支撑农田灌溉智能决策的复合传感器装置及使用方法与流程

本发明属于传感器技术领域，具体涉及一种传感器装置及该传感器装置的使用方法。

背景技术：

现有技术中农田灌溉方式包括自然灌溉、人力灌溉、人工灌溉、机电灌溉和自动灌溉等多种，并逐步向智能灌溉演变。无论是机电灌溉还是自动灌溉，其基本特征是开环控制，即灌溉系统按照人为或程序操作控制灌溉设备的机泵和阀门的开启或关闭实现对农作物的灌溉。灌溉系统除了监控相应设备的工况参数来决定设备启闭以外，无法更好地对诸如土壤、农作物、施肥等施灌对象实际状态进行实时监控。这种开环灌溉控制系统最大的缺陷在于对水和其它相关资源的可控性差，易造成灌溉不充分对农作物生长造成影响，或灌溉过量造成资源浪费。

目前在农田灌溉这个领域长期有效的检测技术手段极其缺乏，实现在农田灌溉过程中准确感知并获取“土壤表面水润湿度”、“土壤表面水积存/土壤表面水流失”、“土壤含水量及其垂直分布”和“土壤温度及其垂直分布”等相关信息参数是一项巨大的技术挑战，也是人们在农田灌溉领域一直期望解决但又难以得到解决的技术难题。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种传感器装置及该传感器装置的工作方法和使用方法。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种复合传感器装置，包括：位于土壤表面且适于检测土壤表面参数的第一复合传感器组件；和/或位于土壤内部且用于检测土壤内部参数的第二复合传感器组件。

进一步，所述第一复合传感器组件呈圆碟型结构；位于第一复合传感器组件的下表面设有第一感应器件；以及上表面为复合结构，即为带有排水结构的第二感应器件；在使用时，所述上表面适于土壤表面持平，以使第一感应器件紧贴土壤表面，即采集土壤表面湿润度，且同时使第二感应器件检测土壤表面水积存，和/或土壤表面水流失状态。

进一步，所述排水结构包括：从圆碟型结构的圆心向外层层嵌套的环形浅凹槽；各环形浅凹槽通过若干条导水孔道连通，以渗流第一复合传感器组件的上表面的积水。

进一步，若第二复合传感器组件为两个以上，则适于按照一定的间隔沿直杆长度方向设置；所述第二复合传感器组件包括土壤水分和/或土壤温度感应器件，以采集土壤水分垂直分布参数和/或土壤温度垂直分布参数。

进一步，各第二复合传感器组件的间隔设置为5-10cm。

进一步，所述第一复合传感器组件的下表面与直杆的上端通过单支点柔性万向球进行连接；即所述第一复合传感器组件的下表面的中心处设有凹球形空洞，且直杆的上端为与所述凹球形空洞相配合的凸支点。

进一步，沿所述圆碟型结构的圆周绕制有适于信号传输的天线；所述第一复合传感器组件和/或所述第二复合传感器组件适于将采集的土壤相应参数进行无线发送。

进一步，第一复合传感器组件、第二复合传感器组件采集土壤表面、内部参数的周期为5–20分钟。

进一步，所述第一感应器件包括圆心均布的凸点状结构，且凸点状结构为多层扩设安装，每一层级的凸点状结构均不少于两个。

又一方面，本发明还提供了一种传感器装置的工作方法。

所述工作方法包括：第一复合传感器组件和/或第二复合传感器组件；其中所述第一复合传感器组件位于土壤表面且适于检测土壤表面参数；和/或所述第二复合传感器组件位于土壤内部且用于检测土壤内部参数；以及将检测获得的相应参数通过无线方式进行发送。

