專利名稱：無線智能土壤水分自動監(jiān)測儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種儀器，尤其涉及一種對土壤中水分進(jìn)行 監(jiān)測的無線智能土壤水分自動監(jiān)測儀。
背景技術(shù)：
氣象部門在開展墑情或旱情的監(jiān)測工作中，土壤水分測量是一項(xiàng)十分重要的內(nèi)容，它對及時(shí)掌握各地土壤旱澇災(zāi)情，合理安排灌溉資源， 都具有非常重要的意義。目前，國內(nèi)、外土壤水分測量方法有很多種，其中自動測量土壤水分方法是通過探測土壤傳導(dǎo)性的獲得土壤含水量,如中子儀 法、TDR (Time Domain Reflectometry ) 禾口 FDR (Frequency Domain Reflectometry)等。中子儀法屬于將中子源埋入待測土壤中，中子儀測定水 分就是通過測定慢中子云的密度與水分子間的函數(shù)關(guān)系來確定土壤中的水分 含量，但這種方法具有中子輻射，對人體健康有潛在的威脅；TDR法是時(shí)間域 反射反映土壤水分變化，但該方法儀器安裝、標(biāo)定比較困難；而常用的方法 是烘干稱重法直接測量土壤的重量含水率和容積含水量；這種辦法不僅對取 土地塊及操作過程要求較高、費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且精確度不高、連續(xù)性差。發(fā)明內(nèi)容為了克服上述土壤水分測定存在的不足，本實(shí)用新型的目的 是提供一種能夠準(zhǔn)確、連續(xù)、快速、使用方便的無線智能土壤水分自動監(jiān)測 儀。本實(shí)用新型的技術(shù)方案是以下述方式實(shí)現(xiàn)的一種無線智能土壤水分自動監(jiān)測儀，它包括探測器、數(shù)據(jù)采集器、終端計(jì)算機(jī)和數(shù)據(jù)中心服務(wù)器，其特征在于探測器由一塊處理板和若干傳感器 組成，傳感器結(jié)構(gòu)為單桿多節(jié)式，傳感器外部有保護(hù)套管，處理板處理傳感 器傳輸來的數(shù)據(jù)，與數(shù)據(jù)采集器進(jìn)行通信，與傳感器通過數(shù)據(jù)傳輸排線連接。 所述傳感器每節(jié)由兩個(gè)圓環(huán)電容、電路板(LYOIOI、 LY0102)組成，傳
感器對相對應(yīng)土壤水分進(jìn)行采集，變換成頻率信號，通過數(shù)據(jù)傳輸排線傳輸 到處理板。所述電路板(LY0102)上具有LC振蕩電路和分頻電路，圓環(huán)電容作為 振蕩電路的一部分，將水分的變化轉(zhuǎn)換為頻率的變化，通過數(shù)據(jù)傳輸排線送 到電路板(LY0101)。所述振蕩電路的振蕩頻率變化在150MHz-100MHz之間。所述傳感器的數(shù)量為1 10個(gè)。所述的數(shù)據(jù)采集器由連接板(LY0103)、處理板(LY0104)和無線收發(fā)模塊 (LY0107)組成，主要完成數(shù)據(jù)的定時(shí)采集、存儲、無線發(fā)送功能；連接板 (LY0103)通過雙排插座(XS4)和處理板(LY0104)的XP1交換數(shù)據(jù)。所述的無線收發(fā)模塊LY0107選用400兆赫茲的無線收發(fā)模塊，完成現(xiàn)場 和機(jī)房的數(shù)據(jù)交換。所述的數(shù)據(jù)采集器對外具有RS485、 RS232和無線通訊接口，完成對傳感器、后臺管理軟件的數(shù)據(jù)交換工作。所述的探測器與數(shù)據(jù)采集器之間的通信采用RS485總線。 本實(shí)用新型的電容式傳感器原理是電容傳感器主要完成土壤水分頻率的輸出。根據(jù)圓環(huán)電容傳感器測量原 理，土壤含水量的不同，引起圓環(huán)電容的介質(zhì)變化，于是電容值就會改變， 從而引起LC振蕩器的振蕩頻率變化。傳感器把高頻信號變換后輸出。本實(shí)用新型的積極效果是-a) 采用高頻電容測量技術(shù)，準(zhǔn)確檢測不同土壤水分，保證了信號的真 實(shí)、準(zhǔn)確性；b) 采用高性能、高精度單片機(jī)技術(shù)，完成頻率信號的計(jì)算處理，保證 水分?jǐn)?shù)據(jù)的計(jì)算、測量的精度；c) 土壤探測器與采集器之間的通信采用RS485總線技術(shù)，不僅擴(kuò)展性 強(qiáng)，而且特別增強(qiáng)了防雷擊設(shè)計(jì)，保證了探測系統(tǒng)穩(wěn)定工作和數(shù)據(jù)傳輸?shù)目?靠性。d) 采集器與終端計(jì)算機(jī)之間采用有線或無線通信，靈活性強(qiáng)；無線通信 距離遠(yuǎn)，誤碼率低，安裝方便。