一種基於無線式的土壤溫度和水分梯度測量系統的製作方法
2023-08-05 07:48:56
一種基於無線式的土壤溫度和水分梯度測量系統的製作方法
【專利摘要】本發明公開了一種基於無線式的土壤溫度和水分梯度測量系統，包括由土壤溫度傳感器和土壤水分傳感器組成的傳感器組，每個所述傳感器組在待測土壤垂直梯度方向上設置，同一垂直梯度方向上的多個傳感器組通過模數轉換通道構成一個傳感器節點，每個傳感器節點之間通過ZigBee無線網絡和路由節點組成節點傳輸網絡，節點傳輸網絡通過多路模擬開關連接中心採集節點並構成星型拓撲結構，所述中心採集節點對傳感器節點傳輸來的數據進行內部存儲和精度的校正，並且將處理後的數據通過RS232／RS485通信接口傳送至數據顯示終端進行觀測分析。採用本發明技術方案，實現對於立體式土壤溫度、水分的測量，並且各個傳感器節點無線傳輸數據，能耗低，適用場合廣。
【專利說明】一種基於無線式的土壤溫度和水分梯度測量系統
【技術領域】
[0001]本發明涉及土壤檢測領域，具體涉及一種基於無線式的土壤溫度和水分梯度測量系統。
【背景技術】
[0002]研究表明，在土地水土保持、農業節水灌溉、土壤的肥力調配、大範圍的局地性氣候變化和生態環境保護諸多研究領域中，土壤溫度、水分的時空性變化也是極為重要的兩個參考性因素。因此，在農業、環境科學、氣象等多個研究領域中，都把土壤溫度、水分作為研究觀測的基本對象。由於我國的地理環境情況複雜，各地區數據觀測水平參差不齊，導致土壤溫度、水分的數據來源比較匱乏，數據匯總難度較大。傳統的測量方式獲取的土壤溫度和水分數據，在測量精度、數據採集量、可靠性方面遠遠不能滿足現今高精度、網絡化、智能化的測量需求。與此同時，傳統的土壤溫度、水分測量儀器也只能測得單一的土壤表層的溫度、水分數據，缺乏能夠在大範圍區域和土壤的垂直梯度方向上完整、實時、自動連續測量土壤溫度、水分的方法和儀器。隨著現代工業自動化技術的不斷進步無線通信技術的發展日益成熟，其被廣泛應用於無線傳感器測量網絡、自動氣象站、智能交通、智能家居等眾多領域。無線通信技術的低功耗、短距離、低成本、布網靈活等特點十分適合用於需要自動連續採集數據、局域分布測量、大範圍聯網數據處理的測量場合。通過線網絡可以方便地實現多個土壤溫度、水分傳感器的分散布局，從而可以方便地實現土壤測量參數的收集處理。
【發明內容】
[0003]本發明的目的在於克服現有技術存在的問題，提供一種基於無線式的土壤溫度和水分梯度測量系統，實現多個土壤溫度、水分傳感器的分散布局，從而可以方便地實現土壤測量參數的收集處理。
[0004]為實現上述技術目的，達到上述技術效果，本發明通過以下技術方案實現:
一種基於無線式的土壤溫度和水分梯度測量系統，包括由土壤溫度傳感器和土壤水分傳感器組成的傳感器組，每個所述傳感器組在待測土壤垂直梯度方向上設置，同一垂直梯度方向上的多個傳感器組通過模數轉換通道構成一個傳感器節點，每個傳感器節點之間通過ZigBee無線網絡和路由節點組成節點傳輸網絡，節點傳輸網絡通過多路模擬開關連接中心採集節點並構成星型拓撲結構，所述中心採集節點對傳感器節點傳輸來的數據進行內部存儲和精度的校正，並且將處理後的數據通過RS232 / RS485通信接口傳送至數據顯示終端進行觀測分析。
[0005]進一步的，所述傳感器組設置在一圓柱形鋼管中，所述鋼管內均勻設置有多層開放式的腔室，傳感器組卡接在腔室內，所述鋼管垂直埋入待測土壤中。