第三方面，本发明还提供了一种传感器装置的使用方法。

所述传感器装置中第一复合传感器组件的下表面与第二复合传感器组件所在直杆的上端通过单支点柔性万向球进行连接；

在使用时，将直杆插入土壤中，即

所述第一复合传感器组件贴附于土壤表面，且第二复合传感器组件置入土壤内部。

本发明的有益效果是，通过位于土壤表面的第一复合传感器组件和位于土壤内部的第二复合传感器组件，分别检测灌溉对象现场的土壤表面水湿润度、土壤表面水积存/土壤表面水流失、土壤水分垂直分布和土壤温度垂直分布等多项参数，较现有技术中灌溉的检测相比，本发明对土壤的参数检测方式全面优化，可以准确地感知被测区域内土壤各项参数。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅涉及本发明的一些实施例，而非对本发明的限制。

图1是本发明的传感器装置的整体组成结构图；

图2是本发明的第一复合传感器组件的主视图；

图3是本发明的第一复合传感器组件的俯视图；

图4是本发明的第一复合传感器组件的仰视图；

图5是本发明的第一传感部和第二复合传感器组件的分体状态图。

图中：传感器装置100、第一复合传感器组件200、第一感应器件210、浅凹槽220、第二感应器件230、导水孔道231、圆周240、第一连接部250、凹球形空洞260、直杆300、第二复合传感器组件310、第二连接部320、凸支点330。

具体实施方式

下文讨论的图1至图5，以及在本专利文件中用于描述本发明的原理的各种实施例仅是用来说明，而不应当以被视为以任何方式限制本发明的范围。本领域技术人员将理解的是，本发明的原理可以实施在任何合适的智能灌溉系统中。用于描述各种实施例的术语是示范性的。应当理解的是，提供这些仅是为了帮助理解本说明书，且它们的使用和定义不以任何方式限制本发明的范围。使用术语第一、第二等来区分具有相同术语集的对象，而不意在以任何方式表示空间和/或时间次序，除非另有明确说明。组被限定为包含至少一个元件的非空组。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚和完整的描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。应当理解的是，本文所描述的示范性实施例应当仅被认为是描述性的，而不是为了限制性目的。对每个示范性实施例中的特征或方面的描述应当通常被认为可用于其他示范性实施例中类似的特征或方面。

实施例1

如图1所示出了根据示例性实施例的传感器装置100的整体组成结构图，该传感器装置100包括位于土壤表面且适于检测土壤表面参数的第一复合传感器组件200；和/或位于土壤内部且用于检测土壤内部参数的第二复合传感器组件310；第一复合传感器组件200及第二复合传感器组件310所采集的相应参数可以采用无线方式进行发送。

所述相应参数即为土壤表面参数可以但不限于包括：土壤表面水湿润度(wetness)、土壤表面水积存(ponding)、土壤表面水流失(surface runoff)一种或几种；所述土壤内部参数可以但不限于包括：垂直分布的土壤含水量和/或土壤温度。

通过将检测获得到的土壤表面水湿润度、土壤表面水积存/土壤表面水流失、土壤水分垂直分布和土壤温度垂直分布等实时传感数据通过无线传输至灌溉系统，使灌溉系统能够对土壤的灌溉量、灌溉速率、灌溉分区、灌溉时间等参数能进行合理及时的调整和控制，控制灌溉设备的开启或关闭，以达到灌溉最佳设定状态，实现土壤灌溉的智能化。

在本实施例中，第一复合传感器组件200为圆碟型结构，第二复合传感器组件310位于直杆300上，直杆300可以通过单支点柔性万向球与第一复合传感器组件200的下表面连接，两者通过绕制有适于信号传输的天线的第一复合传感器组件200的圆周240将检测到的土壤表面和土壤内部参数传输至灌溉系统；将第一复合传感器组件200的圆周240作为适于信号传输的天线能有效防止需要进行灌溉检测区域内高大作物叶蔓等障碍物对网络数据信号传输产生影响。其中，天线可以采用具有Lora无线传输功能，且构成Lorawan网络。

