土壤水分無線測量裝置的製作方法

2023-06-03 16:33:41

專利名稱：土壤水分無線測量裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及測量技術領域，特別涉及一種土壤水分無線測量裝置。
技術背景當前，在水資源日益短缺情況下，節約用水、高效用水越來越受到世界各國政府的普遍 重視。推廣節水技術和設備是節約水資源，提高水資源利用率的一條有效途徑。作為世界農 業大國的中國來說，施行節水灌溉，尋求高效的土壤水分快速測量技術尤為重要。中國人口 佔世界的22%，而淡水資源只佔世界總量的8%，人均水資源佔有量僅2300 m3/年，只相當於 世界人均的1/4，是世界上人均佔有水資源最貧乏的13個國家之一。我國水資源一方面非常 貧乏，另一方面浪費又非常大。農業用水佔社會總耗水量的80%以上，但有效性很差。目前， 中國年灌溉用水量約3800億m3，有效利用率只有30%——40%，而先進國家己達70%——80%， 中國每立方釐米水的糧食生產能力不足l公斤，先進國家已達2.35公斤。造成這種局面的原 因之一就是沒有一種有效的土壤水分測量技術來保障節水農業技術體系的實施，所以說我國 更迫切需要研究開發一種適合在生產中推廣應用的土壤水分快速測量技術。土壤作為一個由惰性固體、活性固體、溶質、氣體以及水組成的多元複合系統，它的物 理性質可以通過不同定義下的物理參數反映出來。大量研究結果已經表明，土壤含水量與壓 實度是影響農作物生長的兩個至關重要物理參數。水是保證農作物生長的命脈，土壤中所發 生的一系列反應，能量與物質交換均與水分有關，它直接關係著作物產量與品質。土壤壓實 度不僅與種子的發芽破土率與植物的根系發育狀況密切相關，同時也直接影響著土壤水分的運移過程。本申請者在此領域通過長期深入研究後認為，儘管自上世紀八十年代以來在實驗 室環境中對土壤壓實度與水分實時測量方法的研究已經分別取得了某些突破性進展，但迄今 仍尚未找出一種有效的信息獲取手段能夠真正走出實驗室直接應用於農田水分與壓實度測對於目前已經有的土壤水分傳感器存在以下一個問題l.迄今為止，雖然利用土壤介電特性測量土壤含水量取得了很大的進展，但不論是得到 普遍認可的TDR測量方法，還是FD及SWR，等傳統測量方法都將土壤壓實度與含水量這兩個重要的物理參數在土壤信息實時獲取過程中分割處理，以至無法有效地應用於農田實際測量。2. 測量土壤壓實度當前世界各國最常用的仍是Penetrometers該裝置包括一個按照ASAE (美國農業工程師協會)標準化設計的圓錐，當圓錐以恆定速度進入土壤層時，通過實時測量圓錐表面受到的阻力大小來估計土壤的實際壓實程度。考慮到其阻力與圓錐表面的受力面 積成正比，所以將"圓錐指數"定義為"圓錐以恆定速度進入土壤層時圓錐表面單位面積上 的阻力"。雖然所定義的圓錐指數確實與土壤壓實度成正比，但它同時與土壤質地與土壤含水 量等因數密切相關。例如在土壤壓實度為一定值的情況下，土壤含水量越大，圓錐指數的測 量值數值越小。顯然，孤立地直接應用圓錐指數並非能夠真實客觀評價土壤壓實度的大小。3. 目前，市場上銷售的土壤水分傳感器基本以單點傳感器為主，在應用中主要依靠有線 方式組網，不適合遠距離無人監控系統的需要。