本實(shí)用新型屬于土壤信息測(cè)試裝置范圍，特別涉及基于無(wú)線(xiàn)傳輸?shù)木o湊型、低功耗土壤水分自動(dòng)檢測(cè)儀。

背景技術(shù)：

在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，精準(zhǔn)灌溉要求長(zhǎng)期檢測(cè)和及時(shí)獲取田間的土壤水分空間分布信息，這就需要在田間安裝土壤水分測(cè)試裝置。

目前成熟的土壤含水率檢測(cè)方法有TDR(時(shí)域反射法)、FDR(頻域反射法)和SWR(駐波率法)，其中TDR和FDR是國(guó)外的專(zhuān)利技術(shù)，測(cè)量精度比較高，但是由于處理電路復(fù)雜導(dǎo)致成本極高，一臺(tái)TDR高達(dá)數(shù)萬(wàn)美元，一臺(tái)FDR高達(dá)數(shù)千美元；由于每畝水農(nóng)作物每年的平均收益不高，所以上述三種土壤水分傳感器不可能在田間推廣應(yīng)用。

當(dāng)前我國(guó)不管是農(nóng)業(yè)灌溉還是城市綠化用水都是采取很粗放的方式，即憑借經(jīng)驗(yàn)定時(shí)人工灌溉。這種原始的灌溉方式既無(wú)法保證植物正常生活所需水量，同時(shí)又大大浪費(fèi)了寶貴的水資源。而園林綠化用水當(dāng)中常用的人工漫灌方法會(huì)造成土壤表層水流過(guò)快而來(lái)不及滲透到植物根系就順著地形的流動(dòng)形成水洼或流到馬路當(dāng)中造成浪費(fèi)。在各種不同的灌溉系統(tǒng)中，由于土壤表層與其下方的各個(gè)深層含水量的不同，實(shí)時(shí)檢測(cè)不同深度土壤商情信息，根據(jù)作物不同生長(zhǎng)時(shí)期的需水量來(lái)酌量灌溉，這就需要大范圍布設(shè)低成本的土壤水分傳感器，進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，以解決如何既有利于植物的生長(zhǎng)又盡量不浪費(fèi)水資源的問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型的目的是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足提出一種基于無(wú)線(xiàn)傳輸?shù)木o湊型、低功耗土壤水分自動(dòng)檢測(cè)儀；其特征在于，所述土壤水分自動(dòng)檢測(cè)儀的外殼由埋入支撐桿、轉(zhuǎn)換接頭、主板及鋰離子電池固定倉(cāng)和自動(dòng)檢測(cè)儀頂帽依次連接組成，上述各部分之間均保持良好的密閉性，具有防滲水和耐腐蝕性能；在埋入支撐桿底部固定土壤水分自動(dòng)檢測(cè)儀探頭；在自動(dòng)檢測(cè)儀頂帽端部固定2.4GHz全向天線(xiàn)；與轉(zhuǎn)換接頭連接的主板及鋰離子電池固定倉(cāng)內(nèi)設(shè)置固定平臺(tái)，電池及主板平行固定于上面，無(wú)線(xiàn)傳輸模塊與主板固定在一起；自動(dòng)檢測(cè)儀頂帽將主板、鋰離子電池與無(wú)線(xiàn)傳輸模塊密封在外殼內(nèi)；

所述主板上集成了電源控制模塊、控制模塊、時(shí)鐘模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊和無(wú)線(xiàn)傳輸模塊；其中，電源控制模塊分別與控制模塊和數(shù)據(jù)采集模塊連接，數(shù)據(jù)采集模塊分別與控制模塊和傳感器探頭連接，控制模塊分別與時(shí)鐘模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊和無(wú)線(xiàn)傳輸模塊連接，無(wú)線(xiàn)傳輸模塊可遠(yuǎn)程連接到PC上位機(jī)。

所述電源控制模塊由鋰離子電池和電源控制連接構(gòu)成，其電源控制由LT1129-3.3V及LM2575-3.3集成可控穩(wěn)壓電源芯片擔(dān)任。

所述控制模塊選用單片機(jī)MSP430F1611作為主控單元，MSP430F1611與看門(mén)狗、復(fù)位電路依次連接成回路，MSP430F1611再與JTAG接口連接，實(shí)現(xiàn)超低功耗的系統(tǒng)控制。

所述時(shí)鐘模塊選用SD2200ELPI實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片擔(dān)任，以對(duì)沒(méi)有實(shí)時(shí)時(shí)鐘的單片機(jī)MSP430F1611的外部時(shí)鐘支持。

所述數(shù)據(jù)采集模塊選用具有16位高分辨率的ADS1100作為外部A/D轉(zhuǎn)換電路芯片，其可編程增益放大器使得在高分辨情況下能夠采樣到小信號(hào)，且具有低功耗工作模式。