在本实施例中，第一复合传感器组件200的上表面与土壤表面持平，其上表面布设有带有排水结构的第二感应器件230，用于检测土壤表面水积存，和/或土壤表面水流失参数；第一复合传感器组件200的下表面与土壤相接触并嵌入至土壤内部，下表面布设有第一感应器件210，用于检测土壤表面水润湿度参数。第一复合传感器组件200通过绕制有适于信号传输的天线的圆周240，用以向灌溉系统传递第一感应器件210和第二感应器件230检测到的土壤表面水润湿度参数，和/或土壤表面水积存，和/或土壤表面水流失参数，以使灌溉设备根据实际需要对土壤进行可调整性的灌溉，更好的实现了智能灌溉，对灌溉起到了精准闭环控制的作用。其中第一复合传感器组件200在结构上只需满足能够布设第一感应器件210和具有排水结构的第二感应器件230，其具体形状可以根据土壤施灌地的实际地理状态、环境温度等外界因素做出适应性调整。

在本实施例中，第二复合传感器组件310可跟随直杆垂直地置入于土壤内部，用于检测土壤水分垂直分布参数和/或土壤温度垂直分布参数，为了便于第二复合传感器组件310包括土壤水分和/或土壤温度感应器件以同时或分别对土壤水分垂直分布参数和/或土壤温度垂直分布参数的检测，第二复合传感器组件310设置不少于两组；同时为了更精准的检测在土壤内部垂直空间层面上的参数，在第二复合传感器组件310内按照相同间隔距离设置，其中每个第二复合传感器组件310之间的间距优选为5-10cm，以提高检测的垂直空间分辨率。第二复合传感器组件310为了能实时将土壤水分垂直分布和/或土壤温度垂直分布参数传递到灌溉系统，将检测参数的采集时间划定为最优选的每5-20分钟进行一次检测，在提供足够时间分辨率前提下，尽可能压缩数据采集量，使检测参数在空间和时间上达到高度融合，实现检测的集中化、密集化，极大的提高了土壤内部参数的检测精准度。同时第二复合传感器组件310通过第一复合传感器组件200的绕制有适于信号传输的天线的圆周240，将土壤水分垂直分布和/或土壤温度垂直分布检测参数传递至灌溉系统，以使灌溉系统根据实际状态对土壤灌溉进行实时调整，更好地实现了智能灌溉，对灌溉实现了精准闭环控制。

如图2所示出了根据示例性实施例的传感器装置100的第一复合传感器组件200的主视图，第一复合传感器组件200包括三个部分，第一部分为下方远离第一复合传感器组件200中心的用以检测土壤表面水润湿度参数的第一感应器件210，其中第一感应器件210向下突出于圆周240底部平面，当第一复合传感器组件200的圆周240底部平面嵌入土壤时，其第一感应器件210可以更深入与土壤相嵌合，能更为精准灵敏的对土壤表面水润湿度参数进行检测；第二部分为第一复合传感器组件(200)上表面的复合结构，即为带有排水结构的第二感应器件230，用以检测土壤表面水积存/土壤表面水流失状态；第三部分为用以与直杆的第二连接部320进行组合连接的第一连接部250，第一连接部250在空间位置上，向下突出于圆周240底部平面，并突出于第一感应器件210；以及通过第一复合传感器组件200在灵敏感知土壤表面水积存和土壤表面水流失状态的同时，能去除感应表面水滴滞留造成的干扰影响。

在本实施例中，第一连接部250的中心处设有凹球形空洞260，以用于和第二连接部320的凸支点330进行配合连接，凹球形空洞260可以与凸支点330同心设置或偏心设置，并以凸支点330形成万向连接结构，使第一复合传感器组件200围绕置入土壤中趋于固定的直杆300做360度圆周旋转，同时又能使第一复合传感器组件200相对于直杆300在空间上做一定角度的摆动，可实现旋转和/或摆动两个自由度的灵活组合旋转，满足多空间角度的万向调节。同时为了防止第一连接部250和第二连接部320在连接相对运动过程中产生刚性冲击和长时间的摩擦，影响两者的连接强度和使用寿命，可将第二连接部320的凸支点330采用硬塑性材料制成以提高其刚性，制作材料可选为POM但不仅限于此；将第一连接部250整体采用塑性材料制成，其制作材料可为PE、PVC、ABS、PTFE但不仅限于此，进而有效提高了第一连接部250和第二连接部320支点接触部位的耐磨强度，并能减缓两者间产生的刚性冲击。