通過以上分析可知，目前存在的土壤水分傳感器僅測量土壤含水量這一單參數，既沒有 考慮對土壤含水量有重大影響的土壤壓實度問題，也沒有考慮無線傳輸問題。對於將土壤壓 實度與土壤含水量兩個重要參數融為一體，同時測量實現田間土壤含水量的無人實時檢測目 前尚未有見。發明內容本發明的目的在於提供一種可以將土壤溫度、壓實度與土壤含水量同時進行測量，高頻 寬、高線性度和小功耗，操作簡單，可隨身攜帶，有利於實現田間土壤含水量無人實時檢測 的土壤水分無線測量裝置。為達到上述目的，本發明土壤水分無線測量裝置，包括若干無線傳感裝置和與其相連的、 用於檢測操作的無線設定裝置，無線傳感裝置包括用於檢測土壤含水量的阻抗變換器、用於 檢測土壤壓實度的壓力傳感器、信息採集器、第二無線通訊模塊和CPU處理器，阻抗變換器 的檢測信號通過信息採集器接至CPU處理器，壓力傳感器的檢測信號接至CPU處理器，CPU 處理器與第二無線通訊模塊相連；無線設定裝置包括中央控制器和與之分別相連的鍵盤輸入 模塊、顯示模塊、存儲模塊和第一無線通訊模塊；CPU處理器與中央控制器通過第一無線通 訊模塊與第二無線通訊模塊無線相連。本發明土壤水分無線測量裝置，其中所述阻抗變換器包括高頻信號源、同軸傳輸線和土 壤水分探頭，高頻信號源和土壤水分探頭分別接於同軸傳輸線的兩端，所述阻抗變換器的檢 測信號分別由同軸傳輸線的兩端取出並接至信息採集器。本發明土壤水分無線測量裝置，其中所述信息採集器包括第一高頻檢波器、第二高頻檢波器和比較放大器，所述阻抗變換器的檢測信號分別接至第一高頻檢波器和第二高頻檢波器， 第一高頻檢波器和第二高頻檢波器的輸出信號分別接至比較放大器的兩個輸入端，比較放大 器的輸出信號接至所述CPU處理器的信號輸入端。本發明土壤水分無線測量裝置，其中所述無線傳感裝置進一步包括溫度傳感器，所述溫 度傳感器的檢測信號接至所述CPU處理器。本發明土壤水分無線測量裝置，其中所述第一高頻檢波器和第二高頻檢波器分別採用寬 頻帶檢波器。本發明土壤水分無線測量裝置，其中所述無線傳感裝置和無線設定裝置分別設有與CPU處理器相連的第二電源模塊和與中央控制器相連的第一電源模塊，無線設定裝置設有與第一 電源模塊相連的充電模塊。本發明土壤水分無線測量裝置，其中所述中央控制器設有與之分別相連的鍵盤輸入模塊 和顯示模塊，所述無線設定裝置為可移動式結構，所述可移動式結構包括具有若干個按鍵的 鍵盤和顯示器。本發明土壤水分無線測量裝置，其中所述中央控制器採用型號為SPCE061A的晶片，所 述CPU處理器採用型號為MEGA8的晶片。 本發明土壤水分無線測量裝置的優點是1. 無線傳感裝置的土壤水分測量電路線性度好，具有較寬頻帶。由於信號源頻率高達 lOOMHz，因此檢波電路的頻率很高，高頻運算放大器LT1813在高頻工況下保證了檢波電路的 高頻性能，此外電阻電容參數的匹配使土壤水分測量電路具有良好的線性輸出，有效保證了 測量的精度和量程，性能足以滿足實際應用。2. 土壤水分測量電路具有很寬的測量範圍(0-100%含水量)。3. 無線設定裝置為手持式儀表，體積小，便於隨身攜帶，其功耗小，不需要配備大量備用電池。4. 鍵盤設計簡潔，操作簡單，價格低廉，滿足市場需求。下面將結合實施例參照附圖進行詳細說明，以對本發明的目的、特徵和優點有深入的理解。


