多功能便携式土壤参数测量装置的制作方法

本实用新型涉及土壤监测技术，特别是一种多功能便携式土壤参数测量装置。

背景技术：

在土壤墒情监测、节水灌溉、温室控制、精细农业、水利、气象等领域都需要对土壤含水量进行测量。在土壤监测过程中，通常需要同时测试不同深度的土壤水分、土壤温度、空气温湿度并记载所测地理位置。

现有土壤水分测试仪，功能上比较单一，只能用于测量土壤水分，对其它参数如温度还需使用专门的土壤温度测试仪器来完成监测，在农田实际应用时，还必须配备gps定位仪，使用起来不方便；而且，现在使用的土壤水分测试仪，只针对土壤参数进行测定，不能对周围的大气环境同时进行测量，如有额外携带空气温度湿度监测仪器。技术人员在野外出进行流动测试时不得不带上若干仪器设备，测试之后还需将数据录入电脑，制作图表用于分析，过程繁琐而且效率低。

技术实现要素：

本实用新型针对上述领域存在的不足，提供一种多功能，便携，智能的多功能便携式土壤参数测量装置，具体实施方案如下诸多方面：

1.多功能便携式土壤参数测量装置，其特征在于，包含土壤参数测量仪以及与其配合使用的取土钻和土壤温湿度探测器；

所述土壤参数测量仪具有壳体；设置在所述壳体上的传感器接口、空气温湿度传感器、充电接口、显示屏、按键和通信接口；以及设置在所述壳体内的内部电路系统；

所述内部电路系统集成有微控制器(例如32位工业级arm微处理器)；

所述微控制器设置有模数转换电路，并通过所述传感器接口连接所述土壤温湿度探测器，用于采集和处理所述土壤温湿度探测器探测到的土壤温度和土壤水分数据；

所述微控制器与所述空气温湿度传感器连接，用于采集和处理所述所述空气温湿度传感器探测的检测地的空气温度和湿度数据；

所述取土钻由上端的手柄、中空杆体和底端取土器可拆卸地连接而成，用于在田间测量位置向地深处取土和钻孔；

所述土壤温湿度探测器包含由电缆连接的传感器接头和土壤温湿度传感器，使用状态下，所述取土钻完成钻孔后，所述土壤温湿度传感器替换所述取土器装载在所述中空杆体下端,所述电缆随所述传感器接头穿过所述中空杆体，并从上端伸出，然后与所述土壤参数测量仪上的传感器接口连接，从而实现探测数据采集。

2.所述内部电路系统还设置有：

通信接口电路，与所述通信接口连接，用于与工作人员的电脑连接实现测量数据传输，以及通过电脑进行充电；

数据存储器，通过存储器接口连接所述微控制器，用于存储测量时间、经纬度、地块代码、采样点序号、测量深度、土壤体积含水量、土壤质量含水量、土壤相对含水量、土壤温度、空气湿度、空气温度和/或作物名称的数据信息；

参数存储器，用于存储预置的地块参数，所述地块参数包括地块代码、田间持水量、作物名称；以及

gps模块，用于实现位置定位，并将位置信息传输给所述数据存储器进行存储。

3.所述壳体内还设置有电源管理系统和可充电电池，用于根据外部电源的供电情况和设定值，对所述可充电电池进行控制，防止过充和过放的情况。

4.所述内部电路系统还设置有状态指示模块，具有两个发光二极管电路，分别指示电池的充电情况以及工作状态，通过状态指示电路接口连接所述电源管理系统。

5.所述内部电路系统还设置有所述时钟电路，其通过时钟接口连接所述微控制器，作为系统的实时时钟，提供土壤参数测量时的时间。

6.所述取土钻的中空杆体由2-4节中空连接段可拆卸地连接而成。

7.所述取土钻的手柄上预设置有供所述传感器接头伸出的孔。

8.所述中空杆体的2-4节中空连接段通过连接螺母可拆卸地连接。

9.还包括便携式外盒；外盒内预设有放置所述土壤参数测量仪、取土钻的零件和土壤温湿度探测器的零件的限位槽。

本实用新型能够准确探测和记录土壤水分、温度、环境温度、地理位置和测试时间等数据信息，并在显示屏上显示出来，并方便地导出到电脑上，直观方便地进行数据图形分析，其具体具备如下优点：

通过传感器接口可与多种传感器配套连接使用；

土壤参数测量仪设置有独立的微控制器，可提供功能强大的中央控制结构，作为系统的核心部分，微控制器可完成系统的运算及控制，实现程序的运行管理、数据存储以及外围接口电路的控制等等功能；

