專利名稱：一種太陽能無線土壤剖面水分測(cè)量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及土壤水分測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種太陽能無線土壤剖面不同深度多點(diǎn)水分測(cè)量裝置。
背景技術(shù)：
在農(nóng)林業(yè)生產(chǎn)中，土壤水分的準(zhǔn)確測(cè)量對(duì)及時(shí)掌控土壤墑情、實(shí)現(xiàn)節(jié)水灌溉起著非常重要的作用。而土壤水分測(cè)量所基于的傳統(tǒng)探針式結(jié)構(gòu)土壤水分傳感器存在其單點(diǎn)測(cè)量的局限性，有線的測(cè)量方式也不利于農(nóng)田多點(diǎn)部署實(shí)現(xiàn)土壤水分的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。因此，土壤剖面多點(diǎn)水分測(cè)量傳感器以及實(shí)現(xiàn)傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)的無線傳輸技術(shù)，是今后水分測(cè)量傳感器研發(fā)有待突破的方向之一。專利[CN200520005689. 3]公開的一種基于介電FDR法測(cè)量土壤剖面含水量的土壤水分傳感器，由單個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)、電路板和絕緣套管組成，與以往傳統(tǒng)土壤探針式結(jié)構(gòu)水分傳感器相比，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可測(cè)量土壤剖面多點(diǎn)水分含量。但是該類型傳感器是通過單個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)在套管中上下移動(dòng)去測(cè)量土壤剖面一定深度含水量，一方面難以知道含水量所對(duì)應(yīng)土壤剖面的具體深度，另一方面該傳感器也只適合現(xiàn)場(chǎng)即時(shí)測(cè)量，不適于自動(dòng)、長(zhǎng)期定點(diǎn)監(jiān)測(cè)土壤水分。專利[CN200720090099. 4]公開的一種無線智能土壤水分自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀，通過合理布設(shè)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)、無線發(fā)射數(shù)據(jù)，可及時(shí)、準(zhǔn)確了解土壤剖面多點(diǎn)水分動(dòng)態(tài)變化情況。但是該自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀一方面沒有涉及整個(gè)系統(tǒng)能耗問題，單個(gè)探測(cè)器可能需要定期更換電池， 一定程度上增加了投入成本；另一方面，探測(cè)器與數(shù)據(jù)采集器之間依舊是有線連接，布線復(fù)雜，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)潆y以靈活調(diào)整。專利[CN201010235594.6]公布的一種太陽能無線土壤水分傳感器，在不需要通信電纜及電源線條件下，可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期定點(diǎn)的土壤水分監(jiān)測(cè)。但是該傳感器依舊基于傳統(tǒng)探針式結(jié)構(gòu)，適于表層土壤單點(diǎn)含水量的測(cè)量，不能滿足一定深土層或土壤剖面多點(diǎn)(不同深度)含水量的測(cè)定需求；若進(jìn)行土壤剖面動(dòng)態(tài)水分監(jiān)測(cè)，土壤剖面多個(gè)傳感器穿插，布設(shè)困難、費(fèi)時(shí)費(fèi)力，前期工作量大，能量消耗也會(huì)隨之變大。綜上所述，一種土壤水分傳感器利用太陽能光伏發(fā)電作能源，對(duì)土壤剖面單點(diǎn)或多點(diǎn)水分同時(shí)進(jìn)行測(cè)量，基于短距離無線通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)測(cè)量數(shù)據(jù)的無線傳輸。目前，缺乏該類傳感器的研究。