一种基于无线传感器网络的土壤多参数测量仪的制作方法
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及农业生产设备技术领域，具体涉及一种基于无线传感器网络的土壤多参数测量仪。
【背景技术】
[0002]土壤墒情(温度、湿度和土壤电导率等)是重要的土壤信息，是农作物和树木生长的重要生态因素，进行土壤墒情的测定，掌握土壤墒情变化的规律，对作物生态状况的监测和预报具有重要意义。当前我国国内大部分农田土壤墒情信息的采集是采用有线布网、人工测量，导致现场安装困难，工作效率偏低，测量精度差，这不仅大大增加了电气工程施工费用，也导致农田灌溉等工作困难；另外，系统中的每个监控点没有自组织和自愈能力，维护工作量大，也不利于系统升级。
[0003]无线传感器网络是集合了微电子、嵌入式技术、无线通信以及分布式信息处理等先进技术于一体的新型无线通信网络。它通过随机部署的形式，将大量的传感器节点密集地放置在监控区域内，它们能够协同地实时监测、感知以及采集网络覆盖区域中各种环境或监测对象的信息，并能对这些信息数据进行相关处理，然后再以无线通信的方式将处理后的信息发送给观察者。这些传感器节点主要由传感器、微处理器、无线通信模块以及电源模块所组成，它们能够利用无线信道进行通信，并且自组织地构成无线传感器网络系统。它为农业环境的监测、数据采集以及处理提供了一种有力的解决方案，避免了传统农业数据采集监测系统的不足，目前已成为农业科技工作者的研宄重点和研宄热点，并取得了一定的进展。
[0004]市场上已有采用基于蓝牙、GPRS等无线通信技术来实现土壤温湿度信息采集的系统，但这些系统的设计功能单一、集成度不高，同时在成本、功耗以及传输速率上不是太理想，不利于在农业生产中进行推广。因此，如何在一个传感器上同时采集土壤多个参数并实现低成本、低功耗、高速率无线传输实为本实用新型所欲解决的问题。
【实用新型内容】
[0005]为了解决上述技术问题，本实用新型提供了一种基于无线传感器网络的土壤多参数测量仪。
[0006]为了达到上述目的，本实用新型的技术方案如下:
[0007]本基于无线传感器网络的土壤多参数测量仪，由无线传感器节点和数据采集器两部分组成；无线传感器节点包括土壤传感器、接口转换电路、无线SOC单片机、实时时钟和电源模块，各个无线传感器节点的硬件配置相同，可分别放置在多片待测量土壤区域；数据采集器包括无线收发模块、中心控制单元、控制按键、LCD显示模块和数据存储单元；无线传感器节点中的土壤传感器将采集到的传感信号经接口转换电路转换格式后输入无线SOC单片机，无线SOC单片机将采集到的数字信号进行数据处理后使用RF射频信号发射，数据采集器通过无线收发模块接收信号，并实时显示于LCD显示模块上，显示内容和参数设置可通过控制按键修改；一台数据采集器可同时接收1-6个无线传感器节点的数据，通信距离可达2km。
[0008]所述土壤传感器选用的是美国DECAGON公司的5TE三合一传感器，可以同时测量土壤水分，电导率(EC)和温度，激发电压范围为3-15V DC，采用SD1-12协议输出信号。
[0009]所述的无线收发模块采用挪威Nordic公司推出的2.4G单片无线射频收发芯片nRF24L01+，数据传输率为IMb/s或2Mb/s，工作在2.4-2.5GHz ISM自由频段，全球通用。
[0010]所述的无线传感器节点中电源模块采用5V可充电聚合物锂电池，电池容量2200mAh ;无线SOC单片机采用nRF24LEl芯片，该芯片内部集成了增强型8位8051微处理器和nRF24L01+2.4GHz射频收发器，并通过SPI接口进行通信；实时时钟采用美国DALLAS公司推出的具有涓细电流充电能力的低功耗实时时钟芯片DS1302。
[0011]所述的数据采集器中的中心控制单元采用增强型51单片机STC12C5A60S2，内部下载控制程序，以实现数据采集显示等功能；数据存储单元采用美国ATMEL公司的低功耗CMOS串行EEPROM产品AT24C16，存储容量为16K，数据断电不丢失；IXD显示模块采用带中文字库的FYD12864-0402B液晶。