通过采用多种充电方式为电池提供电能，保证土壤参数测量仪工作稳定。

通过设置独立的数据存储器可提供大容量的数据存储功能，结合实时时钟系统可同时保存与测量结果相关的测量深度和测量时间；

通过显示器与键盘的输入输出，便于人机交互；

土壤温湿度探测器和所述取土钻和拆卸为短小的零件，便于携带和转运；土壤温湿度探测器和所述取土钻共用中空杆体，减少了零部件数量的重量。

附图说明

图1.本实用新型的多功能便携式土壤参数测量装置中的土壤参数测量仪外形示意图；a为正面示意图，b为顶视图示意图

图2.本实用新型的多功能便携式土壤参数测量装置中的土壤参数测量仪内部功能模块构成示意图

图3.本实用新型的多功能便携式土壤参数测量装置中的取土钻2和土壤温湿度探测器3示意图；

图4.本实用新型的多功能便携式土壤参数测量装置的外盒；

1-土壤参数测量仪，2-取土钻，3-土壤温湿度探测器，4-便携式外盒，5-限位槽

11-壳体，111-传感器接口、112-空气温湿度传感器、113-充电接口、114-显示屏、115-按键，116-通信接口；

12-内部电路系统12；121-微控制器121，122-模数转换电路，123-通信接口电路，124-数据存储器，125-参数存储器；126-gps模块，127-状态指示模块，128-时钟电路；

13-电源管理系统，14-可充电电池；

21-手柄，22-中空杆体，221-中空连接段221，23-底端取土器，24-孔，25-连接螺母

31-电缆，32-土壤温湿度传感器，33-传感器接头；

具体实施方式

以下结合附图说明本实用新型的具体实施方案，下述方案不能解读为对本实用新型的范围的限制：

如图1和图2所示，在本实用新型的所有实施方案中，提供的多功能便携式土壤参数测量装置，其特征在于，包含土壤参数测量仪1以及与其配合使用的取土钻2和土壤温湿度探测器3；所述土壤参数测量仪具有壳体11；设置在所述壳体上的传感器接口111、空气温湿度传感器112、充电接口113、显示屏114、按键115和通信接口116；以及设置在所述壳体内的内部电路系统12；所述内部电路系统12集成有微控制器121(例如32位工业级arm微处理器)；所述微控制器121设置有模数转换电路122，并通过所述传感器接口111连接所述土壤温湿度探测器3，用于采集和处理所述土壤温湿度探测器3探测到的土壤温度和水分数据；所述微控制器121与所述空气温湿度传感器112连接，用于采集和处理所述所述空气温湿度传感器探测的检测地的空气温度和湿度数据；所述取土钻2由上端的手柄21、中空杆体22和底端取土器23可拆卸地连接而成，用于在田间测量位置向地深处取土和钻孔；所述土壤温湿度探测器3包含由电缆21连接的传感器接头33和土壤温湿度传感器32，使用状态下，所述取土钻2完成钻孔后，所述土壤温湿度传感器32替换所述取土器23装载在所述中空杆体22下端，被所述中空杆体经所钻孔送入土壤深处进行探测，所述电缆随所述传感器接头33穿过所述中空杆体22，从其上端伸出，与所述土壤参数测量仪1上的传感器接口111连接从而实现探测数据采集。其中的部件都是现有技术中可以获得的，例如所述内部电路系统集成32位工业级arm微控制器，运行主频达72mhz，支持多种低功耗工作模式，内置多通道12位高速高精度adc，数据测量更加准确，具有土壤水分、土壤温度、空气湿度、空气温度等测量功能，根据实际土壤情况，可以外接sst1型土壤水分和温度传感器；arm微控制器还集成复位电路、以及电路系统中其余各类系统模块的接口功能单元，属于核心部分，完成系统的运算和控制，实现程序的运行管理、数据存储以及外围接口电路的控制等功能。

在本实用新型中的一些实施方案中，所述内部电路系统12还设置有：

通信接口电路123，与所述通信接口连接，用于与工作人员的电脑连接实现测量数据传输；

数据存储器124，通过存储器接口连接所述微控制器，用于存储测量时间、经纬度、地块代码、采样点序号、测量深度、土壤体积含水量、土壤质量含水量、土壤相对含水量、土壤温度、空气湿度、空气温度和/或作物名称的数据信息；

参数存储器125，用于存储预置的地块参数，所述地块参数包括地块代码、田间持水量、作物名称；以及

gps模块126，用于实现位置定位，并将位置信息传输给所述数据存储器进行存储。

参数存储器，用于存储预置的地块参数，所述地块参数包括地块代码、田间持水量、作物名称；各地块可单独设置传感器方程，也可以统一的传感器方程，测量时只需要选择地块代码，即可自动调出相应参数，并根据这些参数计算土壤体积含水量、土壤质量含水量、土壤相对含水量。

工作人员的电脑中安装(上位机)配套的软件，通过可以通信接口连接并以预定格式提取本实用新型土壤参数测量仪保存的数据并进行编辑和处理。使用时，打开上位机软件后自动检测连接的设备，实现自动提取数据，并将数据保存，任何时间均可查询、修改、删除、添加操作，还可以导出为excel文件，进行排序和筛选。

