专利名称：土壤多参数测量装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及土壤参数测量领域，特别涉及一种土壤多参数测量装置。
背景技术：
对农作物而言，土壤为植物的生长发育提供重要的物理支持，为植物生长供应必 需的营养、水分和空气，通过控制土壤因素可影响植物的生长和粮食产量。其中水是土壤的 重要组成部分，土壤中各种营养物质都是通过水被植物根系吸收，土壤中有机、无机物质的 积累、转化和运移，均需水的参与。土壤电导率是反映土壤盐分等属性的综合物理参数，土 壤中盐分过高，将导致植物吸水困难，造成生理干旱，甚至使作物逐渐枯萎死亡；并且使植 物吸收营养元素的功能失调，干扰植物正常的新陈代谢活动。土壤温度是直接或间接影响 植物生长和发育的重要环境因子，在一定的温度范围内，土壤温度越高，作物的生长发育越 快；植物许多生理过程(如气孔导度、蒸腾、养分传输和二氧化碳的吸收)都与温度密切相 关，土壤温度可以影响植物根系的生长、呼吸作用及养分吸收等。土壤基质势是土水势的一 个重要分势，与土壤含水量结合可得到土壤水特征曲线，对分析土壤水的保持与运动有着 重要作用。近年来，应用于农田环境的土壤参数传感器已经取得了长足的进展，但应用在具 体过程中的传感设备往往只能获取单种或少数几种参数，比如单一的土壤含水率传感器或 者土壤含水率、电导率双参数传感器，而土壤的复杂性决定它具有多个表征参数，并且这些 参数之间互有影响，所以仅仅一两个参数并不能准确地描述土壤的一系列特性，从而不能 全面、有效地监测土壤状况，不利于指导农业生产。
发明内容
(一 )要解决的技术问题本发明要解决的技术问题首先采集不同深度土壤中的各种参数，计算出土壤基质 势参数，长期、全面、有效地监测土壤状况，指导农业生产。( 二 )技术方案为此，本发明提供了一种土壤多参数测量装置，包括中空的支撑杆，设置于所述支 撑杆内部的信号线，设置于所述支撑杆上的数据采集模块和电源模块，还包括沿所述支撑杆的长度方向交替设置的水分传感器和温度传感器，通过所述信号线 与数据采集模块相连接；所述水分传感器用于测量土壤电导率和不同深度的土壤含水率， 所述温度传感器用于测量不同深度的土壤温度，并将测得的所述土壤含水率、土壤电导率 和土壤温度通过信号线发送至数据采集模块；所述数据采集模块用于根据接收到的所述土 壤含水率、土壤电导率和土壤温度计算土壤基质势。所述水分传感器和温度传感器的数量都为两个，两个所述水分传感器的四个电极 组成电导率传感器，用于测量土壤电导率。所述数据采集模块根据下述公式计算土壤基质势，
3
= 712. 381η (T/T0) +5. 545 (T-T0) -3. 14X IO-3 (T2-T02) +39 σ sp (ffsp ρ b) / ( θ LpL2) (Τ/298)其中为土壤基质势，单位为Jkg—1 ；T为土壤温度，单位为K ；T0为参考温度，取 273. 15K ； σ sp为土壤电导率，单位为mS cnT1 ；Wsp为湿度，取典型值为0. 5kg kg—1 ； ob为通过 事先测量获得的土壤容重，单位为kg m-3 ； P L为纯水在大气压下的密度，取Ikg m_3 ； θ ^为 土壤含水率，单位为cm3cm_3。还包括数个绝缘环，设置在所述水分传感器和温度传感器之间，起隔离作用。其中，所述数据采集模块包括电平转换单元，用于将所述电源模块的输出电平转换为数据采集模块的工作电 平；单片机芯片，用于通过所述信号线接收所述土壤温度；信号调节单元，用于通过所述信号线接收所述土壤含水率和土壤导电率；存储单元，用于存储所述土壤温度、土壤含水率和土壤导电率。所述数据采集模块还包括无线收发单元，用于将所述土壤温度、土壤含水率和土壤导电率发送至上位机。所述电源模块，包括太阳能电池板，用于采集太阳能；充放电控制单元，用于将所述太阳能转换为电能；蓄电池，用于存储所述电能。