一种新型多功能叠加的复合土壤检测装置的制作方法

本发明涉及土壤检测装置技术领域，具体为一种新型多功能叠加的复合土壤检测装置。

背景技术：

土壤检测时指通过对土壤成分参数的实际测量并与标准值进行对比从而来确定土壤质量以及变化趋势的一项综合性分析对比技术，在进行标准值的对比过程中，应该尊重不同地区和不同环境下的实际区别进行针对性的对比。在对土壤进行监控的过程中，往往需要多方位、多功能的进行监控，其中包括土壤含水量、不同深度的湿度变化规律、重金属以及氧化物含量、有机物含量，还应该包括土壤活性的轻盐组分。上述的主要检测参数决定着土壤的实际应用价值，具有着非常重要的实际意义。

目前，在国内外有很多的检测装置如滴定称重法、核磁共振法、时域反射法已经红外遥感法，但是综合上述技术方案中，其检测装置以及检测原理都是比较繁琐麻烦的，而且不能够有效的实时检测不同环境以及条件下的变化规律。如申请号为201510901085.5公布的一种土壤水分检测装置，采用压阻传感器进行水分检测，虽然可以实现简单的水分检测，但是实际的检测内容过于简单，不能实现上述要求的多功能多层次的复合检测，而且稳定性较差，不能满足对土壤检测的要求。又如申请号为201610671500.7公布的一种种植土壤参数检测装置，包括用于检测土壤养分值的土壤养分测定仪和用于检测土壤pH值的pH计和控制器；控制器包括用于控制土壤养分测定仪工作状况及pH计工作状况的采样控制模块；控制器还包括用于对土壤养分值和土壤pH值进行分析的数据处理模块；控制器连接有用于设置采样时间和采样

深度的参数设置模块；土壤养分测定仪和pH计设置于可移动的土壤检测探针上，采样控制模块连接有用于驱动土壤检测探针移动的驱动装置；驱动装置的驱动方式是电动或手动，土壤检测探针移动方式是上下移动或左右移动。该专利通过设置采样时间和采样深度使得土壤养分值和土壤pH值更加可控和精确，以实现对植物生长土壤状况的更好掌握。其检测功能也相对来说比较单一，并且不能够实现在三维上的连续性检测，不能形成完整的检测数据链，不利于对土壤检测结果的分析。

技术实现要素：

为了克服现有技术方案的不足,本发明提供一种新型多功能叠加的复合土壤检测装置，通过采集太阳能为检测系统供电，而且均通过检测传感器进行数据的采集，还能够根据唯一的编码器进行编码保证数据传输过程中不会相互干扰而导致紊乱，造成数据处理的冗杂，特别的是采用无线数据传输，避免了大量广泛分布的线材铺设，提高实用性，通过综合利用包括但不限于上述的检测传感器进行实际土壤参数的检测，从而达到全面指标的多功能复合叠加式的检测，通过延展臂和检测杆的横向和纵向上的延展特性，并且将短期可变的参数进行阶梯状分布实现可控的三维监控，而通过变频脉冲计数器的计数特征，提供完整的监控数据变化过程，达到经济、环保，安装操作简单、多功能、复合叠加的立体式土壤检测作用，可以有效解决背景技术中的问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种新型多功能叠加的复合土壤检测装置，包括延展臂、检测杆、数据集中处理装置和太阳能电池供电系统，所述延展臂呈星状分散开且均通过设在延展臂末端的支点固定杆连接，并通过支点固定杆调整延展方向，所述检测杆通过卡扣安装在延展臂上，所述数据集中处理装置固定安装在支点固定杆顶部，所述太阳能电池供电系统设在数据集中处理装置侧面，且也固定在支点固定杆上，所述数据集中处理装置设在太阳能供电系统系统侧下方，且太阳能供电系统为数据集中处理装置和检测杆供电；

