本发明属于土壤湿度监测领域，一种基于多频率反测介电常数判断土壤水分的墒情监测系统。
背景技术
土壤饱和含水量是指土壤颗粒间所有孔隙都充满水时的含水量，亦称持水度；土壤水在土壤中受到各种力的作用，由于各种力的不同作用，土壤水形成了具有不同水分物理特性的吸湿水、膜状水、毛管水及重力水，当土壤达到饱和含水量时，土壤的形态便是包含了所有的吸湿水、膜状水、毛管水及重力水，因此，饱和含水量可以表征土壤的最大持水能力，常用来反应土壤的水源涵养功能，是墒情监测的重要数据。
现有的设备的许多设备均可以用于测量土壤含水量的设备，总结起来，其测量方法具有以下缺陷：
1.电极板容易受到土壤环境的影响，出现位移或者松动，从而影响监测结果；
2.描绘出的土壤含水量曲线精度较差；
3.易受谐波干扰，或者其他频段电磁波干扰，影响含水量曲线。
技术实现要素：
本发明提供一种墒情监测系统，可以提高曲线精度，同时避免电磁波干扰。
本发明通过以下方式实现：
一种墒情监测系统，包括数据采集仪1和数据分析模块；
所述数据采集仪包括顶盖、一端开口的管状壳体和至少一载板；所述顶盖设置在壳体开口端与壳体可拆卸连接；所述载板通过一连接件与壳体可拆卸连接，所述载板上设有一监测电路；所述监测电路包括一选频模块、一起振模块、一分频模块、一放大模块和一数据处理模块；所述选频模块、起振模块分频模块、放大模块和数据处理模块依次串联；所述选频模块包括两电环；两电环形成电容；两电环与一滤波器连接并与至少两电感并联形成回路；所述一选频模块、一起振模块、一分频模块、一放大模块和一数据处理模块集成为一电路板上；
所述电感之间设有一继电器受控端，用于在电感之间进行切换；
所述载板包括一上端面；所述上端面设有两对称侧壁；所述侧壁合围形成一凹槽；所述凹槽中部设有镂空部；所述镂空部两侧设有至少一对锁孔；所述电路板设置在凹槽中并通过锁孔固定，载板两侧面设有侧板；所述侧板外端面呈圆弧状且设有至少两隔开的限位槽；所述电环套设在限位槽上；
所述数据分析单元与数据处理单元数据连接：所述数据模块通过以下方法进行数据分析：
s1：获取校准点数据；
s2：对比校准点通过物理法测得的水份量；
s3：制作含水量曲线，完成校准；
所述s1中，将数据采集仪埋入校准点中，加水，使土壤含水量稳定平衡，读取数据采集仪数据；
所述s2中：取与数据采集仪同深度土层的土壤；密封、称重；之后进行烘干；
所述s1-s2步骤需重复操作，直到土壤含水量饱和；
所述s1中，数据采集仪切换不同电感对含水量进行测定；分别获得不同电感的输出值；
所述s4中，同个电感的输出值做归一化处理，得到sf值，以实测含水量为横坐标，以sf值为纵坐标，得到分散的数据点；同个采集的数据点，确定含水量幂曲线；
所述s4中，在不同电感监测后获得的不同含水量幂曲线进行算数平均；得到最终的含水量曲线；
所述s4中，归一化处理前分别将数据采集仪放在空气中和水中用读取数据。
进一步的，所述数据处理模块包括一选频单元和处理器、所述选频单元包括一继电器控制端、一二极管、一nmos晶体管、第13电阻和第12电阻；所述继电器控制器一端与电源连接；另一端与nmos晶体管漏极连接；继电器控制器与二极管形成并联；nmos管源极接地，栅极与第13电阻一端连接；所述第13电阻另一端与处理器连接；所述第12电阻一端与nmos管源极连接且接地，另一端与处理器连接；所述继电器控制端与继电器受控端相匹配。
进一步的，所述起振模块包括mc1648-s芯片、第七电阻、第四电阻、第九电容、第一电容、第六电容和第十八电容；所述第七电阻一端与芯片mc1648-s芯片第八引脚连接，另一端与mc1648-s芯片第一引脚串联电感；所述第四电阻一端连接直流电源另一端连接第五引脚且与第六电容串联接地；所述mc1648-s芯片第二引脚和第三引脚连接并分别连接接地的所述第一电容和接地的所述第十八电容；所述mc1648-s芯片第六引脚和第七引脚连接并接地。
