專利名稱:土壤多參數(shù)測(cè)量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及土壤參數(shù)測(cè)量領(lǐng)域,特別涉及一種土壤多參數(shù)測(cè)量裝置。
背景技術(shù):
對(duì)農(nóng)作物而言,土壤為植物的生長(zhǎng)發(fā)育提供重要的物理支持,為植物生長(zhǎng)供應(yīng)必 需的營(yíng)養(yǎng)、水分和空氣,通過(guò)控制土壤因素可影響植物的生長(zhǎng)和糧食產(chǎn)量。其中水是土壤的 重要組成部分,土壤中各種營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)都是通過(guò)水被植物根系吸收,土壤中有機(jī)、無(wú)機(jī)物質(zhì)的 積累、轉(zhuǎn)化和運(yùn)移,均需水的參與。土壤電導(dǎo)率是反映土壤鹽分等屬性的綜合物理參數(shù),土 壤中鹽分過(guò)高,將導(dǎo)致植物吸水困難,造成生理干旱,甚至使作物逐漸枯萎死亡;并且使植 物吸收營(yíng)養(yǎng)元素的功能失調(diào),干擾植物正常的新陳代謝活動(dòng)。土壤溫度是直接或間接影響 植物生長(zhǎng)和發(fā)育的重要環(huán)境因子,在一定的溫度范圍內(nèi),土壤溫度越高,作物的生長(zhǎng)發(fā)育越 快;植物許多生理過(guò)程(如氣孔導(dǎo)度、蒸騰、養(yǎng)分傳輸和二氧化碳的吸收)都與溫度密切相 關(guān),土壤溫度可以影響植物根系的生長(zhǎng)、呼吸作用及養(yǎng)分吸收等。土壤基質(zhì)勢(shì)是土水勢(shì)的一 個(gè)重要分勢(shì),與土壤含水量結(jié)合可得到土壤水特征曲線,對(duì)分析土壤水的保持與運(yùn)動(dòng)有著 重要作用。近年來(lái),應(yīng)用于農(nóng)田環(huán)境的土壤參數(shù)傳感器已經(jīng)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)展,但應(yīng)用在具 體過(guò)程中的傳感設(shè)備往往只能獲取單種或少數(shù)幾種參數(shù),比如單一的土壤含水率傳感器或 者土壤含水率、電導(dǎo)率雙參數(shù)傳感器,而土壤的復(fù)雜性決定它具有多個(gè)表征參數(shù),并且這些 參數(shù)之間互有影響,所以僅僅一兩個(gè)參數(shù)并不能準(zhǔn)確地描述土壤的一系列特性,從而不能 全面、有效地監(jiān)測(cè)土壤狀況,不利于指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。
發(fā)明內(nèi)容
(一 )要解決的技術(shù)問(wèn)題本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題首先采集不同深度土壤中的各種參數(shù),計(jì)算出土壤基質(zhì) 勢(shì)參數(shù),長(zhǎng)期、全面、有效地監(jiān)測(cè)土壤狀況,指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。( 二 )技術(shù)方案為此,本發(fā)明提供了一種土壤多參數(shù)測(cè)量裝置,包括中空的支撐桿,設(shè)置于所述支 撐桿內(nèi)部的信號(hào)線,設(shè)置于所述支撐桿上的數(shù)據(jù)采集模塊和電源模塊,還包括沿所述支撐桿的長(zhǎng)度方向交替設(shè)置的水分傳感器和溫度傳感器,通過(guò)所述信號(hào)線 與數(shù)據(jù)采集模塊相連接;所述水分傳感器用于測(cè)量土壤電導(dǎo)率和不同深度的土壤含水率, 所述溫度傳感器用于測(cè)量不同深度的土壤溫度,并將測(cè)得的所述土壤含水率、土壤電導(dǎo)率 和土壤溫度通過(guò)信號(hào)線發(fā)送至數(shù)據(jù)采集模塊;所述數(shù)據(jù)采集模塊用于根據(jù)接收到的所述土 壤含水率、土壤電導(dǎo)率和土壤溫度計(jì)算土壤基質(zhì)勢(shì)。所述水分傳感器和溫度傳感器的數(shù)量都為兩個(gè),兩個(gè)所述水分傳感器的四個(gè)電極 組成電導(dǎo)率傳感器,用于測(cè)量土壤電導(dǎo)率。所述數(shù)據(jù)采集模塊根據(jù)下述公式計(jì)算土壤基質(zhì)勢(shì),
