一种土壤墒情监测系统的制作方法

本实用新型本实用新型涉及一种监测系统，更具体的，涉及一种土壤墒情监测系统。

背景技术：

土壤水是植物吸收水分的主要来源(水培植物除外)，另外植物也可以直接吸收少量落在叶片上的水分。土壤水的主要来源是降水和灌溉水，参与岩石圈-生物圈-大气圈-水圈的水分大循环。

土壤水存在于土壤孔隙中，尤其是中小孔隙中，大孔隙常被空气所占据。穿插于土壤孔隙中的植物根系从含水土壤孔隙中吸取水分，用于蒸腾。土壤中的水气界面存在湿度梯度，温度升高，梯度加大，因此水会变成水蒸汽蒸发逸出土表。蒸腾和蒸发的水加起来叫做蒸散，是土壤水进入大气的两条途径。

耕作层土壤含水量(又称墒)，反映作物在各个生长期土壤水分的供给状况，并直接关系到作物的生长与产量。因此，研究分析水分在作物根系层的分布、变化规律，开展墒情预报，对防旱、排水除涝、调节土壤湿度、合理利用水资源、保证农业高产稳产具有十分重要的意义。土壤含水量补给来源主要是降水量和灌溉水量，它消耗于陆面蒸发(包括土壤蒸发和植物散发)及深层渗透，墒情年内变化规律主要决定于气候、土壤、地质因素和人类活动。不同类型土壤含水量有很大差别。而不同作物在不同生长期对水分的需求又有很大的差异，因此墒情是否适合要视作物需水量、降水量和土壤含水量是否协调而定。

若需要人力经常深入一线去依靠主观的观测、判断水利墒情，不仅费工费时，而且不能做到准确、及时，无法在第一时间将数据、环境的变化通知给监测者，也不利于将长期的数据进行汇总和分析。本实用新型针对上述问题，利用实时、动态的农业物联网信息采集系统，实现快速的信息实时监测，突破信息获取困难与智能化程度低等技术发展瓶颈。

技术实现要素：

本实用新型提出一种土壤墒情监测系统，能够自动化的监测土壤墒情。

并且，本实用新型所提出的监测系统，具有更低的功耗，适宜于野外的监控环境，能够提高使用寿命。

一种土壤墒情监测系统，包括数据中心、数据采集节点，数据采集节点将采集到的与土壤含水状态相关的数据传输给远程的数据中心。优选的，该土壤墒情监测系统是分布式墒情监控系统，

优选的，还包括数据汇聚节点，数据汇聚节点接收至少一个数据采集节点的数据，并将所接收到的数据进一步传输到远程的数据中心。

优选的，所述数据采集节点的至少一部分设置在土壤中。优选的，数据采集节点中的传感器设置在土壤中；更优选的，所述传感器设置在土壤中20-40cm深度位置。优选的，传感器具有-40摄氏度低温环境下工作的能力。

优选的，所述数据采集节点中包括传感器，还包括数据处理和控制电路，数据处理和控制电路中包括电源控制模块、AD数据采集模块，AD数据采集模块用于采集传感器所发送的监测数据，电源控制模块用于控制对数据处理和控制电路、以及传感器的供电。

优选的，所述数据采集节点中电源模块包括第一路电源、第二路电源，第一路电源为采集与处理主板供电，第二路电源为可控电源，为传感器供电。

优选的，所述数据采集节点的数据处理和控制电路还包括控制模块。优选的，控制模块为单片机。优选的，所述单片机输出低电平打开第二路电源为传感器供电，采集工作完成后拉高电平，关闭第二路电源。

优选的，所述数据采集节点的数据处理和控制电路还包括无线数据传输模块。优选的，该无线数据传输模块采用Zigbee模块。

优选的，所述数据汇聚节点中具有无线传输模块。优选的，所述无线传输模块包括Zigbee模块和GPRS模块，其中Zigbee模块用于接收所述数据采集节点所传输的数据，所述GPRS模块用于将所接收到的数据传输给数据中心。

