一种埋入式堆肥环境检测设备及系统的制作方法

本发明涉及农业环境监测领域，更具体地，涉及一种埋入式堆肥环境检测设备及系统。

背景技术：

当前，我国农村生活、农业生产、畜禽养殖过程中排放废弃物造成的污染和农作物秸秆焚烧导致的环境问题日益严峻，农业废弃物中的养分含量较高，这些从土壤中带走的营养物质只靠化肥是不足以返还的。好氧发酵堆肥以其稳定性和无害性成为当前最主要且较有效的处理农业废弃物的方法之一。堆肥过程中在线自动监测堆体环境参数实现堆肥管控一体化，能够减少人力成本、加快发酵过程，提高发酵效率，符合密闭、环保的反应器堆肥系统发展趋势，减缓环境压力，完成了从自然堆制、污染严重的传统堆肥方式到传感器监测、机器控制的智能化生产过程的转变，对于进一步提高堆肥效率和质量、实现我国智能化堆肥有着重要的实际意义。

在目前的堆肥环境监测技术中，常用手段为通过手持移动终端，利用探针对堆体中的堆肥环境进行测量，在现有技术中，手持移动监测，功耗大，操作安装不方便，生产过程在线监测以温度测量为主，参数单一，其他参数很少在线获取，传感器封装结构多为长探杆式，长度超过1米，影响机械操作，抛翻时传感器取出，同时，信息的收集和通信主要以有线通信为主，采用无线方式更多将无线射频部分引到堆体外部无遮挡，在密闭式堆肥系统中需要开孔，增加施工量。

在现有技术中，埋入式无线传感器网络更多在物理环境比较稳定的土壤中应用研究，无法在温度偏高，腐蚀性环境和发酵生化环境中持续测试，同时在堆体中数据传输和组网同时存在困难。

技术实现要素：

为解决现有技术中，堆肥环境监测过程中，无法在温度偏高，腐蚀性环境和发酵生化环境中持续测试，同时采集数据单一，测量设备存在局限性的问题，提供一种埋入式堆肥环境检测设备及系统。

根据本发明的一个方面，提供一种埋入式堆肥环境检测设备，包括：圆锥型上外壳和半球形底部外壳，所述圆锥型上外壳通过密封圈旋转挤压连接在一起，所述圆锥形上外壳顶端安装有不锈钢材质的ph探头，圆锥形上外壳上端处有3个通孔，通孔内部分别安装有光纤氧气探头、温度传感器和含水量传感器接口，所述圆锥形上外壳上还安装有2个用于测量堆体含水量和电导率的不锈钢环；

所述圆锥型上外壳内部安装有电路板，所述电路板上安装有传感器接口，用于收集所述ph探头、光纤氧气探头、温度传感器和含水量传感器收集的信息，同时所述电路板上还安装有通信模块，将所述收集到的信息发送至网关设备。

其中，所述通信模块包括低频通信模块和高频通信模块。

其中，所述低频通信模块用于与其他堆肥环境检测设备进行通信，同时还用于为所述电路板上的电池进行充电。

其中，所述高频通信模块用于通过内嵌在所述圆锥形外壳锥形外表上的天线，将所述传感器收集的信息发送至所述网关设备。

所述网关设备还与移动设备相连，将所述传感器收集的信息通过无线网络发送至所述移动设备。

所述埋入式堆肥环境检测设备和所述网关设备上还安装有信号强度接收模块，用于接收多个所述埋入式堆肥环境检测设备的无线传输信号强度信息，并将所述信息强度信息发送给所述移动设备，所述移动设备还通过接收所述无线信号强度信息，并根据所述移动设备的gps定位信息，计算所述埋入式堆肥环境检测设备的位置信息。

