专利名称：多点式土壤水分传感器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及测量技术领域，特别涉及一种利用土壤的介电常数测量土壤水分
的传感器。
背景技术：
农业现代化程度的提高和水资源的短缺对农作物的生长环境提出了更高的要求，
既要保证农作物的用水需求，又不能够造成水资源的浪费，这就需要开发出适合不同作物
需要的农业智能化灌溉控制系统，而高精度、高稳定性和高可靠性并能实时测量土壤水分
的传感器是农业智能化灌溉控制系统得以实现的保证。目前，广泛使用的土壤水分传感器
以多针单点类型为主。但这类传感器由于其自身的结构设计问题在测量土壤水分时存在一
定的局限性。具体来说，虽然这类传感器能够实现土壤水分含量的实时测量，但由于在使用
过程中必须长期掩埋在土壤内，其金属探针易腐蚀，必然会导致测量精度的下降；另外，这
类传感器只能执行单点测量，如果系统要求测量不同深度的土壤水分，就需要设置多个这
类土壤水分传感器，这将给传感器的布设带来很大困难；再者，这类传感器一般处于长期工
作状态，虽然单个传感器的功耗不大，但是多个传感器将累积消耗很大的能量，不利于在太
阳能供电的场合下使用。
实用新型内容本实用新型的目的在于针对现有技术的上述不足，提供一种具有多点测量、实时 唤醒、低功耗和不易腐蚀等特定的多点式土壤水分传感器，实现对土壤水分的实时测量。 为实现本实用新型的上述目的， 一种多点式土壤水分传感器包括 电源单元，为整个传感器供电； 通信单元，接收包括待测土壤深度的用户指令信息，向控制处理单元发送所述信 息以及从其接收水分测量数据并将所述数据反馈给用户； 控制处理单元，将所述用户指令信息发送给节点选择单元，采集并处理由所述节 点选择单元选择连通的传感器节点所输出的频率信号，获得水分测量数据，输出给通信单 元； 节点选择单元，根据来自所述控制处理单元的用户指令信息选择连通节点单元中 相应的传感器节点； 节点单元，包括N个分别对应不同土壤深度的传感器节点，被所述节点选择单元 选择连通的节点将测量获得的高频信号进行放大、整形和分频后输出能被所述控制处理单 元采集的频率信号；其中，N不大于8。 进一步地，还包括定时单元，定时向所述通信单元发送所述用户指令信息。其中，所述电源单元为集成芯片ASM1117 ;所述通信单元为RS485模块或无线模 块；所述控制处理单元为单片机芯片C8051F930 ;所述节点选择单元为芯片CD4051。 其中，每一所述传感器节点包括高频测量电路、放大电路和整形分频电路。
3[0013] 其中，所述高频测量电路为包括环形电容的LC振荡电路。 其中，所述环形电容为两个通过绝缘材料连接的不锈钢圆环。 其中，所述放大电路包括串联的两极放大电路。 其中，所述整形分频电路包括芯片SN74AHCT14和SN74F161。 其中，所述N个传感器节点通过绝缘介质以预定距离依次连接。 其中，每一所述传感器节点制成为圆环状。 与现有技术相比，本实用新型具有以下优势 1.可以同时测量土壤剖面不同深度的土壤水分含量。 2.用户可以定时唤醒所需的传感器节点进行土壤水分含量测量，大大减小了传感 器的功耗。
图1是根据本实用新型的多点式土壤水分传感器的结构图； 图2是根据本实用新型的多点式土壤水分传感器的节点单元的示意图； 图3是根据本实用新型的多点式土壤水分传感器的节点单元的一个传感器节点
中高频电路的连接关系图； 图4是根据本实用新型的多点式土壤水分传感器的节点单元的一个传感器节点 中放大电路的连接关系图； 图5是根据本实用新型的多点式土壤水分传感器的节点单元的一个传感器节点 中整形分频电路的连接关系图。
具体实施方式本实用新型提出的多点式土壤水分传感器，结合附图和实施例说明如下。
