土壤质量信息监测设备的制作方法

本实用新型涉及农业信息技术领域，尤其涉及一种土壤质量信息监测设备。

背景技术：

土壤作为农业生产的关键载体，关注和提高土壤质量是农业发展的前提。

土壤质量具体可通过检测土壤中水分、温度及可溶性盐浓度(ec)来衡量，现阶段关于这三个参数的测量，多是使用几个传感器进行组合式测量，需分别安装三种传感器，操作复杂。也有研制三参数一体式传感器，但其采用针式结构，作用范围较小，一般仅几立方厘米，感知作用域不具有代表性，导致测得的结果并不准确。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本实用新型实施例提供一种土壤质量信息监测设备。

本实用新型实施例提供一种土壤质量信息监测设备，包括：一体式信号传感器、采集电路、电感器、高频振荡器、分频电路和微控制器；所述一体式信号传感器埋入土壤中，包括电容器和温敏电阻，所述电容器与所述电感器并联构成振荡回路；所述电容器，包括两相互平行的电极，以及固定连接两电极的绝缘件；所述高频振荡器，根据所述振荡回路获取土壤中含水量和可溶性盐浓度，并发送对应的射频信号；所述分频电路，对所述射频信号进行分频后，发送至所述微控制器；所述采集电路，根据所述温敏电阻获取温度信号发送至所述微控制器。

进一步地，所述电感器包括第一电感和第二电感；所述电容器，通过数字开关切换，分别与所述第一电感或所述第二电感并联，构成第一振荡回路或第二振荡回路，所述第一振荡回路用于获取含水量，所述第二振荡回路用于获取可溶性盐浓度。

进一步地，所述分频电路包括串联的射频分频器和数字逻辑分频器。

进一步地，所述电极由金属圆形铜环构成。

进一步地，所述设备还包括通信模块，用于将微控制器获取的土壤质量信息发送到网络。

进一步地，所述设备还包括电源模块，用于向所述微控制器和所述通信模块供电。

进一步地，所述通信模块为窄带物联网通信模块。

进一步地，所述温敏电阻为铂电阻。

本实用新型实施例提供的土壤质量信息监测设备，通过包括电容器和温敏电阻的一体式信号传感器，无需分别安装多种传感器，设备安装过程简单、效率高，维护成本低。电容器包括两相互平行的电极，相比于目前的针式电容，电容器的作用范围更大，感知作用域更具有代表性，从而测得的含水量和可溶性盐浓度更准确。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，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实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型实施例提供的土壤质量信息监测设备流程图；

图2为本实用新型实施例提供的微控制器原理图；

图3为本实用新型实施例提供的土壤温度传感检测原理图；

图4为本实用新型实施例提供的分频电路原理图；

附图标记说明：1.一体式信号传感器；2.采集电路；3.电感器；4.高频振荡器；5.分频电路；6.微控制器；7.电源；8、通信模块；11电容器、12温敏电阻。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

图1为本实用新型实施例提供的土壤质量信息监测设备流程图，如图1所示，本实用新型实施例提供一种土壤质量信息监测设备，包括：一体式信号传感器1、采集电路2、电感器3、高频振荡器4、分频电路5、微控制器6；所述一体式信号传感器1埋入土壤中，包括电容器11和温敏电阻12，所述电容器11与所述电感器2并联构成振荡回路；所述电容器11包括两相互平行的电极，以及固定连接两电极的绝缘件；所述高频振荡器4根据所述振荡回路获取土壤中含水量和可溶性盐浓度，并发送对应的射频信号；所述分频电路5对所述射频信号进行分频后，发送至所述微控制器6；所述采集电路2根据所述温敏电阻12获取温度信号发送至所述微控制器6。

一体式信号传感器1用于采集土壤中含水量、温度和ec值，通过高频振荡器4输出与含水量、ec值成显著相关的频率信号。高频振荡器4可由dds(直接数字频率合成)、vco(压控振荡器)或其他振荡类芯片产生，如mc100el1648。当土壤含水量或ec值发生改变时，电容器之间的等效电容也相应变化，由高频振荡器mc100el1648d输出与土壤水分或ec值相关的频率信号，从而感知周边土壤的水盐变化，再与电感器3相作用，产生随介电特性变化的射频信号，然后通过分频器5分频后发送至微控制器6。最后微控制器6获取到土壤含水量或ec值。

对于含水量和ec值，可分别通过电容器连接不同感抗的电感器来实现。由于高频振荡器4输出的信号频率较高且幅度较小，不适合单片机形式的微控制器6直接读取，需分频和整形，故而采用分频器5。

