一种森林土壤参数测量装置及方法与流程

本发明涉及测量技术领域，更具体地，涉及一种森林土壤参数测量装置及方法。

背景技术：

土壤是森林生态系统重要组成部分,对森林巨大的生态环境效应具有积极意义，是开展精细农林业实践的重要基础。土壤水分、温度和电导率是土壤的重要参数，在作物的生长过程中起到重要作用。

森林土壤水分是森林植物养分运转的载体和溶剂、通气性的调节剂以及土壤中有毒物质的稀释剂,也是土壤径流的供源。土壤水分物理性质常被作为评价土壤质量的重要指标，不仅决定土壤中水、气、热和生物状况，而且影响土壤中植物营养元素的有效性和供应能力。

森林土壤不仅储蓄水分还有水分涵养作用，其作用对森林火灾的防护起到关键作用。森林土壤含水性能取决于枯枝落叶层厚度和分解程度以及土壤厚度和有机质含量。

土壤的温度是指地表以下土壤中的温度，主要指的是与植物生长发育相关的地表浅层的温度。土壤温度影响着微生物的化学反应，进而影响植物的生长发育和产量。一般我们所说的电导率指的是土壤体的电导率，土壤电导率受到土壤物理化学特性综合影响，包括可溶性盐、粘粒含量、矿物质、土壤含水率、容重、有机质及温度。

目前，国内外有多种土壤水分、温度、电导率的测量方法及装置。土壤含水率测量方法大体分为两类，一类是传统测量方法，如烘干法和碳化钙法等；另一类是现代测量方法，如张力计法、近红外法、时域反射法、频域反射法、电容法、中子散射法和热量流动法等。测量土壤温度可以直接将温度计插入到土壤中获得温度或者采用温度敏感元件(如铂电阻、热敏电阻、热电偶、数字式温度传感器)测量。农林业一共有两大类方法用来测量土壤的电导率，一类是化学法，典型代表是土壤浸提液方法；另一类是利用土壤的电气特性测量电导率，包括电磁感应法、时域反射法、电阻法等。基于上述理论国内外已研发出多款土壤水分、土壤温度、土壤电导率传感器，既可以在实验室内测量也可以应用于农田林地测量。土壤水分、温度、电导率之间存在较大的耦合关系，为了更加全面的了解土壤信息，同时获取上述三参数具有重要意义。目前虽然可以使用多个不同传感器测量以获得三个参数，但由于土壤存在空间异质性，即同一土壤类型，不同时间、不同空间上的土壤性质不同。

首先，在使用多个传感器测量时难以保证不同传感器测量同一土壤时处于同一空间，但土壤性质决定了土壤存在空间异形，不同空间土壤本身的差异将导致多个传感器测量误差大、精度低的弊端，另外，多个传感器测量土壤的含水率、温度以及电导率容易引起相互干扰，精度难以保证，如：前一个传感器测量后留下的孔洞会对下一个传感器的测量产生干扰，最后，非集成式的多个传感器在携带和操作时都不便捷，成本也较高。

技术实现要素：

本发明提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的森林土壤参数测量装置及方法。

第一方面，本发明提供一种森林土壤参数测量装置，包括：土壤水分检测模块、土壤电导率检测模块、土壤温度检测模块、电源、电源控制模块、时钟模块和处理器；

所述土壤水分检测模块包括探头，所述土壤电导率检测模块包括所述探头，所述土壤温度检测模块和所述探头安装在一个安装体上；

所述时钟模块和所述处理器连接，用于向所述处理器提供时钟信号；

所述处理器和所述电源控制模块连接，用于根据所述时钟信号向所述电源控制模块输出控制信号；

所述电源分别和所述土壤水分检测模块、土壤电导率检测模块、土壤温度检测模块连接，所述电源控制模块和所述电源连接，用于根据所述控制信号将电源输出给所述土壤水分检测模块和土壤温度检测模块，或输出给所述土壤电导率检测模块和土壤温度检测模块。