c) 儀器連續(xù)、不間斷、隨時(shí)提取數(shù)據(jù)，有烘干法無法比擬的優(yōu)點(diǎn)性。d) 傳感器精度高，使用簡單，安裝、調(diào)試、標(biāo)定、維護(hù)方便。 本實(shí)用新型是電容傳感器技術(shù)、單片機(jī)嵌入式設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)通信和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)集成于一體的智能土壤水分探測儀器。通過合理布設(shè)監(jiān)測站點(diǎn)，可以及 時(shí)、準(zhǔn)確、系統(tǒng)地監(jiān)測旱情變化，科學(xué)合理的分析和預(yù)測，建立農(nóng)田水分監(jiān) 測、預(yù)報(bào)和灌溉決策服務(wù)于一體的土壤墑情測報(bào)系統(tǒng)，對指導(dǎo)抗旱有著重要的 實(shí)用價(jià)值和重大的現(xiàn)實(shí)意義。

圖1為本實(shí)用新型的系統(tǒng)組成方框圖。圖2為多節(jié)式土壤水分探測器原理結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為探測器處理板LY0105電路原理示意圖。圖4為電路板LY0102振蕩電路和分頻電路原理示意圖。圖5為電路板中的片選器LY0101布線圖。圖6為連接板LY0103的電路原理圖。圖7為數(shù)據(jù)采集器處理板LY0104的電路原理示意圖。圖8為土壤水分監(jiān)控系統(tǒng)C/S結(jié)構(gòu)流程圖具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖對本實(shí)用新型作進(jìn)一步說明由圖l、圖2、圖3可以看出本無線智能土壤水分自動監(jiān)測儀包括探測
器、數(shù)據(jù)采集器、終端計(jì)算機(jī)和數(shù)據(jù)中心服務(wù)器，其探測器由一塊處理板2 (LY0105)和若干傳感器3組成，傳感器結(jié)構(gòu)為單桿多節(jié)式，傳感器外部有 保護(hù)套管，處理板2處理傳感器傳輸來的數(shù)據(jù)、與數(shù)據(jù)采集器進(jìn)行通信、與 傳感器通過數(shù)據(jù)傳輸排線4連接。由圖2、圖4、圖5圖可以看出所述傳感器l每節(jié)由兩個(gè)圓環(huán)電容、電 路板(LY0101、 LY0102)組成，傳感器3對相對應(yīng)土壤水分進(jìn)行采集，變換 成頻率信號，通過數(shù)據(jù)傳輸排線傳輸?shù)教幚戆?;由圖2還可以看出圓環(huán)電容套穿在筒式PVC支撐桿5上，處理板2設(shè) 置在PVC支撐桿5內(nèi)上端，處理板2通過設(shè)置在支PVC支撐桿5內(nèi)中下部的 數(shù)據(jù)傳輸排線4與每節(jié)傳感器3連接；在支PVC支撐桿5項(xiàng)端還設(shè)置有金屬 防水保護(hù)帽l。由圖4、圖5可以看出所述電路板(LY0102)上具有LC振蕩電路和 分頻電路，圓環(huán)電容作為振蕩電路的一部分，將水分的變化轉(zhuǎn)換為頻率的變 化，通過數(shù)據(jù)傳輸排線送到電路板(LY0101);振蕩電路的振蕩頻率變化在 150MHz-100MHz之間。由圖2還可以看出所述傳感器的數(shù)量為1 10個(gè)。由圖6、圖7還可以看出所述的數(shù)據(jù)采集器由連接板(LY0103)、處理 板(LY0104)和無線收發(fā)模塊(LY0107)組成，主要完成數(shù)據(jù)的定時(shí)采集、存儲、 無線發(fā)送功能；連接板(LY0103)通過雙排插座(XS4)和處理板(LY0104)的XP1 交換數(shù)據(jù)。所述的無線收發(fā)模塊LY0107選用400兆赫茲的無線收發(fā)模塊，完成現(xiàn)場和機(jī)房的數(shù)據(jù)交換。所述的數(shù)據(jù)采集器對外具有RS485、 RS232和無線通訊接口，完成對傳感 器、后臺管理軟件的數(shù)據(jù)交換工作。
