基于平板电容式探头的土壤温湿度无线采集方法及系统与流程

本发明涉及土壤监测，尤其涉及基于平板电容式探头的土壤温湿度无线采集方法及系统。

背景技术：

1、现有平板电容式土壤温湿度采集方案仅采用固定窗口滤波方式处理原始采样信号，无法适配土壤现场多变的电压波动工况，电容采样噪声抑制能力有限；同时未设置多级温度补偿与分层校正逻辑，探头自身温度漂移、土壤温度变化会持续干扰电容至介电常数、介电常数至含水率的转换过程，温湿度解算存在持续累积误差，采集得到的土壤温度、体积含水率数据精度偏低，数据波动幅度大，长期原位监测下数据一致性较差。

2、现有采集流程缺少一体化数据校验与标准化无线帧封装机制，温湿度数据完成解算后无独立校验编码流程，无线传输阶段易出现数据丢失、错乱且无法快速识别异常数据，数据采集后还需额外开展二次规整处理，整体数据采集与传输处理链路繁琐，土壤温湿度无线采集整体运行效率低下。因此如何提升土壤温湿度无线采集精度与整体采集运行效率，成为了亟待解决的问题。

技术实现思路

1、本发明提供基于平板电容式探头的土壤温湿度无线采集方法及系统，以解决上述背景技术中提出的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供的基于平板电容式探头的土壤温湿度无线采集方法，包括：

3、d1、对平板电容式探头的原始电压分压数据进行自适应平滑滤波，得到所述平板电容式探头的平滑电压数据，并对所述平板电容式探头的原始电容采样数据进行中值滤波，得到所述平板电容式探头的滤波后电容数据；

4、d2、对所述平滑电压数据进行阻值-温度映射，得到所述平板电容式探头的土壤温度数据；

5、d3、基于所述土壤温度数据，对所述滤波后电容数据进行温度漂移补偿，得到所述平板电容式探头的补偿后电容数据；

6、d4、对所述补偿后电容数据进行介电常数转换，得到所述平板电容式探头的土壤介电常数；

7、d5、基于所述土壤温度数据，对所述土壤介电常数进行温度影响校正，得到所述平板电容式探头的校正后介电常数，并对所述校正后介电常数进行非线性含水率转换，得到所述平板电容式探头的土壤体积含水率；

8、d6、对所述土壤体积含水率与所述土壤温度数据进行通讯协议帧组装，得到所述平板电容式探头的无线采集数据。

9、在一个优选的实施方式中，所述对平板电容式探头的原始电压分压数据进行自适应平滑滤波，得到所述平板电容式探头的平滑电压数据，并对所述平板电容式探头的原始电容采样数据进行中值滤波，得到所述平板电容式探头的滤波后电容数据，包括：

10、获取平板电容式探头的原始电压分压数据与原始电容采样数据，并对所述原始电压分压数据与原始电容采样数据进行连续采样缓存，得到所述平板电容式探头的连续电压序列与连续电容采样序列；

11、根据所述连续电压序列中的电压差值，提取所述连续电压序列中采样点的局部波动幅度；

12、基于所述局部波动幅度，对所述连续电压序列数据的滤波窗口宽度进行动态调整，得到所述连续电压序列数据中采样点的自适应滤波窗口宽度；

13、基于所述自适应滤波窗口宽度，对所述连续电压序列进行加权平均，得到所述平板电容式探头的平滑电压数据；

14、提取所述连续电容采样序列中采样点的电容值，并对所述电容值进行排序，得到所述电容值的排序位次；

15、将所述排序位次处于中间位置的电容值作为所述平板电容式探头的滤波后电容数据。

16、在一个优选的实施方式中，所述对所述平滑电压数据进行阻值-温度映射，得到所述平板电容式探头的土壤温度数据，包括：

17、根据所述平滑电压数据的数值范围，对所述平滑电压数据进行电压幅值分级，得到所述平滑电压数据对应的电压等级标识；

18、基于预设的电压-温度对应关系，对所述电压等级标识进行检索匹配，得到所述平滑电压数据的温度区间；

19、基于所述温度区间，对所述平滑电压数据进行分段线性映射，得到所述平板电容式探头的初步温度数据；

20、对所述初步温度数据进行领域平滑，得到所述平板电容式探头的土壤温度数据。

21、在一个优选的实施方式中，所述基于所述土壤温度数据，对所述滤波后电容数据进行温度漂移补偿，得到所述平板电容式探头的补偿后电容数据，包括：

22、对所述土壤温度数据进行温度值序列化重组，得到所述平板电容式探头的温度采样序列；

23、对所述温度采样序列进行相邻采样点幅值比对，得到所述平板电容式探头的温度波动特征；

24、基于预设的波动容许基准区间，对所述温度波动特征进行特征隶属度比对，得到所述平板电容式探头的补偿触发条件；

25、根据所述补偿触发条件，提取所述滤波后电容数据的漂移偏离量；

26、基于所述漂移偏离量，对所述滤波后电容数据进行偏移修正，得到所述平板电容式探头的补偿后电容数据。

27、在一个优选的实施方式中，所述对所述补偿后电容数据进行介电常数转换，得到所述平板电容式探头的土壤介电常数，包括：

28、对所述补偿后电容数据进行电容值极差提取，得到所述平板电容式探头的电容极差特征值；

29、基于所述电容极差特征值，对所述补偿后电容数据进行电容值差分归一化，得到所述平板电容式探头的归一化电容差分序列；

30、基于所述归一化电容差分序列，对所述补偿后电容数据进行电容值-介电值线性映射，得到所述平板电容式探头的介电常数初步转换值；

31、根据所述电容极差特征值与所述介电常数初步转换值之间的数值比例关系，对所述介电常数初步转换值进行幅值调整，并将幅值调整后的所述介电常数初步转换值作为所述平板电容式探头的土壤介电常数。

