一种土壤水分监测系统的制作方法
本发明涉及土壤水分检测技术领域，具体涉及一种土壤水分监测系统。
背景技术：
土壤水分监测技术广泛应用于农业、水利、气象、林业和生态等重要的监测项目中，同时土壤水分也是土壤肥力的重要组成部分，是植物生长发育的重要影响因素，土壤水分的动态变化直接影响农作物发育演变和农作物产量，因此实时监测土壤水分垂直分布对研究农作物根系需水规律及制定合理的灌溉策略具有十分重要的意义。
传统的土壤水分检测方法一般会对土壤剖面进行单点检测，而对于单点检测土壤水分的方法是利用手持数字采集仪直接读取该测量点的水分数据。为了可以监测植物根部需水的状况，需要监测不同深度的土壤水分，其一般将多个独立的模拟感知部件及多个独立的检测电路集成在一根探测管子内，由于集成在探测管子内的多个独立的检测电路的电子元器件在性能上存在不一致性，很难保证安装在探测管子内部的每个独立的模拟感知部件的信号输出一致，造成信号检测精度降低，如果为了使得每个模拟感知部件输出一致的信号，就需要安排人工进行调试而且调试难度较大，显然，又会进一步使得更多的调试人员费时、费力，而且误差也较大。
技术实现要素：
因此，本发明实施例要解决的技术问题在于现有技术中的将多个独立的检测电路进行集成设计，由于每个电子元器件在性能上存在不一致，导致检测信号输出不一致、信号干扰较大、检测精度降低。
为此，本发明实施例提供了如下技术方案：
本发明实施例提供一种土壤水分监测系统，包括：
高频信号源，用于提供土壤水分检测高频信号；
感知单元，其包括分层间隔设置的多组感知部件，所述感知单元用于在所述高频信号源的作用下感知不同深度土壤剖面的水分；
信号检测电路，与所述感知单元连接，用于在所述高频信号源的作用下分别生成第一电压信号和生成第二电压信号；
时分复用切换单元，设置在所述感知单元与所述信号检测电路之间，用于将每层的感知部件与所述信号检测电路分时导通。
可选地，所述的土壤水分监测系统，还包括：
第一检波管，与所述信号检测电路连接，用于对所述第一电压信号进行电压幅度检波得到第一电压参数；
第二检波管，与所述信号检测电路连接，用于对所述第二电压信号进行电压幅度检波得到第二电压参数。
可选地，所述的土壤水分监测系统，还包括：
处理电路，与所述信号检测电路连接，用于计算所述第二电压参数与所述第一电压参数的差值，并对所述差值进行a/d转换得到水分检测值。
可选地，所述的土壤水分监测系统，还包括：
云平台，与所述处理电路通过无线网络连接。
可选地，所述的土壤水分监测系统，所述时分复用切换单元包括高频切换开关，所述高频切换开关与所述信号检测电路连接。
可选地，所述的土壤水分监测系统，还包括：
太阳能电池板，用于分别给所述高频信号源、所述感知单元、所述信号检测电路、所述时分复用切换单元、所述处理电路、所述第一检波管以及所述第二检波管提供电源。
可选地，所述的土壤水分监测系统，所述信号检测电路还包括：
并联高频谐振回路，与所述高频信号源连接，用于生成所述第二电压信号；
串联高频谐振回路，与所述高频信号源连接，用于生成所述第一电压信号。
可选地，所述的土壤水分监测系统，所述每组感知部件分别包括间隔设置的第一金属环和第二金属环。
可选地，所述第一电压信号和/或所述第二电压信号为高频电压信号。
可选地，所述第一电压参数和/或所述第二电压参数为模拟电压参数。
本发明实施例技术方案，具有如下优点：
本发明提供一种土壤水分监测系统，包括：高频信号源，用于提供土壤水分检测高频信号；感知单元，其包括分层间隔设置的多组感知部件，感知单元用于在高频信号源的作用下感知不同深度土壤剖面的水分；信号检测电路，与感知单元连接，用于在高频信号源的作用下分别生成第一电压信号和第二电压信号；时分复用切换单元，设置在感知单元与信号检测电路之间，用于将每层的感知部件与信号检测电路分时导通。本发明通过时分复用切换单元分时导通每组感知部件，使多组感知部件共用同一个信号检测电路，不但保证了信号检测电路输出信号的一致性，而且显著提高水分检测的精准度、降低了电路成本及电路调试的劳动力成本。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例1中土壤水分监测系统的结构框图；
图2为本发明实施例1中土壤水分监测系统的感知单元的结构框图；
图3为本发明实施例1中的高频双谐振检测回路；
图4a为本发明实施例1中土壤水分监测系统的土壤含水量与第一模拟电压信号的关系曲线；
图4b为本发明实施例1中土壤水分监测系统的土壤含水量与第二模拟电压信号的关系曲线图；
图4c为本发明实施例1中土壤水分监测系统的土壤含水量与检测电压差值的关系曲线图；