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種太陽能無線土壤剖面水分測(cè)量裝置。該裝置利用太陽能光伏發(fā)電供給能源，進(jìn)行土壤剖面單點(diǎn)或多點(diǎn)動(dòng)態(tài)含水量的測(cè)量，基于短距離無線通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的無線傳輸，能耗低、可靠性強(qiáng)，可自動(dòng)、連續(xù)定點(diǎn)長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)土壤剖面動(dòng)態(tài)含水量。本發(fā)明的技術(shù)方案是
一種太陽能無線土壤剖面水分測(cè)量裝置，包括太陽能電池、天線、傳感器節(jié)點(diǎn)、絕緣套和防水堵頭；所述太陽能電池通過充放電控制器與數(shù)據(jù)采集及處理模塊相連；所述天線與數(shù)據(jù)采集及處理模塊連接；所述絕緣套安裝于所述傳感器節(jié)點(diǎn)外，所述絕緣套上端通過連接體與所述太陽能電池連接，所述絕緣套下端與所述防水堵頭連接；所述傳感器節(jié)點(diǎn)包括兩個(gè)金屬片，所述兩金屬片徑向彼此間隔的固定于絕緣柱體表面，所述兩金屬片分別與傳感器電路板相連。進(jìn)一步，所述傳感器節(jié)點(diǎn)為兩個(gè)及以上，并彼此間隔安裝。進(jìn)一步，所述傳感器電路板包括高頻振蕩電路，放大電路，整流電路，分頻電路；所述高頻振蕩電路是由固定電感、固定電容及所述兩個(gè)金屬片構(gòu)成的可變電容組成的并聯(lián)LC 振蕩電路。進(jìn)一步，所述數(shù)據(jù)采集及處理模塊包括單片機(jī)、片選模塊、ZigBee無線收發(fā)模塊、 接口電路、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊；所述片選模塊與單片機(jī)連接，用于選通和斷開傳感器節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn) “喚醒”與“休眠”功能；所述單片機(jī)用于對(duì)所采集測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理、存儲(chǔ)并傳輸至用戶終端；所述^gBee無線收發(fā)模塊，用于接受用戶終端指令，測(cè)量數(shù)據(jù)；所述接口電路為 RS232或RS485接口電路，用于與PC或PDA的串行數(shù)據(jù)通信；所述數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊用于測(cè)量數(shù)據(jù)。進(jìn)一步，所述太陽能電池與充放電控制器、鋰電池組成電源模塊；所述太陽能電池將太陽能轉(zhuǎn)換成電能經(jīng)由充放電控制器存儲(chǔ)于鋰電池；所述充放電控制器與單片機(jī)連接， 用于對(duì)鋰電池的充電和放電智能控制。進(jìn)一步，所述連接體帶有夾槽和圓孔，夾槽用于夾具固定作用裝置，圓孔用于引出天線。本發(fā)明的有益效果為該裝置利用太陽能光伏發(fā)電供給穩(wěn)定電源，通過單片機(jī)控制傳感器節(jié)點(diǎn)實(shí)行休眠與喚醒機(jī)制，實(shí)現(xiàn)低能耗和連續(xù)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行；該裝置可實(shí)現(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)的自由組合裝配，實(shí)現(xiàn)土壤剖面單點(diǎn)或多點(diǎn)水分同時(shí)測(cè)量，為作物精確灌溉提供策略依據(jù)；該裝置自帶的ZigBee無線收發(fā)模塊一方面可以獨(dú)立實(shí)現(xiàn)測(cè)量數(shù)據(jù)的無線傳輸，另一方面又可以和相鄰?fù)Y(jié)構(gòu)裝置建立路由構(gòu)成無線傳感土壤水分監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)縱向土壤剖面多點(diǎn)動(dòng)態(tài)含水量和橫向農(nóng)田多點(diǎn)含水量的雙重監(jiān)測(cè)，可靠性強(qiáng)，適合于自動(dòng)、連續(xù)定點(diǎn)長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)。