所述的探測器與數(shù)據(jù)采集器之間的通信采用RS485總線。所述LY0104是采集器的處理板，它完成以下幾個(gè)工作編譯上位機(jī)發(fā)來的各種命令，比如數(shù)據(jù)采集、參數(shù)調(diào)整、狀態(tài)設(shè)置等;提供采集數(shù)據(jù)的時(shí)間信息；提供工作現(xiàn)場的電源信息；按照上位機(jī)要求儲存數(shù)據(jù)；接口的擴(kuò)展；所述數(shù)據(jù)采集器對外具有RS485、 RS232和無線通訊接口，完成對傳感器、 后臺管理軟件的數(shù)據(jù)交換工作；除了接收上位機(jī)指令采集水分?jǐn)?shù)據(jù)外，還可 以在上位終端計(jì)算機(jī)故障或停機(jī)時(shí)自動定時(shí)采集目標(biāo)水分?jǐn)?shù)據(jù)，并存儲于大 容量非易失性RAM中，保證了數(shù)據(jù)的連續(xù)性。所述采集器是上位機(jī)和探測器的緩沖部分，完成數(shù)據(jù)采集命令的控制、 數(shù)據(jù)的存儲等功能。所述探測器與采集器之間的通信采用RS485總線技術(shù)。不僅擴(kuò)展性強(qiáng)， 而且特別增強(qiáng)了防雷擊設(shè)計(jì)，保證了探測系統(tǒng)穩(wěn)定工作和數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。探測器與采集器的軟件采用Keil C51設(shè)計(jì)，其既具有一般高級語言的特 點(diǎn)，又能直接對單片機(jī)系統(tǒng)的硬件進(jìn)行操作，表達(dá)和運(yùn)算能力較強(qiáng)。具有生 成代碼效率高，支持浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算等特點(diǎn)，設(shè)計(jì)的軟件結(jié)構(gòu)清晰、有條理，便 于以后的擴(kuò)展、移植和維護(hù)。由圖7還可看出連接板LY0103控制采集器信號的輸入輸出、顯示采集 器的工作狀態(tài)、并為采集器提供電源。終端計(jì)算機(jī)配置軟件主要參數(shù)的配置、數(shù)據(jù)的讀取、數(shù)據(jù)庫存儲、圖形 化顯示等功能。軟件部分由單片機(jī)C51編程、土壤水分控制計(jì)算機(jī)Borland C++ Builder6.0開發(fā)平臺編程兩部分組成。硬件部分單片機(jī)C51編程，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、 轉(zhuǎn)換、預(yù)處理、校驗(yàn)和發(fā)送于一體。PC機(jī)BCB6. 0編程實(shí)現(xiàn)在Windows操作系 統(tǒng)下的土壤水分實(shí)時(shí)監(jiān)測、通過寬帶網(wǎng)土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)直接傳輸?shù)絊QL數(shù)據(jù)庫 處理中心。在探測器和數(shù)據(jù)采集器軟件中使用單片機(jī)C51語言進(jìn)行編程。由圖8可以看出系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)是根據(jù)TCP網(wǎng)絡(luò)傳輸控制協(xié)議，使用Windows Socket API和SQL Server 2000數(shù)據(jù)庫實(shí)現(xiàn)基于C/S架構(gòu)的紫外線網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)程序總體設(shè)計(jì)。 客戶瀏覽端設(shè)計(jì)土壤水分監(jiān)測數(shù)據(jù)瀏覽端，首先設(shè)置需要連接的服務(wù)器IP地址和端口， 然后通過Windows Socket向遠(yuǎn)端服務(wù)器端發(fā)送取數(shù)指令，獲取對應(yīng)的數(shù)據(jù)或 圖形顯示。主要有以下功能①實(shí)時(shí)顯示當(dāng)日土壤水分監(jiān)測網(wǎng)各地的某層土 壤水分觀測實(shí)時(shí)值；②顯示當(dāng)日或歷史土壤水分監(jiān)測網(wǎng)各地的土壤水分月變 化曲線。服務(wù)器端設(shè)計(jì)該部分是整個(gè)紫外線網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)的核心。服務(wù)端軟件以SQL Server 2000作為整個(gè)系統(tǒng)的后臺數(shù)據(jù)庫，自定義數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)，采用Windows Socket API和多線程編程技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的入庫和出庫。主要有以下的功能①實(shí)時(shí)記 錄網(wǎng)絡(luò)傳輸錯誤和數(shù)據(jù)庫錯誤日志信息，方便系統(tǒng)管理員及時(shí)了解系統(tǒng)運(yùn)行 狀況；②遠(yuǎn)程控制功能包括土壤水分監(jiān)測軟件系統(tǒng)升級、修正土壤水分監(jiān) 測軟件換算參數(shù)、修改土壤水分監(jiān)測軟件上傳IP地址等。
