基于无线传输的紧凑型、低功耗土壤水分自动检测仪的制作方法

本实用新型属于土壤信息测试装置范围，特别涉及基于无线传输的紧凑型、低功耗土壤水分自动检测仪。

背景技术：

在农业生产中，精准灌溉要求长期检测和及时获取田间的土壤水分空间分布信息，这就需要在田间安装土壤水分测试装置。

目前成熟的土壤含水率检测方法有TDR(时域反射法)、FDR(频域反射法)和SWR(驻波率法)，其中TDR和FDR是国外的专利技术，测量精度比较高，但是由于处理电路复杂导致成本极高，一台TDR高达数万美元，一台FDR高达数千美元；由于每亩水农作物每年的平均收益不高，所以上述三种土壤水分传感器不可能在田间推广应用。

当前我国不管是农业灌溉还是城市绿化用水都是采取很粗放的方式，即凭借经验定时人工灌溉。这种原始的灌溉方式既无法保证植物正常生活所需水量，同时又大大浪费了宝贵的水资源。而园林绿化用水当中常用的人工漫灌方法会造成土壤表层水流过快而来不及渗透到植物根系就顺着地形的流动形成水洼或流到马路当中造成浪费。在各种不同的灌溉系统中，由于土壤表层与其下方的各个深层含水量的不同，实时检测不同深度土壤商情信息，根据作物不同生长时期的需水量来酌量灌溉，这就需要大范围布设低成本的土壤水分传感器，进行实时监控，以解决如何既有利于植物的生长又尽量不浪费水资源的问题。

技术实现要素：

本实用新型的目的是针对现有技术的不足提出一种基于无线传输的紧凑型、低功耗土壤水分自动检测仪；其特征在于，所述土壤水分自动检测仪的外壳由埋入支撑杆、转换接头、主板及锂离子电池固定仓和自动检测仪顶帽依次连接组成，上述各部分之间均保持良好的密闭性，具有防渗水和耐腐蚀性能；在埋入支撑杆底部固定土壤水分自动检测仪探头；在自动检测仪顶帽端部固定2.4GHz全向天线；与转换接头连接的主板及锂离子电池固定仓内设置固定平台，电池及主板平行固定于上面，无线传输模块与主板固定在一起；自动检测仪顶帽将主板、锂离子电池与无线传输模块密封在外壳内；

所述主板上集成了电源控制模块、控制模块、时钟模块、数据采集模块、数据存储模块和无线传输模块；其中，电源控制模块分别与控制模块和数据采集模块连接，数据采集模块分别与控制模块和传感器探头连接，控制模块分别与时钟模块、数据存储模块和无线传输模块连接，无线传输模块可远程连接到PC上位机。

所述电源控制模块由锂离子电池和电源控制连接构成，其电源控制由LT1129-3.3V及LM2575-3.3集成可控稳压电源芯片担任。

所述控制模块选用单片机MSP430F1611作为主控单元，MSP430F1611与看门狗、复位电路依次连接成回路，MSP430F1611再与JTAG接口连接，实现超低功耗的系统控制。

所述时钟模块选用SD2200ELPI实时时钟芯片担任，以对没有实时时钟的单片机MSP430F1611的外部时钟支持。

所述数据采集模块选用具有16位高分辨率的ADS1100作为外部A/D转换电路芯片，其可编程增益放大器使得在高分辨情况下能够采样到小信号，且具有低功耗工作模式。

所述数据存储模块采用CH376S作为系统外部SD卡存储的文件系统管理芯片。使用常用SD卡，满足大容量存储。

所述无线传输模块包括Bluetooth模块、Zigbee模块及GPRS模块；其串口选用MAX3232芯片和蓝牙模块担任近距离通讯；采用Zigbee无线协议近距离组网、GPRS通用分组无线协议进行远距离传输，和蓝牙无线通讯协议实现现场调试的组合方式，三者均属于串行通讯方式；并用一个模拟开关对上述三种通讯方式进行切换，以达到分时传输的目的。

本实用新型的有益效果是设计了基于CRC和ARQ协议的数据接收与存储优化算法的土壤水分自动检测仪，提高了传感器数据采集的准确性以及系统运行的可靠性；本土壤水分自动检测仪结构简单，低成本。具有如下优点：