下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。圖1是本發(fā)明實(shí)施例的測(cè)量裝置的整體設(shè)計(jì)框圖； 圖2是本發(fā)明實(shí)施例的裝置外觀示意圖3是本發(fā)明實(shí)施例的裝置外觀分解結(jié)構(gòu)示意圖； 圖4是本發(fā)明實(shí)施例的裝置內(nèi)部分解結(jié)構(gòu)示意圖； 圖5是本發(fā)明實(shí)施例的裝置內(nèi)部剖面示意圖； 圖6是本發(fā)明實(shí)施例的傳感器節(jié)點(diǎn)的傳感器電路板組成框圖； 圖7是本發(fā)明實(shí)施例的數(shù)據(jù)采集及處理模塊電路組成框圖； 圖8是本發(fā)明實(shí)施例的測(cè)量方法流程簡(jiǎn)圖。其中1-電源模塊，2-鋰電池，3-充放電控制器，4-太陽能電池，5-傳感器節(jié)點(diǎn)， 6-數(shù)據(jù)采集及處理模塊，7-用戶終端，8-連接體，9-絕緣套，10-防水堵頭，11-天線，12-第一 PVC絕緣體，13-絕緣隔離卡口，14-絕緣固定卡口，15-絕緣柱體，16-第二 PVC絕緣體， 17-絕緣固定環(huán)，18-金屬片，19-傳感器電路板，20-數(shù)據(jù)排線，21-高頻振蕩電路，22-放大電路，23-整流電路，24-分頻電路，25-單片機(jī)，26-片選模塊，27-ZigBee無線收發(fā)模塊， 28-接口電路，29-數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊。
具體實(shí)施例方式如圖廣7所示為本發(fā)明太陽能無線土壤剖面水分測(cè)量裝置的一個(gè)實(shí)施例，裝置整體設(shè)計(jì)如圖1所示電源模塊1由太陽能電池4、充放電控制器3和鋰電池2組成，其通過充放電控制器3與數(shù)據(jù)采集及處理模塊6連接，太陽能電池4將太陽能轉(zhuǎn)換成電能經(jīng)由充放電控制器3存儲(chǔ)于鋰電池2 ；充放電控制器3接受數(shù)據(jù)采集及處理模塊6中單片機(jī)25控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)鋰電池2的充電和放電智能控制；鋰電池2用于存儲(chǔ)電能和供給整個(gè)裝置穩(wěn)定電源，充電和放電不可以同時(shí)進(jìn)行；以上的電源結(jié)構(gòu)保證了太陽能光伏發(fā)電與裝置電源穩(wěn)定供給；多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)5與數(shù)據(jù)采集及處理模塊6連接，用于土壤剖面單點(diǎn)水分的測(cè)量或多點(diǎn)(不同深度)水分的同時(shí)測(cè)量；數(shù)據(jù)采集及處理模塊6，用于根據(jù)用戶終端7的指令“喚醒”單個(gè)或多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)5進(jìn)行土壤水分測(cè)量，將所采集測(cè)量數(shù)據(jù)分析處理、存儲(chǔ)及無線傳輸。該裝置外觀及內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2飛所示，裝置還包括天線11、絕緣套9、防水堵頭10。 天線11由連接體8的圓孔引出，通過第一 PVC絕緣體12內(nèi)嵌的數(shù)據(jù)采集及處理模塊6與傳感器節(jié)點(diǎn)5相連，實(shí)現(xiàn)裝置與用戶終端7的無線數(shù)據(jù)傳輸與通信。天線11為數(shù)據(jù)采集及處理模塊6中ZigBee無線收發(fā)模塊27的組成部分，而數(shù)據(jù)采集及處理模塊6與傳感器節(jié)點(diǎn) 5之間由數(shù)據(jù)排線20相連接。絕緣套9安裝于傳感器節(jié)點(diǎn)5外，絕緣套9上端通過連接體 8與太陽能電池4連接，絕緣套9下端與防水堵頭10連接。太陽能電池4光伏發(fā)電保證整個(gè)裝置電源穩(wěn)定供給的同時(shí)也起到了將裝置密封遮蓋的作用，防止雨水等雜物的進(jìn)入。連接體8還帶有夾槽，便于中間圓形兩端帶把柄的夾具將裝置咬緊，通過作用夾具將裝配好的測(cè)量裝置鉆入土壤或從土壤提取。防水堵頭10呈三角錐形，表面有外螺紋便于裝置鉆入土壤時(shí)減小所受阻力，待裝置插入土壤后阻止土壤水分的滲入。