權(quán)利要求1、一種無線智能土壤水分自動監(jiān)測儀，它包括探測器、數(shù)據(jù)采集器、終端計(jì)算機(jī)和數(shù)據(jù)中心服務(wù)器，其特征在于探測器由一塊處理板(2)和若干傳感器(3)組成，傳感器結(jié)構(gòu)為單桿多節(jié)式，傳感器外部有保護(hù)套管，處理板(2)處理傳感器傳輸來的數(shù)據(jù)，與數(shù)據(jù)采集器進(jìn)行通信，與傳感器通過扁平電纜連接。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的無線智能土壤水分自動監(jiān)測儀，其特征在于-傳感器(1)每節(jié)由兩個(gè)圓環(huán)電容、電路板(LY0101、 LY0102)組成，傳感器(1)對相對應(yīng)土壤水分進(jìn)行采集，變換成頻率信號，通過扁平電纜傳輸?shù)教?理板(2)。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的無線智能土壤水分自動監(jiān)測儀，其特征在于 電路板(LY0102)上具有LC振蕩電路和分頻電路，圓環(huán)電容作為振蕩電路 的一部分，將水分的變化轉(zhuǎn)換為頻率的變化，通過扁平電纜送到電路板(LYOIOI)。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的無線智能土壤水分自動監(jiān)測儀，其特征在于-振蕩電路的振蕩頻率變化在150MHz-lO(MHz之間。
5、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的無線智能土壤水分自動監(jiān)測儀，其特征在于 傳感器的數(shù)量為1 10個(gè)。
6、 根據(jù)權(quán)利要求l、 2、 3、 4或5所述的無線智能土壤水分自動監(jiān)測儀， 其特征在于數(shù)據(jù)采集器由連接板(LY0103)、處理板(LY0104)和無線收發(fā)模 塊(LY0107)組成，主要完成數(shù)據(jù)的定時(shí)采集、存儲、無線發(fā)送功能;連接板 (LY0103)通過雙排插座(XS4)和處理板(LY0104)的XP1交換數(shù)據(jù)。
7、 根據(jù)權(quán)利要求6所述的無線智能土壤水分自動監(jiān)測儀，其特征在于 無線收發(fā)模塊LY0107選用400兆赫茲的無線收發(fā)模塊，完成現(xiàn)場和機(jī)房的數(shù) 據(jù)交換。
8、 根據(jù)權(quán)利要求1或7所述的無線智能土壤水分自動監(jiān)測儀，其特征在 于數(shù)據(jù)采集器對外具有RS485、 RS232和無線通訊接口，完成對傳感器、后 臺管理軟件的數(shù)據(jù)交換工作。
9、 根據(jù)權(quán)利要求8所述的無線智能土壤水分自動監(jiān)測儀，其特征在于 探測器與數(shù)據(jù)采集器之間的通信采用RS485總線。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種無線智能土壤水分自動監(jiān)測儀，它包括探測器、數(shù)據(jù)采集器、終端計(jì)算機(jī)和數(shù)據(jù)中心服務(wù)器，其探測器由一塊處理板和若干傳感器組成，傳感器結(jié)構(gòu)為單桿多節(jié)式，傳感器外部有保護(hù)套管，處理板處理傳感器傳輸來的數(shù)據(jù)，與數(shù)據(jù)采集器進(jìn)行通信，與傳感器通過扁平電纜連接。它是電容傳感器技術(shù)、單片機(jī)嵌入式設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)通信和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)集成于一體的智能土壤水分探測儀器。通過合理布設(shè)監(jiān)測站點(diǎn)，可以及時(shí)、準(zhǔn)確、系統(tǒng)地監(jiān)測旱情變化，科學(xué)合理的分析和預(yù)測，建立農(nóng)田水分監(jiān)測、預(yù)報(bào)和灌溉決策服務(wù)于一體的土壤墑情測報(bào)系統(tǒng)，對指導(dǎo)抗旱有著重要的實(shí)用價(jià)值和重大的現(xiàn)實(shí)意義。
文檔編號G01N27/22GK201034964SQ200720090099
公開日2008年3月12日 申請日期2007年4月20日 優(yōu)先權(quán)日2007年4月20日
發(fā)明者余國河, 冶林茂, 厲玉昇, 吳志剛, 楊海鷹, 牛素軍, 范玉蘭, 陳懷亮, 陳海波 申請人:河南省氣象科學(xué)研究所;中國電子科技集團(tuán)公司第二十七研究所