一种自动式干深探头及预测并获得干深信息的方法

1.本发明涉及一种灌溉湿度探测设备，具体涉及一种自动式干深探头及预测并获得干深信息的方法。


背景技术：

2.随着科技的发展，人们日益重视环保，期望在各个领域均实现环保型产业，例如环保智慧型产业。在农业生产中，水资源尤为重要，发展节水型农业显得尤其重要。目前，比较先进的灌溉技术不仅包括喷灌以及微灌，还包括应用先进的自动化控制技术实施精确灌溉，以作物实际需水为依据，以信息技术为手段，从而提高作为灌溉的精准度。利用自动化控制技术实施精确灌溉的关键在于如何获取不同土壤深度的墒情，从而根据墒情做出相应的灌溉措施。干深探头是一种用于探测干土壤有多深的探头，传统的干深探头是在一定长度的探头主体的末端装上传感器，然后插入土壤中，得出土壤的含水量信息。但是传统的干深探头，存在以下问题：
3.1、传统的干深探头需要手动插入土壤中，在需要获取大量干深数据时，工作量繁重，耗费劳动力，并且效率低下。
4.2、传统的干深探头进入土壤的深度需要手动测量，手动测量存在较大的误差，导致获取的土壤干深信息有出入，测量效果不佳。
5.3、传统的干深探头设置了一定的长度，因此一个干深探头只能插入一定深度的土壤中，需要探测不同深度的土壤含水量信息时，需要设置各种不同长度的干深探头，干深探头数量繁多，检测成本高。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种自动式干深探头，该干深探头能够精确地自动进入土壤不同的深度，探测土壤的干深信息。
7.本发明的另一个目的在于提供一种利用上述干深探头预测并获得土壤干深信息的方法。
8.本发明解决上述技术问题的技术方案是：
9.一种自动式干深探头，包括用于测量水分含量的感应器、用于安装所述感应器的探针、用于安装所述探针的探针架以及用于精确驱动所述探针前进或后退的探针驱动机构，其中，沿着探针前进的方向，所述感应器设置在所述探针的前端；所述探针驱动机构包括高精度驱动电机以及具有特定传动比的传动机构，所述传动机构用于将电机的转动转换为探针的直线运动。
10.上述自动式干深探头的工作原理是：
11.在需要进行干深探测时，启动自动式干深探头，对一定范围内的土壤进行探测。首先，将探针的前端朝下设置，并使得探针最前端与土壤平面接触；接下来，启动高精度驱动电机，并控制高精度驱动电机转动，传动机构用于将高精度驱动电机转换为探针的直线运
动，并且传动机构具有固定的传动比，这样，高精度驱动电机能够精确控制探针前进一定的距离，由于在初始状态时，探针的最前端位于土壤的平面上，因此探针最前端前进的距离就是探针进入土壤的深度。感应器设置在探针的前端，感应器与探针最前端的距离固定，在探针前端进入土壤深度确定的情况下，感应器进入土壤的深度也就确定下来。在探针前进的同时，感应器同时工作，记录当前深度土壤中水分含量信息；在探针进入土壤中不同深度的过程中，感应器探测对应深度土壤中的水分含量信息，从而得出该测量点土壤的干深信息。在整个测量过程中，高精度驱动电机及传动机构使得探针自动前进，并且能够控制探针进入土壤的精确深度，从而通过一个探头即可完成不同深度土壤的含水量的探测。
12.本发明的一个优选方案，所述感应器包括用于与土壤直接接触的感应部，所述感应部为弧形金属片，所述金属片设置在所述探针的前端。
13.优选地，所述感应器为mp
‑
508b湿度传感器。
14.本发明的一个优选方案，所述探针的前端设有藏泥槽，所述藏泥槽的轴线垂直于所述探针的轴线，所述藏泥槽贯穿所述探针，且藏泥槽的其中一个端部与所述弧形金属片的内壁接触。
15.本发明的一个优选方案，所述高精度驱动电机为伺服电机。
16.本发明的一个优选方案，所述传动机构包括设置在所述探针后端上的丝杆、与所述丝杆匹配的丝杆螺母、设置在所述电机转轴上的主动齿轮以及设置在所述丝杆螺母上的从动齿轮，其中，所述丝杆螺母通过轴承安装在所述探针架的上端。
