物联网水肥一体化蒸渗仪测量系统的制作方法

本实用新型属于现代农业技术和物联网交叉领域，是物联网信息技术与现代农业技术的结合，特别涉及一种物联网水肥一体化蒸渗仪测量系统。

背景技术：

水肥一体化技术是现代集约化灌溉农业的一个关键因素，尤其在中国这样一个农业大国，一方面是农业用水量的巨大和水资源不足的矛盾要求发展节水农业，测量作物的水分蒸发，研究水分消耗，用以改善农业上对水资源的利用程度，对节约用水的意义重大；另一方面是我国作为化肥消耗大国，土地单位面积施肥量居世界前列，对于化肥的过度使用和生产造成的生态环境恶化，需要实用新型高效的肥料，结合上述两点，水肥一体化的研究对于促进我国农业和经济发展具有重要意义。

蒸渗仪一般是研究作物耗水规律的重要仪器。将蒸渗仪埋设于自然的土壤中，并对其水分进行调控来有效的模拟实际的蒸散过程，在通过称重量的变化，就可得到蒸散量。这种方法在农田蒸散研究中是最为有效和经济的实测方法。现有的蒸渗仪设备和方法中，系统的稳定性不好，测试的精度不高，不能很好的反映当地的植物的耗水规律；在目前的技术方案中很少有将蒸渗仪和水肥一体化研究结合在一起，所以需要研究一种新型的蒸渗仪系统，集高精度传感器、高精度 A/D 转换技术和通讯技术于一体，运用到蒸渗仪测控系统中，提高系统的测试精度，使之能稳定可靠的工作，并且能够方便研究水肥消耗情况，以满足当前的需求。

技术实现要素：

针对上述问题，本实用新型提供了一种物联网水肥一体化蒸渗仪测量系统，该系统针对国内现有精度低、稳定性差的问题，在传统蒸渗仪测量方法基础上，融入了现代物联网技术，着力于研究一种新型高精度电子称重式蒸渗仪，测试精度、稳定性得到改进，以便更好地满足用户的需要，实现了可远程获取现场数据；利用分层传感器获取影响作物生长不同土壤深度的环境信息，获取的数据准确可靠；将获取的数据存入数据库，方便后续数据的分析；能够定期测量作物不同深度根系的肥料消耗量，方便水肥研究。

本实用新型解决上述问题所采用的技术方案是：

一种物联网水肥一体化蒸渗仪测量系统，包括机械组成部分、物联网核心模块、数据传输模块、数据检测模块和远程上位机模块；

所述的机械组成部分包括主缸体，主缸体上端设有水阀，下端设有缸体压力传感器，在主缸体的侧壁上沿主缸体从上到下设有至少三个与主缸体连通的伸出管，伸出管的下端设有容器，容器的下端设有容器压力传感器；在主缸体内插设有对应的传感器安装支架，传感器安装支架上附有传感器；传感器安装支架的个数与伸出管的个数对应，且传感器支架的距离主缸体的深度与伸出管距离主缸体的深度相同；

主缸体内壁上设有内凹的圆环，内凹圆环的个数与伸缩管个数对应，每个伸缩管对应的内凹圆环，在每个内凹圆环上对应设有内圈环，内圈环为弹性材料，且具有断口，内圆环的外侧设有一个外凸的环形腔，环形腔的高度低于内圈环，且环形腔的厚度小于内凹圆环的厚度，环形腔的外壁上设有一个供与伸出管对应的流出孔；

缸体压力传感器主要负责测量主缸体重量的变化；容器负责定期接受由伸出管流出的水肥，容器压力传感器负责测量容器盛放的重量；传感器安装支架负责不同深度各自传感器的布设；传感器安装支架上设有土壤温度检测传感器、土壤张力检测传感器；

所述的物联网核心模块包括中央处理器，与中央处理器连接有电源模块、时钟电路、复位电路、信号转换电路和屏幕显示单元；物联网核心模块一方面负责对上位机送来的指令进行解析，根据指令要求采集数据和按照约定的协议向上位机传送采集到的数据信息，另一方面负责通过屏幕显示单元完成和用户的交互，环境参数信息均可显示在屏幕上，亦可通过手动控制屏幕实时获取现场的环境参数信息和输入作物水肥消耗量；

