一种无线传输的土壤水分分布测量系统及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及农业测量技术领域，特别是涉及一种无线传输的土壤水分分布测量系统及方法。
【背景技术】
[0002]水是生命之源，是植物生长的命脉，是保障我国粮食生产实现稳产与增产的基本前提条件。然而我国淡水资源匮乏，水资源的高效合理利用是现代农业生产中非常重要的认为。对植物根区土壤含水量分布情况进行测量监控能够有效指导精量节水灌溉，同时，植物根区土壤含水量分布是成功进行气候和环境预测的重要的水文变量，根据植物根区土壤含水量分布建立农业、水文学和气象学相关模型对气候和环境预测研究具有重要意义。
[0003]目前，普遍采用的获取土壤根区含水量分布的方法主要包括三种:实验室测量法、直接测量法和间接推算法，但是该三种方法均存在相应的缺陷。
[0004]实验室测量法是通过环刀把植物根区附近的土壤进行取样，取出后用烘干称重法计算含水量。然而取样距离植物太近会伤害植物，太远相关性又差，而且土壤结构会被破坏掉，属于一次性测量，所以此方法很不实用。
[0005]直接测量方法是将土壤水分传感器的探针插入或埋入特定位置，例如1998年，J.L.Starr和1.C.Paltineanu在距土壤表面向下5—45cm的四个不同深度放置电容探针，使用时域反射(TDR)设备每隔10分钟测量一次来监测不同深度的土壤含水量参数。其中某个探针处于植物根区位置，这样便可对植物根区土壤含水量进行监测。但这样做只能测量植物根区附近某一个小区域的平均土壤含水量，土壤含水量巨大的空间变异性导致此方法不能真实反映根区内部的水分含量。另外，若要通过植物根区土壤含水量对模型进行解译和指导灌溉，则应该知道根区附近一个水平面的含水量分布变化情况，而若要布置多个传感器探头一方面成本会提高，另一方面，传感器探头之间也会产生电磁干扰，测量不准确。
[0006]间接测量方法是通过张力计、介电传感器或者遥感方法测量出土壤浅表层的土壤含水量及温度参数，通过建立的模型来推算植物根区深层土壤的含水量信息。因为土壤中水分分布的时空变异性非常大，水分渗透和保持的能力也不尽相同，每块地都有自己的特性，每块地的不同部位也会有千差万别的差异，所以，表层土壤和深层土壤间含水量的关系很难用确定的模型来表示，即此方法存在很大的误差。
[0007]另外，现有的土壤水分传感器测量系统的自动化程度低，没有实现人机交互和对土壤水分的智能化远程化控制，费时费力，响应速度慢。
[0008]因此，针对以上不足，本发明提供了一种无线传输的土壤水分分布测量系统及方法。
【发明内容】
[0009](一 )要解决的技术问题
[0010]本发明的目的是要解决现有的植物根区土壤水分分布测量技术中存在的易伤害植物，易破坏土壤结构，测量区域小，智能化程度低，传感器探头间存在相互干扰以及测量不准确和误差大的技术问题。
[0011](二)技术方案
[0012]为了解决上述技术问题，本发明提供了一种无线传输的土壤水分分布测量系统，其特征在于:其包括土壤水分传感器、传动装置、无线控制采集装置、云平台、位于地下的底管以及部分位于地下的第一侧管和第二侧管，所述底管的两端分别与所述第一侧管和所述第二侧管的一端连接，所述土壤水分传感器设置在所述底管、所述第一侧管和所述第二侧管形成的管道中，所述土壤水分传感器的一端通过电缆和所述无线控制采集装置连接，所述电缆经过设置在所述第一侧管自由端的所述传动装置并由所述传动装置牵引，所述传动装置由所述无线控制采集装置驱动控制，所述云平台通过通信网络实现与所述无线控制采集装置的远程通信，所述土壤水分传感器的另一端连接有牵引线。
[0013]其中，所述传动装置包括电机、主动轮和从动轮，所述第一侧管的自由端固定一基板，所述电机固定在所述基板上，所述主动轮安装在所述电机的转轴上，所述从动轮通过一固定轴安装在基板上，所述主动轮和所述从动轮之间夹持着所述电缆。