优选的，所述安装体包括空心管、三个pvc管和锥形头部；所述探头为双环式探针探头，所述双环式探针探头包括两个金属环探针，所述空心管、一个所述pvc管、一个所述金属环探针、第二个所述pvc管、另一个所述金属环探针、第三个所述pvc管和所述锥形头部依次连接，所述土壤温度检测模块嵌在所述锥形内侧。

优选的，所述土壤水分检测模块还包括：信号源、传输线和检波测量电路；

所述信号源通过所述传输线连接所述探头，所述传输线上的两点连接所述检波测量电路；

所述信号源，用于为所述探头提供入射信号；

所述探头，用于在接收到所述入射信号时反射回部分入射信号，以使反射信号和所述入射信号在所述传输线上叠加形成驻波；所述反射信号为反射回的入射信号；

所述检波测量电路，用于检测形成驻波的传输线上两点的电压。

优选的，所述检波测量电路连接所述处理器；

所述检波测量电路，还用于将所述两点的电压传输至所述处理器；

所述处理器，用于根据所述两点的电压计算土壤含水率。

优选的，所述土壤电导率检测模块还包括芯片，所述芯片的两个管脚连接所述探头；

所述芯片，用于产生并输出预设发射频率的激励信号，并将所述激励信号传输至所述探头，接收所述探头反射回的激励信号，并根据所述反射回的激励信号获取与所述预设发射频率对应的电阻值和电抗值。

所述探头，用于接收并反射回激励信号。

优选的，所述芯片连接所述处理器；

所述芯片，还用于将所述电阻值和电抗值传输至所述处理器；

所述处理器，用于根据所述电阻值和电抗值计算土壤电导率。

优选的，所述土壤温度检测模块连接所述处理器；

所述土壤温度检测模块，用于检测土壤温度，并将所述土壤温度传输至所述处理器；

所述处理器，用于根据所述土壤温度对所述土壤含水率和所述土壤电导率进行修正。

优选的，所述土壤温度检测模块为ds18b20型号的数字温度传感器。

第二方面，本发明还提供一种基于所述的森林土壤参数测量装置的森林土壤参数测量方法，包括：

所述时钟模块向所述处理器提供时钟信号；

所述处理器根据所述时钟信号向所述电源控制模块输出控制信号；

所述电源控制模块根据所述控制信号将电源输出给所述土壤水分检测模块和土壤温度检测模块，或输出给所述土壤电导率检测模块和土壤温度检测模块。

优选的，所述方法还包括：

信号源为所述探头提供入射信号；

所述探头在接收到所述入射信号时反射回部分入射信号，以使反射信号和所述入射信号在所述传输线上叠加形成驻波；所述反射信号为反射回的入射信号；

检波测量电路检测形成驻波的传输线上两点的电压，将所述两点的电压传输至所述处理器；

所述处理器根据所述两点的电压计算土壤含水率。

由上述技术方案可知，本发明的土壤水分检测模块和土壤电导率检测模块的探针复用(共用)，电源控制模块控制分时为土壤水分检测模块和土壤电导率检测模块供电，实现土壤水分检测模块和土壤电导率检测模块分时测量，土壤温度检测模块实时测量，进而可一次性插入本森林土壤参数测量装置即可测量三个土壤参数，避免了多次插入传感器时传感器测量点异位或土壤空间异形所导致的多传感器测量时存在的相互影响、精度低以及误差大问题，且森林土壤参数测量装置体积较使用多个传感器体积小，便于携带，成本低。

附图说明

图1为本发明一实施例的森林土壤参数测量装置的原理框图；

图2为本发明一实施例的土壤水分检测模块的原理框图；

图3为本发明一实施例的土壤电导率检测模块的原理框图；

图4为本发明一实施例的土壤温度检测模块的原理框图；

图5为本发明另一实施例的森林土壤参数测量装置的原理框图；

图6为本发明一实施例的安装体的结构图；

图7为本发明一实施例的森林土壤参数测量方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

图1为本发明一实施例的森林土壤参数测量装置的原理框图。

如图1所示的一种森林土壤参数测量装置，包括：土壤水分检测模块11、土壤电导率检测模块12、土壤温度检测模块13、电源14、电源控制模块15、时钟模块16和处理器17；