如圖4所示，兩金屬片18分別與絕緣柱體15內(nèi)嵌的傳感器電路板19相連構(gòu)成單個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)5，兩金屬片18由絕緣隔離卡口 13實(shí)現(xiàn)徑向隔離和卡嵌固定于絕緣柱體15 表面，絕緣固定卡口 14輔助卡嵌固定，絕緣固定環(huán)17緊固金屬片18防止其上下位移。其中，兩金屬片18的軸向長(zhǎng)度大于徑向長(zhǎng)度。具體測(cè)量時(shí)傳感器節(jié)點(diǎn)5為兩個(gè)以上，可根據(jù)測(cè)量需要進(jìn)行單個(gè)節(jié)點(diǎn)或多個(gè)節(jié)點(diǎn)自由的組合裝配，構(gòu)成單桿多節(jié)“竹”形結(jié)構(gòu)。傳感器節(jié)點(diǎn)5相互之間設(shè)有第二 PVC絕緣體16間隔，通過螺紋結(jié)構(gòu)相連接咬合。第二 PVC絕緣體16 內(nèi)嵌的數(shù)據(jù)排線20將傳感器節(jié)點(diǎn)5彼此連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸與通信。如上所述的太陽能電池4下端支撐部位內(nèi)壁有螺紋；連接體8和絕緣套9的上端部位皆有螺紋，下端部位內(nèi)壁有螺紋；第一 PVC絕緣體12和第二 PVC絕緣體16的兩端部位內(nèi)壁有螺紋；絕緣柱體15的兩端部位有螺紋；其中絕緣套9除卻螺紋部分長(zhǎng)度范圍為 IOcm^lOOcm,具體長(zhǎng)度為IOcm的倍數(shù)；其中第一 PVC絕緣體12和第二 PVC絕緣體16的長(zhǎng)度都為10cm。根據(jù)具體的測(cè)量需要，各個(gè)部件通過螺紋相互咬合連接，實(shí)現(xiàn)整個(gè)裝置的自由拆卸、組裝。
具體測(cè)量時(shí)，數(shù)據(jù)采集及處理模塊6根據(jù)用戶終端7指令“喚醒”單個(gè)或多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)開始測(cè)量；節(jié)點(diǎn)返回的測(cè)量數(shù)據(jù)經(jīng)數(shù)據(jù)采集及處理模塊6數(shù)據(jù)分析處理、存儲(chǔ)后，再由ZigBee無線收發(fā)模塊27無線傳輸至用戶終端7，用戶由用戶終端7可直觀得到土壤剖面單點(diǎn)或多點(diǎn)水分含量數(shù)據(jù)及其變化曲線。圖6為傳感器節(jié)點(diǎn)5的傳感器電路板19，包括高頻振蕩電路21，放大電路22，整流電路23，分頻電路M。高頻振蕩電路21是由固定電感、固定電容及所述兩個(gè)金屬片18構(gòu)成的可變電容組成的并聯(lián)LC振蕩電路。固定電感與固定電容實(shí)現(xiàn)振蕩電路頻率起振，起振頻率為130MHz，兩個(gè)平行金屬片18通過高頻電磁邊緣場(chǎng)分布效應(yīng)感測(cè)含水土壤所表征出的電容容抗。土壤含水量的變化會(huì)導(dǎo)致表征電容容抗的變化繼而振蕩電路諧振頻率也有所變化，變化后的諧振頻率由高頻小信號(hào)放大后，經(jīng)高速整流分頻成為低頻方波信號(hào)八該信號(hào)送至單片機(jī)25進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理。因?yàn)橥寥乐械乃志哂芯庑院兔?xì)特性，采用兩平行金屬片15的這種簡(jiǎn)單組合結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)土壤剖面單點(diǎn)即某一深度水分的測(cè)量，不僅具有合理性和可行性，而且金屬片的尺寸厚度等遠(yuǎn)比金屬環(huán)來的小，降低高頻電磁能耗的同時(shí)也減小了不必要的損耗。數(shù)據(jù)采集及處理模塊6電路組成如圖7所示，包括單片機(jī)25、片選模塊^KZigBee 無線收發(fā)模塊27、接口電路觀、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊四等；所述單片機(jī)25根據(jù)指令“喚醒”單個(gè)或多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)5進(jìn)行土壤水分測(cè)量，對(duì)所采集測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理、存儲(chǔ)并無線傳輸至用戶終端7，同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)電源模塊1的智能控制；所述片選模塊沈接受單片機(jī)25控制，用于選通和斷開傳感器節(jié)點(diǎn)5，實(shí)現(xiàn)“喚醒”與“休眠”功能；所述ZigBee無線收發(fā)模塊 