一种同步监测河岸带土体温度和水分的设备的制作方法

1.本发明属于生态监测技术领域，更具体地，涉及一种同步监测河岸带土体温度和水分的设备。


背景技术：

2.生态护坡，是综合工程力学、土壤学、生态学和植物学等学科的基本知识对斜坡或边坡进行支护，形成由植物或工程和植物组成的综合护坡系统的护坡技术。生态边坡形成以后，通过种植植物，利用植物与岩、土体的相互作用(根系锚固作用)对边坡表层进行防护、加固，使之既能满足对边坡表层稳定的要求，又能恢复被破坏的自然生态环境，是一种有效的护坡、固坡手段。因此，实时掌握边坡土壤中水含量等信息，对于研究边坡植被生长特点，以及预防水雨情导致的边坡水土流失和坍塌等险情具有重要意义。
3.现有技术中使用土壤墒情仪来监测土壤环境当前的水含量、温度、可溶性盐浓度等信息。常见的土壤墒情仪中往往设置有多组传感器，每一传感器均需要通过两根导线，由土壤墒情仪的壳体内部引出至壳体外部，再与控制模块连接，以传输检测数据，密封性能不好，不能有效防水。这些墒情仪虽能满足普通科研农田的监测，但对于特殊场景的应用，例如河湖洲滩湿地，其防水往往不满足防护等级ip68；同时由于实时回传数据的功耗较大，内置电池电量受限、且更换不变，需要外置太阳能、采集设备等附件，集成化程度不高。
4.现有的土壤水分测量方法大多为烘干法、时域反射法(tdr)和频域法。烘干法虽然能较准确地获得土壤水分含量,但工作量大,耗时耗力,不能实现土壤水分实时连续监测。受方法的制约,布设站点密度和监测频次不可能很高。时域反射法(tdr)和频域法是现在土壤水分自动监测最常用的两种技术方法,技术相对成熟、精度较高、便于携带。通过测量土壤中的水和其他介质介电常数之间差异的原理并采用时域反射测试技术测量土壤含水量的方法，具有无需标定，测量精确、快速等优点，但是价格昂贵。频域法包括频域分解法(fd)、驻波法(swr)、频域反射法(fdr)，应用了被测介质中表观介电常数随土壤含水量变化而变化的原理测量土壤含水量，是精度高、快速准确、定点连续、少标定的优质测量方法，且价格便宜。