进一步的，所述放大模块包括第二电阻、第六电阻、第八电阻、第三电阻、tlv3201集成电路和第二电容；所述tlv3201集成电路第一引脚与数据处理模块连接；第三引脚与分频模块连接，同时与第六电阻一端连接；第六电阻另一端与电源连接；所述第二电阻一端与第三引脚连通，另一端与第二引脚连通并且接地；第八电阻一端与tlv3201集成电路第四引脚连接，另一端连接电源；第三电阻一端与tlv3201集成电路第四引脚，另一端与第二引脚连接并且接地；所述第二电容一端接地，另一端连接电源。
进一步的，所述s4输出的值为fs,所述sf=(fa-fs)/(fa-fw)，其中：fa为探头在空气中测定的频率值，单位为hz；fw为在水中测定的频率值，单位为hz；fs为在土壤(soil)中测定的频率值,单位为hz。
进一步的，所述顶盖包括一端开口的外盖和一端开口的内盖；所述内盖可转动地套设在外盖中；外盖内侧顶壁设有一环状凸起；所述环状凸起外侧设有一限位块；所述内盖顶壁设有一圆槽；所述圆槽上侧向外延伸形成一扇形槽；所述扇形槽与圆槽同轴且扇形槽与圆槽之间形成一台阶面；当外盖和内盖配合时，所述圆槽和环状凸起均在同一圆心上；所述环形凸起与圆槽相配合；所述外盖和内盖以环状凸起为轴可相对转动，限位块与台阶面相对应且在台阶面范围内滑动；所述外盖近限位块一端侧壁设有一开口；所述内盖近扇形槽的侧壁分别设有第一通孔、弹钮和第二通孔；所述第一通孔、第二通孔和弹钮均与开口相适配；所述外盖和内盖通过弹钮锁固；所述内盖与壳体通过螺钉可拆卸连接。
进一步的，所述弹钮包括一底槽和一按钮；所述底槽侧壁设有两导轨槽；所述按钮与开口适配且可封闭开口；所述按钮底面两端设有与两导轨槽配合的凸耳；所述凸耳可沿导轨槽滑动；所述底面设有弹簧；所述弹簧与底槽连接。
本发明的有益效果是：提供一种墒情监测系统，对墒情进行监测的同时也进行数据优化处理，通过两频点的监测，提高了数据的精确度，并且可以有效抗干扰；同时设有可转动外盖，便于墒情仪端口数据的取出和开关的控制。
附图说明
图1为本发明结构示意图；
图2为本发明电路示意图；
图3为载板结构示意图；
图4为载板截面示意图；
图5为载板侧面示意图；
图6为曲线示意图；
图7为外盖示意图；
图8为内盖示意图；
图9为弹钮示意图。
具体实施方式
一种墒情监测系统，包括数据采集仪和数据分析单元；
所述数据采集仪包括顶盖1、一端开口的管状壳体2和至少一载板3；所述顶盖1设置在壳体2开口端与壳体2可拆卸连接；所述载板3通过一连接件与壳体可拆卸连接，所述载板上设有一监测电路31；所述监测电路包括一选频模块311、一起振模块312、一分频模块313、一放大模块314和一数据处理模块315；所述选频模块311、起振模块312、分频模块313、放大模块314和数据处理模块315依次串联；所述选频模块312包括两电环3121；两电环形成电容；两电环与一滤波器连接并与至少两电感并联形成回路；所述一选频模块311、一起振模块312、一分频模块313、一放大模块314和一数据处理模块315集成为一电路板上；所述电感之间设有一继电器受控端，用于在电感之间进行切换；
选频模块用于选择不同的电感进行测量；两电环之间形成电容，根据公式
利用不同的电感l，可以探测出不同的频率数据f，本发明中，设有两个不同的电感，并且在测试时，通过继电器受控端，切换不同的电感，对同一深度的土壤进行两次不同的测量，得到两组不同的数据。
起振模块作为振荡发生器，产生振荡波。
设有分频模块，因为处理器无法采集过高频率的信号，因此需要进行分频处理。
放大模块用于将弦波进行放大，转化成可以被处理器采集的数字信号。
数据处理模块用于功能控制，数据采集、处理和传输。