图5为本发明实施例1中土壤水分监测系统的射频无损电缆传输线与感知单元的阻抗示意图；
图6为本发明实施例1中土壤水分监测系统与云平台构成物联网的架构图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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。
在本发明实施例的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，还可以是两个元件内部的连通，可以是无线连接，也可以是有线连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
实施例1
本发明实施例提供一种土壤水分监测系统，如图1所示，分别包括高频信号源10、感知单元11、信号检测电路12、时分复用切换单元13、处理电路14、云平台15和太阳能电池板16。
本发明实施例中的土壤水分监测系统，还包括：第一检波管和第二检波管，其分别与信号检测电路12连接。
其中，高频信号源10，用于提供土壤水分检测高频信号。此处的高频信号源10能产生100mhz的高频信号。
如图1、图2所示，感知单元11，其包括分层间隔设置的多组感知部件111，并且多组感知部件111安装在探测管上，而每组感知部件111又分别包括间隔设置的第一金属环和第二金属环。探测管采用耐腐蚀、耐高低温的绝缘材料制成，其介电常数在3.0-3.2之间，第一金属环与第二金属环可以为不锈钢环构成。感知单元11中的每组感知部件111分别检测每个不同深度各自土壤剖面的土壤水分，例如：本实施例中的土壤水分监测系统用于检测土壤水分，而此时的土壤深度为80cm,而感知单元11具有4组感知部件111，第一组感知部件111用于检测土壤深度为20cm的土壤水分，第二组感知部件111用于检测土壤深度为40cm的土壤水分，第三组感知部件111用于检测土壤深度为60cm的土壤水分，第四组感知部件111用于检测土壤深度为80cm的土壤水分，所以本实施例中的感知单元11可以检测不同深度土壤剖面的土壤水分。当然，作为其它可替换的实施方式，本实施例中的土壤水分监测系统中的感知单元11还可以用于检测其它不同的多孔介质，例如：感知单元11可以检测通过堆积形成具有一定深度的小麦，感知单元11还可以检测通过堆积形成具有一定深度的沙子，感知单元11还可以检测通过堆积形成具有一定深度的稻谷。本实施例中的土壤水分监测系统，设置多组感知部件111可以同时检测不同深度土壤剖面的水分值，故能够显著提高检测效率，减少检测时间。具体地，感知单元11中的每组感知部件111分别用于在高频信号源10的作用下，形成的容抗通过射频无损电缆接入信号检测电路12，感知单元11感知每个不同深度的土壤剖面的水分。
信号检测电路12，与感知单元11连接，用于在高频信号源10的作用下分别生成第一电压信号和第二电压信号，第一电压信号通过第一检波管进行电压幅度检波得到第一电压参数，第二电压信号通过第二检波管进行电压幅度检波得到第二电压参数。此处的第一电压信号和第二电压信号可以为高频电压信号，该高频电压信号为正弦交流电，即第一电压信号与第二电压信号是高频模拟电压信号，故第一电压信号与第二电压信号需要分别经过第一检波管与第二检波管进行检波，检波后得到的第一电压参数与第二电压参数为模拟电压参数。
处理电路14，与信号检测电路12连接，用于计算第二电压参数与第一电压参数的差值，并对差值进行a/d转换得到水分检测值。该差值以确保土壤水分变化时输出永远在单调区间变化。
信号检测电路12包括并联高频谐振检测回路和串联高频谐振回路，并联高频谐振回路与串联高频谐振回路可以构成高频双谐振检测回路，高频双谐振检测回路能够保证土壤水分由干变湿过程中第二电压参数与第一电压参数的差值与土壤水分的关系呈单调增加的函数关系。
具体地，并联高频谐振回路和串联高频谐振回路分别与高频信号源10连接。其中，并联高频谐振回路用于在高频信号源10的作用下生成第二电压信号，串联高频谐振回路用于在高频信号源10的作用下生成第一电压信号。具体地，如图3所示，高频信号源10的一端通过电阻r1分别与电容c1的一端和电感l1的一端连接，电感l1的另一端分别与电容c2的一端、电容cx的一端连接，高频信号源10的另一端分别与电容c1的另一端、电容c2的另一端、电容cx的另一端共地，电容c2、电容cx并联连接，并联连接的电容c2、电容cx等效为电容c′x，电容c′x与电感l1串联连接。当土壤水分含量较高时，电感l1、电容c′x呈感性，其等效电感在高频信号源10的作用与电容c1、电感l1构成并联高频谐振回路。当土壤水分含量较低时cx较小，高频信号源10通过电阻r1以及电感l1与电容c′x构成串联高频谐振回路。