27，用于接受用戶終端7指令、無線發(fā)送相應(yīng)測(cè)量數(shù)據(jù)，也可以和相鄰?fù)寥榔拭嫠譁y(cè)量裝置建立路由構(gòu)成無線傳感土壤水分監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)；所述接口電路28包括RS232、RS485等接口電路，可實(shí)現(xiàn)與PC或PDA等的串行數(shù)據(jù)通信；所述數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊四用于存儲(chǔ)土壤含水量反演及非線性補(bǔ)償算法、歷史土壤含水量測(cè)量數(shù)據(jù)等。如圖8所示，為本發(fā)明實(shí)施例的測(cè)量方法流程簡(jiǎn)圖。Sl 根據(jù)實(shí)際土壤水分測(cè)量要求，將單個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)或多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)自由組合裝配，構(gòu)成單桿多節(jié)“竹”形結(jié)構(gòu)的土壤剖面水分測(cè)量裝置。譬如，要實(shí)現(xiàn)對(duì)某作物根系表層10cm、中層20cm、底層40cm三點(diǎn)土壤水分的測(cè)量，則具體裝配有絕緣隔離卡口 13將兩個(gè)金屬片18進(jìn)行徑向隔離和卡嵌固定在絕緣柱體15的表面，絕緣固定卡口 14輔助卡嵌固定，兩個(gè)絕緣固定環(huán)17分別緊固金屬片18的上下防止其位移。絕緣柱體15與第二 PVC絕緣體16順序連接即構(gòu)成單個(gè)“竹節(jié)”，四個(gè)這樣的“竹節(jié)”彼此順序咬合連接構(gòu)成“竹桿”， “竹桿”最上端“竹節(jié)”的絕緣柱體15與第一 PVC絕緣體12咬合連接。將“竹桿”內(nèi)嵌于絕緣套9，連接體8實(shí)現(xiàn)絕緣套9與太陽能電池4下端支撐部位咬合連接，防水堵頭10將絕緣套9最下端堵死。在連接的過程中數(shù)據(jù)排線20將四個(gè)絕緣柱體15內(nèi)嵌的傳感器電路板 19彼此相互連接，將第一 PVC絕緣體12內(nèi)嵌的數(shù)據(jù)采集及處理模塊6和“竹桿”最上端絕緣柱體15內(nèi)嵌的傳感器電路板19相連接；太陽能電池4下端支撐部位內(nèi)嵌電線將太陽能電池4與數(shù)據(jù)采集及處理模塊6連接，天線11由連接體8的圓孔引出。待上述的土壤剖面三點(diǎn)水分測(cè)量裝置裝配好后，首先使用中間圓形兩端帶把柄的夾具咬緊裝置連接體8夾槽，此時(shí)夾具和裝置有機(jī)構(gòu)成“土鉆”。其次，作用“土鉆”使其鉆入土壤，這當(dāng)中夾具朝向裝置螺紋咬緊的方向旋轉(zhuǎn)，待防水堵頭10鉆入一定深度土壤后，再用力下壓裝置，待夾槽恰好位于地平線之上即可。整個(gè)過程實(shí)現(xiàn)了測(cè)量裝置和傳統(tǒng)土鉆的有機(jī)結(jié)合，使得測(cè)量裝置布設(shè)容易，省事省力。當(dāng)然一定要注意“土鉆”鉆入時(shí)避免夾具和裝置的左右晃動(dòng)，確保裝置與土壤緊密接觸，最大程度上杜絕氣隙的存在。待上電復(fù)位作好設(shè)置，具體測(cè)量時(shí)便可實(shí)現(xiàn)對(duì)作物根系表層、中層、底層三點(diǎn)土壤水分的同時(shí)測(cè)量，定點(diǎn)連續(xù)不間斷的自動(dòng)測(cè)量，為作物精確灌溉提供較好的策略依據(jù)。S2 譬如步驟Sl中所述的作物根系表層10cm、中層20cm、底層40cm三點(diǎn)土壤水分的測(cè)量，待裝置鉆入土壤后，首先通過電纜線將PC與數(shù)據(jù)采集及處理模塊6相連進(jìn)行裝置上電復(fù)位靜態(tài)檢查，檢查各電路模塊的故障與否。其次對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)5進(jìn)行設(shè)置①設(shè)置IOcm處傳感器節(jié)點(diǎn)地址地址編碼為al、 20cm處為a2、30cm處為a3，40cm處為a4，通過PC發(fā)送有線測(cè)量指令檢測(cè)裝置是否可以實(shí)現(xiàn)串口通信；通過用戶終端7發(fā)送無線測(cè)量指令檢測(cè)ZigBee無線收發(fā)模塊27的接受和發(fā)送情況。