32、在一个优选的实施方式中，所述基于所述土壤温度数据，对所述土壤介电常数进行温度影响校正，得到所述平板电容式探头的校正后介电常数，并对所述校正后介电常数进行非线性含水率转换，得到所述平板电容式探头的土壤体积含水率，包括：

33、对所述土壤温度数据与所述土壤介电常数进行采样时刻匹配对齐，得到所述平板电容式探头的温度-介电同步序列对；

34、基于所述温度-介电同步序列对，对所述土壤介电常数进行温度关联偏移量提取，得到所述土壤介电常数的温度偏移量序列；

35、基于所述温度偏移量序列，对所述土壤介电常数进行逐点温度效应反相消除，得到所述平板电容式探头的校正后介电常数；

36、对所述校正后介电常数进行分布非线性程度评估，得到所述校正后介电常数的非线性偏差特征值；

37、基于所述非线性偏差特征值，对所述校正后介电常数进行非线性幅值重映射，得到所述平板电容式探头的土壤体积含水率数据。

38、在一个优选的实施方式中，所述对所述校正后介电常数进行分布非线性程度评估，得到所述校正后介电常数的非线性偏差特征值，包括：

39、对所述校正后介电常数数据进行多次采样均值处理，得到所述校正后介电常数的算术平均值；

40、根据所述算术平均值与所述校正后介电常数，计算所述校正后介电常数的非线性偏差特征值；

41、对所述非线性偏差特征值进行有效性判别，并将通过判别的所述非线性偏差特征值作为所述校正后介电常数的非线性偏差特征值。

42、在一个优选的实施方式中，所述非线性偏差特征值的计算公式如下：

43、；

44、其中，为所述非线性偏差特征值，为所述校正后介电常数中第 个数据点的介电常数值，为所述校正后介电常数中的最大介电常数值，为所述校正后介电常数中的最小介电常数值，为所述算术平均值，为所述校正后介电常数中的数据点总数。

45、在一个优选的实施方式中，所述对所述土壤体积含水率数据与所述土壤温度数据进行通讯协议帧组装，得到所述平板电容式探头的无线采集数据，包括：

46、对所述土壤体积含水率数据与所述土壤温度数据进行循环冗余校验编码，得到所述平板电容式探头的含水率校验码与所述温度校验码；

47、基于所述含水率校验码和所述温度校验码，对所述土壤体积含水率数据和所述土壤温度数据进行协议数据组装，得到所述平板电容式探头的待封装数据；

48、添加所述待封装数据的帧起始标志和帧结束标志，得到所述平板电容式探头的无线采集数据。

49、为了解决上述问题，本发明还提供基于平板电容式探头的土壤温湿度无线采集系统，所述系统包括：

50、原始信号预处理模块，用于对平板电容式探头的原始电压分压数据进行自适应平滑滤波，得到所述平板电容式探头的平滑电压数据，并对所述平板电容式探头的原始电容采样数据进行中值滤波，得到所述平板电容式探头的滤波后电容数据；

51、测温解算映射模块，用于对所述平滑电压数据进行阻值-温度映射，得到所述平板电容式探头的土壤温度数据；

52、电容硬件温漂补偿模块，用于基于所述土壤温度数据，对所述滤波后电容数据进行温度漂移补偿，得到所述平板电容式探头的补偿后电容数据；

53、电容介电常数转换模块，用于对所述补偿后电容数据进行介电常数转换，得到所述平板电容式探头的土壤介电常数；

54、土壤体积含水率求解模块，用于基于所述土壤温度数据，对所述土壤介电常数进行温度影响校正，得到所述平板电容式探头的校正后介电常数，并对所述校正后介电常数进行非线性含水率转换，得到所述平板电容式探头的土壤体积含水率；

55、无线数据帧封装模块，用于对所述土壤体积含水率与所述土壤温度数据进行通讯协议帧组装，得到所述平板电容式探头的无线采集数据。

56、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

57、1.本发明通过采用分层差异化滤波处理机制，对探头电压数据动态自适应平滑滤波、电容采样数据中值滤波，能够有效滤除现场采集过程中的随机噪声与脉冲干扰，同步完成电压阻值分段线性测温与电容数据温度漂移补偿，逐级消除硬件探头自身温漂、电压波动带来的原始数据误差；同时通过电容归一化转换介电常数、温度同步校正介电特性，搭配专用非线性偏差特征值完成含水率映射，大幅降低土壤温湿度解算过程中的系统误差，提升土壤温度、体积含水率数据的采集精度与数据稳定性。

58、2.本发明通过在完成温湿度数值解算后同步对两类数据独立添加循环冗余校验码，统一封装起止帧标识形成标准化无线传输数据帧，整套采集流程形成从原始信号预处理、多维度误差补偿、参数转换到无线帧封装的完整闭环处理逻辑，简化土壤温湿度数据无线传输前置处理流程，减少数据二次加工开销，提升土壤温湿度无线采集整体运行效率，保障无线传输过程中数据完整性与可校验性，适配长期连续野外土壤原位监测场景下不间断数据采集需求。