一種基於太陽能的無線土壤水分傳感器的製作方法

2023-05-21 10:36:06 2

本發明屬於水分傳感器技術領域，尤其涉及一種基於太陽能的無線土壤水分傳感器。

背景技術：

土壤含水率是精準農業中必需檢測的一個參數。目前測定土壤水分的方法歸納起來有兩大類，一類是變動位置取樣測定（如烘乾稱質量法等），另一類是原位測定（如中子法、γ射線法、時域反射儀法、頻域發射儀法、傳感器法等）。其中烘乾稱質量法原理簡單、精度高但不能在田間實時連續監測；中子法和γ射線法雖可在室外快速準確監測，但是存在放射性物質危害人體健康。

目前市場上的土壤水分傳感器可在野外實現實時測量，但只能實現單點測量或通過總線實現測量結果的傳輸，若想實現多點實時檢測，需要布置大量的通訊電纜。雖然已有學者提出將無線傳感器網絡用於農田數據採集的思想，但如何有效解決系統供電問題卻鮮有研究。如果使用電線供電，勢必增加建設成本，且觀測點的變更不便，不能實現真正意義上的「無線」傳輸；如果使用電池供電，必須定期更換電池，大量廢舊電池會造成環境汙染，且增加維護成本。因此要實現真正意義的「無線」傳輸必須解決系統供電問題。

技術實現要素：

本發明要解決的技術問題是：提供一種基於太陽能的無線土壤水分傳感器價格低、效果好、使用舒適，以解決上述現有技術中存在的問題。

本發明採取的技術方案為：一種基於太陽能的無線土壤水分傳感器，包括單片機，單片機連接有高頻信號發生電路、整流濾波電路和zigbee無線收發模塊，高頻信號發生電路和整流濾波電路均與探針連接，高頻信號發生電路用於產生高頻信號，整流濾波電路用於對高頻信號的整流濾波，探針用於檢測土壤中含水率變化，設置兩根，間隔布置，zigbee無線收發模塊用於構建無線傳感網絡實現數據傳送。

優選的，上述一種基於太陽能的無線土壤水分傳感器，還包括充放電管理電路，充放電管理電路連接有太陽能電池板和鋰電池。

優選的，上述單片機採用pic18f14k22。

優選的，上述高頻信號發生電路採用專用波形發生晶片ad9850。

優選的，上述探針採用兩塊不鏽鋼板製成，尺寸為長200mm，寬27.5mm，厚4mm，探針間距70mm。

本發明的有益效果：與現有技術相比，本發明能夠實現土壤水分的自動檢測，使用電場法測量土壤含水率，採用zigbee無線收發模塊實現結果的無線傳輸，該土壤水分傳感器的系統沒有電源線及信號傳輸線，可作為大型無線傳感網絡中的一個節點，對精細農業的發展有重大的實際意義，並能夠實現檢測更加精確、快速、穩定和高性價比，採用太陽能為能源讓太陽能電池收集太陽能並存儲於鋰電池中實現對系統供電。

附圖說明

圖1電場法測量土壤含水率原理示意圖；

圖2系統總體結構示意圖；

圖3系統工作流程圖。

具體實施方式

下面結合附圖及具體的實施例對本發明進行進一步介紹。

實施例：如圖1-圖3所示，一種基於太陽能的無線土壤水分傳感器，包括單片機，單片機連接有高頻信號發生電路、整流濾波電路和zigbee無線收發模塊，高頻信號發生電路和整流濾波電路均與探針連接，高頻信號發生電路用於產生高頻信號，整流濾波電路用於對高頻信號的整流濾波，探針用於檢測土壤中含水率變化，設置兩根，間隔布置，zigbee無線收發模塊用於構建無線傳感網絡實現數據傳送。

整流濾波電路將檢測到的電壓信號進行整流濾波，用a/d轉換器實現信號輸出的檢測，無線收發模塊利用zigbee模塊及miwi(tm)協議棧構建星形網絡從而實現數據無線傳輸，由太陽能電池、鋰電池、充放電管理電路構成的供電系統，利用太陽能電池收集太陽能並存儲於鋰電池中，實現對系統供電。