17.本发明的一个优选方案，所述传动机构包括设置在所述探针后端上的丝杆、与所述丝杆匹配的丝杆螺母、设置在所述电机转轴上的主动同步轮、设置在所述丝杆螺母上的从动同步轮以及设置在主动同步轮与从动同步轮之间的同步带，其中，所述丝杆螺母通过轴承安装在所述探针架的上端。
18.本发明的一个优选方案，所述传动机构包括直线模组，所述高精度驱动电机设置在直线模组上，所述探针设置在所述直线模组的滑台上，所述直线模组构成了所述探针架。
19.本发明的一个优选方案，所述传动机构包括设置在所述探针后端上的齿条以及设置在所述高精度驱动电机转轴上的第二齿轮，其中，所述第二齿轮与齿条相互啮合，所述齿条的长度方向沿着所述探针的长度方向设置；所述高精度驱动电机的转轴垂直于所述探针的轴线方向。
20.一种预测并获得干深信息的方法，包括以下步骤：
21.(1)控制数据采集模块采集土壤的干深信息；具体地，包括以下步骤：
22.st1
‑
1、启动自动式干深探头，对一定范围内的土壤进行探测；
23.st1
‑
2、将探针的前端朝下设置，并使得探针最前端与土壤平面接触；
24.st1
‑
3、启动高精度驱动电机，驱动探针进入土壤；
25.st1
‑
4、获取探针进入土壤的深度信息以及对应土壤深度的含水量信息；
26.(2)传送模块将数据采集模块采集到的信息进行输送；具体地，包括以下步骤：
27.st2
‑
1、ad8591数模转换模块将数据采集模块采集到的信息进行数模转换；
28.st2
‑
2、数模转换模块将转换后的信息通过i2c总线传送到数据处理模块；
29.(3)数据处理模块对传送模块传过来的信息进行处理；具体地，包括以下步骤：
30.st3
‑
1、先是根据收集到的数据进行整理，然后读取数据后调用算法进行训练生成
一个模型，将模型优化后放入树莓派文件中；
31.st3
‑
2、mamdani型模糊控制模块计算模糊量；
32.st3
‑
3、再调用树莓派微型电脑接收传送模块传过来的探头传感器采集到的土壤的深度信息以及对应土壤深度的含水量信息数据，数据传输回训练过的调用模型中进行分析；
33.st3
‑
4、得出土壤时域
‑
深度含水量预测模型结果；
34.(4)通信模块将数据处理模块的处理结果发送到客户端，用户在客户端得到土壤时域
‑
深度含水量预测模型，从而获得土壤的干深信息。
35.本发明与现有技术相比具有以下的有益效果：
36.1、本发明的自动式干深探头由高精度驱动电机驱动探针自动前进，相比于传统的手动将探针插入土壤的方式，节省了劳动力，并且能够极大地提高探测的效率。
37.2、本发明的自动式干深探头，探针前进的距离有高精度驱动电机控制，因此探针进入土壤的深度是通过控制高精度驱动电机的转动完成的，探针进入土壤的深度不需要人工测量，并且探针进入土壤深度大小精度高，从而能够得到不同深度土壤中更准确的含水量信息。
38.3、本发明的自动式干深探头，一个探针可以进入不同深度的土壤中，仅使用一个探头就可以实现对不同深度的土壤进行含水量的测量，成本低，功能更强大。
附图说明
39.图1
‑
图3为第一种实施方式的示意图，其中，图1是主视剖视图，图2为其中一个视角的立体图，图3为获取干深信息的工作流程图。
40.图4为第二种实施方式的示意图。
41.图5为第三中实施方式的示意图。
42.图6为第四种实施方式的示意图。
具体实施方式
43.下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
44.实施例1
45.参见图1
‑
图2，本发明的一种自动式干深探头，包括用于测量水分含量的感应器4、用于安装所述感应器4的探针1、用于安装所述探针1的探针架2以及用于精确驱动所述探针1前进或后退的探针驱动机构，其中，沿着探针1前进的方向，所述感应器4设置在所述探针1的前端；所述探针驱动机构包括高精度驱动电机3以及具有特定传动比的传动机构，所述传动机构用于将电机的转动转换为探针1的直线运动。