所述數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊采用CH376S作為系統(tǒng)外部SD卡存儲(chǔ)的文件系統(tǒng)管理芯片。使用常用SD卡，滿(mǎn)足大容量存儲(chǔ)。

所述無(wú)線(xiàn)傳輸模塊包括Bluetooth模塊、Zigbee模塊及GPRS模塊；其串口選用MAX3232芯片和藍(lán)牙模塊擔(dān)任近距離通訊；采用Zigbee無(wú)線(xiàn)協(xié)議近距離組網(wǎng)、GPRS通用分組無(wú)線(xiàn)協(xié)議進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸，和藍(lán)牙無(wú)線(xiàn)通訊協(xié)議實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試的組合方式，三者均屬于串行通訊方式；并用一個(gè)模擬開(kāi)關(guān)對(duì)上述三種通訊方式進(jìn)行切換，以達(dá)到分時(shí)傳輸?shù)哪康摹?/p>

本實(shí)用新型的有益效果是設(shè)計(jì)了基于CRC和ARQ協(xié)議的數(shù)據(jù)接收與存儲(chǔ)優(yōu)化算法的土壤水分自動(dòng)檢測(cè)儀，提高了傳感器數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性以及系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性；本土壤水分自動(dòng)檢測(cè)儀結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，低成本。具有如下優(yōu)點(diǎn)：

1.土壤水分自動(dòng)檢測(cè)儀的測(cè)量深度為(可調(diào))；土壤水分測(cè)量范圍為0～100％，測(cè)量精度達(dá)到±3％，工作環(huán)境-30℃～50℃；

2.選擇體積更小的鋰離子電池供電，外觀(guān)更加緊湊，使用更加方便；具有質(zhì)量輕、良好的防滲水和耐腐蝕性；

3.內(nèi)嵌的數(shù)據(jù)采集儀具有在低溫(-30℃)環(huán)境下連續(xù)工作的能力，現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)可以保存3年以上；

附圖說(shuō)明

圖1為土壤水分自動(dòng)檢測(cè)儀結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為土壤水分自動(dòng)檢測(cè)儀控制主板組成框圖。

具體實(shí)施方式

本實(shí)用新型提出基于無(wú)線(xiàn)傳輸?shù)木o湊型、低功耗土壤水分自動(dòng)檢測(cè)儀；下面結(jié)合附圖予以說(shuō)明。

圖1所示為土壤水分自動(dòng)檢測(cè)儀結(jié)構(gòu)示意圖。圖中所示土壤水分自動(dòng)檢測(cè)儀的外殼由埋入支撐桿1、轉(zhuǎn)換接頭2、主板及鋰離子電池固定倉(cāng)3和自動(dòng)檢測(cè)儀頂帽4依次連接組成，外殼為絕緣塑料制作；各連接處密封防水；說(shuō)各部分之間均保持良好的密閉性，具有防滲水和耐腐蝕性能；在埋入支撐桿1端部固定自動(dòng)檢測(cè)儀探頭6(市售)，自動(dòng)檢測(cè)儀探頭6通過(guò)數(shù)據(jù)線(xiàn)與數(shù)據(jù)采集模塊連接；在自動(dòng)檢測(cè)儀頂帽4端部固定2.4GHz全向天線(xiàn)5；與轉(zhuǎn)換接頭2連接的主板及鋰離子電池固定倉(cāng)3內(nèi)設(shè)置固定平臺(tái)10，鋰離子電池7及主板8平行固定在固定平臺(tái)10上面，無(wú)線(xiàn)傳輸模塊9與主板8固定在一起；傳感器頂帽將主板、鋰離子電池與無(wú)線(xiàn)傳輸模塊密封在外殼內(nèi)。

所述主板上集成了電源控制模塊、控制模塊、時(shí)鐘模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊和無(wú)線(xiàn)傳輸模塊；其中，電源控制模塊分別與控制模塊和數(shù)據(jù)采集模塊連接，數(shù)據(jù)采集模塊分別與控制模塊和自動(dòng)檢測(cè)儀探頭連接，控制模塊分別與時(shí)鐘模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊和無(wú)線(xiàn)傳輸模塊連接，無(wú)線(xiàn)傳輸模塊連接PC上位機(jī)；主板上設(shè)置藍(lán)牙和液晶等外圍接口。下面分別予以說(shuō)明：

所述電源控制模塊由鋰離子電池和電源控制連接構(gòu)成，供電系統(tǒng)包括兩路電源，電源子節(jié)點(diǎn)采用單5V鋰離子電池供電，而主節(jié)點(diǎn)采用5V鋰離子電池和太陽(yáng)能循環(huán)供電；第一路為不間斷供電電源，選用LT1129-3.3V作為主控芯片，用來(lái)為采集與處理主板供電；選用LT1129-3.3V輸出3.3V，為控制模塊，時(shí)鐘模塊，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊供電。第二路為可控電源，選用LM2575-3.3集成穩(wěn)壓電源芯片，用來(lái)對(duì)數(shù)據(jù)采集模塊進(jìn)行供電控制，當(dāng)?shù)竭_(dá)數(shù)據(jù)采集時(shí)間時(shí)，單片機(jī)控制接通該路電源，待采集完成后，斷開(kāi)該路電源，以降低系統(tǒng)功耗。