所述电源模块还包括备用电池，用于当所述蓄电池供电不足时为所述测量装置供电。上述技术方案还可以包括横杆，通过螺丝固定在所述支撑杆靠近顶端处，所述横杆两端设置有托板，用于放 置所述数据采集模块，所述数据采集模块的顶端设置有电源模块。圆锥，通过螺纹与所述支撑杆的底端相连接。(三)有益效果本发明提供的土壤多参数测量装置具有如下有益效果通过设置多个含水率传感 器、温度传感器，并将含水率传感器复用为电导率传感器，能够测得土壤的不同深度的多个 参数；不仅能够由此计算出土壤基质势，还为分析土壤水分入渗状况提供了详细的参数，有 利于长期、全面、有效的检测土壤状况，能更好的指导农业生产；其次，采用太阳能方式为传 感器提供稳定持久的能量，不仅能够保证传感器的工作，还保护环境，节约能耗；然后，无线 传感器的采用，降低了成本，且为远距离传送数据提供了便捷的方式。
图1是本发明实施例的土壤多参数测量装置结构示意图；图2是本发明实施例的电路原理图。其中，1 支撑杆；2 水分传感器；3 水分传感器；4 温度传感器；5 温度传感 器；6 电导率传感器；7 绝缘环；8 圆锥；9 横杆；10 托板；11 螺丝；12 数据采集模块； 121 :电平转换单元；122 单片机芯片；123 信号调节单元；124 存储单元；125 无线收发单元；13 电源模块；131 太阳能电池板；132 充放电控制单元；133 蓄电池；134 备用电 池。
具体实施例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。如图1所示，为本发明实施例的土壤多参数传感器及其测量装置结构示意图，包 括中空的支撑杆1，设置于支撑杆1内部的信号线14，设置于支撑杆1上的数据采集模块 12和电源模块13，纵向交替设置于支撑杆1上的两个水分传感器2和3，以及两个温度传感 器4和5 ；水分传感器2和3，以及温度传感器4和5都通过信号线14与数据采集模块12 相连接；其中水分传感器2和3用于测量不同深度的土壤含水率，水分传感器2和3的四 个电极复用组成Schlumberger组态的电导率传感器6，用于测量土壤电导率；温度传感器 4和5用于测量不同深度的土壤温度，水分传感器2和3，以及温度传感器4和5将测得的 土壤含水率、土壤电导率和土壤温度通过信号线14发送至数据采集模块12 ；数据采集模块 12根据接收到的土壤含水率、土壤电导率和土壤温度计算土壤基质势。本实施例的传感器都为无线传感器。其中温度传感器采用DS18B20数字温度芯 片，水分传感器各有两个电极，采用介电方法测量土壤含水率。本实施例还包括实心的圆锥8，与支撑杆1同直径，可以为不锈钢材料制成，采用 螺纹接口与支撑杆1相连接，支撑杆1为中空的圆柱形不锈钢管，支撑杆1的底端刻有与圆 锥8的螺纹接口相吻合的螺纹。本实施例还包括数个绝缘环7，采用聚氯乙烯(Polyvinylchloride，PVC)塑料材 料制作，从靠近支撑杆1最底端处依次嵌入绝缘环，金属环，绝缘环，金属环，绝缘环作为第 一组环，然后向上间距20cm处再依次嵌入绝缘环，金属环，绝缘环，金属环，绝缘环作为第 二组环；其中每组环上位置最接近支撑杆1底端的绝缘环纵向最宽，将温度传感器4和5分 别安装在纵向最宽的两个绝缘环上，每组的金属环为水分传感器的电极，水分传感器2和3 的四个电极复用组合成电导率传感器6 ；信号线14与金属环无焊连接。本实施例还可以包括横杆9，通过螺丝11固定在靠近支撑杆1顶端处，横杆9的 两端设置有两个托板10，托板10用于放置数据采集模块12，数据采集模块12的顶端设置 有电源模块13。本实施例的数据采集模块12在上述五个传感器测量得出五个土壤参数的基础 上，应用克拉伯龙公式计算土壤基质势，具体过程如下在冰水混合土壤中推广克拉伯龙公式得到dWL = (λ/!OdT+dWi(1)其中义为水势，单位为J/kg 为冰势，单位为J/kg ；T为温度，单位为K ； λ为 混合水的潜在热能，单位为kj/kg ；水势渗透势Π ^与基质势Il^之和；λ与温度相关 且λ (T) = -712. 38+5. 545Τ-6. 28 X ICT3T2(2)以Ttl = 273. 15Κ为参考温度，将公式(2)代入公式(1)中得到= 712. 381n(T/T0)+5. 545 (T-T0)-3. 14X IO-3 (T2-T02) - Π L (3)