46.参见图1
‑
图2，所述感应器4包括用于与土壤直接接触的感应部4
‑
1，所述感应部4
‑
1为弧形金属片，所述金属片设置在所述探针1的前端。设置上述感应器4，将感应器4的感应部4
‑
1设置成弧形片状的金属片，这样，金属片能够紧紧地贴合在探针1上，在探针1进入泥土是，能够有效地减少感应部4
‑
1与土壤之间的摩擦，使得探针1能够更方便地进入土壤中。
47.参见图1
‑
图2，所述感应器4为mp
‑
508b湿度传感器。
48.参见图1
‑
图2，所述探针1的前端设有藏泥槽1
‑
1，所述藏泥槽1
‑
1的轴线垂直于所述探针1的轴线，所述藏泥槽1
‑
1贯穿所述探针1，且藏泥槽1
‑
1的其中一个端部与所述弧形金属片的内壁接触。设置上述藏泥槽1
‑
1，在探针1进入土壤的过程中，相应深度的土壤进入藏泥槽1
‑
1内，当探针1被误拔时，藏泥槽1
‑
1中的土壤跟随探针1出来，由于藏泥槽1
‑
1的一端与所述弧形金属片的内壁接触，因此即使探针1被误拔出来，该深度的土壤含水量信息仍然能够被测出来，设计巧妙，功能强大。
49.参见图1
‑
图2，所述高精度驱动电机3为伺服电机。伺服电机控制熟读和位置精度都非常准确，且响应快速，还具有几点时间常数小及线性度高的有点，通过控制伺服电机的转动，能够准确控制探针1的移动距离，从而能够精确控制探针1进入土壤深度，得出准确的干深信息。
50.参见图1
‑
图2，所述传动机构包括设置在所述探针1后端上的丝杆5、与所述丝杆5匹配的丝杆螺母6、设置在所述电机转轴上的主动齿轮7以及设置在所述丝杆螺母6上的从动齿轮8，其中，所述丝杆螺母6通过轴承安装在所述探针架2的上端。设置上述传动机构，在高精度驱动电机3转动时，带动主动齿轮7转动，主动齿轮7使得从动齿轮8转动，由于从动齿轮8设置在丝杆螺母6上，且丝杆螺母6与设置在探针1后端的丝杆5匹配，因此从动齿轮8的转动使得丝杆5沿着四杆螺母的轴线做直线运动，从而使得探针1自动实现进入或者退出土壤的功能。
51.参见图1
‑
图2，上述自动式干深探头的工作原理是：
52.在需要进行干深探测时，启动自动式干深探头，对一定范围内的土壤进行探测。首先，将探针1的前端朝下设置，并使得探针1最前端与土壤平面接触；接下来，启动高精度驱动电机3，并控制高精度驱动电机3转动，传动机构用于将高精度驱动电机3转换为探针1的直线运动，并且传动机构具有固定的传动比，这样，高精度驱动电机3能够精确控制探针1前进一定的距离，由于在初始状态时，探针1的最前端位于土壤的平面上，因此探针1最前端前进的距离就是探针1进入土壤的深度。感应器4设置在探针1的前端，感应器4与探针1最前端的距离固定，在探针1前端进入土壤深度确定的情况下，感应器4进入土壤的深度也就确定下来。在探针1前进的同时，感应器4同时工作，记录当前深度土壤中水分含量信息；在探针1进入土壤中不同深度的过程中，感应器4探测对应深度土壤中的水分含量信息，从而得出该测量点土壤的干深信息。在整个测量过程中，高精度驱动电机3及传动机构使得探针1自动前进，并且能够控制探针1进入土壤的精确深度，从而通过一个探头即可完成不同深度土壤的含水量的探测。
53.参见图3，一种预测并获得干深信息的方法，包括以下步骤：
54.(1)控制数据采集模块采集土壤的干深信息；具体地，包括以下步骤：
55.st1
‑
1、启动自动式干深探头，对一定范围内的土壤进行探测；
56.st1
‑
2、将探针1的前端朝下设置，并使得探针1最前端与土壤平面接触；
57.st1
‑
3、启动高精度驱动电机3，驱动探针1进入土壤；
58.st1
‑
4、获取探针1进入土壤的深度信息以及对应土壤深度的含水量信息；
59.(2)传送模块将数据采集模块采集到的信息进行输送；具体地，包括以下步骤：
60.st2
‑