例如：本实施例中的土壤水分监测系统用于检测土壤水分时,感知单元11的感知部件111的两端与土壤接触，此时感知部件111可以构成图3中的等效电容cx。信号检测电路12构成的高频双谐振检测回路对土壤水分灵敏度很高，并联高频谐振回路在高频信号源10的作用下生成第二电压信号，串联谐振回路在高频信号源10的作用下生成第一电压信号，第二电压信号通过第二检波管进行电压幅度检波得到第二电压参数u2，第一电压信号通过第一检波管进行电压幅度检波得到第一电压参数u1。当感知部件111未与土壤接触时，第二电压参数u2略小于第一电压参数u1，即u2<u1。当感知部件111与干土接触时串联谐振于100mhz的高频正弦波频率信号，即感知单元11中的每组感知部件111插入干土时(水分0％，水分处于烘干状态)，第二电压参数u2略低于第一电压参数u1，即u2≈u1，当土壤水分从干变湿的过程中，即电容cx变大，u2的幅度逐渐增加，u1的幅度逐渐减小，如图4a-4b所示。当水分继续增加直到水分饱和u2幅度趋于平稳，饱和以后水分电压增加缓慢。在图4a与4b中，其具体的变化过程为u2、u1与土壤体积含水量分别是单调上升、单调下降的关系，因此，u2-u1与土壤体积含水量呈单调上升的关系，uout＝u2-u1＝δu,uout随着土壤体积含水量的变化而变化，即与土壤介电常数相关，从而与土壤含水率相关。具体地，通过感知单元11的每组感知部件111的两端与土壤接触可以检测出该位置的土壤水分值，每组感知部件111连接处的阻抗
在式(1)中,zc为探头在空气中的特征阻抗；l为探头的长度；λ0为测试正弦波信号在空气中的波长；ε为探头周围土壤的介电常数；j为虚数部分的表示因子。由式(1)看出每组感知部件111的金属感知环在介质中呈容性阻抗，且阻抗随着土壤容积含水量的变化而变化(随ε的变化而变化)。故uout随着土壤容积含水量的变化而变化，即与土壤介电常数相关，从而与土壤含水率相关。高频双谐振检测回路就保证了水分由干变湿的过程中|δu|＝|u2-u1|与土壤水分的关系是单调增加的函数关系，这就使得处理电路14可以通过计算得到第二电压参数与第一电压参数的差值δu幅度大小来判断土壤水分的含水值，如图4c所示。
时分复用切换单元13，设置在感知单元11与信号检测电路12之间，用于将每层的感知部件111与信号检测电路12分时导通，时分复用切换单元13包括高频切换开关，高频切换开关与信号检测电路12连接。
此处的时分复用切换单元13类似于电器元器件中的单刀多掷开关，可以随时切换电路，此处，时分复用切换单元13通过射频无损电缆与感知单元11中的每组感知部件111连接，如果本实施例中感知单元11的感知部件111共为4组，则射频无损电缆的长优选为99cm，其阻抗较小。信号衰减较低，传统中的电缆一般为同轴电缆，其会对每组感知部件111增加一个附加阻抗和感抗，这将改变电路参数、降低感知部件111的敏感度，并且如果传统的同轴电缆的长度不一致也会导致信号的相位紊乱而使信号输出紊乱，而本实施例中的射频无损电缆通过大量的实验得出其阻抗较低，使得信号传输效果最佳。例如：为了保证高频信号无衰耗采用射频无损电缆，且射频无损电缆的长度为高频信号的半波长。如果高频信号频率为100mhz，则
其中ε为射频无损电缆绝缘层聚四氟乙烯的介电常数大约为2.3左右，以下是关于射频无损电缆长度的假设，如图5所示，从信号检测电路12端作为传输线入口，则终端为土壤水分检测的感知部件111接zp的传输线上的输入阻抗，
在式(3)中，zc传输线的特征阻抗；zp传输线终端的负载阻抗即探头的阻抗；x为离开终端的距离，
λ为100mhz高频信号的波长，因此，当
所以
通过时分复用切换单元13直接与信号检测电路12连接，将时分复用切换单元13中的高频切换开关分时导通信号检测电路12使得信号输出的一致性增强，无需同现有技术中为了检测多深度的土壤水分，通过将多个独立的检测电路进行集成设计造成其信号输出一致性较差。例如：三个深度的传感器在相同土壤样本里进行一致性标定。用烘干法分别制作了3个8kg土壤水分样本：4.75％、17.79％和40.1％，用来验证该三个传感器的一致性。
表1
三个深度电压输出一致性采用均方根误差
本发明实施例为了克服上述现有技术中将多个独立的检测电路集成在一起引发互相干扰，以及多个检测电路元器件性能存在不一致性，进而很难保证多个电路板信号输出的一致性。故本实施例采用时分复用切换单元13将不同位置深度的土壤切换至对应的每组感知部件111中，然后与同一个信号检测电路12接通轮流检测各个不同深度的水分值。假设有n个深度需要检测，将检测时长划分为n个时段，采用时分复用切换单元13轮流选通各个检测通道，将该通道对应的感知部件111接入信号检测电路12中。