其中，所述锥形外表上的天线和所述网关通过lora网络连接。

其中，所述半球形底部外壳上安装有磁铁，用于对所述埋入式堆肥环境检测设备的回收。

优选的，所述ph探头为isfet探头。

其中，所述含水量传感器通过电容法和单探环测量法进行堆体中含水量和电导率的测量。

根据本发明的第二方面，提供一种埋入式堆肥环境检测设备及系统，包括：至少一个如上述第一方面提供的埋入式堆肥环境检测设备、网关设备、控制器和服务器。

所述埋入式堆肥环境检测设备通过接收堆体中的堆肥环境信息，并通过所述网关设备将所述堆肥环境信息发送给所述服务器，所述控制器通过接收所述服务器的数据，并通过所述网关设备与所述埋入式堆肥环境检测设备进行通信，实现对所述堆肥环境信息的采集和诊断。

其中，所述埋入式堆肥环境检测设备之间的通信采用低频通信网络进行通信；所述埋入式堆肥环境检测设备与网关设备通过lora通信网络进行通信。

本发明提供的一种埋入式堆肥环境检测设备，体积小，功耗低，极大简化现场监测安装流程，增加监测冗余，能够与目前所有堆肥模式无缝结合，方便回收维护，为堆肥提供新的监测方式，同时一体化设计、集成度高、封装牢固，无需多种传感器独立监测，减少多种在线测量仪器的需求，实现了堆体环境长时间监测。

附图说明

图1为本发明一实施例提供的一种埋入式堆肥环境检测设备结构图；

图2为本发明一实施例提供的一种埋入式堆肥环境检测设备中无线充电与低频传输结构图；

图3为本发明一实施例提供的一种埋入式堆肥环境检测设备中内部采集电力组成图；

图4为本发明一实施例提供的一种埋入式堆肥环境检测设备中堆体含水量检测结构图；

图5为本发明另一实施例提供的一种埋入式堆肥环境检测系统的结构图；

图6为本发明一实施提供的一种埋入式堆肥环境检测设备中移动与固定结合多点定位示意图。

具体实施方式

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。

参考图1，图1为本发明一实施例提供的一种埋入式堆肥环境检测设备结构图，所述设备包括：

圆锥型上外壳1和半球形底部外壳2，所述圆锥型上外壳通过密封圈旋转挤压连接在一起，所述圆锥形上外壳顶端安装有不锈钢材质的ph探头3，圆锥形上外壳上端处有3个通孔，通孔内部分别安装有光纤氧气探头4、温度传感器5和含水量传感器接口6，所述圆锥形上外壳上还安装有2个用于测量堆体含水量和电导率的不锈钢环7；

所述圆锥型上外壳内部安装有电路板8，所述电路板上安装有传感器接口12，用于收集所述ph探头3、光纤氧气探头4、温度传感器5和含水量传感器接口6收集的信息，同时所述电路板8上还安装有通信模块，将所述收集到的信息发送至网关设备。

具体的，感知设备由10mm厚pom赛钢材料制成的三角锥形上部与半圆形下部通过密封圈旋转挤压一体，尖端为不锈钢材料探头，内嵌有ph测试探头，通过旋转挤压与三角锥形上部完全密闭。两个不锈钢环内嵌到三角塑料锥形表面，用于测量堆体含水量和电导率，内部开孔并放置温度传感器，通过不锈钢环传热测温；光纤氧气探头通过通孔与堆体接触，方便测量堆体内部氧气。电路板通过自攻螺丝与三角塑料锥形内部的螺丝空位固定，传感器连接到传感器接口处，其中测量堆体含水量的不锈钢环通过开孔连接到电路板传感器接口。射频天线做成环状内嵌在三角塑料锥形外表，并通过内部开孔与电路板连接。电路板负责传感器信号的采集调理并提供无线组网通讯功能，同时负责感知设备的供电管理，无线充电和低频通讯天线复用连接到电路板上为锂电池充电。

通过此装置，一体化设计、集成度高、封装牢固，无需多种传感器独立监测，减少多种在线测量仪器的需求，实现了堆体环境长时间监测，同时体积小，功耗低，极大简化现场监测安装流程，增加监测冗余，能够与目前所有堆肥模式无缝结合，方便回收维护。