[0006]進一步的，所述土壤溫度傳感器採用三線制PT100鉬熱電阻。
[0007]進一步的，所述土壤水分傳感器採用多路FDR 土壤水分傳感器。
[0008]進一步的，所述多路模擬開關通過單片機引腳信號來控制接通相應的傳感器節點，實時自動選擇所需轉換的通道。
[0009]本發明的有益效果是:
本土壤溫度、水分梯度測量系統，通過鋼管垂直的特殊土壤梯度方式鋪設土壤溫度、水分傳感器，實現對於立體式土壤溫度、水分的測量，各個傳感器節點自動與數據採集節點組網最終完成測量所得數據的無線傳輸，並且各個低功耗器件實現了對整體系統的能耗控制，也為野外無人值守情況下的長時間電池供電提供了保障。本系統可適用於大規模野外無人值守情況下的土壤溫度、水分連續自動監測以及工農業土壤環境檢測等多種場合。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0010]圖1為本發明的系統結構框圖；
圖2為本發明硬體結構框圖；
圖3為傳感器測溫電路圖；
圖4為FDR 土壤水分傳感器採樣電路圖；
圖5為CC2480接口電路圖。
【具體實施方式】
[0011]下面將參考附圖並結合實施例，來詳細說明本發明。
[0012]參照圖1所示，一種基於無線式的土壤溫度和水分梯度測量系統，包括由土壤溫度傳感器和土壤水分傳感器組成的傳感器組，每個所述傳感器組在待測土壤垂直梯度方向上設置，同一垂直梯度方向上的多個傳感器組通過模數轉換通道構成一個傳感器節點，每個傳感器節點之間通過ZigBee無線網絡和路由節點組成節點傳輸網絡，節點傳輸網絡通過多路模擬開關連接中心採集節點並構成星型拓撲結構，所述中心採集節點對傳感器節點傳輸來的數據進行內部存儲和精度的校正，並且將處理後的數據通過RS232 / RS485通信接口傳送至數據顯示終端進行觀測分析。
[0013]參照圖2和圖5所示，為本實施了中的系統硬體結構框圖，系統硬體結構包括有主控制器MSP430F149，CC2480協處理器，電池電源，多路土壤溫度、水分傳感器電路以及採樣放大電路。主控制器MSP430F149是一款來自TI公司的16位低功耗處理器，多達5種低功耗模式適用於設計乾電池供電要求的設備，片上集成性能出色的外設模塊，片內有60 KB的Flash和2 KB的RAM。ZigBee協處理器CC2480通過4線SPI接口和主控MCU的通信完成數據的傳輸採集。前端信號採集通過適合於埋設在土壤中測量土壤溫度、水分的PT100鉬熱電阻和多路FDR 土壤水分傳感器來完成。此外，對於鉬熱電阻測得的微弱電流信號需通過低功耗儀表放大器AD8226實現信號的放大和抬升。而多路FDR 土壤水分傳感器則是直接輸出電壓信號，通過簡單的電阻轉換採樣即可使用。
[0014]繼續參照圖5，CC2480協處理器是TI公司出品的一款支持ZigBee協議的射頻晶片，具有較低的功耗，在待機模式下只有低於0.6μΑ的電流損耗。與其前代CC2430晶片類似，不同的是CC2480自帶有ZigBee協議棧，並且支持TI公司的10個Simple API，通過SPI / UART接口可以和任意一款主控晶片之間實現交互通信。使用靈活性強，大大降低了系統開發的複雜度，可以更好地支持多傳感器智能網絡的實現。CC2480可以在ZigBee無線網絡中擔任終端設備節點、路由節點、協調器節點，在網絡中的通用性強，應用範圍廣。
[0015]所述傳感器組設置在一圓柱形鋼管中，所述鋼管內均勻設置有多層開放式的腔室，傳感器組卡接在腔室內，所述鋼管垂直埋入待測土壤中，在填埋時，先填充鋼管周圍的土，再將土填入鋼管中。