云平台15，与处理电路14通过无线网络连接。此处的云平台15为云服务器平台，无线网络为wifi或gsm或gprs或nb-lot或lora或bluetooth中的一种或几种,其传输距离远，传输效果好。处理电路14得到了水分检测值通过无线网络将该水分检测值传输到云平台15，实现真正的物联网、无需另外自组网、直接与用户终端、云平台15、物联网、大数据连接，从而进一步实现海量用户与土壤水分监测系统互联互通，用户可以借助任何移动终端随时随地获取各地的墒情信息。如图6所示，为物联网与本实施例中的土壤水分监测系统的系统架构图。通过图6的系统架构图，可以远距离、低功耗、低运维成本真正实现大区域物联网的低成本覆盖，同时还可以扩频的超远距离lora和nb-lot技术以支持海量用户，并采用混合开发的app(hybridapp)技术，即在一个app中内嵌一个轻量级的浏览器，部分功能采用html5来开发，不仅能够在不升级app的情况下动态更新，而且可以在android或ios的app上同时运行，既可以节省开发的资源又可以使用户有卓越的体验。云平台15可以显示土壤水分监测系统的上传信息，也可以查询历史数据，还可以发送查询、工作指令以及监控状态和数据异常报警。
本发明实施例中的土壤水分监测系统，还包括：太阳能电池板16，其安装在感知单元11的探测管上，用于分别给高频信号源10、感知单元11、信号检测电路12、时分复用切换单元13、第一检波管、第二检波管和处理电路14提供电源。太阳能电池板16的光伏标称电压为6v。太阳能电池板16可以保证系统野外连续工作无人值守，定时(1小时)采集土壤体积的含水率，节能环保，能够持续为高频信号源10、感知单元11、信号检测电路12、时分复用切换单元13、第一检波管、第二检波管和处理电路14提供电源。
本发明实施例中的土壤水分监测系统不单单可以应用在土壤水分检测，还可以对通过堆积具有一定深度的谷子、小麦或沙土进行水分检测，同样能够实现模拟感知、数据采集、无线通信、云服务器及用户终端的一体化、小型化及系统化设计，用户可以直接接入物联网，云平台15提供的数据通过智能终端app可查询土壤水分监测系统的测量数据、工作状态、历史数据折线图、散点图等。最重要的是本实施例中的土壤水分监测系统可以通过时分复用切换单元13分时导通各通道的每组感知部件111后直接与同一个信号检测电路12连接，在高频信号源10的作用下，分别通过第一检波管与第二检波管进行幅度检波得到第一电压参数与第二电压参数，不经过运放的差分放大而直接经处理电路14转换为数字信号后，单片机通过标定方程计算出水分含水量，或者数字信号由单片机存储经gsm/gprs/nb-lot无线发送到云平台15。云平台15存储的标定方程计算出水分含水量，其多路输出的信号一致性较好、降低误差，避免了传统的多个独立的检测电路进行集成设计造成信号输出一致性较差。
本发明实施例提供的土壤水分监测系统，感知单元11还可以包括多个温敏电阻，用于检测土壤温度。如图1和图6所示，感知单元11通过射频无损电缆与时分复用切换单元13连接，时分复用切换单元13分时导通时分复用切换单元13的每个高频切换开关使得每组感知部件111直接与同一个信号检测电路12连接，轮流检测各个不同深度的土壤水分值和温度值从而最终可以使得信号检测电路12输出稳定一致的检测信号进而提高土壤水分检测精度，假设有n个深度需要检测，将检测时长划分为n个时段，采用时分复用切换单元13轮流选通各个检测通道，将该通道对应的感知部件111接入信号检测电路12中。克服现有技术中将多个独立的检测电路集成在一起引起的信号互相干扰，以及多个独立的检测电路元器件性能存在不一致性，故很难保证多个电路板信号输出一致性。
并且，本发明实施例中的土壤水分监测系统，因为运用了云平台15，故能够实现端云一体的多深度土壤水分和温度的监测。在图6中可以看出处理电路14得到了水分检测值通过无线网络将该水分检测值和温度检测值传输到云平台15，实现真正的物联网、无需另外自组网、直接与云平台15、物联网、大数据连接，从而进一步实现海量用户与土壤水分监测系统互联互通，用户可以借助任何移动终端随时随地获取各地的墒情信息。可以远距离、低功耗、低运维成本真正实现大区域物联网的低成本覆盖。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
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