3
= 712. 381η (T/T0) +5. 545 (T-T0) -3. 14X IO-3 (T2-T02) +39 σ sp (ffsp ρ b) / ( θ LpL2) (Τ/298)其中為土壤基質(zhì)勢(shì),單位為Jkg—1 ;T為土壤溫度,單位為K ;T0為參考溫度,取 273. 15K ; σ sp為土壤電導(dǎo)率,單位為mS cnT1 ;Wsp為濕度,取典型值為0. 5kg kg—1 ; ob為通過(guò) 事先測(cè)量獲得的土壤容重,單位為kg m-3 ; P L為純水在大氣壓下的密度,取Ikg m_3 ; θ ^為 土壤含水率,單位為cm3cm_3。還包括數(shù)個(gè)絕緣環(huán),設(shè)置在所述水分傳感器和溫度傳感器之間,起隔離作用。其中,所述數(shù)據(jù)采集模塊包括電平轉(zhuǎn)換單元,用于將所述電源模塊的輸出電平轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)采集模塊的工作電 平;單片機(jī)芯片,用于通過(guò)所述信號(hào)線接收所述土壤溫度;信號(hào)調(diào)節(jié)單元,用于通過(guò)所述信號(hào)線接收所述土壤含水率和土壤導(dǎo)電率;存儲(chǔ)單元,用于存儲(chǔ)所述土壤溫度、土壤含水率和土壤導(dǎo)電率。所述數(shù)據(jù)采集模塊還包括無(wú)線收發(fā)單元,用于將所述土壤溫度、土壤含水率和土壤導(dǎo)電率發(fā)送至上位機(jī)。所述電源模塊,包括太陽(yáng)能電池板,用于采集太陽(yáng)能;充放電控制單元,用于將所述太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為電能;蓄電池,用于存儲(chǔ)所述電能。所述電源模塊還包括備用電池,用于當(dāng)所述蓄電池供電不足時(shí)為所述測(cè)量裝置供電。上述技術(shù)方案還可以包括橫桿,通過(guò)螺絲固定在所述支撐桿靠近頂端處,所述橫桿兩端設(shè)置有托板,用于放 置所述數(shù)據(jù)采集模塊,所述數(shù)據(jù)采集模塊的頂端設(shè)置有電源模塊。圓錐,通過(guò)螺紋與所述支撐桿的底端相連接。(三)有益效果本發(fā)明提供的土壤多參數(shù)測(cè)量裝置具有如下有益效果通過(guò)設(shè)置多個(gè)含水率傳感 器、溫度傳感器,并將含水率傳感器復(fù)用為電導(dǎo)率傳感器,能夠測(cè)得土壤的不同深度的多個(gè) 參數(shù);不僅能夠由此計(jì)算出土壤基質(zhì)勢(shì),還為分析土壤水分入滲狀況提供了詳細(xì)的參數(shù),有 利于長(zhǎng)期、全面、有效的檢測(cè)土壤狀況,能更好的指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn);其次,采用太陽(yáng)能方式為傳 感器提供穩(wěn)定持久的能量,不僅能夠保證傳感器的工作,還保護(hù)環(huán)境,節(jié)約能耗;然后,無(wú)線 傳感器的采用,降低了成本,且為遠(yuǎn)距離傳送數(shù)據(jù)提供了便捷的方式。