在本实施例中，第一连接部250相对于第二连接部320旋转时的有限倾斜角度设置为±15°，这样的摆动角度限定其优越性在于：第一、可以防止第一感应器件210在第一复合传感器组件200过度摆动旋转时触碰到第一连接部250，对第一感应器件210造成损坏或影响检测精度；第二、可以避免在无需土壤灌溉期间，传感器装置100被人为不均匀踩踏或被农用机械器具碾压时，能灵活的进行一定空间角度变换对传感器装置100起到保护作用。

如图3所示出了根据示例性实施例的传感器装置100的第一复合传感器组件200的俯视图，该图示出了第一复合传感器组件200的上部结构。第一复合传感器组件200，其圆周240绕制有适于信号传输的天线，上表面设有面向外界的排水结构和第二感应器件230，以检测土壤表面水积存，和/或土壤表面水流失参数，其具有圆碟型结构的第一复合传感器组件200圆心向外层层嵌套的环形浅凹槽220和若干条导水孔道231组成。第一复合传感器组件200采用圆碟型结构设计，能够有效避免一般直杆式土壤水分传感器的一个严重设计缺陷，即一般直杆式外置在土壤表面以上部分，对雨水或灌溉水的截流作用显著，截流会顺传感器壁和土壤之间的空隙快速向地表深层移动(bypass)，进而造成传感器土壤水分测量值严重偏离土壤水分的实际垂直分布。本实施例中第一复合传感器组件200的呈圆碟型结构设计能够有效、迅速地把传感器顶部截流的雨水或灌溉水分散到圆碟周边的土壤表层中，利用周边土壤提供的巨大缓冲作用去除传感器顶部截流影响。

并且，为提高检测精度浅凹槽220与导水孔道231采用多段式结构，空间上由内向外扩设并相邻设置，以利于渗流第一复合传感器组件200的上表面的积水。加入导水孔道231的第二感应器件230能有效检测灌溉或降雨过程中土壤表面水积存，和/或土壤表面水流失参数,同时去除感应表面水滴或积水滞留造成的检测干扰等影响。

如图4所示出了根据示例性实施例的传感器装置100的第一复合传感器组件200的仰视图，该图示出了第一复合传感器组件200的下部结构。具有第一感应器件210的第一复合传感器组件200，下表面与土壤相接触并嵌入至土壤内部，第一感应器件210用于检测土壤表面水湿润度，并设置为沿第一复合传感器组件200圆心均布的凸点状结构，凸点状结构为多层扩设安装，每一层级的凸点状结构均不少于两个，可以提高土壤表面水湿润度变化参数检测精准度，凸点状结构数量还可根据不同的检测环境进行合理调整。同时第一复合传感器组件200中心部位还具有与直杆300进行连接的第一连接部250。

如图5所示出了根据示例性实施例的传感器装置100的第一复合传感器组件200和第二复合传感器组件310的分体状态图，概念性展示了第一复合传感器组件200和第二复合传感器组件310的结构，两者通过第一连接部250的中心处设有的凹球形空洞260和第二连接部320的凸支点330进行配合连接，在支点处形成万向连接结构，实现第一复合传感器组件200与第二复合传感器组件310空间上相对水平旋转和/或摆动旋转。通过第一复合传感器组件200的绕制有适于信号传输天线的圆周240，传递一定时间间隔来自第一复合传感器组件200和第二复合传感器组件310检测的土壤表面水湿润度、土壤表面水积存/土壤表面水流失、土壤水分垂直分布和土壤温度垂直分布的参数，将检测参数提供给灌溉系统，以使灌溉系统更为精准的控制灌溉设备的开启或关闭，实现土壤灌溉的智能化。