圖1為本發明土壤水分無線測量裝置的方框圖； 圖2為本發明測量裝置中央控制器的電路圖；圖3為本發明測量裝置中CPU處理器以及第二無線通訊模塊和傳感器的電路圖； 圖4為本發明測量裝置中阻抗變換器和信息採集器的電路圖；圖5為本發明測量裝置中第一電源模塊的電路圖；圖6為本發明測量裝置中第二電源模塊的電路圖；圖7為本發明測量裝置中充電模塊的電路圖；圖8為本發明測量裝置中第一無線通訊模塊的電路圖；圖9為本發明測量裝置中存儲模塊的電路圖；圖10為本發明測量裝置中鍵盤輸入模塊的電路圖；圖11為本發明測量裝置中顯示模塊的電路圖；圖12為本發明測量裝置的測量原理圖；圖13為本發明測量裝置中無線設定裝置的外形圖；圖14為本發明測量裝置中無線傳感裝置的外形圖。
具體實施方式
下面以實例對技術方案做詳細說明。參照圖1,本發明土壤水分無線測量裝置，包括若干無線傳感裝置2和與其相連的、用 於檢測操作的無線設定裝置1兩部分，均採用9V電池供電。無線傳感裝置2用於測量土壤含 水量、溫度和壓實度，無線設定裝置1設計為手持式儀表，參照圖13，手持裝置設有"開/關"、 "設定"、"測量"、"刪除"和4個選擇鍵，用於設定無線傳感裝置的參數、讀取並顯示無線 傳感裝置的測量結果。手持裝置體積小，便於隨身攜帶，其功耗小，可充電，不需要配備大 量備用電池。無線傳感裝置2包括用於檢測土壤含水量的阻抗變換器21、用於檢測土壤壓實度的壓力 傳感器23、溫度傳感器27、信息採集器22、第二無線通訊模塊25和CPU處理器20 (MEGA8)。 無線設定裝置1包括中央控制器10和與之分別相連的鍵盤輸入模塊11、顯示模塊12、存儲 模塊13和第一無線通訊模塊14。參照圖2，中央控制器採用型號為SPCE061A的晶片。參照 圖10和圖11，給出了鍵盤輸入模塊和顯示模塊的電路圖。參照圖9給出了存儲模塊的電路 圖。參照圖8，給出了第一無線通訊模塊的電路圖。參照圖13，給出了無線設定裝置的外形 圖，無線設定裝置1為可移動式結構，該結構包括8個按鍵的鍵盤28和一個小型顯示器24。在無線傳感裝置2中，阻抗變換器21的檢測信號通過信息採集器22接至CPU處理器20， 壓力傳感器23和溫度傳感器27的檢測信號接至CPU處理器20， CPU處理器20與第二無線通訊模塊25相連。阻抗變換器21包括頻率為100MHz的高頻信號源、同軸傳輸線和土壤水分探頭，高頻信 號源和土壤水分探頭分別接於同軸傳輸線的兩端，所述阻抗變換器的檢測信號分別由同軸傳 輸線的兩端取出並接至信息採集器22。參照圖14，給出了無線傳感裝置的外形圖。參照圖12，下面說明本發明土壤水分無線測量裝置中土壤含水量的測量原理阻抗變換器21由信號源、傳輸線和探頭三部分構成。其中信號源為100MHz的正弦波， 傳輸線為特徵阻抗是50歐姆的同軸電纜。傳輸線上的電壓和電流均以波動的形式向前傳播， 並且是由正向行波和反向行波疊加而成。為方便起見，設z的方向與電磁波的傳播方向相反。 沿著z的正方向傳播的波稱為反射波，而沿著z的反方向傳播的波稱為入射波。將任意一段均勻傳輸線劃分成許多的微分段dz，對於均勻傳輸線而言，由於其分布參數 是沿線均勻分布的，且由於線元dx的長度極短，故可將看成一個集總參數電路，並用一個「 型網絡來等效。當傳輸線的長度等于波長的四分之一時，駐波的波峰與波谷恰在同軸電纜的 兩端。