所述土壤水分检测模块11包括探头115，所述土壤电导率检测模块包括所述探头115，所述土壤温度检测模块13和所述探头115安装在一个安装体上；

所述时钟模块16和所述处理器17连接，用于向所述处理器17提供时钟信号；

所述处理器17和所述电源控制模块15连接，用于根据所述时钟信号向所述电源控制模块15输出控制信号；

所述电源14分别和所述土壤水分检测模块11、土壤电导率检测模块12、土壤温度检测模块13连接，所述电源控制模块15和所述电源14连接，用于根据所述控制信号将电源14输出给所述土壤水分检测模块11和土壤温度检测模块13，或输出给所述土壤电导率检测模块12和土壤温度检测模块13，以实现分时供电。

可见，本发明的土壤水分检测模块和土壤电导率检测模块的探针复用(共用)，电源控制模块控制分时为土壤水分检测模块和土壤电导率检测模块供电，实现土壤水分检测模块和土壤电导率检测模块分时测量，土壤温度检测模块实时测量，进而可一次性插入本森林土壤参数测量装置即可测量三个土壤参数，避免了多次插入传感器时传感器测量点异位或土壤空间异形所导致的多传感器测量时存在的相互影响、精度低以及误差大问题，且森林土壤参数测量装置体积较使用多个传感器体积小、便于携带、成本低。本发明可获得更加精确有效的含水率、温度、电导率数据，进而为农业生产、林木抚育及生态环境监测的研究奠定基础。

参见图6，为了便于向土壤中插入本森林土壤参数测量装置，作为一种优选实施例，所述安装体包括空心61、三个pvc管和锥形头部63；所述探头115为双环式探针探头，所述双环式探针探头包括两个金属环探针62，所述空心管61、一个所述pvc管、一个所述金属环探针62、第二个所述pvc管、另一个所述金属环探针62、第三个所述pvc管和所述锥形头部63依次连接，所述土壤温度检测模块13嵌在所述锥形内侧。所述空心管可为金属空心管，上述各部分结构之间螺纹连接，方便拆卸，金属空心管外侧套绝缘尼龙管，绝缘尼龙管外侧套所述pvc管和金属环探针。

如图2所示，作为一种优选实施例，所述土壤水分检测模块11还包括：信号源111、传输线112和检波测量电路；

所述信号源111通过所述传输线112连接所述探头115，所述传输线112上的两点连接所述检波测量电路；

所述信号源111，用于为所述探头提供入射信号；

所述探头115，用于在接收到所述入射信号时反射回部分入射信号，以使反射信号和所述入射信号在所述传输线112上叠加形成驻波；所述反射信号为反射回的入射信号；

所述检波测量电路，用于检测形成驻波的传输线112上两点的电压。

实际中，所述两点可取传输线112的两端，即获取两端的电压。

在图2所示的具体实施例中，可包括第一检波测量电路113和第二检波测量电路114，分别测量形成驻波的传输线上a点和b点的电压。在图2所示的具体实施例中，还包括差分放大电路116，第一检波测量电路113和第二检波测量电路114的输出连接所述差分放大电路116；

