土壤参数测量方法及其采用的多功能便携式土壤参数测量装置与流程

1.本发明涉及土壤监测技术，特别是一种土壤参数测量方法及其采用的多功能便携式土壤参数测量装置。


背景技术：

2.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。
3.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：

4.本发明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：
5.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；
6.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；
7.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)；
8.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；
9.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；
10.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；
11.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。
12.所述内部电路系统还设置有：
13.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；
14.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；
15.参数存储器，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
16.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。
17.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。
18.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。
19.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。
20.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。
21.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。
22.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。
23.所述装置还包括便携式外盒；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。
24.所述土壤温湿度传感器包含abs工程塑料制成的柱状密封外壳，设置在柱状密封外壳中的传感器芯片和与传感器芯片连接并从柱状密封外壳底端伸出的不锈钢探针。
25.本发明还提供一种土壤参数测量方法，其特征在于，采用上述任一多功能便携式土壤参数测量装置，步骤如下：
26.(1)钻孔：采用所述取土钻在田间测定位置进行钻孔至预定深度形成纵深孔洞；
27.(2)组装土壤温湿度探测器：准备从所述中空杆体下端取下所述取土器，并换上所述土壤温湿度传感器，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，并与土壤参数测量仪上的传感器接口连接；
28.(3)测量：打开土壤参数测量仪并进行开始设定，然后用所述取土钻将所述土壤温湿度探测器送至所述纵深孔洞中预定深度位置，对预定深度位置的土壤举行测量和数据收集。
29.优选地，采用的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，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，所述中空连接段通过滚花连接螺母可拆卸地连接；
30.在(1)钻孔中，先将取土钻其中的两个中空连接段连接好，再安装手柄和取土器构成60-80cm长的手动取土钻；把取土钻插入土层转动使其深入，当深钻到10-25cm时，提出取土钻倒出土壤；反复深钻，提出，倒出土壤步骤直至深入40-60cm，如还不到预定深度，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。
31.优选地，在测量步骤之前，在所述土壤参数测量仪，输入待测地块的预设参数；
32.所述预设参数包括多组待测地块的地块代码、土壤容重、田间持水量、作物名称、地块传感器标定方程；
33.测量开始前，所述进行开始设定包括选择待测地块代码，以便自动调出待测地块的相应预设参数，并根据这些参数和测量数据自动计算得出土壤参数。
34.优选地，还包括测量之后，将土壤参数测量仪与电脑连接，实现测量数据传输和进一步的分析计算。
35.本发明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：
36.通过传感器接口可与多种传感器配套连接使用；
37.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功能；
38.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；
39.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；
40.通过显示器与键盘的输入输出，便于人机交互；
41.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
42.图1.本发明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；
43.a为正面示意图，b为顶视图示意图
44.图2.本发明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
45.图3.本发明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；
46.图4.本发明的多功能便携式土壤参数测量装置的外盒；
47.图5.本发明中，土壤温湿度传感器结构示意图
48.1-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
49.11-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；
50.12-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；
51.13-电源管理系统，14-可充电电池；
52.21-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
53.31-电缆，32-土壤温湿度传感器，33-传感器接头；321-柱状密封外壳，322-土壤温湿度传感器芯片，323-探针
具体实施方式
54.以下结合附图说明本发明的具体实施方案，下述方案不能解读为对本发明的范围
的限制：
55.如图1和图2所示，在本发明的所有实施方案中，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。
56.在本发明中的一些实施方案中，所述内部电路系统12还设置有：
57.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；
58.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；
59.参数存储器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
60.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。
61.参数存储器，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标定方程，也可以统一的传感器标定方程，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。
62.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发明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。
63.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。
64.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。
65.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。
66.如图2所示，在本发明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。