所述延展臂包括主支杆和副支杆，所述副支杆通过固定箍固定在主支杆上，且在主支杆和副支杆的接触面上还安装有滑动滚珠，所述滑动滚珠通过滑动槽滚动，所述滑动槽设在主支杆下表面，且滑动槽呈下窄上宽的倒楔形；

所述检测杆包括内支撑杆和检测传感器，所述内支撑杆上沿着纵向方向上设有若干组嵌入槽，所述每组嵌入槽的数量不小于八个，且八个嵌入槽均在同一平面内等间距均匀地绕着内支撑杆分布，在嵌入槽内部安装有检测传感器；

所述检测传感器和数据集中处理装置之间通过数据导线连接，且每个检测传感器均单线并联于数据集中处理装置，所述数据集中处理装置将数据汇总并根据检测传感器的编码进行分类加密并将检测数据通过局域网路由器发送到数据中控服务器；

所述数据集中处理装置包括PIC12C508单片机和传感数据接收器，所述传感数据接收器与数据导线连接，且在传感数据接收器与数据导线之间还固定安装有编码解析器，所述PIC12C508单片机分别与编码解析器和局域网路由器连接，所述局域网路由器上还并联连接有变频脉冲计数器，所述变频脉冲计数器通过PIC12C508单片机处理信号频率控制开关。

作为本发明一种优选的技术方案，所述检测传感器由含水检测传感器、湿度检测传感器、重金属以及氧化物含量检测传感器、有机物含量检测传感器和轻盐组分检测传感器组成，且每个类型检测传感器和同类型不同的检测传感器上均设有内置唯一编码器，所述编码器均一一与检测传感器对应，且在编码器上设有显示屏，用于显示编码器内设的编码。

作为本发明一种优选的技术方案，所述含水检测传感器包括水分检测器和压阻传感器，所述水分检测器和压阻传感器直接接触，且在水分检测器和压阻传感器接触面固定安装有密封罩，所述密封罩与压阻传感器之间均气密性连接。

作为本发明一种优选的技术方案，所述湿度检测传感器包括电容和电感，所述电容呈纵向分别安装在地表和地层中，所述电感与电容相互串联，在电容和电感之间还串联有平衡电阻和谐振等效电阻，所述平衡电阻和谐振等效电阻通过振荡器连接有电磁脉冲检测器，且与外界电源并联连接。

作为本发明一种优选的技术方案，所述重金属以及氧化物含量检测传感器、有机物含量检测传感器和轻盐组分检测传感器均包括敏感传感元件、转换元件和变换电路，所述敏感传感元件、转换元件和变换电路均串联连接，且在转换元件和变换电路之间还并联接有辅助谐振电路，所述敏感传感元件包括探头，所述探头和介电常数平衡器，所述探头采用三点式探头固定相互平行安装，且在探头末端均与介电常数平衡器直接连接，所述介电常数平衡器与转换元件之间连接。

作为本发明一种优选的技术方案，所述太阳能供电系统包括太阳能板和铅蓄电池组成，所述铅蓄电池和太阳能板之间通过充电电路连接，且在充电电路上还串联有稳压电路，所述铅蓄电池通过放电电路向检测系统供电。

作为本发明一种优选的技术方案，所述稳压电路包括ARM控制芯片，所述ARM控制芯片的输入端和输出端分别连接有第一滤波电容和第二滤波电容，且第一滤波电容和第二滤波电容电容量分别为10uF和0.1uF，在ARM控制芯片的输入端和第一滤波电容之间还固定安装有防逆流二极管，所述ARM控制芯片上还设有调试接口，所述调试接口内部设有SWD调试电路。

作为本发明一种优选的技术方案，所述太阳能板通过立杆和转轮固定安装在支点固定杆上，所述转轮安装在立杆顶部，在立杆和转轮上分别外切大齿轮和内切小齿轮，所述外切大齿轮和内切小齿轮外侧均固定包覆在同一个限位壳内部。