圖1是本發(fā)明實(shí)施例的土壤多參數(shù)測(cè)量裝置結(jié)構(gòu)示意圖;圖2是本發(fā)明實(shí)施例的電路原理圖。其中,1 支撐桿;2 水分傳感器;3 水分傳感器;4 溫度傳感器;5 溫度傳感 器;6 電導(dǎo)率傳感器;7 絕緣環(huán);8 圓錐;9 橫桿;10 托板;11 螺絲;12 數(shù)據(jù)采集模塊; 121 :電平轉(zhuǎn)換單元;122 單片機(jī)芯片;123 信號(hào)調(diào)節(jié)單元;124 存儲(chǔ)單元;125 無(wú)線收發(fā)單元;13 電源模塊;131 太陽(yáng)能電池板;132 充放電控制單元;133 蓄電池;134 備用電 池。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例,對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式
作進(jìn)一步詳細(xì)描述。以下實(shí)施 例用于說(shuō)明本發(fā)明,但不用來(lái)限制本發(fā)明的范圍。如圖1所示,為本發(fā)明實(shí)施例的土壤多參數(shù)傳感器及其測(cè)量裝置結(jié)構(gòu)示意圖,包 括中空的支撐桿1,設(shè)置于支撐桿1內(nèi)部的信號(hào)線14,設(shè)置于支撐桿1上的數(shù)據(jù)采集模塊 12和電源模塊13,縱向交替設(shè)置于支撐桿1上的兩個(gè)水分傳感器2和3,以及兩個(gè)溫度傳感 器4和5 ;水分傳感器2和3,以及溫度傳感器4和5都通過(guò)信號(hào)線14與數(shù)據(jù)采集模塊12 相連接;其中水分傳感器2和3用于測(cè)量不同深度的土壤含水率,水分傳感器2和3的四 個(gè)電極復(fù)用組成Schlumberger組態(tài)的電導(dǎo)率傳感器6,用于測(cè)量土壤電導(dǎo)率;溫度傳感器 4和5用于測(cè)量不同深度的土壤溫度,水分傳感器2和3,以及溫度傳感器4和5將測(cè)得的 土壤含水率、土壤電導(dǎo)率和土壤溫度通過(guò)信號(hào)線14發(fā)送至數(shù)據(jù)采集模塊12 ;數(shù)據(jù)采集模塊 12根據(jù)接收到的土壤含水率、土壤電導(dǎo)率和土壤溫度計(jì)算土壤基質(zhì)勢(shì)。本實(shí)施例的傳感器都為無(wú)線傳感器。其中溫度傳感器采用DS18B20數(shù)字溫度芯 片,水分傳感器各有兩個(gè)電極,采用介電方法測(cè)量土壤含水率。本實(shí)施例還包括實(shí)心的圓錐8,與支撐桿1同直徑,可以為不銹鋼材料制成,采用 螺紋接口與支撐桿1相連接,支撐桿1為中空的圓柱形不銹鋼管,支撐桿1的底端刻有與圓 錐8的螺紋接口相吻合的螺紋。本實(shí)施例還包括數(shù)個(gè)絕緣環(huán)7,采用聚氯乙烯(Polyvinylchloride,PVC)塑料材 料制作,從靠近支撐桿1最底端處依次嵌入絕緣環(huán),金屬環(huán),絕緣環(huán),金屬環(huán),絕緣環(huán)作為第 一組環(huán),然后向上間距20cm處再依次嵌入絕緣環(huán),金屬環(huán),絕緣環(huán),金屬環(huán),絕緣環(huán)作為第 二組環(huán);其中每組環(huán)上位置最接近支撐桿1底端的絕緣環(huán)縱向最寬,將溫度傳感器4和5分 別安裝在縱向最寬的兩個(gè)絕緣環(huán)上,每組的金屬環(huán)為水分傳感器的電極,水分傳感器2和3 的四個(gè)電極復(fù)用組合成電導(dǎo)率傳感器6 ;信號(hào)線14與金屬環(huán)無(wú)焊連接。本實(shí)施例還可以包括橫桿9,通過(guò)螺絲11固定在靠近支撐桿1頂端處,橫桿9的 兩端設(shè)置有兩個(gè)托板10,托板10用于放置數(shù)據(jù)采集模塊12,數(shù)據(jù)采集模塊12的頂端設(shè)置 有電源模塊13。