在上述实施例的基础上，所述通信模块包括低频通信模块和高频通信模块。

其中，所述低频通信模块用于与其他堆肥环境检测设备进行通信，同时还用于为所述电路板上的电池11进行充电。所述高频通信模块用于通过内嵌在所述圆锥形外壳锥形外表上的天线17，将所述传感器收集的信息发送至网关。所述锥形外表上的天线和所述网关通过lora网络连接。

具体的，如图2和图3所示，无线充电和低频通讯天线复用连接到电路板上为锂电池充电。微处理器通过串口与lora传输模块以及高频无线天线对中继设备进行通讯；低频绕线天线具有通讯和无线充电两个功能，连接无线充电芯片p9025a和电池保护电路为锂电池充电，并通过供电管理电路为系统提供可靠电源；同时通过射频开关把天线切换到以cc1200位核心的subghz无线通讯模块，连接到微处理的串口。

在上述实施例的基础上，所述埋入式堆肥环境检测设备和所述网关设备上还安装有信号强度接收模块，用于接收多个所述埋入式堆肥环境检测设备的无线传输信号强度信息，并将所述信息强度信息发送给所述移动设备，所述移动设备还通过接收所述无线信号强度信息，并根据所述移动设备的gps定位信息，计算所述埋入式堆肥环境检测设备的位置信息。

具体的，如图6所示，在移动配合网关多点混合定位中，网关设备和移动设备都能够测量感知设备无线传输信号强度(rssi)，根据信号强度判断设备相互之间距离。具有路由功能感知设备采用三点定位，已知移动设备和网关设备位置，获得路由功能感知设备分别与移动设备和网关设备的rssi分别为r1和r3，同时移动设备基于设备上的gps定位信息，计算出移动距离d，感知设备与移动设备rssi变为r2，移动设备距离网关设备距离可测量为l，根据三角形计算定律可以算出感知设备(中继功能)与网关的距离l3以及与水平面的角度θ。感知设备之间的定位采用两点定位方式，测量两个设备之间的信号强度r4，并根据之前中继与网关距离比l3/r3，初略计算出两个感知设备之间的距离：l4＝(l3/r3)*r4。

在上述实施例的基础上，所述半球形底部外壳上安装有磁铁14，用于对所述埋入式堆肥环境检测设备的回收。

具体的，磁铁固定在圆形塑料下部，用于方便感知设备回收，在堆肥完成后，可以通过堆肥厂的筛网设备将感知设备筛出，或出料设备传送带通过感知设备底部磁铁将设备回收。

在上述实施例的基础上，所述ph探头为isfet探头。

所述含水量传感器通过电容法和单探环测量法进行堆体中含水量和电导率的测量。

具体的，如图4所示，图4为本发明一实施例提供的埋入式堆肥环境检测设备中堆体含水量测量结构图。

土壤含水量采用电容法和单探环两种方式测量堆体中介电常数，电容法通过电感并联谐振振荡电路，通过测量谐振频率的变化表征传感器两不锈钢环之间的电容，并通过分频电路连接到微处理器，微处理器计算频率，根据实验线性校对公式获得堆体含水量。通过切换电路，形成单探环测量方式，测量堆体含水量和电导率(ec值)，其测量的含水量值与电容法测量的含水量值进行比较如果差异较大，则需要提示用户对电容法测含水量进行校对，以提高堆体测量精度。其通过高频脉冲发生器提供10m高频电磁脉冲，不锈钢环闭合另一端通过检波器接入微处理器，微处理器测量传导时间、电压值和特征阻抗，计算堆体介电常数、含水量与ec值。

其中，k＝[ct/2l]²

式中，k为堆体介电常数、c为光在真空中传播速度、t为传导时间、l不锈钢环长度。

h＝(-530+292k-5.5k²+0.043k³)/10⁴

式中，h为堆体含水量

ec＝(εcz0/lzc)(2v0/vf-1)