作为本发明一种优选的技术方案，所述检测传感器和数据集中处理装置之间还并联连接有电路通畅检测电路，所述电路通畅检测电路包括副电源和检测电阻，所述副电源直接与铅蓄电池连接，所述检测电阻与副电源均串联连接，在检测电阻上还串联连接有警示铃，在检测电阻和警示铃之间通过电磁阀控制警示铃电路通断，所述警示铃上还设有手动强制开关。

作为本发明一种优选的技术方案，所述电磁阀包括永磁磁芯、回复导电板和缠绕线圈，所述缠绕线圈均匀缠绕在永磁磁芯上，且缠绕线圈两端分别串联连接在电路通畅检测电路上，所述回复导电板通过复位弹簧固定安装在永磁磁芯上方，且回复导电板一侧连接铅蓄电池，在回复导电板另一侧则连接有电源触点。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明通过设置太阳能电池供电，通过采集太阳能为检测系统供电，而且均通过检测传感器进行数据的采集，还能够根据唯一的编码器进行编码保证数据传输过程中不会相互干扰而导致紊乱，造成数据处理的冗杂，特别的是采用无线数据传输，避免了大量广泛分布的线材铺设，提高实用性，通过综合利用包括但不限于上述的检测传感器进行实际土壤参数的检测，从而达到全面指标的多功能复合叠加式的检测，通过延展臂和检测杆的横向和纵向上的延展特性，并且将短期可变的参数进行阶梯状分布实现可控的三维监控，而通过变频脉冲计数器的计数特征，提供完整的监控数据变化过程，达到经济、环保，安装操作简单、多功能、复合叠加的立体式土壤检测作用。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为本发明延展臂结构示意图；

图3为本发明湿度检测传感器结构示意图；

图4为本发明稳压电路结构示意图；

图5为本发明SWD调试电路结构示意图；

图6为本发明含水检测传感器结构示意图；

图7为本发明其他传感器结构示意图；

图8为本发明太阳能供电系统结构示意图；

图9为本发明电路通畅检测电路结构示意图；

图中：1-延展臂；2-检测杆；3-数据集中处理装置；4-太阳能电池供电系统；5-支点固定杆；6-卡扣；7-局域网路由器；8-数据中控服务器；9-电路通畅检测电路；101-主支杆；102-副支杆；103-固定箍；104-滑动滚珠；105-滑动槽；201-内支撑杆；202-检测传感器；203-嵌入槽；204-数据导线；205-含水检测传感器；206-湿度检测传感器；207-重金属以及氧化物含量检测传感器；208-有机物含量检测传感器；209-轻盐组分检测传感器；210-编码器；211-显示屏；212-水分检测器；213-压阻传感器；214-密封罩；215-电容；216-电感；217-平衡电阻；218-谐振等效电阻；219-振荡器；220-电磁脉冲检测器；221-敏感传感元件；222-转换元件；223-变换电路；224-辅助谐振电路；225-探头；226-介电常数平衡器；301-PIC12C508单片机；302-传感数据接收器；303-编码解析器；401-太阳能板；402-铅蓄电池；403-充电电路；404-稳压电路；405-放电电路；406-ARM控制芯片；407-第一滤波电容；408-第二滤波电容；409-防逆流二极管；410-调试接口；411-SWD调试电路；412-立杆；413-转轮；414-外切大齿轮；415-内切小齿轮；416-限位壳；701-变频脉冲计数器；901-副电源；902-检测电阻；903-警示铃；904-电磁阀；905-永磁磁芯；906-回复导电板；907-缠绕线圈；908-复位弹簧；909-电源触点；910-手动强制开关。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动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。

实施例：

如图1至图9所示，本发明提供了一种新型多功能叠加的复合土壤检测装置，包括延展臂1、检测杆2、数据集中处理装置3和太阳能电池供电系统4，所述延展臂1呈星状分散开且均通过设在延展臂1末端的支点固定杆5连接，需要进一步明确的是，所有的延展臂1是均固定在同一个支点固定杆5上，也就是说，延展臂1均可以以支点固定杆5为转轴转动以满足不同角度的展布要求，并通过支点固定杆5调整延展方向，所述检测杆2通过卡扣6安装在延展臂1上，所述数据集中处理装置3固定安装在支点固定杆5顶部，所述太阳能电池供电系统4设在数据集中处理装置3侧面，且也固定在支点固定杆5上，所述数据集中处理装置3设在太阳能供电系统系统4侧下方，且太阳能供电系统4为数据集中处理装置3和检测杆2供电；