微控制器6，用于采集土壤含水量、ec值和温度后，实现设备控制、存储等逻辑，可采用c8051f330型号的芯片，图2为本实用新型实施例提供的微控制器原理图，其电路实现如图2所示。其中，rst为复位信号，与p2.0/c2d组成下载程序的接口j2；fin为与含水量或盐分含量相关的数字电信号，temp为与温度相关的电流信号，芯片引脚可参见芯片手册，其它元件可参见图2。

在温度感知方面，温敏电阻12是随温度改变的可变电阻，具体可以为pt100铂电阻，采集电路可由xtr105ua芯片构成。图3为本实用新型实施例提供的土壤温度传感检测原理图，其电路实现如图3所示，其中j8处焊接温敏电阻12，如铂电阻，itemp端输出温度至微控制器6的temp端，vcc为锂电池的电压升压后不低于9v的电压，1n4148为小型的高速开关二极管，三极管q2型号可根据具体需求设置，芯片引脚可参见芯片手册，其它元件可参见图3。

本实施例的土壤质量信息监测设备，通过包括电容器和温敏电阻的一体式信号传感器，无需分别安装多种传感器，设备安装过程简单、效率高，维护成本低。电容器包括两相互平行的电极，相比于目前的针式电容，电容器的作用范围更大，感知作用域更具有代表性，从而测得的含水量和可溶性盐浓度更准确。

基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，所述电感器3包括第一电感和第二电感；所述电容器，通过数字开关切换，分别与所述第一电感或所述第二电感并联，构成第一振荡回路或第二振荡回路，所述第一振荡回路用于获取含水量，所述第二振荡回路用于获取可溶性盐浓度。

具体参见图1，通过同时设置两个电感，在高频(100mhz)时确定土壤水分与信号频率的关系；在较低频(20mhz)时，输出的频率可反映土壤中盐分含量，再通过数字开关进行切换，从而可同时实现含水量和ec值的监测。例如，通过数字开关定时切换，在不同时段分别监测含水量和ec值。

基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，所述分频电路5包括串联的射频分频器和数字逻辑分频器。

考虑到一次分频后得到的信号，频率仍然较高，故采用两级分频器输出至微控制器读取。作为分频器一的射频分频器，可采用mc1205分频器，作为分频器二的数字逻辑分频器，可采用mc14040b分频器。图4为本实用新型实施例提供的分频电路原理图，实现如图4所示，+li_v为锂电池的电池电压；mc12015_in为与含水量或盐分浓度相关的射频信号，经u5后由第2和3脚以32分频输出至u3，再次以32分频输出经r1限流电阻至微控制器第p0.0脚，芯片引脚可参见芯片手册，其它元件可参见图4。

本实施例，通过两次分配，可有效降低振荡器输出信号的频率，并提高其输出信号的幅值，从而使微处理器易于读取含水量和ec值的信号。

基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，所述电极由金属圆形铜环构成。通过焊接两个相同金属圆形铜环与被测土壤形成电容，所感应范围为半径为椭圆体，如设为8cm左右，与目前的针式相比，显著扩大了感应的范围。

基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，所述设备还包括通信模块8，用于将微控制器6获取的土壤质量信息发送到网络。

基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，所述通信模块8为窄带物联网(nb-iot)通信模块。

通讯模块8采用支持nb-iot模块的m5311。为了最大程度的减少功耗，选择的nb-iot模块具有psm(powersavingmode，省电模式)，即功率节省状态，在此种状态下，模块与网络没有任何数据交互，当有消息等待收发时，会保持到离开psm状态，而进入活跃状态时执行。在供电电压为3.8v时，在psm状态下，功率消耗只有平均5ua。

本实施例通过通信模块，可实现实时动态地监测土壤质量信息，并将数据发送至云端，减少现场作业强度。

基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，所述设备还包括电源模块7，用于向所述微控制器6和所述通信模块8供电。

整体供电系统硬件按照分区供电方式来设计，即在硬件设计上，设立供电开关，在被供电模块与供电管理模块之间，执行关断或开启电源操作。设备采用单节大容量锂电池供电，同时支持适配器以及太阳能充电。锂电池容量不低于5000mah。

基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，所述温敏电阻为铂电阻。可参见上述实施例，温敏电阻的电阻经过xtr105ua转变与温度成正比的0-20ma电流信号。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，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实用新型各实施例技术方案的精神和范围。