電場法測量土壤含水率是通過檢測土壤中阻抗的變化，實現對土壤含水率的檢測，原理示意圖如圖1所示。探針之間的土壤在高頻信號作用下等效於隨含水率變化的阻抗，含水率越大，阻抗越小，該阻抗相當於信號源的負載。當負載相對於信號源內阻不能忽略時，信號源輸出的幅值將發生變化，通過測量信號源的幅值變化，可以得出土壤含水率。採用電場法來實現土壤水分的檢測，該方法能實現0～30%間的土壤質量含水率的檢測，具有較好的可重複性。

優選的，上述一種基於太陽能的無線土壤水分傳感器，還包括充放電管理電路，充放電管理電路連接有太陽能電池板和鋰電池。

優選的，上述單片機採用pic18f14k22，microchip公司推出的低功耗器件，完成高頻信號發生電路的控制與輸出電壓的檢測、含水率的計算、電池的監控與管理、無線傳感網絡協議棧的運行等。使用該單片機可以減少很多外圍器件，在提高可靠性的同時降低成本與功耗。

優選的，上述高頻信號發生電路採用專用波形發生晶片ad9850來產生50mhz，電壓幅值3.3v的正弦信號，ad9850在5v工作電壓下最高能發生125mhz的正弦波，通過串行方式與單片機接口。

優選的，上述探針採用兩塊不鏽鋼板製成，尺寸為長200mm，寬27.5mm，厚4mm，探針間距70mm，檢測土壤在高頻信號作用下等效於隨含水率變化的阻抗。

上述整流濾波電路將檢測到的電壓信號進行整流濾波，得到直流電壓信號，用a/d轉換器實現信號輸出的檢測。由於只考慮土壤的阻抗隨含水率的變化，而忽略其感抗與容抗，因此不需檢測信號源輸出的相位的變化，只需檢測信號源幅值的變化。

優選的，上述zigbee無線收發模塊採用microchip公司的mrf24g40ma。該模塊採用晶片mrf24j40構成，同時集成了無線傳輸所必需的外圍器件和天線，省去了複雜的天線匹配設計與射頻電路的設計，提高了系統的可靠性。

優選的，上述太陽能電池採用金光能公司的jgn77-p8c50滴膠太陽能電池板，其開路電壓為5v、短路電流為50ma，用於收集太陽能；鋰電池採用飛毛腿公司的650ma·h手機電池，其標稱電壓為3.7v，充電限制電壓為4.2v，用於存儲太陽能電池收集到的能量；充放電管理電路實現鋰電池的充放電控制並提供電池的狀態信息，並將鋰電池電壓經降壓穩壓後為整個系統供電。

使用原理：實現土壤水分的自動檢測與無線傳輸，採用電場法檢測土壤質量含水率，利用zigbee模塊及miwi(tm)協議棧構建星形網絡能實現數據無線傳輸，利用太陽能電池收集太陽能並存儲於鋰電池中實現對系統供電，通過合理的充放電管理，能有效地延長鋰電池壽命。為降低功耗，系統採用間歇工作方式，定時檢測發送土壤含水率，並監控一次鋰電池狀態。在休眠狀態，單片機看門狗定時器保持工作，利用該定時器溢出，喚醒系統工作一次，工作流程如圖3所示。

無線傳感器網絡作為一種全新的信息獲取和處理技術，憑藉其低功耗、低成本、高可靠性等特點，已逐漸滲透到農業領域。由於土壤水分傳感器是間歇式工作，且無線傳感器網絡的功耗很低，因此利用太陽能可實現對小功耗、間歇式工作的無線土壤水分傳感器系統供電。

以上所述，僅為本發明的具體實施方式，但本發明的保護範圍並不局限於此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發明揭露的技術範圍內，可輕易想到變化或替換，都應涵蓋在本發明的保護範圍之內，因此，本發明的保護範圍應以所述權利要求的保護範圍為準。