若測(cè)量指令包含節(jié)點(diǎn)地址編碼al、a2、a4，則數(shù)據(jù)采集及處理模塊6 “喚醒”相應(yīng)節(jié)點(diǎn)即IOcm處節(jié)點(diǎn)、20cm處節(jié)點(diǎn)，40cm處節(jié)點(diǎn)開始工作，實(shí)現(xiàn)多節(jié)點(diǎn)的同時(shí)測(cè)量，未被“喚醒”節(jié)點(diǎn)一直處于休眠狀態(tài)直到被“喚醒”，整個(gè)過程不會(huì)消耗電能降低了功耗。②設(shè)置傳感器節(jié)點(diǎn)5工作周期，比如設(shè)置Imin測(cè)量一次，傳感器節(jié)點(diǎn)5的測(cè)量時(shí)間很短，瞬間完成測(cè)量后將處于休眠狀態(tài)，等待下Imin的到來。最后電源模塊1相關(guān)設(shè)置。設(shè)置太陽能電池的充放電深度，比如設(shè)置放電下限為 30%，充電上限為100%，電量竭盡限度為10%。傳感器節(jié)點(diǎn)5的測(cè)量具有間歇式，完成一次測(cè)量，單片機(jī)25對(duì)太陽能電池4與鋰電池2的狀態(tài)作一次監(jiān)控，通過充放電控制器3給出相應(yīng)控制信號(hào)，然后進(jìn)入休眠狀態(tài)，直到下一次測(cè)量周期。比如說監(jiān)控到鋰電池2的剩余電量不足30%，則單片機(jī)25會(huì)作出充電指令允許太陽能電池4實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電，直到鋰電池電量達(dá)到100%。期間傳感器節(jié)點(diǎn)5會(huì)間歇工作，鋰電池2放電的同時(shí)太陽能電池4光伏發(fā)電停止， 即充放電不可以同時(shí)進(jìn)行。再比如由于連續(xù)的陰雨雪天氣，單片機(jī)25監(jiān)控到鋰電池2達(dá)到電量竭盡限度，則會(huì)啟用備用第二鋰電池2，確保鋰電池2的使用壽命與整個(gè)裝置的電源穩(wěn)定供給。傳感器節(jié)點(diǎn)5的喚醒與休眠機(jī)制及單片機(jī)25自身工作特點(diǎn)使得裝置功耗非常低， 加之工作時(shí)間又短，裝置總體平均功耗很低。S3 待步驟S2中所述的作物根系表層10cm、中層20cm、底層40cm三點(diǎn)土壤水分測(cè)量裝置完成檢查與設(shè)置工作。裝置進(jìn)行實(shí)際工作根據(jù)用戶終端7無線測(cè)量指令，當(dāng)一個(gè)測(cè)量周期到來時(shí)，10cm.20cm.40cm處節(jié)點(diǎn)將所采集的測(cè)量數(shù)據(jù)送由數(shù)據(jù)經(jīng)數(shù)據(jù)采集及處理模塊6算法處理、非線性補(bǔ)償轉(zhuǎn)換成土壤體積含水量后存儲(chǔ)至數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊四，再由ZigBee 無線收發(fā)模塊27無線傳輸至用戶終端7，整個(gè)工作周期短。若要進(jìn)行農(nóng)田無線傳感土壤水分監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，則ZigBee無線收發(fā)模塊27可以和相鄰?fù)Y(jié)構(gòu)裝置基于ZigBee建立路由，將數(shù)據(jù)打包處理以接力的方式多跳傳輸至匯聚節(jié)點(diǎn)，再由匯聚節(jié)點(diǎn)傳輸至用戶終端7，即實(shí)現(xiàn)了縱向土壤剖面多點(diǎn)動(dòng)態(tài)含水量和橫向農(nóng)田多點(diǎn)含水量的雙重監(jiān)測(cè)，可靠性強(qiáng)，適合于自動(dòng)、連續(xù)定點(diǎn)的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)。
權(quán)利要求
