传动丝杠（5）相对的立柱面上固定有垂直滑轨（12），垂直滑轨（12）与垂直传动丝杠（5）平行，垂直滑轨（12）上嵌装有滑块（11），滑块（11）与垂直滑轨（12）为滑动配合，滑块（11）与丝母滑台（10）相连接。

3.根据权利要求2所述的农田环境自动监测装置，其特征在于：在与水平传动丝杠（6）相对的水平移动板（3）的板面上固定有水平滑轨（13），水平滑轨（13）与水平传动丝杠（6）平行，水平滑轨（13）上嵌装有滑块（11），滑块（11）与水平滑轨（13）为滑动配合，滑块（11）与丝母滑台（10）相连接。

4.根据权利要求3所述的农田环境自动监测装置，其特征在于：所述立柱（2）为两根，两根立柱（2）平行，两根立柱（2）的上端有横梁（23）相连接，一根立柱（2）安装上述垂直传动丝杠（5）和垂直滑轨（12），另一根立柱（2）上相同的立柱面上安装有辅助滑轨（14），辅助滑轨（14）与垂直滑轨（12）平行，辅助滑轨（14）上嵌装有滑块（11），滑块（11）与辅助滑轨（14）为滑动配合，滑块（11）与水平移动板（3）的相对板面相连接。

5.根据权利要求4所述的农田环境自动监测装置，其特征在于：所述电源为太阳能电池板和太阳能电池，太阳能电池板与太阳能电池相连接，太阳能电池分别与垂直步进电机（7）、水平步进电机（8）、步进电机驱动器（21）、监测传感器、模拟量输入单元模块（15）、数据信息传输模块（16）相连接。