为了防止电容的移位，本发明设置有用于固定电路板和电容的载板：
所述载板3包括一上端面；所述上端面设有两对称侧壁321；所述侧壁321合围形成一凹槽322；所述凹槽322中部设有镂空部323；所述镂空部323两侧设有至少一对锁孔324；所述电路板设置在凹槽322中并通过锁孔324固定，载板3两侧面设有侧板33；所述侧板外端面呈圆弧状且设有至少两隔开的限位槽331；所述电环3121套设在限位槽上；
凹槽与电路板形状适配，使电路板可以稳固放置在侧板上，同时通过螺钉与锁孔锁固；设有镂空部，可以提高载板的抗缓冲能力，侧板呈圆弧状，与电环可以适配，并且设有限位槽，限位槽宽度与电环宽度相同，所以电环套设在其中可以更为稳固。
所述数据分析单元与数据处理单元数据连接：所述数据模块通过以下方法进行数据分析：
s1：获取校准点数据；
s2：对比校准点通过物理法测得的水份量；
s3：制作含水量曲线，完成校准；
所述s1中，将数据采集仪埋入校准点中，加水，使土壤含水量稳定平衡，读取数据采集仪数据；
所述s2中：取与数据采集仪同深度土层的土壤；密封、称重；之后进行烘干；
所述s1-s2步骤需重复操作，直到土壤含水量饱和；
所述s1中，数据采集仪切换不同电感对含水量进行测定；分别获得不同电感的输出值；
所述s4中，同个电感的输出值做归一化处理，得到sf值，以实测含水量为横坐标，以sf值为纵坐标，得到分散的数据点；同个采集的数据点，确定含水量幂曲线；
所述s4中，在不同电感监测后获得的不同含水量幂曲线进行算数平均；得到最终的含水量曲线；
所述s4中，归一化处理前分别将数据采集仪放在空气中和水中用读取数据。
选取校准点，置入数据采集仪，之后在传采集仪周围加500ml左右的水
目的是使土壤水分慢慢增加，所以水的量不要一次性加很多，要留出至少4个小时的时间使土壤中水势平衡，之后数据采集仪读取若干组数据。
s2中，采用环刀取样，在所需的深度用已知质量的环刀在数据采集仪管壁边上，在探测的同深度土层取样，称重，之后烘干称重，两次重量的差额即为其实际水份。
所述数据处理模块包括一选频单元和处理器、所述选频单元包括一继电器控制端、一二极管、一nmos晶体管、第13电阻和第12电阻；所述继电器控制器一端与电源连接；另一端与nmos晶体管漏极连接；继电器控制器与二极管形成并联；nmos管源极接地，栅极与第十二电阻一端连接；所述第十三电阻另一端与处理器连接；所述第十二电阻一端与nmos管源极连接且接地，另一端与处理器连接；所述继电器控制端与继电器受控端相匹配。
nmos晶体管用于开关继电器的mos管，使继电器k1a通电，控制k1b双刀引脚切换至低频率回路；第十二电阻下拉继电器控制端电阻，在常态下nmos晶体管截止，继电器不通电；第十三电阻起控制缓冲作用的电阻，有利于保护nmos晶体管的使用寿命；二极管起到续流作用，完善继电器由通到断的电流回路，有效保护nmos管和减少整体电源系统的杂噪。
所述起振模块包括mc1648-s芯片、第七电阻、第四电阻、第九电容、第一电容、第六电容和第十八电容；所述第七电阻一端与芯片mc1648-s芯片第八引脚连接，另一端与mc1648-s芯片第一引脚串联电感；所述第四电阻一端连接直流电源另一端连接第五引脚且与第六电容串联接地；所述mc1648-s芯片第二引脚和第三引脚连接并分别连接接地的所述第一电容和接地的所述第十八电容；所述mc1648-s芯片第六引脚和第七引脚连接并接地；
所述放大模块包括第二电阻、第六电阻、第八电阻、第三电阻、tlv3201集成电路和第二电容；所述tlv3201集成电路第一引脚与数据处理模块连接；第三引脚与分频模块连接，同时与第六电阻一端连接；第六电阻另一端与电源连接；所述第二电阻一端与第三引脚连通，另一端与第二引脚连通并且接地；第八电阻一端与tlv3201集成电路第四引脚连接，另一端连接电源；第三电阻一端与tlv3201集成电路第四引脚，另一端与第二引脚连接并且接地；所述第二电容一端接地，另一端连接电源。