1.一種太陽能無線土壤剖面水分測(cè)量裝置，包括太陽能電池、天線(11)、傳感器節(jié)點(diǎn)(5)、絕緣套(9)和防水堵頭(10)；其特征在于所述太陽能電池⑷通過充放電控制器 (3)與數(shù)據(jù)采集及處理模塊(6)相連；所述天線(11)與數(shù)據(jù)采集及處理模塊(6)連接；所述絕緣套(9)安裝于所述傳感器節(jié)點(diǎn)( 外，所述絕緣套(9)上端通過連接體(8)與所述太陽能電池(4)連接，所述絕緣套(9)下端與所述防水堵頭(10)連接；所述傳感器節(jié)點(diǎn)(5) 包括兩個(gè)金屬片(18)，所述兩金屬片(18)徑向彼此間隔的固定于絕緣柱體(1 表面，所述兩金屬片(18)分別與傳感器電路板(19)相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的太陽能無線土壤剖面水分測(cè)量裝置，其特征在于，所述傳感器節(jié)點(diǎn)(5)為兩個(gè)及以上，并彼此間隔安裝。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種土壤剖面水分測(cè)量裝置，其特征在于，所述傳感器電路板(19)包括高頻振蕩電路(21)，放大電路(22)，整流電路(23)，分頻電路Q4)；所述高頻振蕩電路是由固定電感、固定電容及所述兩個(gè)金屬片(18)構(gòu)成的可變電容組成的并聯(lián)LC振蕩電路。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的太陽能無線土壤剖面水分測(cè)量裝置，其特征在于，所述數(shù)據(jù)采集及處理模塊(6)包括單片機(jī)(25)、片選模塊06)、ZigBee無線收發(fā)模塊(27)、接口電路08)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊09)；所述片選模塊06)與單片機(jī)05)連接，用于選通和斷開傳感器節(jié)點(diǎn)(5)，實(shí)現(xiàn)“喚醒”與“休眠”功能；所述單片機(jī)05)用于對(duì)所采集測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理、存儲(chǔ)并傳輸至用戶終端(7)；所述ZigBee無線收發(fā)模塊(27)，用于接受用戶終端(7) 指令，測(cè)量數(shù)據(jù)；所述接口電路08)為RS232或RS485接口電路，用于與PC或PDA的串行數(shù)據(jù)通信；所述數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊09)用于測(cè)量數(shù)據(jù)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的太陽能無線土壤剖面水分測(cè)量裝置，其特征在于，所述太陽能電池⑷與充放電控制器(3)、鋰電池⑵組成電源模塊⑴；所述太陽能電池⑷將太陽能轉(zhuǎn)換成電能經(jīng)由充放電控制器C3)存儲(chǔ)于鋰電池；所述充放電控制器(3)與單片機(jī)05)連接，用于對(duì)鋰電池(2)的充電和放電智能控制。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的太陽能無線土壤剖面水分測(cè)量裝置，其特征在于，所述連接體(8)帶有夾槽和圓孔，夾槽用于夾具固定作用裝置，圓孔用于引出天線(11)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種太陽能無線土壤剖面水分測(cè)量裝置。該裝置包括太陽能電池(4)、天線(11)、傳感器節(jié)點(diǎn)(5)、絕緣套(9)、防水堵頭(10)；所述太陽能電池(4)通過充放電控制器(3)與數(shù)據(jù)采集及處理模塊(6)相連；所述傳感器節(jié)點(diǎn)(5)包括兩個(gè)金屬片(18)，所述兩金屬片(18)徑向彼此間隔的固定于絕緣柱體(15)表面，所述兩金屬片(18)分別與傳感器電路板(19)相連。本發(fā)明利用太陽能光伏發(fā)電供給能源，進(jìn)行土壤剖面單點(diǎn)或多點(diǎn)動(dòng)態(tài)含水量的測(cè)量，基于短距離無線通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的無線傳輸，能耗低、可靠性強(qiáng)，可自動(dòng)、連續(xù)定點(diǎn)長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)土壤剖面動(dòng)態(tài)含水量。
文檔編號(hào)G08C17/02GK102419344SQ20111026801
公開日2012年4月18日 申請(qǐng)日期2011年9月13日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月13日
發(fā)明者劉飛, 孔鵬飛, 王新忠, 由婷, 閆潤(rùn), 韓旭 申請(qǐng)人:江蘇大學(xué)