[0016]參照圖3所示，為傳感器測溫電路，所述土壤溫度傳感器採用三線制PT100鉬熱電阻，原始信號經過放大後再經過AD8226的Vref (I V)抬升電壓，抬升至適合數模轉換參考電壓範圍內，輸入到前級外置多路低功耗模擬開關ADG758。8選I多路模擬開關ADG758專為低功耗所設計，通過ADG758的引腳AO?A2與MSP430F149主控制器相連，實現三線解碼選通，來控制各個傳感器通道的選通使用。模擬開關ADG758的輸出端D與MSP430F149的內置高精度12位模數轉換器相連接，節約了額外的模數轉換晶片，從而降低了成本，為實現大規模傳感器網絡測量土壤梯度溫度、水分參數提供了可能。經過恆溫箱標定後，所需測量的土壤溫度範圍變化為-40?80°C，測量誤差為±0.4°C。
[0017]參照圖4所示，為FDR 土壤水分傳感器採樣電路，所述土壤水分傳感器採用多路FDR 土壤水分傳感器，這種測量方法與烘乾稱重法、中子儀測量法、TDR等土壤水分測量方法相比較，具有快速、準確、連續測量等優點，無須擾動土壤。同時，能夠自動監測土壤水分變化，性能出色，且價格相對低廉、沒有放射性汙染。該FDR 土壤水分傳感器輸出O?5 V的電壓信號，通過高精密電阻採樣信號，送入多路模擬開關，經A / D轉換成數字量即可。
[0018]所述多路模擬開關通過單片機引腳信號來控制接通相應的傳感器節點，實時自動選擇所需轉換的通道。
[0019]以上所述僅為本發明的優選實施例而已，並不用於限制本發明，對於本領域的技術人員來說，本發明可以有各種更改和變化。凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。
【權利要求】
1.一種基於無線式的土壤溫度和水分梯度測量系統，包括由土壤溫度傳感器和土壤水分傳感器組成的傳感器組，其特徵在於，每個所述傳感器組在待測土壤垂直梯度方向上設置，同一垂直梯度方向上的多個傳感器組通過模數轉換通道構成一個傳感器節點，每個傳感器節點之間通過ZigBee無線網絡和路由節點組成節點傳輸網絡，節點傳輸網絡通過多路模擬開關連接中心採集節點並構成星型拓撲結構，所述中心採集節點對傳感器節點傳輸來的數據進行內部存儲和精度的校正，並且將處理後的數據通過RS232 / RS485通信接口傳送至數據顯示終端進行觀測分析。
2.根據權利要求1所述的基於無線式的土壤溫度和水分梯度測量系統，其特徵在於，所述傳感器組設置在一圓柱形鋼管中，所述鋼管內均勻設置有多層開放式的腔室，傳感器組卡接在腔室內，所述鋼管垂直埋入待測土壤中。
3.根據權利要求1所述的基於無線式的土壤溫度和水分梯度測量系統，其特徵在於，所述土壤溫度傳感器採用三線制PTlOO鉬熱電阻。
4.根據權利要求1所述的基於無線式的土壤溫度和水分梯度測量系統，其特徵在於，所述土壤水分傳感器採用多路FDR 土壤水分傳感器。
5.根據權利要求1所述的基於無線式的土壤溫度和水分梯度測量系統，其特徵在於，所述多路模擬開關通過單片機引腳信號來控制接通相應的傳感器節點，實時自動選擇所需轉換的通道。
【文檔編號】G01D21/02GK104459088SQ201410748947
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年12月10日 優先權日:2014年12月10日
【發明者】程功弼 申請人:江蘇蓋亞環境工程有限公司