如图2所示，所述延展臂1包括主支杆101和副支杆102，所述副支杆102通过固定箍103固定在主支杆101上，且在主支杆101和副支杆102的接触面上还安装有滑动滚珠104，所述滑动滚珠104通过滑动槽105滚动，所述滑动槽105设在主支杆101下表面，且滑动槽105呈下窄上宽的倒楔形；

如图1所示，所述检测杆2包括内支撑杆201和检测传感器202，所述内支撑杆201上沿着纵向方向上设有若干组嵌入槽203，所述每组嵌入槽203的数量不小于八个，且八个嵌入槽203均在同一平面内等间距均匀地绕着内支撑杆201分布，在嵌入槽203内部安装有检测传感器202；

如图1所示，所述检测传感器202和数据集中处理装置3之间通过数据导线204连接，且每个检测传感器202均单线并联于数据集中处理装置3，所述数据集中处理装置3将数据汇总并根据检测传感器202的编码进行分类加密并将检测数据通过局域网路由器7发送到数据中控服务器8；

如图1所示，所述数据集中处理装置3包括PIC12C508单片机301和传感数据接收器302，所述传感数据接收器302与数据导线204连接，且在传感数据接收器302与数据导线204之间还固定安装有编码解析器303，所述PIC12C508单片机301分别与编码解析器303和局域网路由器7连接，所述局域网路由器7上还并联连接有变频脉冲计数器701，所述变频脉冲计数器701通过PIC12C508单片机301处理信号频率控制开关。

如图1、图3、图6和图7所示，所述检测传感器202由含水检测传感器205、湿度检测传感器206、重金属以及氧化物含量检测传感器207、有机物含量检测传感器208和轻盐组分检测传感器209组成，在每个检测传感器202上均内置有编码器210，所述编码器210具有唯一性，也就是说每一个编码器210都是不一样的，且每个编码器210有且仅有这一个，每个唯一的编码器210均对应着一个检测传感器202，换句话说，也就是每一个检测传感器202均对应安装有一个编码器210，且在编码器210上设有显示屏211，用于显示编码器210内设的编码；所述含水检测传感器205包括水分检测器212和压阻传感器213，所述水分检测器212和压阻传感器213直接接触，且在水分检测器212和压阻传感器213接触面固定安装有密封罩214，所述密封罩214与压阻传感器213之间均气密性连接；所述湿度检测传感器206包括电容215和电感216，所述电容215呈纵向分别安装在地表和地层中，电容215是由两个极板组成，在本发明中，电容215的安装就是将原本的电气元件分离开，将两个极板分别安装在地表和地层中，并以待检测的土壤为结缘介质，所述电感216与电容215相互串联，在电容215和电感216之间还串联有平衡电阻217和谐振等效电阻218，所述平衡电阻217和谐振等效电阻218通过振荡器219连接有电磁脉冲检测器220，且与外界电源并联连接。

在本发明中，湿度检测采用的是FDR法，所谓的FDR法是持续动态监测土壤湿度的有效方法。它利用电磁脉冲原理，根据电磁波在土壤中的传播频率来测试土壤表现出的介电常数，进一步通过一定的对应关系反演得到土壤湿度状况。严格来讲，基于FDR原理的传感器是一种变介电常数型的电容传感器。基于FDR原理的土壤湿度检测原理，如图3所示，设R为平衡电阻，r为谐振等效电阻，形成一个RLC谐振电路，电容两极板之间即为被测土壤。而土壤介电常数e与土壤湿度W存在的关系为：W＝a*e^1/2+b，且a和b均为常数，这两个常数的值随着土壤类型的改变而改变，因此，设计合理的传输线和与之相匹配的谐振电路，使用扫频法，找到满足谐振条件即固有频率，利用这一频率可以得出电路中的电容阻抗，最后得到土壤介电常数的变化和土壤湿度的变化。