[0014]其中，所述无线控制采集装置包括单片机芯片以及与其连接的无线通信模块、存储模块、时钟模块、电机驱动模块和传感器信号调节模块，所述土壤水分传感器通过所述传感器信号调节模块与所述单片机芯片连接。
[0015]其中，所述第二侧管的自由端设置有牵返装置，所述牵返装置包括电机和绕线轮，所述绕线轮设置在所述牵返装置的电机的转轴上，所述牵引线与所述绕线轮连接。
[0016]其中，所述底管与所述第一侧管和所述第二侧管连接的弯头位置设置有接近开关，所述接近开关与所述无线控制采集装置的所述传感器信号调节模块连接。
[0017]其中，所述单片机芯片通过串口通信模块与上位机连接，用于进行部分参数设置和原始数据读取，实现系统与所述上位机的串行通信。
[0018]其中，所述无线通信模块与所述单片机芯片相连，用于将水分数据和系统运行状态上报到所述云平台，同时通过所述云平台对系统参数和水分数据进行远程操作，实现系统与所述云平台的远程通信。
[0019]本发明还提供了一种利用上述无线传输的土壤水分分布测量系统进行土壤水分分布测量的方法，其包括以下步骤:
[0020]S1、根据植物种植时根区的深度，挖一个相同深度的坑，将所述无线传输的土壤水分分布测量系统放置在该坑中进行土壤填埋，将所述底管埋于土壤中，所述第一侧管和所述第二侧管部分位于地面以上，在所述底管的上方种植植物。
[0021]S2、所述无线控制采集装置驱动所述传动装置和牵返装置，使所述土壤水分传感器位于所述第二侧管自由端附近；
[0022]S3、通过所述无线控制采集装置设置采样间隔，使所述传动装置工作，所述传动装置通过所述电缆牵引所述土壤水分传感器使其在所述底管、所述第一侧管和所述第二侧管形成的管道中行进；
[0023]S4、根据采样间隔，所述土壤水分传感器在所述无线控制采集装置的控制下在植物根区进行土壤水分的采样测量，并将测量值传回所述无线控制采集装置；
[0024]S5、所述无线控制采集装置将水分测量值进行存储，并通过所述无线通信模块将水分数据上报到所述云平台上。
[0025]其中，其还包括步骤S6:通过远程控制或者人工控制的一个自动测量周期结束时，所述无线控制采集装置部分断电，无线传输的土壤水分分布测量系统进入低功耗模式。
[0026]其中，其还包括步骤S7:当所述无线控制采集装置的定时时间到时，系统全部通电进入正常工作模式，返回步骤S2。
[0027]其中，在步骤S6之后，还包括步骤S8:适时通过人工交互的方式，通过所述上位机读取所述无线控制采集装置内的实时数据，并进行部分参数的设定。
[0028]其中，在步骤S6之后，还包括步骤S9:适时通过远程通信的方式，将水分数据和系统运行状态上报到所述云平台，通过所述云平台对系统参数和水分数据进行远程操作，包括:设备配置，设备状态读取，测量周期、上报周期和存储周期的设置，召测参数，网络协议配置，实时数据和历史数据的查询与下载。
[0029]设备正常运行时，当传感器探头接近终点时，接近开关就会产生一个下降沿触发中断使探头停止运行，测量结束；
[0030]上电后，时钟模块定时唤醒单片机系统进行测量工作，单片机通过电机驱动模块产生PWM波及其他控制信号对直流电机和步进电机进行驱动和控制，使电缆拖拽传感器探头在横向PVC管中滑动；此过程中，系统每隔5cm对传感器的信号进行采集，传感器信号调节模块将传感器的输出值转换成单片机能够读取范围的值，通过AD采样得到相应的值，当传感器到达接近开关的监测范围以后，系统做出转向或停止的动作。
[0031](三)有益效果
[0032]本发明的上述技术方案具有如下优点:本发明提供的无线传输的土壤水分分布测量系统通过无线控制采集装置工作，从而通过电缆牵引着土壤水分传感器在底管、第一侧管和第二侧管形成的管道中行进，实现对植物根区附近