上述电路中，第十八电容、第四电容和第二电容作为旁路，用于解耦滤波；
第二电阻、第六电阻、第八电阻、第三电阻作为偏置输入；
第九电容起到谐振的作用；
第四电阻和第六电容起到芯片功能选择；
所述s4输出的值为fs,所述sf=(fa-fs)/(fa-fw)，其中：fa为探头在空气中测定的频率值，单位为hz；fw为在水中测定的频率值，单位为hz；fs为在土壤中测定的频率值,单位为hz。
通过上述方法，最终将测得的数值转化为用在0-1之间的数值进行描述。
本实施例采用双频探测，分高频和低频，起振频率高频在100~150mhz，低频在20~35mhz；测出数值经归一化处理后如图所示，综合线为修正后最终的曲线；由于射频会受到其他电磁波影响，如果其中某一条曲线出现异常，则可以判断本次校准失败，必须重新测量。
进一步的，所述顶盖1包括一端开口的外盖11和一端开口的内盖12；所述内盖12可转动地套设在外盖11中；外盖11内侧顶壁设有一环状凸起111；所述环状凸起111外侧设有一限位块112；所述内盖12顶壁设有一圆槽121；所述圆槽121上侧向外延伸形成一扇形槽122；所述扇形槽122与圆槽121同轴且扇形槽122与圆槽121之间形成一台阶面123；当外盖11和内盖12配合时，所述圆槽121和环状凸111起均在同一圆心上；所述环形凸起111与圆槽121相配合；所述外盖11和内盖12以环状凸起111为轴可相对转动，限位块112与台阶面123相对应且在台阶面范围内滑动；所述外盖11近限位块112一端侧壁设有一开口113；所述内盖12近扇形槽的侧壁分别设有第一通孔124、弹钮125和第二通孔126；所述第一通孔124、第二通孔126和弹钮125均与开口相适配；所述外盖11和内盖12通过弹钮125锁固；所述内盖与壳体通过螺钉可拆卸连接。
为了使顶盖更为紧密，外盖与内盖紧密配合，外盖内径与内盖外径相适配，当内盖12套设在外盖11中时，环状凸起111对应插入圆槽121中，而限位块112则刚好可以在台阶面范围内移动，外盖11和内盖12相对转动，限位块112也随之在台阶面内滑动，直到限位块112抵触到扇形槽122的两侧壁时，外盖11和内盖12的相对转动也被卡住，因此，扇形槽122弧边的长度决定了外盖和内盖相对转动的范围。
在外盖和内盖相对转动时，当限位块112抵触到扇形槽122一端侧壁时，第一通孔124与开口113对应，当限位块112抵触到扇形槽122另一端侧壁时，第二通孔126与开口113对应，当限位块在台阶面的中间位置时，弹钮125与开口113相对应，卡住开口113，使外盖和内盖无法相对转动。
所述弹钮125包括一底槽1251和一按钮1252；所述底槽1251侧壁设有两导轨槽1253；所述按钮1252与开口113适配且可封闭开口；所述按钮1252底面两端设有与两导轨槽1253配合的凸耳1254；所述凸耳1254可沿导轨槽1253滑动；所述底面设有弹簧1255；所述弹簧1255与底槽1251连接。
当外盖需要封闭时，将外盖转到弹钮与开口对应的位置，之后按钮在弹簧作用下弹出，封住开口，同时由于凸耳1254卡住开口的边缘，对按钮有了限制的作用。当需要转动外盖时，将按钮往底槽方向按压，按钮便松开对外盖的限制，使外盖可以转动。
使用时，可以将第一通孔设置为设备开关，第二通孔设置为航空接头，与数据处理模块连接，当需要获取设备数据时，可以通过第二通孔读取采集仪数据，当需要关闭时，则将外盖转到弹钮出，即可封闭外盖。
本发明提供一种墒情监测系统，对墒情进行监测的同时也进行数据优化处理，通过两频点的监测，提高了数据的精确度，并且可以有效抗干扰；同时设有可转动外盖，便于墒情仪端口数据的取出和开关的控制。