67.如图2所示，在本发明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。
68.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。
69.外部电源来源包括手机充电器、移动电源、电脑usb口。
70.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。
71.本发明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。
72.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。
73.如图3所示，在本发明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。
74.如图3所示，在本发明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。
75.如图3所示，在本发明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。
76.如图4所示，在本发明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。
77.一种土壤参数测量方法，其特征在于，采用上述任一多功能便携式土壤参数测量装置，步骤如下：
78.(1)钻孔：采用所述取土钻在田间测定位置进行钻孔至预定深度形成纵深孔洞；
79.(2)组装土壤温湿度探测器：准备从所述中空杆体下端取下所述取土器，并换上所
述土壤温湿度传感器，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，并与土壤参数测量仪上的传感器接口连接；
80.(3)测量：打开土壤参数测量仪并进行开始设定，然后用所述取土钻将所述土壤温湿度探测器送至所述纵深孔洞中预定深度位置，对预定深度位置的土壤举行测量和数据收集。
81.本发明中的一些实施方案中，采用的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，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，所述中空连接段通过滚花连接螺母可拆卸地连接；
82.在(1)钻孔中，先将取土钻其中的两个中空连接段连接好，再安装手柄和取土器构成60-80cm长的手动取土钻；把取土钻插入土层转动使其深入，当深钻到10-25cm时，提出取土钻倒出土壤；反复深钻，提出，倒出土壤步骤直至深入40-60cm，如还不到预定深度，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。
83.本发明中的一些实施方案中，在测量步骤之前，在所述土壤参数测量仪，输入待测地块的预设参数；
84.所述预设参数包括多组待测地块的地块代码、土壤容重、田间持水量、作物名称、地块传感器标定方程；
85.测量开始前，所述进行开始设定包括选择待测地块代码，以便自动调出待测地块的相应预设参数，并根据这些参数和测量数据自动计算得出土壤参数。
86.本发明中的一些实施方案中，还包括测量之后，将土壤参数测量仪与电脑连接，实现测量数据传输和进一步的分析计算。
87.本发明中优选实施方式中，如图5所示，土壤温湿度传感器包含abs工程塑料制成的柱状封闭外壳，设置在封闭外壳中的传感器芯片和与传感器芯片连接并从柱状封闭外壳底端伸出的不锈钢探针，具有以下性能指标
88.测量参数：土壤体积含水量θ
v
；
89.单位：％(m3/m3)
90.量程：0～100％(m3/m3)；
91.精度：0～50％(m3/m3)范围内为
±
2％(m3/m3)；
92.测量参数：土壤温度；
93.单位：℃；
94.量程：-20～80℃；
95.精度：
±
0.5℃；
96.测量区域：90％的影响在围绕中央探针的直径为3cm、长为6cm的圆柱体内；
97.稳定时间：通电后约10秒；
98.响应时间：响应在1秒内进入稳态过程；
99.工作电压：4.5～5.5vdc，典型值5.0vdc；
100.工作电流：60～80ma，典型值70ma；
101.输出信号：0～2.5v；
102.工作温度：-15～50℃；
103.存储温度：-20～70℃；
104.密封材料：abs工程塑料；
105.探针材料：不锈钢，强度大，不易折断；
106.电缆长度：标准长度为2.5m，最长为20m。
107.本发明中优选实施方案中，所述土壤参数测量仪具有以下配置和功能
108.1.微处理器(微控制器)配置为具有以下性能和参数：
109.采用32位工业级arm微处理器，运行主频达72mhz，支持多种低功耗工作模式；
110.内置多通道12位高速高精度adc，数据测量结果更准。
111.2测量功能
112.具有土壤水分、土壤温度、空气湿度、空气温度等测量功能；
113.直接测量土壤体积含水量，并可计算土壤质量含水量和土壤相对含水量；
114.土壤水分测量范围：0～100％m3/m3，精度：
±
2％m3/m3；
115.土壤温度测量范围：-20～80℃，精度：
±
0.5℃；
116.空气湿度测量范围：0～100％rh，精度：
±
2％rh；
117.空气温度测量范围：-40～85℃，精度：
±
0.3℃。
118.3.gps定位功能
119.内置高性能gps模块和gps天线；
120.典型定位时间：冷启动32秒，热启动1秒；
121.自动定位精度：2.5m cep；
122.经纬度单位可选择“度”或“度分秒”格式。
123.4.显示与按键部分
124.采用3.5寸tft彩色液晶显示器，显示内容更丰富；
125.可显示土壤体积含水量、土壤质量含水量、土壤相对含水量及传感器输出电压值；
126.实时显示系统日期时间及gps定位数据；
127.实时显示当前地块(样方)代码、采样点序号、测量深度等信息；
128.实时显示当前地块(样方)土壤容重、田间持水量、作物名称等信息；
129.采用7键操作界面及中文菜单式操作方式；
130.可直接在仪表上修改所有参数，包括系统时间、传感器标定方程等；
131.测量中即可选择当前地块(样方)代码、采样点序号、测量深度等参数一键式数据存储操作。
132.5电源部分
133.采用8000mah大容量聚合物锂电池供电；
134.连续工作时间大于40小时；
135.待机时间超过30天；
136.充电器及数据线兼容大多数android手机充电器和数据线；
137.可使用手机充电器充电；
138.可使用电脑usb口充电；
139.可使用充电宝(移动电源)充电。
140.6.时钟电路
141.具有带自动补偿功能的高精度时钟电路；
142.可自动与电脑对时。
143.7.参数存储器
144.可预置16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)可单独设置传感器标定方程，也可使用统一的传感器标定方程
145.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。
146.8.数据存储器
147.采用大容量数据存储器，可存储65536组测量数据；
148.按每月存储200组数据计算，可存储27年的历史数据；
149.当数据存储器存满时，新保存的数据自动覆盖最早的历史数据；
150.存储的数据包含测量时间、经纬度、地块(样方)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、作物名称等信息。
151.9.与电脑连接和通讯
152.与电脑通过usb接口进行通讯，可直接使用手机数据线进行连接；
153.连接安装了匹配软件的电脑后，无需任何设置即可被自动提取数据；
154.提取的所有数据保存到电脑文件，任何时间均可进行查询、修改、删除、添加操作；
155.数据可导出到excel文件，可进行排序、筛选；
156.若电脑已联网，上位机软件可将提取的数据导出为标准格式excel报表。
157.本发明的多功能便携式土壤参数测量装置的使用方法示例
158.1.取出土壤参数测量仪，输入预设参数；
159.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)可单独设置传感器标定方程，也可使用统一的传感器标定方程；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。
160.2.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。
161.3.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。
162.4.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。
163.5.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。
164.6.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。
165.7.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。
166.8.土壤参数测量仪可以与电脑连接，导出探测数据进行分析。