渗透势Π L的计算公式如下Π L = -39 σ sp (Wsp ρ b) / ( θ L ρ L2) (Τ/298)(4)其中Il^为土壤基质势，单位为J kg—1 ;Τ为土壤温度，单位为K Jtl为参考温度，取 273. 15Κ; Osp为土壤电导率，单位为mS cnT1 ；Wsp为湿度，取典型值为0. 5kg kg—1 ； Pb为土壤 容重，通过事先测量获得，单位为kg m_3; P ^为纯水在大气压下的密度，取Ikg为土 壤含水率，单位为cm3cnT3。将公式(4)代入公式(3)中，得到土壤基质势I的计算公式= 712. 381η (T/T0) +5. 545 (T-T0) -3. 14Χ 1(Γ3 (T2-T02) (5)+39 σ sp (Wsp ρ b) / ( θ L ρ L2) (Τ/298)至此，根据土壤含水率、土壤电导率和土壤温度即可计算出土壤基质势。数据采集 模块12还根据不同深度的土壤温度得到温度差，不同深度的土壤含水率得到含水率差。再如图2所示，为本发明实施例的土壤多参数测量装置的电路原理图，本实施例 的数据采集模块12包括电平转换单元121、单片机芯片122、信号调节单元123和存储单 元124 ；其中电平转换单元121用于将电源模块13的输出电平转换为数据采集模块12的 工作电平，单片机芯片122用于通过信号线14接收土壤温度；信号调节单元123用于通过 信号线14接收土壤含水率和土壤导电率；存储单元124用于存储土壤温度、土壤含水率和 土壤导电率。数据采集模块12还可以包括无线收发单元125，用于将土壤温度、土壤含水 率和土壤导电率发送至上位机。本实施例的单片机芯片可以采用MSP430F149，自带8路12位AD，可实现不同模式 下的超低功耗运行。无线收发单元可以采用CC2420，用于向外界发送测量得到的信息或接 收控制命令；存储单元可以为Μ25Ρ80。本实施例的电源模块13包括太阳能电池板131、充放电控制单元132和蓄电池 133 ；其中太阳能电池板131可以为单晶硅太阳能电池板，用于在白天接收太阳光的辐射， 采集太阳能；充放电控制单元132用于将太阳能转换为电能；蓄电池133用于存储太阳能 转换的电能。还可以包括备用电池134，用于当蓄电池133供电不足时为本发明的测量装置
{共 ο本发明提供的土壤多参数测量装置具有如下有益效果通过设置多个含水率传感 器、温度传感器，并将含水率传感器复用为电导率传感器，能够测得土壤的不同深度的多个 参数；不仅能够由此计算出土壤基质势，还为分析土壤水分入渗状况提供了详细的参数，有 利于长期、全面、有效的检测土壤状况，能更好的指导农业生产；其次，采用太阳能方式为传 感器提供稳定持久的能量，不仅能够保证传感器的工作，还保护环境，节约能耗；然后，无线 传感器的采用，降低了成本，且为远距离传送数据提供了便捷的方式；最后，本发明在整体 结构设计上将各种传感器复合在支撑杆的底端，既实现了农田环境下“即插即用”的土壤信 息实时快捷采集，又实现了土壤多参数一体化的测量。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人 员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型 也应视为本发明的保护范围。
权利要求