[0012]本实用新型的有益效果是:由于采用5TE三合一传感器，可以同时测量土壤水分，电导率(EC)和温度，提高了土壤参数测量的效率和精度，有利于对土壤进行全面综合分析，能更好地指导农业生产；同时本测量仪采用RF遥控技术，工作在2.4-2.5GHz ISM自由频段，全球通用，可以对多片土壤区域同时检测并非常方便地实现传感数据的无线传输，具有功耗低，传输距离远，空中通讯速率高，抗干扰性更强，稳定性更高等优点。
【附图说明】
[0013]图1为本实用新型结构示意图。
[0014]图2为本实用新型无线传感器节点系统框图。
[0015]图3为本实用新型数据采集器系统框图。
[0016]图4为本实用新型电源模块电路原理图。
[0017]图5为本实用新型无线传感器节点电路原理图。
[0018]图6为本实用新型数据采集器电路原理图。
[0019]图7为本实用新型无线传感器节点发送信号流程图。
[0020]图8为本实用新型数据采集器接收信号流程图。
[0021]其中，1.无线传感器节点，2.数据采集器，3.锂电池，4.电压转换电路，5.nRF24LEl无线SOC单片机，6.实时时钟，7.土壤传感器，8.接口转换电路，9.按键控制电路，10.主控制电路，11.1XD显示电路，12.数据存储电路，13.nRF24L01无线收发模块。
【具体实施方式】
[0022]本实用新型下面结合实施例并参照附图作进一步详述:参见图1、图2和图3，本基于无线传感器网络的土壤多参数测量仪，由无线传感器节点I和数据采集器2两部分组成。无线传感器节点I包括土壤传感器、接口转换电路、无线SOC单片机、实时时钟和电源模块，各个无线传感器节点I的硬件配置相同，可分别放置在多片待测量土壤区域；数据采集器2包括无线收发模块、中心控制单元、控制按键、LCD显示模块和数据存储单元。无线传感器节点I中的土壤传感器将采集到的传感信号经接口转换电路转换格式后输入无线SOC单片机，无线SOC单片机将采集到的数字信号进行数据处理后使用RF射频信号发射，数据采集器2通过无线收发模块接收信号，并实时显示于IXD显示模块上，显示内容和参数设置可通过控制按键修改；一台数据采集器2可同时接收1-6个无线传感器节点I的数据，通信距离可达2km。
[0023]参见图1，土壤传感器I选用的是美国DECAGON公司的5TE三合一传感器，可以同时测量土壤水分，电导率(EC)和温度，激发电压范围为3-15V DC，采用SD1-12协议输出信号。该传感器使用70MHz振荡器测量土壤的介电常数，确定水分含量。与传感器热力接触的热敏电阻测量温度，同时传感器表面的金丝组成了四点阵列来测量电导度。其工作原理如下:测量土壤含水率时，传感器向传感器分枝提供70MHz的振荡波，传感器分枝按照材料的电介质充电。存储的电荷与土壤电介质和土壤容积水分含量成比例。5TE微处理器测量传感器的电荷并输出一个值，这个值与水分含量相关；测量电导率(EC)时给2个外部电极施加交变电流，测量2个内部电极之间的电压来得到电导率(EC)。这个电压和电流都用在计算导度上。电压和导度与单元常数(电极的距离与它们的面积的比)相乘得到电导率。5TE使用Wenner矩阵来测量EC。Wenner矩阵分布在2个5TE分枝的四条金带上。5TE在传感器表面安装了热敏电阻来获取温度读数，热敏电阻与传感器的一个分枝热力接触，读取分枝表面的平均温度。
[0024]参见图4，电源模块采用5V可充电聚合物锂电池，电池容量2200mAh ;电压转换电路采用正向低压降稳压芯片ASM1117-3.3，稳压输出3.3V直流电压；AMS1117内部集成过热保护和限流电路，是电池供电和便携式仪表的最佳选择。
[0025]参见图5，无线SOC单片机采用NORDIC最新推出的nRF24LEl芯片，该芯片内部集成了增强型8位8051微处理器