1.土壤水分自动检测仪的测量深度为(可调)；土壤水分测量范围为0～100％，测量精度达到±3％，工作环境-30℃～50℃；

2.选择体积更小的锂离子电池供电，外观更加紧凑，使用更加方便；具有质量轻、良好的防渗水和耐腐蚀性；

3.内嵌的数据采集仪具有在低温(-30℃)环境下连续工作的能力，现场数据可以保存3年以上；

附图说明

图1为土壤水分自动检测仪结构示意图。

图2为土壤水分自动检测仪控制主板组成框图。

具体实施方式

本实用新型提出基于无线传输的紧凑型、低功耗土壤水分自动检测仪；下面结合附图予以说明。

图1所示为土壤水分自动检测仪结构示意图。图中所示土壤水分自动检测仪的外壳由埋入支撑杆1、转换接头2、主板及锂离子电池固定仓3和自动检测仪顶帽4依次连接组成，外壳为绝缘塑料制作；各连接处密封防水；说各部分之间均保持良好的密闭性，具有防渗水和耐腐蚀性能；在埋入支撑杆1端部固定自动检测仪探头6(市售)，自动检测仪探头6通过数据线与数据采集模块连接；在自动检测仪顶帽4端部固定2.4GHz全向天线5；与转换接头2连接的主板及锂离子电池固定仓3内设置固定平台10，锂离子电池7及主板8平行固定在固定平台10上面，无线传输模块9与主板8固定在一起；传感器顶帽将主板、锂离子电池与无线传输模块密封在外壳内。

所述主板上集成了电源控制模块、控制模块、时钟模块、数据采集模块、数据存储模块和无线传输模块；其中，电源控制模块分别与控制模块和数据采集模块连接，数据采集模块分别与控制模块和自动检测仪探头连接，控制模块分别与时钟模块、数据存储模块和无线传输模块连接，无线传输模块连接PC上位机；主板上设置蓝牙和液晶等外围接口。下面分别予以说明：

所述电源控制模块由锂离子电池和电源控制连接构成，供电系统包括两路电源，电源子节点采用单5V锂离子电池供电，而主节点采用5V锂离子电池和太阳能循环供电；第一路为不间断供电电源，选用LT1129-3.3V作为主控芯片，用来为采集与处理主板供电；选用LT1129-3.3V输出3.3V，为控制模块，时钟模块，数据存储模块供电。第二路为可控电源，选用LM2575-3.3集成稳压电源芯片，用来对数据采集模块进行供电控制，当到达数据采集时间时，单片机控制接通该路电源，待采集完成后，断开该路电源，以降低系统功耗。

所述控制模块选用单片机MSP430F1611作为主控单元，MSP430F1611与看门狗、复位电路依次连接成回路，MSP430F1611再与JTAG接口连接，在1.8～3.6V的供电范围内，待机电流小于1μA。结合现场工作环境与微处理器的运算速度、功耗等需求，实现超低功耗的系统控制。

所述时钟模块选用SD2200ELPI实时时钟芯片担任，以对没有实时时钟的单片机MSP430F1611的外部时钟支持。芯片时钟精度为±5ppm，即年误差小于2.5分钟；芯片工作电压范围为内置电池可使用五年左右。

所述数据采集模块选用具有16位高分辨率的ADS1100作为外部A/D转换电路芯片，其工作电压范围为最大增益为8的的可编程增益放大器使得在高分辨情况下也能采样到小信号，且具有低功耗工作模式。

所述数据存储模块采用CH376S作为系统外部SD卡存储的文件系统管理芯片。用于单片机系统读写U盘或者SD卡中的文件，SD卡能满足大容量存储。CH376S支持三种通讯接口：8位并口、SPI接口或者异步串口，控制器可以通过以上任何一种通讯接口控制CH376S芯片，存取U盘或者SD卡中的文件或者与计算机通讯。

所述无线传输模块包括Bluetooth模块、Zigbee模块及GPRS模块；其中Bluetooth模块主要用于信号的测试与实时采集；Zigbee模块主要用于主、子节点之间的数据传输与通信；GPRS模块完成主节点与上位机的通信，以实现远程控制采集的目的。无线传输模块的数据通讯方式由三种组成：即采用Zigbee无线协议(近距离组网)、GPRS通用分组无线协议(远距离传输)和蓝牙无线通讯协议(现场调试)的组合方式，三者均属于串行通讯方式。无线传输模块中的串口芯片选用的是MAX3232，并用一个模拟开关对上述三种通讯方式进行切换，以达到分时传输的目的。

所述蓝牙无线通讯协议由蓝牙无线模块实现，使用基于HC-08的蓝牙模块作为数据接收和发送的载体，空旷地区蓝牙传输的有效距离为10米；建立采集与处理主板与手机APP之间的联系，实现手机APP与土壤墒情土壤水分自动检测仪的数据传输，实现数据的现场实时采集，满足现场调试与测试的需要。

在检测土壤墒情时，将埋入支撑杆1和自动检测仪探头6埋入土壤20-30cm处，开启电源控制模块，给土壤水分自动检测仪主板上各模块供电，自动检测仪探头6测量得到土壤含水率数据，由数据采集模块采集得到，并通过模块ADS1100作A/D转换，将土壤含水量数据模拟信号转换为数字信号，然后传输给控制模块，控制模块对数字信号进行分析处理，分别发送给时钟模块、数据存储模块和无线传输模块；无线传输模块将得到的分析处理的数字信号给PC上位机进行显示、分析及处理。