优选的，所述数据汇聚节点中具有数据处理电路、数据存储电路，数据处理电路将所接收到的数据进行处理后汇总存储到数据存储电路。

【附图说明】

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本实用新型提出的土壤墒情监测系统的示意图。

图2是本实用新型中数据采集节点的架构示意图。

【具体实施方式】

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

如图1所示，本实用新型所提出的监测系统，包括数据中心、多个数据采集节点，数据采集节点将采集到的与土壤水状态相关的数据传输给远程的数据中心。

进一步的，所述监测系统还包括数据汇聚节点，数据汇聚节点接收至少一个数据采集节点的数据，并将所接收到的数据进一步传输到远程的数据中心。

所述数据汇聚节点中具有数据处理电路、数据存储电路。所述数据汇聚节点中具有无线传输模块，电源管理模块。优选的，所述数据汇聚节点中的无线传输模块包括Zigbee模块和GPRS模块，其中Zigbee模块用于接收所述数据采集节点所传输的数据，Zigbee模块近距离组网采用Zigbee无线协议(无障碍物情况下的传输距离可以达到1000m)。数据汇聚节点的数据处理电路将所接收到的数据进行处理后汇总存储到数据存储电路。数据汇聚节点中所述GPRS模块用于将所接收到的数据进一步传输给数据中心。数据汇聚节点上的GPRS模组可以将所有子节点(对应的数据采集节点)以及主节点上经过处理的有效数据打包成IP数据包并发送到GPRS网络，再通过GPRS网络与外部网络的接口传送到Internet，并最终到达连接在Internet中的远程监控中心。

整个系统适合不同密度的布设方式，理论上子节点的布设数量没有上限。在无线数传模块中所使用的GPRS模块静态功耗高达10mA，远高于系统处于低功耗状态时的整体功耗。若使其长期处于在线状态，将大大增加系统的整体功耗。因此，将采集系统设置为一主节点多子节点的采集模式。在本系统的设计中，控制GPRS模块供电方式时选用了光电耦合器和继电器。继电器有两路开关，两路开关的一端分别连接12V电源的正、负极，另一端连接无线数传模块电源正、负端，由单片机通过光电耦合器控制继电器两路开关的吸合，达到控制电源通断的目的。

进一步的，数据采集节点中至少一部分设置在土壤中。优选的，数据采集节点中的传感器设置在土壤中；更优选的，所述传感器设置在土壤中20-40cm深度位置。优选的，传感器至少具有-40摄氏度低温环境下工作的能力。数据采集设备具有在低温(-40℃)环境下连续工作的能力，现场数据可以保存3年以上。

本实用新型中的土壤墒情监测系统在每个数据采集子节点中都包含电源模块、控制模块、AD采集模块、无线数据传输模块。在每个数据采集子节点的各模块中均加入了低功耗特性的设计思想，具体说明如下：

数据采集节点包括传感器，还包括数据处理和控制电路，数据处理和控制电路中包括电源控制模块、AD数据采集模块，AD数据采集模块用于采集传感器所发送的监测数据，电源控制模块用于控制对数据处理和控制电路、以及传感器的供电。

在AD数据采集模块中，选用的芯片具有全差分输入、16位分辨率、有自校准功能特点的精密A/D转换器。该芯片使用I2C串行接口以电源电压作用参考电压，片内可编程增益放大器(PGA)可提供最大的为8的增益，因此即使在高分辨情况下也能采样到小信号，同时具有单周期采集的特点。通过实际测算，传感器模组通电后的功耗约占整个系统总功耗的70～80％，而当传感器处于采集状态时，其功耗将增大到静态时的2.5～3倍。针对传感器采集时的高功耗问题，提出了一种可以极大缩短采集周期的技术方案，对芯片设置单次转换工作模式(即单周期工作模式)，该芯片在一次转换结束后自动关闭自身电源，处于该状态的AD消耗的电流极少，因而可减少系统在空闲周期的电流消耗，最大限度的降低了系统的运行功耗，延长了传感器在现场的连续工作时间。其优势是传感器的采集状态仅仅持续AD的一个转换周期，即使此后AD仍然有电流消耗，但是采集过程已经完全停止。依靠这种缩短传感器采集周期的技术方案，可以极大降低整个系统的功耗，有效确保传感器在野外可以工作更长的时间。