本實(shí)施例的數(shù)據(jù)采集模塊12在上述五個(gè)傳感器測(cè)量得出五個(gè)土壤參數(shù)的基礎(chǔ) 上,應(yīng)用克拉伯龍公式計(jì)算土壤基質(zhì)勢(shì),具體過(guò)程如下在冰水混合土壤中推廣克拉伯龍公式得到dWL = (λ/!OdT+dWi(1)其中義為水勢(shì),單位為J/kg 為冰勢(shì),單位為J/kg ;T為溫度,單位為K ; λ為 混合水的潛在熱能,單位為kj/kg ;水勢(shì)滲透勢(shì)Π ^與基質(zhì)勢(shì)Il^之和;λ與溫度相關(guān) 且λ (T) = -712. 38+5. 545Τ-6. 28 X ICT3T2(2)以Ttl = 273. 15Κ為參考溫度,將公式(2)代入公式(1)中得到= 712. 381n(T/T0)+5. 545 (T-T0)-3. 14X IO-3 (T2-T02) - Π L (3)
滲透勢(shì)Π L的計(jì)算公式如下Π L = -39 σ sp (Wsp ρ b) / ( θ L ρ L2) (Τ/298)(4)其中Il^為土壤基質(zhì)勢(shì),單位為J kg—1 ;Τ為土壤溫度,單位為K Jtl為參考溫度,取 273. 15Κ; Osp為土壤電導(dǎo)率,單位為mS cnT1 ;Wsp為濕度,取典型值為0. 5kg kg—1 ; Pb為土壤 容重,通過(guò)事先測(cè)量獲得,單位為kg m_3; P ^為純水在大氣壓下的密度,取Ikg為土 壤含水率,單位為cm3cnT3。將公式(4)代入公式(3)中,得到土壤基質(zhì)勢(shì)I的計(jì)算公式= 712. 381η (T/T0) +5. 545 (T-T0) -3. 14Χ 1(Γ3 (T2-T02) (5)+39 σ sp (Wsp ρ b) / ( θ L ρ L2) (Τ/298)至此,根據(jù)土壤含水率、土壤電導(dǎo)率和土壤溫度即可計(jì)算出土壤基質(zhì)勢(shì)。數(shù)據(jù)采集 模塊12還根據(jù)不同深度的土壤溫度得到溫度差,不同深度的土壤含水率得到含水率差。再如圖2所示,為本發(fā)明實(shí)施例的土壤多參數(shù)測(cè)量裝置的電路原理圖,本實(shí)施例 的數(shù)據(jù)采集模塊12包括電平轉(zhuǎn)換單元121、單片機(jī)芯片122、信號(hào)調(diào)節(jié)單元123和存儲(chǔ)單 元124 ;其中電平轉(zhuǎn)換單元121用于將電源模塊13的輸出電平轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)采集模塊12的 工作電平,單片機(jī)芯片122用于通過(guò)信號(hào)線14接收土壤溫度;信號(hào)調(diào)節(jié)單元123用于通過(guò) 信號(hào)線14接收土壤含水率和土壤導(dǎo)電率;存儲(chǔ)單元124用于存儲(chǔ)土壤溫度、土壤含水率和 土壤導(dǎo)電率。數(shù)據(jù)采集模塊12還可以包括無(wú)線收發(fā)單元125,用于將土壤溫度、土壤含水 率和土壤導(dǎo)電率發(fā)送至上位機(jī)。本實(shí)施例的單片機(jī)芯片可以采用MSP430F149,自帶8路12位AD,可實(shí)現(xiàn)不同模式 下的超低功耗運(yùn)行。無(wú)線收發(fā)單元可以采用CC2420,用于向外界發(fā)送測(cè)量得到的信息或接 收控制命令;存儲(chǔ)單元可以為Μ25Ρ80。本實(shí)施例的電源模塊13包括太陽(yáng)能電池板131、充放電控制單元132和蓄電池 133 ;其中太陽(yáng)能電池板131可以為單晶硅太陽(yáng)能電池板,用于在白天接收太陽(yáng)光的輻射, 采集太陽(yáng)能;充放電控制單元132用于將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為電能;蓄電池133用于存儲(chǔ)太陽(yáng)能 轉(zhuǎn)換的電能。還可以包括備用電池134,用于當(dāng)蓄電池133供電不足時(shí)為本發(fā)明的測(cè)量裝置