式中，ε为真空的介电常数，z0为钢环的特征阻抗，固定常数，zc为钢换高频特征阻抗；v0脉冲发生器的电压值，固定常数；vf为接收测量电压值。

通过此设备，采用电容法和高频单环法结合测量堆体介电常数、含水量、电导率值，改变传统探针测量方式，简化测量结构。

参考图5，图5为本发明另一实施例提供的一种埋入式堆肥环境检测系统的结构图，所述系统包括：至少一个上述实施例提供的的埋入式堆肥环境检测设备51、网关设备52、控制器53和服务器55

所述埋入式堆肥环境检测设备51通过接收堆体中的堆肥环境信息，并通过所述网关设备52将所述堆肥环境信息发送给所述服务器56，所述控制器53通过接收所述服务器的数据，并通过所述网关设备52与所述埋入式堆肥环境检测设备51进行通信，实现对所述堆肥环境信息的采集和诊断。

其中，所述埋入式堆肥环境检测设备之间的通信采用低频通信网络进行通信；所述埋入式堆肥环境检测设备与网关设备通过lora通信网络进行通信。

具体的，构建堆肥环境检测系统，整体由感知装置、网关设备、现场控制器、移动设备、远端服务器组成。在堆体内部感知装置与感知装置之间通讯采用低频169mhz进行组网通讯，以较低的传输频率延长通讯距离，确保感知设备在堆体中信号传输的稳定性。感知装置与网关设备或移动设备采用lora433mhz射频传输数据。整体网络结构为网状网，网络中能够与堆体外通讯的感知设备与网关设备或移动设备只能构建星型网络。网关设备通过gprs或wifi连接到远端服务器，亦可连接到现场控制器，为堆肥环境控制提供数据支撑。远端服务器构建云服务为堆肥环境监控提供数据和决策支撑。移动设备能够访问云服务器，同时与现场安装的感知装置通讯，满足移动数据采集和网络现场诊断维护需求。

通过此系统，实现了堆肥检测过程中的无线方式组网、多参数在线采集、可靠定位、多种能源采集的目的，提高堆肥环境监测智能化水平。

在本发明的再一实施例中，感知设备方便安装到条剁式、密闭反应器等多种堆肥方式中，可以在投入品混料阶段或者开始堆肥过程中布置感知设备。具有搅拌条件的堆肥设备可以将感知设备随机混合到堆体中，若无搅拌设备可以在混肥阶段投入感知设备或者认为现场布设。由于感知设备是低能耗设备，大部分时间处于休眠状态，设备会通过组网过程构建监测网络，每个感知设备开始采用lora高频信号尝试与网关设备通讯，如果获得网关握手信号，该感知设备可以作为无线堆体内部传感器网络的中继设备，则中继设备采用低频方式与附近的未能与中继通讯的设备进行联系，如果发现应答则会第一时间加入中继设备构建的网络内，如果还有设备加入不到中继网络，则会主动通过低频天线搜索附近的设备，如果能够找到附近装置则申请加入多跳网络。如果还不能接入网络，则需要移动设备移动获取未能连接的设备大概区域，并在该区域增加采集设备实现网络全面覆盖。

测量设备、路由设备在设定的时间间隔采集数据并存储在设备中，网关设备定时向内部网络感知设备要求数据，感知设备收到数据请求后则会将数据在自己的网络链路中传输到网关设备。网关设备对数据初步整理、筛选与融合并发送到远端云服务器中，如果现场没有网络，可以连接到控制设备中为控制设备提供数据支撑。移动终端能够与感知设备直接通讯，实现移动获得数据，并能够感知设备大致位置进行判断。同时移动设备和现场控制设备都能够通过网络获取云端服务器数据。

在堆肥完成后，可以通过堆肥厂的筛网设备将感知设备筛出，或出料设备传送带通过感知设备底部磁铁将设备回收，同时通过无线充电方式为感知设备充电。

最后，本申请的方法仅为较佳的实施方案，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。