所述数据采集节点中电源模块包括第一路电源、第二路电源，第一路电源为采集与处理主板供电，第二路电源为可控电源，为传感器供电。节点中选择体积更小的锂离子电池供电。

通过实际测算，传感器模组通电后的功耗约占整个系统总功耗的70～80％，而当传感器处于采集状态时，其功耗将增大到静态时的2.5～3倍。针对传感器采集时的高功耗问题，提出了一种可以极大缩短采集周期的技术方案，即操作所使用的高精度AD接口芯片在一次转换结束之后马上自动掉电处于空闲状态，处于该状态的AD消耗的电流极少。其优势是传感器的采集状态仅仅持续AD的一个转换周期，即使此后AD仍然有电流消耗，但是采集过程已经完全停止。依靠这种缩短传感器采集周期的技术方案，可以极大降低整个系统的功耗，有效确保传感器在野外可以工作更长的时间。

所述数据采集节点的数据处理和控制电路还包括控制模块。优选的，控制模块为单片机。优选的，所述单片机输出低电平打开第二路电源为传感器供电，采集工作完成后拉高电平，关闭第二路电源。

在控制模块中，选择使用低功耗性能更优的MSP430系列核心芯片。MSP430系列单片机是一种新型的16位单片机，主要特点就是功耗小，速度快。传统的C51单片机，如89C51单片机是8位单片机，其指令是采用的被称为“CISC”的复杂指令集，共有111条指令，电源电压5V，有两种低功耗方式：待机方式和掉电方式。正常情况下消耗的电流为24mA，在掉电状态下，其耗电电流仍为3mA；即使在掉电方式下，电源电压可以下降到2V，但是为了保存内部RAM中的数据，还需要提供约50uA的电流。而MSP430单片机是16位的单片机，采用了精简指令集(RISC)结构，只有简洁的27条指令，大量的指令则是模拟指令，众多的寄存器以及片内数据存储器都可参加多种运算。这些内核指令均为单周期指令，功能强，运行的速度快。MSP430单片机的5种低功耗模式，低功耗模式分别为LPM0～LPM4(LOW POWER MODE)，CPU的活动状态称为AM(ACTVE MODE)模式。其中AM耗电最大，LPM4耗电最省，仅为0.1uA。另外工作电压越低功耗也越低。当系统运行时，在复位之后MSP430进入AM状态。在AM状态，程序可以选择进入任何一种低功耗模式，然后在适当的条件下，由外围模块的中断使CPU退出低功耗模式，返回AM模式，再由AM模式选择进入相应的低功耗模式，如此类推。从而维持系统的低功耗状态。

所述数据采集节点的数据处理和控制电路还包括无线数据传输模块。优选的，该无线数据传输模块采用Zigbee模块。采用Zigbee进行近距离组网的最远(无障碍物)传输距离可以达到1000m。数据采集节点(子节点)将采集到的数据通过功耗较低的Zigbee传入数据汇聚节点(主节点)，主节点接收到数据后每天定点通过GPRS发送到上位机上，从而减少了子节点设备上的功耗。同时，在电路设计中通过驱动继电器的方式，加入了对无线数传模块的上电时间的控制，传输数据时，打开其供电电源等待其上线，数据发送成功或超出预计上电时间时关闭供电电源。从而实现降低功耗的目的。

本实用新型提出了在采集数据时对高精度AD接口芯片进行单周期操作的技术方案，最大限度的降低了系统的运行功耗，延长了传感器在现场的连续工作时间。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围。