所述的数据检测模块包括数据采集单元、土壤温度检测传感器、土壤张力检测传感器、缸体重量检测传感器；

所述的数据采集单元包括A/D转换电路和信号调理电路，A/D转换电路主要负责将传感器模拟量转化为数字量；信号调理电路主要负责信号的滤波和转换，将RS485信号转换为TTL信号，保证信号的稳定准确。

所述的数据传输模块包括GPRS DTU，主要负责物联网核心模块和上位机模块之间的通信；所述的远程上位机模块包括数据处理上位机软件、数据库和数据分析展示平台，负责采集指令的发送和数据的存储显示；当数据处理上位机软件发送采集指令后，数据采集模块在物联网核心模块的控制下进行数据采集，之后物联网核心模块将采集到的数据封装上传；数据处理上位机软件在接收到数据后存储至数据库，数据分析展示平台在数据库中读取数据展示。

优选的，所述的伸出管设有三个，设有的传感器安装支架设有三个。

物联网水肥一体化蒸渗仪建模以及测量方法：

建模：

A、选择底部不带有透孔的主缸体，在主缸体外壁底部下端设有一个压力传感器；

B、在主缸体的侧壁上开设至少三个通孔，三个通孔上下设置，每个通孔上连接有一个对应的伸出管并使得伸出管的端部向下；

C、在主缸体的内壁的内凹圆环上嵌入弹性内圆圈，并使环形腔对应到内凹圆环的凹槽内；以及将内圆圈的流出孔对应主缸体的通孔；

D、在主缸体内埋装培养土；

E、在伸出管的对应位置处设有一个传感器支架，并在传感器支架内插设有传感器；

F、在伸出管的下端设有一个容器，容器承接伸出管内流出的液体，并在容器内设有一个容器压力传感器；

G、在主缸体的上方设置一个水阀。

测量：

A、打开水阀，向主容器内注水肥；

B、主容器内下方的缸体压力传感器记录压力的变化，从而根据压力的变化换算到注水肥的质量；并实时记录压力的变化，并通过物联网上传记录；

C、过多的水肥通过伸出管流出，容器压力传感器记录流入量，并通过物联网上传记录；得出渗入时间，渗入量；

D、容器压力传感器不在变化之后，继续记录缸体压力传感器的变化，通过变化可以计算流出水肥蒸量；

A、通过设置传感器支架内的传感器发送信号，并通过物联网传递信号。

本实用新型的有益效果表现在：

（1）本实用新型可有效提高水肥一体化研究效率，方便定期测量作物水分和肥料消耗情况，可以测量作物根系不同深度的水肥消耗量。

（2）本实用新型相对于传统的蒸渗仪设备，具有精度高，自动化采集上传数据、稳定等特点，利用GPRS模块的无线网络传输能力，可以实现远程查看现场数据的功能，同时将数据通过远程服务器储存到数据库，节省人力，减少了人为误差，提高了系统精度，同时数据存储至服务器数据库，方便后续的数据分析。

（3）本实用新型具有土壤墒情检测模块，土壤压力检测模块，土壤温度检测模块，检测了多个影响作物生长的环境因素，将所测数据进行整理分析后，对分析作物长势或者产量和生长环境的影响提供数据支持。

附图说明：

图1为一种物联网水肥一体化蒸渗仪测量系统机械组成框图；

图2为物联网水肥一体化蒸渗仪测量系统原理框图；

图3为内圆环结构示意图；

图4为内圆环的局部剖面图。

具体实施方式

下述未述及的相关技术内容均可采用或借鉴现有技术。

如图1所示，1，缸体压力传感器；2，容器压力传感器；3，主缸体；4，容器；5，40cm伸出管;6，60cm伸出管；7,80cm伸出管；8，水阀；9，40cm传感器安装支架；10,60cm传感器支架；11,80cm传感器支架。

一种物联网水肥一体化蒸渗仪测量系统，包括机械组成部分、物联网核心模块、数据传输模块、数据检测模块和远程上位机模块。

其中：

所述的机械组成部分包括主缸体3，主缸体上端设有水阀8，下端设有缸体压力传感器1，在主缸体3的侧壁上沿主缸体从上到下设有至少三个与主缸体连通的伸出管，本实施例的伸出管设有三个：40cm伸出管5，60cm伸出管6；80cm伸出管7；