第一复合传感器组件200和第二复合传感器组件310两部分可以采用分拆设计，在为本传感器装置100提供一个多自由度的缓冲联接同时，也能够为传感器装置100本身功能设置提供一个选择。当面对一个不需要测量土壤表面水湿润度、土壤表面水积存/土壤表面水流失等测量参数、或不是确切关心第一复合传感器组件200截流对土壤水分测量影响、或对传感器价格十分敏感的具体应用时，其顶部土壤表面水湿润度、土壤表面水积存/土壤表面水流失双参数圆碟型感应组件可以被一个单一无线通讯模块所替代。

传感器装置100的持续工作能源由位于第二复合传感器组件310底部、置入于土壤深处的电池供给，通过外部设备对电池充电，使电池能持续供给能源。其电池连接以及第一复合传感器组件200与第二复合传感器组件310的电气连接均采用防水柔性电缆，接口处均采用IP68防水等级密闭接口，以实现检测环境的封闭。同时在不需要测量土壤表面水湿润度、土壤表面水积存/土壤表面水流失这些参数的情况下，圆碟型结构的第一复合传感器组件200可以被其他模块所替代，例如一个单一无线通讯模块，但替换模块不仅限于此。

实施例2

在实施例1基础上，本实施例2提供了一种传感器装置的工作方法，包括：

第一复合传感器组件200和/或第二复合传感器组件310；其中所述第一复合传感器组件200位于土壤表面且适于检测土壤表面参数；和/或所述第二复合传感器组件310位于土壤内部且用于检测土壤内部参数；以及将检测获得的相应参数通过无线方式进行发送。

关于本实施例中第一复合传感器组件200、第二复合传感器组件310的结构、工作原理，以及无线方式进行组网，发送数据的方法均在实施例1中进行了详细阐述，此处不再赘述。

实施例3

在实施例1基础上，本实施例3提供了一种传感器装置的使用方法。

所述传感器装置中第一复合传感器组件200的下表面与第二复合传感器组件310所在直杆300的上端通过单支点柔性万向球进行连接。

在使用时，将所述第二复合传感器组件310插入土壤中，以使所述第一复合传感器组件200位于土壤表面；所述第一复合传感器组件200的上表面适于土壤表面持平，以使位于所述第一复合传感器组件200的下表面的第一感应器件210紧贴土壤表面，以采集土壤表面湿润度参数，同时使位于所述第一复合传感器组件200的上表面的第二感应器件230检测土壤表面水积存，和/或土壤表面水流失状态；以及所述第二复合传感器组件310跟随直杆300插入土壤内部以适于检测土壤水分，和/或土壤温度参数。

关于本传感器装置的具体结构在实施例1中进行了详细阐述，此处不再赘述。

在使用过程中，当第二复合传感器组件310被埋入土壤后，第一复合传感器组件200在中轴线对齐状态下被以按压的方式与直杆300连接。这样的连接方式允许第一复合传感器组件200同时保持旋转和倾斜两个自由度，第一复合传感器组件200可以360°绕支点无节转动或在±15°范围有限倾斜，可以避免不均匀脚踏或农用机具碾压对传感器可能的损害。第一复合传感器组件200和第二复合传感器组件310的电气连接采用防水柔性电缆和IP68防水等级密闭接口。

本发明的有益效果在于能持续、精准、可靠、全方位地检测土壤表面水湿润度、土壤表面水积存/土壤表面水流失、土壤水分垂直分布和土壤温度垂直分布的参数，以便在灌溉系统中提供实时准确的土壤数据，能够使灌溉系统按实际需要控制灌溉装置开启或关闭，实现智能灌溉。

以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。