进一步的，如图7所示，所述重金属以及氧化物含量检测传感器207、有机物含量检测传感器208和轻盐组分检测传感器209均包括敏感传感元件221、转换元件222和变换电路223，所述敏感传感元件221、转换元件222和变换电路223均串联连接，且在转换元件222和变换电路223之间还并联接有辅助谐振电路224，所述敏感传感元件221包括探头225，所述探头225和介电常数平衡器226，所述探头225采用三点式探头固定相互平行安装，且在探头225末端均与介电常数平衡器226直接连接，所述介电常数平衡器226与转换元件222之间连接。

需要进一步说明的，由于重金属以及氧化物含量、有机物含量和轻盐组分均不会在短时间在三维空间内发生梯度性的变化，因此，在目前的检测水平和技术手段下，是不需要有阶段性的在小范围地层0-50cm中进行分层测量，因此，在本发明中，所述探头是根据检测类型不同而采用与之相匹配的探头进行监控测量，而其他的平衡装置和转换装置是不需要进行更换，因此除了探头收集的基本信息不一样之外，其他所有的数据处理转换过程是完全一致的。在本发明中，为了更加进一步的说明，明确对于重金属以及氧化物含量、有机物含量和轻盐组分的具体类型，但是本发明包括但不限于以下列举出来的实际采集探头：重金属以及氧化物含量检测传感器207采用的探头为申请号为201210388863.1公布的一种检测重金属离子的传感器，有机物含量检测传感器208采用的探头为有机物VOC传感器，轻盐组分检测传感器209采用的探头为申请号为200420078419.0公布的一种土壤盐分传感器。

如图4所示，所述稳压电路404包括ARM控制芯片406，所述ARM控制芯片406的输入端和输出端分别连接有第一滤波电容407和第二滤波电容408，且第一滤波电容407和第二滤波电容408电容量分别为10uF和0.1uF，在ARM控制芯片406的输入端和第一滤波电容407之间还固定安装有防逆流二极管409，所述ARM控制芯片406上还设有调试接口410，所述调试接口410内部设有SWD调试电路411。

进一步解释的是，如图4和图5所示，所述稳压电路的ARM控制芯片406具体采用的是AMS1117-3.3，所述AMS1117-3.3控制芯片是一个正向低压降的线性稳压器，能将5V的输入电压降到3.3V输出，通过ARM控制芯片406的稳流供电，使电路可以获得稳定的电压，在ARM芯片406的输入端和输出端均有10uF和0.1uF的滤波电容，而防逆流二极管409的作用是防止电源反接，所述SWD调试电路411通过不同的测试调试接口来进行调试，也就是常说的点触法进行调试，将其中任意一个触点进行短暂的接触来判断测试接口，这是目前公知的一种简单安全的调试方法。

如图1所示，所述太阳能板401通过立杆412和转轮413固定安装在支点固定杆5上，所述转轮413安装在立杆412顶部，在立杆412和转轮413上分别外切大齿轮414和内切小齿轮415，外切大齿轮414与内切小齿轮415相互啮合，且外切大齿轮414和内切小齿轮415外侧均固定包覆在同一个限位壳416内部。

进一步解释太阳能供电系统的工作过程，通过太阳光照射在太阳能板401上进行充电，而且通过立杆412和转轮413的转动来调整太阳能板401的角度以满足不同季节的太阳光入射角度，以达到最大效率的接收效率，如图8所示，所述太阳能供电系统4包括太阳能板401和铅蓄电池402组成，所述铅蓄电池402和太阳能板401之间通过充电电路403连接，且在充电电路403上还串联有稳压电路404，所述铅蓄电池402通过放电电路405向检测系统供电，当太阳光经过太阳能板401转换后再经过充电电路403为铅蓄电池402充电，由于太阳能充电具有随机性和不稳定性，为了保证充电过程的稳定性，在两者之间加设温压电路404进行稳定充电电流和电压，达到稳定充电的目的，充电完成后，在需要使用电能的时候通过铅蓄电池402和放电电路405为检测系统供电。