艮卩(>,-《=2々=2^4 Z丄—Zc上式中《'《是傳輸線兩端電位，A的數值取決于振蕩器的振幅，Zc為同軸傳輸線的特徵阻抗，當同軸傳輸線一旦確定，其值即為確定值。故在A和Zc恆定的情況下傳輸線兩端的電 位差只與探頭的特徵阻抗ZL有關，探頭的特徵阻抗與土壤的介電特性有關，而土壤的介電特 性又決定於土壤的含水量，所以通過測量探頭的特徵阻抗即可達到測量土壤含水量的目的。 因此，土壤水分測量原理是一種基於傳輸線阻抗變換原理的測量方法。參照圖4，信息採集器22包括第一高頻檢波器、第二高頻檢波器和比較放大器，阻抗變 換器21的檢測信號分別接至第一高頻檢波器和第二高頻檢波器，第一高頻檢波器和第二高頻 檢波器的輸出信號分別接至比較放大器的兩個輸入端。第一高頻檢波器和第二高頻檢波器均 為寬頻帶檢波器。參照圖5-圖7，無線傳感裝置2和無線設定裝置1還分別設有與CPU處理器20相連的 第二電源模塊26和與中央控制器10相連的第一電源模塊15，無線設定裝置1設有與第一電 源模塊15相連的充電模塊16。 CPU處理器20與中央控制器10通過第一無線通訊模塊14和 第二無線通訊模塊25無線相連。下面對本發明土壤水分無線測量裝置中的主要電路分別進行說明。在無線傳感裝置2檢測土壤含水量過程中，參照圖4， U4為阻抗變換器21的高頻信號源 (S0C)，高頻信號從3號管腳輸出後分作兩路，第一路直接輸入信息釆集器22的第一高頻檢 波器U6 (LT1813)的3號管腳，再由1號管腳輸出經過二極體D2、 D3和電阻R4後對電容 C3充電，將電容C3的電壓經電阻R4輸入5號管腳，再由7號管腳輸出高頻信號的峰值電壓， 將此峰值電壓輸入至信息採集器22的比較放大器Ul (AD623)的2號管腳(反相輸入端)； 第二路經過電阻R1、電容C1和阻抗變換器21的同軸傳輸線(50歐姆同軸電纜)發射至阻抗 變換器21的土壤水分探頭J2-2上，並與J2-2末端反射的高頻信號進行耦合產生高頻駐波信 號，將此駐波信號輸入信息採集器22的第二高頻檢波器U7 (LT1813)的3號管腳，經過與 第一路信號相同的處理後從U7的7號管腳輸出駐波信號的峰值電壓至比較放大器U1(AD623) 的3號管腳(正相輸入端)；兩路信號的峰值電壓經U1 (AD623)處理後從6號管腳輸出至圖 3中CPU處理器20 (MEGA8)的24號管腳作A/D轉換得到數位訊號X， MEGA8採用公式Y=kX+b 計算出土壤含水量並經PB1和PB2 (13和14管腳)發送至第二無線通訊模塊25，再由第二 無線通訊模塊25和第一無線通訊模塊14 (參照圖8)發送給中央控制器IO (參照圖2)。在無線傳感裝置2檢測土壤溫度和壓實度過程中，參照圖3， 土壤溫度通過溫度傳感器 測量，其輸出數位訊號，信號線(2號管腳)直接連至CPU處理器20 (MEGA8)的PD1管腳， 無線傳感裝置2收到採集命令後直接通過PD1與溫度傳感器27通訊獲取土壤溫度。土壤壓實 度通過壓力傳感器23測量，其輸出模擬信號，輸出信號經CPU處理器20 (MEGA8)的PC1管 腳進行A/D轉換，再通過轉換得到土壤壓實度參數，無線傳感裝置2收到採集命令後將此參 數連同土壤含水量和土壤溫度一起通過二無線通訊模塊發送給無線設定裝置l。