其中的所述数据存储器通过存储器接口连接微控制器，采用非易失性存储器，可存储大容量数据，当存储器存满后，新保存的数据自动覆盖最早的历史数据。

所述通信接口电路123可以采用单通道usb收发器，连接arm微控制器，并通过所述串行通信接口6与上位机连接通信，用配套的上位机软件可以接收仪表保存的数据并进行编辑和处理。打开上位机软件后自动检测连接的设备，实现自动提取数据，并将数据保存，任何时间均可查询、修改、删除、添加操作，还可以导出为excel文件，进行排序和筛选。

gps模块能够实现位置定位，并将位置信息发送给arm微处理器进行存储，arm微处理器还可以将位置信息发送给上位机，为建立不同位置的土壤信息的数据列表提供支持。

如图2所示，在本实用新型中的一些实施方案中，所述壳体11内还设置有电源管理系统13和可充电电池14，用于根据外部电源的供电情况和设定值，对所述可充电电池进行控制，防止过充和过放的情况。

如图2所示，在本实用新型中的一些实施方案中，所述内部电路系统12还设置有状态指示模块127，具有两个发光二极管电路，分别指示电池的充电情况以及工作状态，通过状态指示电路接口连接所述电源管理系统13。

例如，为保证电能供应，电源管理系统对锂电池的充、放电进行控制，根据外部电源的供电情况，选择其中之一，实现锂电池的充电。电源管理系统采样锂电池的充放电的电压、电流，并与设定值进行比较，防止出现过充和过放的情况。在测量的电池电压过低时，根据电池的特性智能快速充电，可在较短时间完成充电，之后可维持测量仪较长时间的工作。其中，充电保护电路与放电保护电路可以为采用继电器的控制保护电路，电源管理系统发出继电器通断的控制信号来控制锂电池的充放电。根据输入电源的情况可以在充电保护电路中增加常见的dc/dc模块实现电压转换，根据负载的情况可以在放电保护电路中增加常见的dc/dc模块实现电压转换。

外部电源来源包括手机充电器、移动电源、电脑usb口。

显示器可以为液晶显示器，带有驱动电路，通过串行显示接口连接arm微控制器。

本实用新型中的一些实施方案中，所述内部电路系统还设置有所述时钟电路128，其通过时钟接口连接所述微控制器121，作为系统的实时时钟，提供土壤参数测量时的时间。

所述时钟电路通过时钟接口连接arm微控制器。可以采用nxp公司i2c接口的pcf8563芯片，作为系统的实时时钟，土壤参数测量的同时提供测量时间。

如图3所示，在本实用新型中的一些实施方案中，所述取土钻2的中空杆体22由2-4节中空连接段221可拆卸地连接而成。

如图3所示，在本实用新型中的一些实施方案中所述所述取土钻的手柄21上预设置有供所述传感器接头33伸出的孔24。

如图3所示，在本实用新型中的一些实施方案中，所述中空杆体22或33的2-4节中空连接段通过连接螺母25可拆卸地连接。

如图4所示，在本实用新型中的一些实施方案中还包括便携式外盒4；外盒内预设有放置所述土壤参数测量仪1、取土钻2的零件和土壤温湿度探测器3的零件的限位槽5。

本实用新型的多功能便携式土壤参数测量装置的使用方法

1.取出土壤参数测量仪，输入预设参数

可预置多组地块(样方)参数；地块(样方)参数包括地块(样方)代码、土壤容重、田间持水量、作物名称，各地块(样方)可单独设置传感器方程，也可使用统一的传感器方程；测量时只需选择地块(样方)代码，即可自动调出相应的参数，并根据这些参数计算土壤体积含水量、土壤质量含水量、土壤相对含水量等

2.到待测地块后，开始取土前，先将取土钻，将其中的两个中空连接段221连接好，再安装手柄，组成约为650mm的手动取土钻；把取土器插入土层，双手下压同时顺时针转动；当取土器入250mm左右时，把取土钻提离土层，将土倒出，反复数次；当取土孔穴深度在500mm左右时，取下手柄，再加一截中空连接段，然后装上手柄继续钻土，直至所需深度；在取土过程中，力的旋转方向应为顺时针。如果遇到硬质杂物需要逆时针时，可将短销(长40mm)4个分别插入连接螺母端部缺口，可以防止连接杆推出。

3.将土壤温湿度传感器装载到取土钻上，将其传感器接头带着电缆从中空杆体中穿过，从手柄上的孔穿出；

4.采用取土钻将土壤温湿度传感器送入步骤2中钻出的土洞中；

5.将传感器接头与土壤参数测量仪壳体上的传感器接口连接；

6.开启土壤参数测量仪，选择对应的地块代码，开始收集探测数据；

7.检测结束后，拆卸取土钻、土壤温湿度探测器和土壤参数测量仪，擦拭干净后，装入到外盒中。

8.土壤参数测量仪可以与电脑连接，导出探测数据进行分析。