1、ad8591数模转换模块将数据采集模块采集到的信息进行数模转换；
61.st2
‑
2、数模转换模块将转换后的信息通过i2c总线传送到数据处理模块；
62.(3)数据处理模块对传送模块传过来的信息进行处理；其中，数据处理模块包括树莓派微型电脑以及mamdani型模糊控制模块，具体地，信息处理过程包括以下步骤：
63.st3
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1、先是根据收集到的数据进行整理，然后读取数据后调用算法进行训练生成一个模型，将模型优化后放入树莓派文件中；
64.st3
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2、mamdani型模糊控制模块计算模糊量；
65.st3
‑
3、再调用树莓派微型电脑接收传送模块传过来的探头传感器采集到的土壤的深度信息以及对应土壤深度的含水量信息数据，数据传输回训练过的调用模型中进行分析；
66.st3
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4、得出土壤时域
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深度含水量预测模型结果；
67.(4)通信模块将数据处理模块的处理结果发送到客户端，用户在客户端得到土壤时域
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深度含水量预测模型，从而获得土壤的干深信息。
68.实施例2
69.参见图4，本实施例与实施例1的不同之处在于，本实施将实施例1中的齿轮传动改为同步轮传动，所述传动机构包括设置在所述探针1后端上的丝杆5、与所述丝杆5匹配的丝杆螺母6、设置在所述电机转轴上的主动同步轮9、设置在所述丝杆螺母6上的从动同步轮10以及设置在主动同步轮9与从动同步轮10之间的同步带11，其中，所述丝杆螺母6通过轴承安装在所述探针架2的上端。设置上述传动机构，在高精度驱动电机3转动时，带动主动同步轮9转动，主动同步轮9通过同步带11使得从动同步轮10转动，由于从动同步轮10设置在丝杆螺母6上，且丝杆螺母6与设置在探针1后端的丝杆5匹配，因此从动同步轮10的转动使得丝杆5沿着四杆螺母的轴线做直线运动，从而使得探针1自动实现进入或者退出土壤的功能。
70.实施例3
71.参见图5，本实施例中，所述传动机构包括直线模组12，所述高精度驱动电机3设置在直线模组12上，所述探针1设置在所述直线模组12的滑台12
‑
1上，所述线性模组12构成了所述探针架2。设置上述传动机构，高精度驱动电机3转动使得直线模组12的滑块做直线运动，这样，设置在直线模组12的滑台12
‑
1上的探针1跟随滑台12
‑
1做直线运动，从而使得探针1自动实现进入或者退出土壤的功能。
72.实施例4
73.参见图6，本实施例中，所述传动机构包括设置在所述探针1后端上的齿条13以及设置在所述高精度驱动电机转轴3上的第二齿轮14，其中，所述第二齿轮14与齿条13相互啮合，所述齿条13的长度方向沿着所述探针1的长度方向设置；所述高精度驱动电机3的转轴垂直于所述探针1的轴线方向。设置上述传动机构，在高精度驱动电机3转动时，高精度驱动电机3的转轴使得第二齿轮14转动，第二齿轮14的转动使得与第二齿轮14啮合的齿条13做直线运动，由于齿条13的长度方向沿着探针1的长度方向设置，因此齿条13的直线运动使得探针1做直线运动，从而使得探针1自动实现进入或者推出土壤的功能。
74.上述为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述内容的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。