所述第一检波测量电路113，用于将所述a点的电压传输至所述差分放大电路116；

所述第二检波测量电路114，用于将所述b点的电压传输至所述差分放大电路116；

所述差分放大电路116，用于根据a、b两点的电压，对所述两点的电压进行求差，然后对差值进行放大输出。

在一种具体实施例中，可以100mhz晶振作为信号源111，所述传输线112为同轴传输线。

值得说明的是，所述传输线112可设置在所述安装体的空心管61内，以通过空心管保护所述传输线。

作为一种优选实施例，所述检波测量电路连接所述处理器17；

所述检波测量电路，还用于将所述两点的电压传输至所述处理器17；

所述处理器17，用于根据所述两点的电压计算土壤含水率。

对于具有差分放大电路116的实施例，还可以是所述差分放大电路116的输出连接所述处理器17；

所述差分放大电路116，还用于将求差后获取的电压差传输至所述处理器17；

所述处理器17，用于根据所述电压差计算土壤含水率。

如图3所示，作为一种优选实施例，所述土壤电导率检测模块12还包括芯片，所述芯片的两个管脚连接所述探头；

所述芯片，用于产生并输出预设发射频率的激励信号，并将所述激励信号传输至所述探头，接收所述探头反射回的激励信号，并根据所述反射回的激励信号获取与所述预设发射频率对应的电阻值和电抗值。

所述探头，用于接收并反射回激励信号。

在图3所示的具体实施例中，所述芯片可采用ad5933芯片121。ad5933芯片包括两个运算放大器、gain、lpf、adc、iic接口、1024点dft、振荡器、dds、dac、可调电阻、rbf等。基于“ad5933”芯片上一个最高输出频率100khz的dds来提供正弦波用以激励外部阻抗，激励电流信号(激励信号)变换为电压信号后被ad5933芯片的adc采样，采样结果通过ad5933芯片的dsp进行离散的傅里叶变换。傅里叶变换后返回在这个输出频率(预设发射频率)下得到的实部数据和虚部数据，可以通过下述公式计算出在预设发射频率下的傅里叶变换的模和相角，测量结果正比于被测对象的导纳。

相位＝tan^-1(i/r)

y表示导纳，a表示幅值，z表示阻抗

增益系数为常数，通过导纳计算出阻抗值，电阻率可以通过对已知电导率土壤样品的测定建立阻抗值与电导率关系的数学模型，进而通过数学模型反演计算出土壤电导率。图3中的zl表示土壤的阻抗值。

基于“ad5933”获取表征土壤阻抗特性，进而通过建立阻抗值与电导率关系的数学模型计算出土壤电导率时可有效避免极化现象，防止探针生锈腐烂，进一步延长了本土壤参数测量装置的使用时间。

所述芯片121还可通过直流滤波电路和阻抗匹配电路连接探头，在此不再详述。

作为一种优选实施例，所述芯片连接所述处理器17；

所述芯片，还用于将所述电阻值和电抗值传输至所述处理器17；

所述处理器17，用于根据所述电阻值和电抗值计算土壤电导率。

如图4所示，作为一种优选实施例，所述土壤温度检测模块13连接所述处理器17；

所述土壤温度检测模块13，用于检测土壤温度，并将所述土壤温度传输至所述处理器17；

所述处理器17，用于根据所述土壤温度对所述土壤含水率和所述土壤电导率进行修正。

在图4所示的具体实施例中，所述土壤温度检测模块13为ds18b20型号的数字温度传感器131。ds18b20内部结构主要包括4部分：64位光刻rom、温度传感器、非易失的温度报警触发器th和tl、配置寄存器。全部传感元件及转换电路集成在一个形如三极管的集成电路内。温度测量系统中，采用抗干扰能力强的新型数字温度传感器ds18b20体积小、精度更高、适用电压更宽、采用一线总线、可组网等优点。