一种土壤多参数测量装置，包括中空的支撑杆，设置于所述支撑杆内部的信号线，设置于所述支撑杆上的数据采集模块和电源模块，其特征在于，还包括沿所述支撑杆的长度方向交替设置的水分传感器和温度传感器，通过所述信号线与数据采集模块相连接；所述水分传感器用于测量土壤电导率和不同深度的土壤含水率，所述温度传感器用于测量不同深度的土壤温度，并将测得的所述土壤含水率、土壤电导率和土壤温度通过信号线发送至数据采集模块；所述数据采集模块用于根据接收到的所述土壤含水率、土壤电导率和土壤温度计算土壤基质势。
2.如权利要求1所述的土壤多参数测量装置，其特征在于，所述水分传感器和温度传 感器的数量都为两个，两个所述水分传感器的四个电极组成电导率传感器，用于测量土壤 电导率。
3.如权利要求1所述的土壤多参数测量装置，其特征在于，所述数据采集模块根据下 述公式计算土壤基质势，￥l = 712. 381η (Τ/Τ0) +5. 545 (T-T0) _3· 14 X 1(Γ3 (T2-T02) +39 σ sp (Wsp ρ b) / ( θ L ρ L2) (Τ/298)其中Il^为土壤基质势，单位为J kg—1 ;Τ为土壤温度，单位为K Jtl为参考温度，取 273. 15Κ; Osp为土壤电导率，单位为mS cnT1 ；Wsp为湿度，取典型值为0. 5kg kg—1 ； Pb为通过 事先测量获得的土壤容重，单位为kgm—3 ； P L为纯水在大气压下的密度，取IkgnT3 ； θ ^为土 壤含水率，单位为cm3cnT3。
4.如权利要求1所述的土壤多参数测量装置，其特征在于，还包括数个绝缘环，设置 在所述水分传感器和温度传感器之间，起隔离作用。
5.如权利要求1所述的土壤多参数测量装置，其特征在于，所述数据采集模块包括 电平转换单元，用于将所述电源模块的输出电平转换为数据采集模块的工作电平； 单片机芯片，用于通过所述信号线接收所述土壤温度；信号调节单元，用于通过所述信号线接收所述土壤含水率和土壤导电率； 存储单元，用于存储所述土壤温度、土壤含水率和土壤导电率。
6.如权利要求5所述的土壤多参数测量装置，其特征在于，所述数据采集模块还包括 无线收发单元，用于将所述土壤温度、土壤含水率和土壤导电率发送至上位机。
7.如权利要求1所述的土壤多参数测量装置，其特征在于，所述电源模块，包括 太阳能电池板，用于采集太阳能；充放电控制单元，用于将所述太阳能转换为电能； 蓄电池，用于存储所述电能。
8.如权利要求7所述的土壤多参数测量装置，其特征在于，所述电源模块还包括 备用电池，用于当所述蓄电池供电不足时为所述测量装置供电。
9.如权利要求1所述的土壤多参数测量装置，其特征在于，还包括横杆，通过螺丝固 定在靠近所述支撑杆顶端处，所述横杆两端设置有托板，用于放置所述数据采集模块，所述 数据采集模块的顶端设置有电源模块。
10.如权利要求1所述的土壤多参数测量装置，其特征在于，还包括圆锥，通过螺纹与 所述支撑杆的底端相连接。
全文摘要
本发明公开了一种土壤多参数测量装置，包括中空的支撑杆，设置于所述支撑杆内部的信号线，设置于支撑杆上的数据采集模块和电源模块，沿所述支撑杆的长度方向交替设置的水分传感器和温度传感器，通过所述信号线与数据采集模块相连接；所述水分传感器用于测量土壤电导率和不同深度的土壤含水率，所述温度传感器用于测量不同深度的土壤温度，并将测得的所述土壤含水率、土壤电导率和土壤温度通过信号线发送至数据采集模块；所述数据采集模块用于根据接收到的所述土壤含水率、土壤电导率和土壤温度计算土壤基质势。本发明提供的装置能够测量土壤的多个参数，计算出土壤基质势，从而能长期、全面、有效地检测土壤状况，更好的指导农业生产。
文档编号G01N27/02GK101936935SQ20101022116
公开日2011年1月5日 申请日期2010年6月29日 优先权日2010年6月29日
发明者孙宇瑞, 孟繁佳, 林剑辉, 王聪颖, 盛文溢, 程强, 蔡祥 申请人:中国农业大学