{共 ο本發(fā)明提供的土壤多參數(shù)測(cè)量裝置具有如下有益效果通過(guò)設(shè)置多個(gè)含水率傳感 器、溫度傳感器,并將含水率傳感器復(fù)用為電導(dǎo)率傳感器,能夠測(cè)得土壤的不同深度的多個(gè) 參數(shù);不僅能夠由此計(jì)算出土壤基質(zhì)勢(shì),還為分析土壤水分入滲狀況提供了詳細(xì)的參數(shù),有 利于長(zhǎng)期、全面、有效的檢測(cè)土壤狀況,能更好的指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn);其次,采用太陽(yáng)能方式為傳 感器提供穩(wěn)定持久的能量,不僅能夠保證傳感器的工作,還保護(hù)環(huán)境,節(jié)約能耗;然后,無(wú)線 傳感器的采用,降低了成本,且為遠(yuǎn)距離傳送數(shù)據(jù)提供了便捷的方式;最后,本發(fā)明在整體 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上將各種傳感器復(fù)合在支撐桿的底端,既實(shí)現(xiàn)了農(nóng)田環(huán)境下“即插即用”的土壤信 息實(shí)時(shí)快捷采集,又實(shí)現(xiàn)了土壤多參數(shù)一體化的測(cè)量。以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式,應(yīng)當(dāng)指出,對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人 員來(lái)說(shuō),在不脫離本發(fā)明技術(shù)原理的前提下,還可以做出若干改進(jìn)和變型,這些改進(jìn)和變型 也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
一種土壤多參數(shù)測(cè)量裝置,包括中空的支撐桿,設(shè)置于所述支撐桿內(nèi)部的信號(hào)線,設(shè)置于所述支撐桿上的數(shù)據(jù)采集模塊和電源模塊,其特征在于,還包括沿所述支撐桿的長(zhǎng)度方向交替設(shè)置的水分傳感器和溫度傳感器,通過(guò)所述信號(hào)線與數(shù)據(jù)采集模塊相連接;所述水分傳感器用于測(cè)量土壤電導(dǎo)率和不同深度的土壤含水率,所述溫度傳感器用于測(cè)量不同深度的土壤溫度,并將測(cè)得的所述土壤含水率、土壤電導(dǎo)率和土壤溫度通過(guò)信號(hào)線發(fā)送至數(shù)據(jù)采集模塊;所述數(shù)據(jù)采集模塊用于根據(jù)接收到的所述土壤含水率、土壤電導(dǎo)率和土壤溫度計(jì)算土壤基質(zhì)勢(shì)。
2.如權(quán)利要求1所述的土壤多參數(shù)測(cè)量裝置,其特征在于,所述水分傳感器和溫度傳 感器的數(shù)量都為兩個(gè),兩個(gè)所述水分傳感器的四個(gè)電極組成電導(dǎo)率傳感器,用于測(cè)量土壤 電導(dǎo)率。
3.如權(quán)利要求1所述的土壤多參數(shù)測(cè)量裝置,其特征在于,所述數(shù)據(jù)采集模塊根據(jù)下 述公式計(jì)算土壤基質(zhì)勢(shì),¥l = 712. 381η (Τ/Τ0) +5. 545 (T-T0) _3· 14 X 1(Γ3 (T2-T02) +39 σ sp (Wsp ρ b) / ( θ L ρ L2) (Τ/298)其中Il^為土壤基質(zhì)勢(shì),單位為J kg—1 ;Τ為土壤溫度,單位為K Jtl為參考溫度,取 273. 15Κ; Osp為土壤電導(dǎo)率,單位為mS cnT1 ;Wsp為濕度,取典型值為0. 5kg kg—1 ; Pb為通過(guò) 事先測(cè)量獲得的土壤容重,單位為kgm—3 ; P L為純水在大氣壓下的密度,取IkgnT3 ; θ ^為土 壤含水率,單位為cm3cnT3。