下面說明本發明土壤水分無線測量裝置的工作過程無線設定裝置1有兩種工作狀態參數設定狀態和測量狀態，可通過"設定"按鈕進行 切換。啟動時默認進入測量狀態，此時按一次"設定"按鈕進入設定狀態，設定結束後自動 返回測量狀態。設定在初次使用時，應該對無線傳感裝置2進行參數設置。啟動無線設定裝置l，按"設定"按鈕進入參數設定狀態，按照顯示器上的文字提示先後輸入無線傳感裝置2的含水 量標定參數，輸入完成後無線設定裝置1將參數發送給無線傳感裝置2，無線傳感裝置2收 到數據後向無線設定裝置1返回確認信息，設定過程結束，無線設定裝置1轉入測量狀態。 土壤含水量通過一次函數關係式Y二kX+b計算，其中Y為土壤含水量，是百分數，X為土壤溼 度檢測電路的輸出電壓值(單位伏特)，kb為標定參數(無量綱)由生產方提供。在設定狀態下，"向左"和"向右"鍵表示清零和確認，數值通過"向上"或"向下"按鈕修改。例如設定參數k的值為22.3:進入設定狀態後出現提示語"輸入k的整數部分"，此時 顯示的數值為00，按住"向上"按鈕直至數值變為22 (按住"向上"按鈕數值將不斷加1至 99，按住"向下"按鈕數值將不斷減1至-99)，再按"向右"表示確認，此時會出現提示語 "輸入k的小數部分"，且數值顯示為0，通過"向上"鍵修改為3，按"向右"表示確認進 入參數b的設定。參數b的設定同k類似。在輸入時，若不慎輸入非期望數值可以按"向左" 鍵迅速清零，然後重新輸入。測量啟動無線設定裝置1 (按一次"開/關"按鈕)，按"測量"按鈕無線設定裝置1 即向無線傳感裝置2發送數據採集命令，參見圖2，命令信號由中央控制器IO (SPCE061A) 的I0A6管腳輸出至圖8中第一無線通訊模塊14 (PTR 4000)的1號管腳DATA,再發送至圖 3中第二無線通訊模塊25 (PTR4000)的1號管腳DATA,然後發送至CPU處理器20 (MEGA8) 的PB2。無線傳感裝置2收到命令後採集土壤的溼度、溫度和壓實度，並將數據返回給無線 設定裝置1，信號傳遞方向與上述信號走向相反。無線設定裝置將收到的數據寫入存儲模塊 並實時顯示出來。在測量狀態下，按"向上"或"向下"按鈕可以瀏覽存儲器中保存的測量 歷史數據，按"刪除"按鈕可以將當前顯示的數據從存儲器中清除。 本發明土壤水分無線測量裝置的優點是1. 無線傳感裝置的土壤水分測量電路線性度好，具有較寬頻帶。由於信號源頻率高達 100MHz，因此檢波電路的頻率很高，高頻運算放大器LT1813在高頻工況下保證了檢波電路的 高頻性能，此外電阻電容參數的匹配使土壤水分測量電路具有良好的線性輸出，有效保證了 測量的精度和量程，性能足以滿足實際應用。2. 土壤水分測量電路具有很寬的測量範圍(0-100%含水量)。3. 無線設定裝置為手持式儀表，體積小，便於隨身攜帶，其功耗小，不需要配備大量備用電池4. 鍵盤設計簡潔，操作簡單，價格低廉，滿足市場需求。
權利要求