如图1所示，根据本实用新型的多点式土壤水分传感器包括 电源单元，为整个传感器的各个单元供电；该电源单元可以为集成线性电源芯片， 其输出电压波纹小，效率高；优选地，为集成芯片ASM1117。 通信单元，向控制处理单元发送包括待测土壤深度的用户指令信息，唤醒控制处 理单元；以及接收来自控制处理单元的测量数据并将其反馈给用户；具体地，所述用户指 令信息可以是用户发送的实时信息，实现实时的土壤水分测量；也可以是通过定时单元 (图中未示出)发送的定时信息，实现定时唤醒和土壤水分的定时测量。优选地，该通信单 元可以为RS485模块或无线模块。 控制处理单元，将所述用户指令信息发送给节点选择单元，采集由所述节点选择 单元所选择连通的传感器节点输出的频率信号，对所述频率信号进行处理标定，获得测量 数据，输出给通信单元；该控制处理单元可以为低功耗的单片机，优选地，为超低功耗单片 机芯片C8051F930。 节点选择单元，根据来自控制处理单元的用户指令连通节点单元中相应的传感器
节点；该节点选择单元可以为集成的多路模拟选择芯片，优选地，为芯片CD4051。 节点单元，被节点选择单元选择连通的传感器节点对测量获得的高频信号进行放
大、整形和分频后输出能被控制处理单元采集的频率信号。[0034] 其中，该节点单元包括多个传感器节点，每一节点分别对应着不同的土壤深度。如 图2所示，本实施例的节点单元包括被制成为圆环状的传感器节点1、传感器节点2、传感器 节点3和传感器节点4，四个节点通过环状绝缘介质以不同的间隔依次连接。实际上，节点 可以根据用户需要进行增减，但最多不超过8个；节点间的距离(即相邻节点间环状绝缘介 质的长度)也可以进行定制。 具体地，每一传感器节点包括高频电路、放大电路以及分频电路。 如图3所示，根据本实用新型的节点单元的传感器节点的高频电路是由2N2222A 型号的三极管Q1，电阻R1、R2、R3、R4，电容Cl、 C2、 C3、 C4，电感Ll以及环形电容Cp组成的 LC振荡电路。其中，环形电容是由两个不锈钢环组成，圆环之间通过绝缘材料隔离。其中， 电阻Rl 、 R2、 R3和R4为LC振荡电路提供合适的静态工作点；电容C2和C3确定LC振荡电 路的正反馈系数，正反馈系数的比值范围可以为1/2 1/8 ;C1为耦合电容；电感L1和电容 C4保证在环形电容Cp接入LC振荡电路前振荡频率为120MHz。 LC振荡电路的频率计算公 式如下 /=^7H m、 其中，L二 Ll，在Cp没有接入电路时，LC振荡电路中的电容为 丄+丄+丄°
C2 C3 C4 由于电容C2远远大于电容C4的容值，电容C3远远大于电容C4的容值，所以电 容C2，C3对振荡频率的影响可以忽略不计。当环形电容Cp接入LC振荡电路后，LC振荡电 路中的电容为C = C4+Cp，由公式(1)可知，此时LC振荡电路的振荡频率降低，为80MHz 120MHz。因此，所述高频信号的中心频率在120MHz左右，电容Cp容值增大时，频率会下降， 频率范围在80-120MHz之间，需要进行放大处理。 如图4所示，根据本实用新型的节点单元的传感器节点的放大电路包括串联的 两级放大电路，第一级放大电路包括金属氧化物半导体场效应管(M0SFET)Q2，优选型号为 2SK241，电阻R5、 R6、 R7， 二级管Dl、二级管D2和电容C6。电阻R5、 R6和R7为放大电路提 供静态工作点，二级管D1、D2为放大电路提供温度补偿，电容C6用于滤波；第二级放大电路 包括三极管Q3，优选型号为2SC2570，电阻R8、 R9、 RIO、 Rll，以及电容C7、C8。电阻R8、R9、 RIO、 Rll为Q3提供合适的静态工作点，使其工作在线形放大区，电容C7、 C8起到隔直流作 用。通过两级放大电路，将由上述高频电路输出的高频小信号放大，以便在整形分频电路中 对频率信号进行整形和分频。 如图5所示，根据本实用新型的整形分频电路包括两个高速集成芯片，优选地，为 SN74AHCT14和SN74F161。芯片SN74AHCT14用于对频率信号进行整形，使正弦信号变成方 波信号，以便于分频；芯片SN74F161用于对该方波信号进行分频，使得分频后的信号能够 被控制处理单元采集。 本实用新型的多点式水分传感器的具体工作过程如下由于节点单元中的环形电 容被土壤包围，土壤含水量的多少会引起土壤介电常数的变化，进而影响环形电容容值的 变化，容值的变化又会引起振荡频率的变化，因此，可以通过测量高频电路中的振荡频率来 测量土壤的水分含量。为了降低功耗，传感器大部分时间处于休眠状态，并不进行土壤水分含量的测量，当外界需要测量土壤水分含量时，用户根据土壤测量深度的要求发送相应的