4.如權(quán)利要求1所述的土壤多參數(shù)測(cè)量裝置,其特征在于,還包括數(shù)個(gè)絕緣環(huán),設(shè)置 在所述水分傳感器和溫度傳感器之間,起隔離作用。
5.如權(quán)利要求1所述的土壤多參數(shù)測(cè)量裝置,其特征在于,所述數(shù)據(jù)采集模塊包括 電平轉(zhuǎn)換單元,用于將所述電源模塊的輸出電平轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)采集模塊的工作電平; 單片機(jī)芯片,用于通過(guò)所述信號(hào)線接收所述土壤溫度;信號(hào)調(diào)節(jié)單元,用于通過(guò)所述信號(hào)線接收所述土壤含水率和土壤導(dǎo)電率; 存儲(chǔ)單元,用于存儲(chǔ)所述土壤溫度、土壤含水率和土壤導(dǎo)電率。
6.如權(quán)利要求5所述的土壤多參數(shù)測(cè)量裝置,其特征在于,所述數(shù)據(jù)采集模塊還包括 無(wú)線收發(fā)單元,用于將所述土壤溫度、土壤含水率和土壤導(dǎo)電率發(fā)送至上位機(jī)。
7.如權(quán)利要求1所述的土壤多參數(shù)測(cè)量裝置,其特征在于,所述電源模塊,包括 太陽(yáng)能電池板,用于采集太陽(yáng)能;充放電控制單元,用于將所述太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為電能; 蓄電池,用于存儲(chǔ)所述電能。
8.如權(quán)利要求7所述的土壤多參數(shù)測(cè)量裝置,其特征在于,所述電源模塊還包括 備用電池,用于當(dāng)所述蓄電池供電不足時(shí)為所述測(cè)量裝置供電。
9.如權(quán)利要求1所述的土壤多參數(shù)測(cè)量裝置,其特征在于,還包括橫桿,通過(guò)螺絲固 定在靠近所述支撐桿頂端處,所述橫桿兩端設(shè)置有托板,用于放置所述數(shù)據(jù)采集模塊,所述 數(shù)據(jù)采集模塊的頂端設(shè)置有電源模塊。
10.如權(quán)利要求1所述的土壤多參數(shù)測(cè)量裝置,其特征在于,還包括圓錐,通過(guò)螺紋與 所述支撐桿的底端相連接。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種土壤多參數(shù)測(cè)量裝置,包括中空的支撐桿,設(shè)置于所述支撐桿內(nèi)部的信號(hào)線,設(shè)置于支撐桿上的數(shù)據(jù)采集模塊和電源模塊,沿所述支撐桿的長(zhǎng)度方向交替設(shè)置的水分傳感器和溫度傳感器,通過(guò)所述信號(hào)線與數(shù)據(jù)采集模塊相連接;所述水分傳感器用于測(cè)量土壤電導(dǎo)率和不同深度的土壤含水率,所述溫度傳感器用于測(cè)量不同深度的土壤溫度,并將測(cè)得的所述土壤含水率、土壤電導(dǎo)率和土壤溫度通過(guò)信號(hào)線發(fā)送至數(shù)據(jù)采集模塊;所述數(shù)據(jù)采集模塊用于根據(jù)接收到的所述土壤含水率、土壤電導(dǎo)率和土壤溫度計(jì)算土壤基質(zhì)勢(shì)。本發(fā)明提供的裝置能夠測(cè)量土壤的多個(gè)參數(shù),計(jì)算出土壤基質(zhì)勢(shì),從而能長(zhǎng)期、全面、有效地檢測(cè)土壤狀況,更好的指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。
文檔編號(hào)G01N27/02GK101936935SQ20101022116
公開日2011年1月5日 申請(qǐng)日期2010年6月29日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月29日
發(fā)明者孫宇瑞, 孟繁佳, 林劍輝, 王聰穎, 盛文溢, 程強(qiáng), 蔡祥 申請(qǐng)人:中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)