技术实现要素：

5.针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种同步监测河岸带土体温度和水分的设备，本发明的设备采用全封闭结构，防护等级达到ip68；内置采集通讯模块和u盘，既能上传平台又能将数据保存至本地备份；低功耗设计并有检测电源控制降低功耗，定时休眠，方便维护，设置有倾角仪，适用于河湖滨水带岸坡土体监测；内置gps定位，监测事故位置，带有蜂鸣器警报器并能实时上传报警信息。
6.为实现以上目的，本发明提供的具体技术方案为：
7.一种同步监测河岸带土体温度和水分的设备，所述设备为管式结构，其包括外部管身及管帽，所述管身一端封闭一端开口，开口端与所述管帽可拆卸连接，所述管身内置硬
件电路、多层温度传感器、多层湿度传感器、倾角仪、可充电电池及移动存储设备，所述管身外部间隔设置有温度探头；所述移动存储设备与所述可充电电池设置在所述管身开口端，打开所述管帽，即可进行更换。
8.进一步的，所述设备采用内外两层密封设计，所述硬件电路分为主控板与检测板，所述管身包括内管，所述内管完全密封，所述温度传感器、湿度传感器、倾角仪、硬件电路均设置在所述内管内，防止电路工作部分进水，所述电池与所述主控板间通过防水接头连接置于顶部，u盘插在主控板预留的槽内；所述管身与所述管帽连接处采用螺纹连接，并用o型圈实现外层密封。本发明装置防护等级达到ip68，耐水压0.7mpa，满足特殊场合的监测要求。
9.进一步的，所述移动存储设备可为u盘。
10.进一步的，所述管身上的温度探头与土壤直接接触，传导温度至传感器，测量精确、灵敏度高。
11.进一步的，所述设备安装有gps定位。
12.进一步的，当所述倾角仪检测到的倾斜角度大于一定值时，通讯模块发出警报，报告倾斜角度及位置信息。
13.进一步的，所述设备安装有防盗蜂鸣器，若有人擅动则发出警报声提醒，并通过gps定位所在位置。
14.进一步的，所述湿度传感器采用fdr湿度传感器，发射1g高频电磁波测量土壤中的介电常数，检测土壤含水率。
15.进一步的，所述主控板通过内部接口控制所述检测板工作并获取对应检测结果，将结果整理后通过有线/无线通讯方式进行上报。采集的数据保存本地并通过内置通讯电路传输，实现土壤墒情的实时监测本地存储和平台上报防止数据丢失。
16.进一步的，所述设备具有定时休眠的功能。
17.本发明的有益效果为：
18.1，本发明设备采用密封设计，防护等级达到ip68，耐水压0.7mpa，能够满足特殊场合的监测要求；
19.2，本发明设备内置电池，采集模块与通讯模块，集成程度高，不需安装其他附件；
20.3，本发明设备设置有可更换的电池与移动存储设备；
21.4，本发明设备安装有防盗蜂鸣器，若有人擅动则发出警报声提醒，并通过gps定位所在位置。
22.5，具有低功耗设计并有检测电源控制降低功耗，定时休眠，方便维护；
23.6，本发明设备设置有倾角仪，适用于河湖滨水带岸坡土体监测；内置gps定位，监测事故位置，带有蜂鸣器警报器并能实时上传报警信息。
附图说明
24.图1为本发明设备外部结构示意图；
25.图2为本发明设备内部结构示意图；
26.图3为主控板与电池连接方式示意图；
27.图4为主控板与u盘之间的连接方式示意图；
28.图5为温度探头与温度传感器之间的连接结构示意图；
29.图6为传感器标定实验装好土的土桩；
30.图7为盛放土桩中土的铝盒；
31.图8为传感器标定结果；
32.图9为设备现场埋设图片；
33.图10为土体水分连续监测；
34.图11为土体温度连续监测。
35.其中，1-管帽，2-管身，3-温度探头，4-可拆卸充电电池，5-u盘，6-主控板，7-湿度传感器，8-o型圈，9-主控线，10-防水接头，11-电池电缆，12-u盘槽，13-内管，14-电路板，15-温度传感器，16-弹簧，17-管壁，18-螺栓。
具体实施方式
36.下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
37.应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
38.实施例一
39.如图1所示，本发明设计了一种同步监测河岸带土体温度和水分的设备，其包括管身2及管帽1，所述管身2一端封闭一端开口，开口端与所述管帽1可拆卸连接，所述管身2内置多层温度传感器、多层湿度传感器7、倾角仪、可充电电池4、u盘5及通讯电路，所述管身2外部间隔设置有温度探头3；所述u盘5与所述可充电电池4设置在所述管身2开口端，打开所述管帽1，即可进行更换。
40.所述设备采用内外两层密封设计，所述管身2包括内管13，所述内管13完全密封，所述温度传感器15、湿度传感器7、倾角仪、电路板14等均设置在所述内管13内，防止电路工作部分进水，实现内层密封；所述管身2与所述管帽1连接处采用螺纹与o型圈8实现外层密封。本发明装置防护等级达到ip68，耐水压0.7mpa，满足特殊场合的监测要求。
41.如图3所示，电池线11与主控线9的连接处设置有防水接头10。
42.如图5所示，所述管身2上的温度探头为螺栓19，其安装在管壁18上，并与土壤直接接触，通过弹簧17传导温度至温度传感器16，测量精确、灵敏度高。
43.在一个实施例中，所述设备内还安装有gps定位。
44.在一个实施例中，当所述倾角仪检测到的倾斜角度大于一定值时，所述通讯电路发出警报，报告倾斜角度及位置信息。
45.在一个实施例中，所述设备安装有防盗蜂鸣器，若有人擅动则发出警报声提醒，并通过gps定位所在位置。
46.在一个实施例中，湿度传感器7采用fdr湿度传感器，发射1g高频电磁波测量土壤中的介电常数，检测土壤含水率。
47.在一个实施例中，硬件电路分为主控板与检测板，所述主控板通过内部接口控制所述检测板工作并获取对应检测结果，将结果整理后通过有线/无线通讯方式进行上报。采集的数据保存本地并通过内置通讯电路传输，实现土壤墒情的实时监测本地存储和平台上报防止数据丢失。
48.在一个实施例中，所述设备具有定时休眠的功能。
49.传感器标定实验
50.标定是传感器开发中的一个重要环节。干燥法测量含水率准确度较高，各行业一般用其结果作为含水率分析的标准，本文采用干燥法对传感器进行标定。
51.本次实验测试土样为砂质壤土。除去土样中的石子、草根等杂质，筛选后的土壤盛放于不锈钢托盘置于干燥箱内干燥，干燥箱温度为105℃，干燥时间12h以上。干燥后取出托盘，自然冷却至室温(20℃)。
52.准备10个空桶，标注1～10号。向1～10号空桶内各放入约4.5kg干燥后的土壤(约3500ml)，制成1～10号土柱。首先将1号土柱内的土壤倒入不锈钢盆内，用电子秤称不锈钢盆和盛放其中的土壤质量。一边用喷壶向土壤表面喷水，一边用铁铲搅拌土壤使水土混合均匀，直至不锈钢盆和土壤质量增加一定含量的水，充分拌匀后再将土壤放回1号土柱，回填时在土柱中央附近放置测量导管。整个过程中应尽量减少土壤的损失，以降低测量误差。重复以上操作，将各土柱内土壤压实，用密封袋密封，静置24h以上，使得土壤内水分进一步充分均匀。
53.将传感器探头缓慢插入1号土柱导管，使探头完全置于土壤中，查看并记录传感器探头的测量值。将探头缓慢从导管中取出，在水平方向略微旋转一个角度，再次将探头插入导管，记录测量值。如此重复5次完成1号土柱的测量，得到了5个测量值。对2～10号土柱依相同过程完成测量。用刀分别从1～10号土柱内取约25ml土壤，分别放入对应编号的铝盒中，用电子秤测量1～10号容器质量m
1i
(i＝1，2，
…
，10)。铝盒质量为m。
54.放入干燥箱内，以105℃干燥12h以上，至10个容器质量不再变化。干燥完毕后，再用电子秤测量1～10号容器质量m
2i
(i＝1，2，
…
，10)。
55.土壤含水率计算公式为
[0056][0057]
进行三次多项式拟合，得到标定曲线。
[0058]
y＝(x*x*x*0.00000015885-x*x*0.0013219+3.6772*x-3413)/100
[0059]
式中y—土壤含水率；
[0060]
x—传感器中分频器的输出频率周期；
[0061]
可以得出测量结果与土壤含水率有较好的相关性。
[0062]
上述关系式中拟合系数可能存在土质不同而不同的情况。
[0063]
需要说明的是，根据上述说明书的揭示和阐述，本发明所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行变更和修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对本发明的一些等同修改和变更也应当在本发明的权利要求的保护范围内。此外，尽
管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。
[0064]
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。