如图1和图9所示，所述检测传感器202和数据集中处理装置3之间还并联连接有电路通畅检测电路9，所述电路通畅检测电路9包括副电源901和检测电阻902，所述副电源901直接与铅蓄电池402连接，所述检测电阻902与副电源901均串联连接，在检测电阻902上还串联连接有警示铃903，在检测电阻902和警示铃903之间通过电磁阀904控制警示铃903电路通断，所述警示铃903上还设有手动强制开关910。进一步的，所述电磁阀904包括永磁磁芯905、回复导电板906和缠绕线圈907，所述缠绕线圈907均匀缠绕在永磁磁芯905上，且缠绕线圈907两端分别串联连接在电路通畅检测电路9上，所述回复导电板906通过复位弹簧908固定安装在永磁磁芯905上方，且回复导电板906一侧连接铅蓄电池402，在回复导电板906另一侧则连接有电源触点909。

所述电路通畅检测电路9的目的在于准确定位电路故障，便于发生故障时对于电路故障和硬件故障之间的分辨，电路通畅检测电路9包括副电源901的作用在于为警示铃903供电，而正常的检测过程则由主电路进行供电，主要的原理则通过主电路缠绕通过永磁磁芯905形成电磁场具有磁性，将回复导电板906拉开，副电路为断路；当主电路发生故障形成断路时，破坏了电磁场，即没有此磁性，回复导电板906将被松开接通副电路使得警示铃903发出报警。

在本发明中，还需要进一步的阐述：在传统的土壤检测中，PH值是必不可少检测，而在发明中，并没有对PH值进行明确的检测。这是由于在本发明中，强调的是对现有土壤质量进行的检测，而不仅仅局限于以上所述的几个指标，根据上述的技术方案，在需要扩充检测范围时，可以增加不同类型的检测传感器在嵌入槽中，通过检测杆的整体性来进行检测。综上来说，也就是在本发明中所阐述的检测指标仅仅是为了进一步的说明检测的原理和过程中，它包括但不限于以上的检测指标，其中列举出详细的检测指标是为了说明不同类型以及相同类型但是不属于同一类的检测原理和具体操作。在本发明说阐述的技术方案中，不能仅仅局限于上述的检测指标中，特此说明。

对于本发明的工作过程，简单阐述如下：首先通过太阳能和铅蓄电池充电、储电以及供电，当电力充足时，通过检测传感器根据检测指标选择不同类型的检测传感器进行检测，并且将检测传感信号加上唯一的编码传回数据处理中心进行数据的整合，通过唯一的编码将检测传感信号在平面图和纵向图上恢复出来，形成平面和立体上的检测信号数据图，进而通过检测信号数据图的横向和纵向的三维变化趋势得出检测参数的变化趋势。

本发明的主要特点在于，通过采集太阳能为检测系统供电，而且均通过检测传感器进行数据的采集，还能够根据唯一的编码器进行编码保证数据传输过程中不会相互干扰而导致紊乱，造成数据处理的冗杂，特别的是采用无线数据传输，避免了大量广泛分布的线材铺设，提高实用性，通过综合利用包括但不限于上述的检测传感器进行实际土壤参数的检测，从而达到全面指标的多功能复合叠加式的检测，通过延展臂和检测杆的横向和纵向上的延展特性，并且将短期可变的参数进行阶梯状分布实现可控的三维监控，而通过变频脉冲计数器的计数特征，提供完整的监控数据变化过程，达到经济、环保，安装操作简单、多功能、复合叠加的立体式土壤检测作用。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。