伸出管的下端设有容器4，容器4的下端设有容器压力传感器2；在主缸体内插设有对应的传感器安装支架，本实施例的传感器安装支架设有三个：40cm传感器安装支架9；60cm传感器支架10；80cm传感器支架11。

传感器安装支架上附有传感器；传感器安装支架的个数与伸出管的个数对应，且传感器支架的距离主缸体的深度与伸出管距离主缸体的深度相同。

主缸体内壁内壁上设有内凹的圆环，内凹圆环的个数与伸缩管个数对应，每个伸缩管对应的内凹圆环，在每个内凹圆环上对应设有内圈环12，内圈环12为弹性材料，且具有断口，内圆环的外侧设有一个外凸的环形腔，环形腔的高度低于内圈环，且环形腔的厚度小于内凹圆环的厚度，环形腔的外壁上设有一个供与伸出管对应的流出孔；

缸体压力传感器主要负责测量主缸体重量的变化；容器负责定期接受由Xcm伸出管流出的水肥，容器压力传感器负责测量容器盛放的重量；Xcm传感器安装支架负责不同深度各自传感器的布设。

使用时，主缸体重量变化由数据检测模块实时测量传输；系统定期提醒用户打开水阀定时接收Xcm伸出管流出的水肥，用户通过交互屏幕获取容器内重量值；用户可以测量容器内肥料的含量以计算作物根系不同深度肥料的吸收量，然后通过交互屏幕输入到系统内。

如图2所示，一种物联网水肥一体化蒸渗仪测量系统，包括物联网核心模块、数据传输模块、数据检测模块和远程上位机模块。

所述的物联网核心模块包括中央处理器，与中央处理器连接的电源模块，时钟电路，复位电路，信号转换电路和屏幕显示单元。物联网核心模块一方面负责对上位机送来的指令进行解析，根据指令要求采集数据和按照约定的协议向上位机传送采集到的数据信息，另一方面负责通过屏幕显示单元完成和用户的交互，环境参数信息均可显示在屏幕上，亦可通过手动控制屏幕实时获取现场的环境参数信息；中央处理器板采用处理器MSP430F5438A，内含flash存储器，时钟电路，定时器模块电路等外围模块。中央处理器与数据传输模块相连，当信号传输模块收到远程上位机发来的命令信号时，将此命令信号通过信号转换模块分别传送给中央处理器，中央处理器根据命令的具体内容做出响应。屏幕显示单元采用金鹏C系列彩屏，通过中断通讯方式与中央处理器进行信息交互，实现实时显示采集的土壤温度、土壤湿度、土壤压力。本单元与中央微处理器相连，此类型彩屏具有操作简单，功能强大，传输数据准确，速度快等优点。

如图3所示的数据检测模块包括数据采集单元、土壤温度检测传感器、土壤张力检测传感器、缸体重量检测传感器。所述的数据采集单元包括A/D转换电路和信号调理电路，A/D转换电路主要负责将传感器模拟量转化为数字量；信号调理电路如图4所示，主要负责信号的滤波和转换，将RS485信号转换为TTL信号，保证信号的稳定准确；

为提高系统采集精度，A/D转换电路采用FS511模块，系统选用 12V 电源给传感器供电，由于传感器满量程时信号输出为 2mV/V，则传感器输出信号范围为 0～24mV，这比 A/D 的参考电压小很多，为了提高转换精度，应通过运算放大器对信号进行放大，使其电压与 A/D 的参考电压接近（ Vref=VRH-VRL）。

远程上位机模块包括数据处理上位机软件、数据库和数据分析展示平台，负责采集指令的发送和数据的存储显示。当数据处理上位机软件发送采集指令后，数据采集模块在物联网核心模块的控制下进行数据采集，之后物联网核心模块将采集到的数据封装上传；数据处理上位机软件在接收到数据后存储至数据库，数据分析展示平台在数据库中读取数据展示。

上面所述的实施例仅仅是对本实用新型的优选实施方式进行描述，并非对本实用新型的构思和范围进行限定。在不脱离本实用新型设计构思的前提下，本领域普通人员对本实用新型的技术方案做出的各种变型和改进，均应落入到本实用新型的保护范围，本实用新型请求保护的技术内容，已经全部记载在权利要求书中。