所述控制模塊選用單片機(jī)MSP430F1611作為主控單元，MSP430F1611與看門(mén)狗、復(fù)位電路依次連接成回路，MSP430F1611再與JTAG接口連接，在1.8～3.6V的供電范圍內(nèi)，待機(jī)電流小于1μA。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)工作環(huán)境與微處理器的運(yùn)算速度、功耗等需求，實(shí)現(xiàn)超低功耗的系統(tǒng)控制。

所述時(shí)鐘模塊選用SD2200ELPI實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片擔(dān)任，以對(duì)沒(méi)有實(shí)時(shí)時(shí)鐘的單片機(jī)MSP430F1611的外部時(shí)鐘支持。芯片時(shí)鐘精度為±5ppm，即年誤差小于2.5分鐘；芯片工作電壓范圍為內(nèi)置電池可使用五年左右。

所述數(shù)據(jù)采集模塊選用具有16位高分辨率的ADS1100作為外部A/D轉(zhuǎn)換電路芯片，其工作電壓范圍為最大增益為8的的可編程增益放大器使得在高分辨情況下也能采樣到小信號(hào)，且具有低功耗工作模式。

所述數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊采用CH376S作為系統(tǒng)外部SD卡存儲(chǔ)的文件系統(tǒng)管理芯片。用于單片機(jī)系統(tǒng)讀寫(xiě)U盤(pán)或者SD卡中的文件，SD卡能滿(mǎn)足大容量存儲(chǔ)。CH376S支持三種通訊接口：8位并口、SPI接口或者異步串口，控制器可以通過(guò)以上任何一種通訊接口控制CH376S芯片，存取U盤(pán)或者SD卡中的文件或者與計(jì)算機(jī)通訊。

所述無(wú)線(xiàn)傳輸模塊包括Bluetooth模塊、Zigbee模塊及GPRS模塊；其中Bluetooth模塊主要用于信號(hào)的測(cè)試與實(shí)時(shí)采集；Zigbee模塊主要用于主、子節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)傳輸與通信；GPRS模塊完成主節(jié)點(diǎn)與上位機(jī)的通信，以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制采集的目的。無(wú)線(xiàn)傳輸模塊的數(shù)據(jù)通訊方式由三種組成：即采用Zigbee無(wú)線(xiàn)協(xié)議(近距離組網(wǎng))、GPRS通用分組無(wú)線(xiàn)協(xié)議(遠(yuǎn)距離傳輸)和藍(lán)牙無(wú)線(xiàn)通訊協(xié)議(現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試)的組合方式，三者均屬于串行通訊方式。無(wú)線(xiàn)傳輸模塊中的串口芯片選用的是MAX3232，并用一個(gè)模擬開(kāi)關(guān)對(duì)上述三種通訊方式進(jìn)行切換，以達(dá)到分時(shí)傳輸?shù)哪康摹?/p>

所述藍(lán)牙無(wú)線(xiàn)通訊協(xié)議由藍(lán)牙無(wú)線(xiàn)模塊實(shí)現(xiàn)，使用基于HC-08的藍(lán)牙模塊作為數(shù)據(jù)接收和發(fā)送的載體，空曠地區(qū)藍(lán)牙傳輸?shù)挠行Ь嚯x為10米；建立采集與處理主板與手機(jī)APP之間的聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)手機(jī)APP與土壤墑情土壤水分自動(dòng)檢測(cè)儀的數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)采集，滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試與測(cè)試的需要。

在檢測(cè)土壤墑情時(shí)，將埋入支撐桿1和自動(dòng)檢測(cè)儀探頭6埋入土壤20-30cm處，開(kāi)啟電源控制模塊，給土壤水分自動(dòng)檢測(cè)儀主板上各模塊供電，自動(dòng)檢測(cè)儀探頭6測(cè)量得到土壤含水率數(shù)據(jù)，由數(shù)據(jù)采集模塊采集得到，并通過(guò)模塊ADS1100作A/D轉(zhuǎn)換，將土壤含水量數(shù)據(jù)模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，然后傳輸給控制模塊，控制模塊對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行分析處理，分別發(fā)送給時(shí)鐘模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊和無(wú)線(xiàn)傳輸模塊；無(wú)線(xiàn)傳輸模塊將得到的分析處理的數(shù)字信號(hào)給PC上位機(jī)進(jìn)行顯示、分析及處理。