1. 一種土壤水分無線測量裝置，包括若干無線傳感裝置(2)和與其相連的、用於檢測操作的無線設定裝置(1)，其特徵在於所述無線傳感裝置(2)包括用於檢測土壤含水量的阻抗變換器(21)、用於檢測土壤壓實度的壓力傳感器(23)、信息採集器(22)、第二無線通訊模塊(25)和CPU處理器(20)，所述阻抗變換器(21)的檢測信號通過所述信息採集器(22)接至所述CPU處理器(20)，所述壓力傳感器(23)的檢測信號接至所述CPU處理器(20)，所述CPU處理器(20)與所述第二無線通訊模塊(25)相連；所述無線設定裝置(1)包括中央控制器(10)以及與之分別相連的存儲模塊(13)和第一無線通訊模塊(14)；所述CPU處理器(20)與所述中央控制器(10)通過所述第一無線通訊模塊(14)和第二無線通訊模塊(25)無線相連。
2. 根據權利要求1所述的土壤水分無線測量裝置，其特徵在於其中所述阻抗變換器(21) 包括高頻信號源、同軸傳輸線和土壤水分探頭，高頻信號源和土壤水分探頭分別接於同軸傳 輸線的兩端，所述阻抗變換器的檢測信號分別由同軸傳輸線的兩端取出並接至信息採集器(22)。
3. 根據權利要求1或2所述的土壤水分無線測量裝置，其特徵在於其中所述信息採集 器(22)包括第一高頻檢波器、第二高頻檢波器和比較放大器，所述阻抗變換器的檢測信號 分別接至第一高頻檢波器和第二高頻檢波器，第一高頻檢波器和第二高頻檢波器的輸出信號 分別接至比較放大器的兩個輸入端，比較放大器的輸出信號接至所述CPU處理器(20)的信號輸入端。
4. 根據權利要求3所述的土壤水分無線測量裝置，其特徵在於其中所述第一高頻檢波器和第二高頻檢波器分別採用寬頻帶檢波器。
5. 根據權利要求4的土壤水分無線測量裝置，其特徵在於其中所述無線傳感裝置(2) 進一步包括溫度傳感器(27)，所述溫度傳感器(27)的檢測信號接至所述CPU處理器(20)。
6. 根據權利要求5的土壤水分無線測量裝置，其特徵在於其中所述中央控制器(10) 設有與之分別相連的鍵盤輸入模塊(11)和顯示模塊(12)，所述無線設定裝置(1)為可移 動式結構，所述可移動式結構包括具有若干個按鍵的鍵盤和顯示器。
7. 根據權利要求6的土壤水分無線測量裝置，其特徵在於其中所述無線傳感裝置(2) 和無線設定裝置(1)分別設有與CPU處理器(20)相連的第二電源模塊(26)和與中央控制器(10)相連的第一電源模塊(15),無線設定裝置(1)設有與第一電源模塊(15)相連 的充電模塊(16)。
8.根據權利要求7所述的土壤水分無線測量裝置，其特徵在於其中所述中央控制器(10) 釆用型號為SPCE061A的晶片，所述CPU處理器(20)採用型號為MEGA8的晶片。
全文摘要
土壤水分無線測量裝置，包括無線傳感裝置和與其相連的、用於檢測操作的無線設定裝置兩部分。無線傳感裝置用於測量土壤含水量、溫度和壓實度，包括阻抗變換器、壓力傳感器、溫度傳感器、信息採集器、第二無線通訊模塊和CPU處理器。無線設定裝置設計為手持式儀表，包括中央控制器和與之分別相連的鍵盤輸入模塊、顯示模塊、存儲模塊和第一無線通訊模塊。阻抗變換器由信號源、傳輸線和探頭三部分構成。本發明土壤水分無線測量裝置的優點是可以將土壤溫度、壓實度與土壤含水量同時進行測量，具有高頻寬、高線性度和功耗小的性能，設計簡潔，操作簡單，可隨身攜帶，有利於實現田間土壤含水量實時檢測。
文檔編號G01N27/12GK101236188SQ200710063419
公開日2008年8月6日 申請日期2007年1月31日 優先權日2007年1月31日
發明者斌 馮, 王海蘭, 白陳祥, 趙燕東 申請人:北京林業大學