如图5所示，作为一种优选实施例，还可包括232通信模块55、gprs数据传输模块54、eeprom存储模块52和sd存储模块53，所述时钟模块16可采用rx8025时钟模块51，所述处理器17可采用stm32f103rbt6处理器17，所述232通信模块55、gprs数据传输模块54、eeprom存储模块52和sd存储模块53均和所述处理器17连接。

eeprom存储模块52存储土壤电导率模型中的阻抗特性匹配因子及其kb值以及电压差-土壤含水率模型中的kb值；

sd存储模块53存储土壤含水率、土壤电导率以及土壤温度。

232通信模块55将处理器17获得的土壤含水率、土壤电导率以及土壤温度由串口信号读取与发送，以实现与外部通讯。

所述gprs数据传输模块54将土壤含水率、土壤电导率以及土壤温度以及当前时刻发送回传给上位机56已保存并分析数据。

本发明可用于测量枯落物层和矿质土壤层的参数。

图7为本发明一实施例的森林土壤参数测量方法的流程图。

如图7所示的一种基于所述的森林土壤参数测量装置的森林土壤参数测量方法，包括：

s71、所述时钟模块向所述处理器提供时钟信号；

s72、所述处理器根据所述时钟信号向所述电源控制模块输出控制信号；

s73、所述电源控制模块根据所述控制信号将电源输出给所述土壤水分检测模块和土壤温度检测模块，或输出给所述土壤电导率检测模块和土壤温度检测模块。

本发明通过控制电源控制模块控制分时为土壤水分检测模块和土壤电导率检测模块供电，实现土壤水分检测模块和土壤电导率检测模块分时测量，土壤温度检测模块实时测量，进而可一次性插入本森林土壤参数测量装置即可测量三个土壤参数，避免了多次插入传感器时传感器测量点异位或土壤空间异形所导致的多传感器测量时存在的相互影响、精度低以及误差大问题，且森林土壤参数测量装置体积较使用多个传感器体积小、便于携带、成本低。本发明可获得更加精确有效的含水率、温度、电导率数据，进而为农业生产、林木抚育及生态环境监测的研究奠定基础。

作为一种优选实施例，所述方法还包括：

信号源为所述探头提供入射信号；

所述探头在接收到所述入射信号时反射回部分入射信号，以使反射信号和所述入射信号在所述传输线上叠加形成驻波；所述反射信号为反射回的入射信号；

检波测量电路检测形成驻波的传输线上两点的电压，将所述两点的电压传输至所述处理器；

所述处理器根据所述两点的电压计算土壤含水率。

在一种具体实施例中，以100mhz晶振作为激励信号源，为待测土壤含水率的检测提供能量；晶振所产生的正弦信号沿着同轴传输线传输到探头，如果探头阻抗与传输线阻抗不同，一部分入射信号被反射回信号源。反射回的信号与入射信号叠加在一起，在传输线上形成驻波并且会产生电压幅值变化；检波测量电路检测传输线两端电压(取传输线上两端的电压)输送给差分放大电路或直接输送给处理器；差分放大电路对传输线两端电压进行求差，然后对差值进行放大输出。

作为一种优选实施例，所述处理器根据所述两点的电压计算土壤含水率，包括：

所述处理器根据所述两点的电压计算电压差；

根据所述电压差，通过电压差-土壤含水率模型计算土壤含水率。

作为一种优选实施例，所述方法还包括：

芯片产生并输出预设发射频率的激励信号，并将所述激励信号传输至所述探头，接收所述探头反射回的激励信号，并根据所述反射回的激励信号获取与所述预设发射频率对应的电阻值和电抗值，并将所述电阻值和电抗值传输至所述处理器；

所述探头反射回激励信号；

所述处理器根据所述电阻值和电抗值计算土壤电导率。

应当注意的是，在本发明的装置的各个部件中，根据其要实现的功能而对其中的部件进行了逻辑划分，但是，本发明不受限于此，可以根据需要对各个部件进行重新划分或者组合，例如，可以将一些部件组合为单个部件，或者可以将一些部件进一步分解为更多的子部件。应该注意的是上述实施例对本发明进行说明而不是对本发明进行限制，并且本领域技术人员在不脱离所附权利要求的范围的情况下可设计出替换实施例。单词“包括”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。本发明可以借助于包括有若干不同元件的硬件以及借助于适当编程的计算机来实现。在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。

以上实施方式仅适于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明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发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。