指令，通过通信单元唤醒控制处理单元，控制处理单元接收用户的指令信息，通过节点选择
单元选通与指定土壤深度相对应的传感器节点中高频电路的电源，该传感器节点就会进入
工作状态，执行测量；由于存在多个节点，用户可以同时选择一个或多个测量点，实现多点
测量；由于设置有定时单元，可以实现实时或定时测量；测量获得的高频信号经过放大电
路和分频电路转换为可以被控制处理单元采集的频率信号，通过控制处理单元的处理和标
定，间接地测量土壤水分的含量，然后，控制处理单元会通过通信模块把测量的数据传送给
用户。此后，传感器节点会在控制处理单元的控制下重新进入休眠状态。 以上实施方式仅用于说明本实用新型，而并非对本实用新型的限制，有关技术领
域的普通技术人员，在不脱离本实用新型的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和
变型，因此所有等同的技术方案也属于本实用新型的范畴，本实用新型的专利保护范围应
由权利要求限定。
权利要求一种多点式土壤水分传感器包括电源单元，为整个传感器供电；通信单元，接收包括待测土壤深度的用户指令信息，向控制处理单元发送所述信息以及从其接收水分测量数据并将所述数据反馈给用户；控制处理单元，将所述用户指令信息发送给节点选择单元，采集并处理由所述节点选择单元选择连通的传感器节点所输出的频率信号，获得水分测量数据，输出给通信单元；节点选择单元，根据来自所述控制处理单元的用户指令信息选择连通节点单元中相应的传感器节点；节点单元，包括N个分别对应不同土壤深度的传感器节点，被所述节点选择单元选择连通的节点将测量获得的高频信号进行放大、整形和分频后输出能被所述控制处理单元采集的频率信号；其中，N不大于8。
2. 如权利要求1所述的多点式土壤水分传感器，其特征在于，还包括定时单元，定时向所述通信单元发送所述用户指令信息。
3. 如权利要求l所述的多点式土壤水分传感器，其特征在于，所述电源单元为集成芯片ASM1117 ;所述通信单元为RS485模块或无线模块；所述控制处理单元为单片机芯片C8051F930 ;所述节点选择单元为芯片CD4051。
4. 如权利要求1所述的多点式土壤水分传感器，其特征在于，每一所述传感器节点包括高频测量电路、放大电路和整形分频电路。
5. 如权利要求3所述的多点式土壤水分传感器，其特征在于，所述高频测量电路为包括环形电容的LC振荡电路。
6. 如权利要求5所述的多点式土壤水分传感器，其特征在于，所述环形电容为两个通过绝缘材料连接的不锈钢圆环。
7. 如权利要求3所述的多点式土壤水分传感器，其特征在于，所述放大电路包括串联的两极放大电路。
8. 如权利要求3所述的多点式土壤水分传感器，其特征在于，所述整形分频电路包括芯片SN74AHCT14和SN74F161。
9. 如权利要求1所述的多点式土壤水分传感器，其特征在于，所述N个传感器节点通过绝缘介质以预定距离依次连接。
10. 如权利要求1-9中任一所述的多点式土壤水分传感器，其特征在于，每一所述传感器节点制成为圆环状。
专利摘要本实用新型提供了一种多点式土壤水分传感器，包括电源单元；通信单元，接收包括待测土壤深度的用户指令信息，向控制处理单元发送所述信息以及从其接收水分测量数据并反馈给用户；控制处理单元，将所述用户指令信息发送给节点选择单元并采集、处理由所述节点选择单元选择的传感器节点所输出的频率信号，获得水分测量数据，输出给通信单元；节点选择单元，根据所述用户指令信息选择连通节点单元中相应的传感器节点；节点单元，被所述节点选择单元选择连通的节点将测量获得的高频信号进行放大、整形和分频后输出能被所述控制处理单元采集的频率信号。本实用新型具有多点测量、实时唤醒、低功耗和不易腐蚀等特点，可以实现对土壤水分的实时测量。
文档编号G01N27/22GK201527407SQ200920246969
公开日2010年7月14日 申请日期2009年11月11日 优先权日2009年11月11日
发明者孙刚, 孟祥勇, 申长军, 邢振, 郑文刚, 鲍锋 申请人:北京市农林科学院