一种基于声速反演的土壤含水率长期监测装置及监测方法

技术领域

本发明属于土壤检测领域，具体涉及一种基于声速反演的土壤含水率长期监测装置及监测方法。

背景技术

土壤含水率用来衡量土壤的干湿程度，是精细化农田灌溉管理水分平衡计算的重要参量，也是土壤环境的关键要素之一，精准地获知土壤含水率信息对于农业工程具有重要意义。目前，土壤含水率的检测方法有烘干称重法、射线法、介电特性法等，但是在实际生产过程中上述检测方法存在经济性低、检测过程复杂或应用环境苛刻等问题，无法满足农业工程中土壤含水率长期监控的需求。声学原理检测土壤含水率是基于声速在不同含水率状态的土壤介质具有不同表现的原理来实现的，声速与土壤含水率相关性好，具有检测灵敏度高的特点。但是，声速也会受土壤温度和土壤紧实度的影响，从而导致检测不准确。

发明内容

本发明在于克服现有技术的不足，提供一种基于声速反演的土壤含水率长期监测装置，所述土壤含水率长期监测装置引入温度传感器和压力传感器分别获取土壤温度信息和土壤压力信息能进一步修正声速与土壤含水率的关系，提高土壤含水率的检测精度。

本发明的第二个目的在于提供一种基于声速反演的土壤含水率长期监测方法。

本发明用于解决现有技术问题的技术方案是：

一种基于声速反演的土壤含水率长期监测装置，包括支架以及设置在支架上的太阳能供电模块、土壤含水率采集模块和控制模块，其中，所述太阳能供电模块安装在所述支架的顶部，用于给所述土壤含水率采集模块和所述控制模块提供电源；所述土壤含水率采集模块与所述控制模块相连接，用于获取土壤声速、土壤温度和土壤紧实度信息，并以此计算出土壤含水率，该土壤含水率采集模块包括声速检测模块、温度传感模块和压力传感模块，其中，所述声速检测模块包括声波发射探头和声波采集探头，所述声波发射探头用于发射特定频率的声波，将声波信号穿透土壤介质传递给所述声波采集探头；所述声波采集探头内置信号放大电路和信号调制电路，用于接收声波发射探头产生的透过土壤介质的声波信号；所述温度传感模块和所述压力传感模块均设置在所述声波采集探头的表面，其中，所述压力传感模块用于采集土壤紧实度信息；所述温度传感模块用于采集土壤紧实度信息。

优选的，所述控制模块包括电路集成柜，所述电路集成柜安装在所述支架的中部，包括微控制模块、显示模块、供电模块和无线通信模块。

优选的，所述微控制模块通过线缆分别与所述显示模块、所述供电模块、所述无线通信模块和所述土壤含水率采集模块相连接，用于控制所述显示模块的显示内容、所述无线通信模块发送或接收信号、分配所述供电模块的电量以及与所述土壤含水率采集模块进行信息交互。

优选的，所述显示模块包括工作指示灯和显示器，其中，所述工作指示灯位于所述电路集成柜的柜门表面，且与所述微控制模块连接；所述微控制模块通过控制所述工作指示灯发出不同颜色的灯光变化来表明工作状态；所述显示器安装在所述电路集成柜上，位于所述工作指示灯的下方，且与所述微控制模块连接，用于进行信号传输，以显示当前时间、电量、土壤声速、土壤温度值、土壤压力值、土壤含水率。

优选的，所述无线通信模块用于与外界终端进行信息传输，向外界终端设备发送装置信息和土壤信息，同时外界终端设备通过无线通信模块发送指令，该无线通信模块包括天线和信息传输模块，其中，所述天线位于所述电路集成柜的柜体背面，通过线缆与所述供电模块和所述信息传输模块相连接，用于接收外界终端设备的信号和发射所述信息传输模块的信号；所述信息传输模块通过线缆分别与所述供电模块和所述微控制模块相连接，用于处理所述天线发送和接收到的无线信号，并与所述微控制模块进行通信。

优选的，所述供电模块用于向显示模块、供电模块、土壤含水率采集模块、微控制模块和无线通信模块提供工作所需电能；该供电模块包括电源按键、蓄电池与能量调制模块，其中，所述电源按键用于控制装置的开关状态；所述能量调制模块通过线缆分别与所述蓄电池和所述太阳能供电模块相连接，用于将从所述太阳能供电模块板接收到电能进行能量调制处理，并向所述蓄电池输送电能；所述蓄电池通过线缆与所述能量转换模块和各个用电模块相连接，用于吸收太阳能转化的电能并释放各个用电模块工作所需的电能。

优选的，所述太阳能供电模块包括太阳能板，所述太阳能板安装在所述支架的顶部，且该太阳能板与地面形成45度的夹角，且通过线缆与所述能量调制模块相连接，用于接收太阳光照，并把太阳光能转化为电能，传递给所述能量调制模块。

一种基于声速反演的土壤含水率长期监测方法，包括以下步骤：

S1、将土壤含水率长期监测装置中的支架安装在土层表面，并将土壤含水率采集模块埋入20-50cm的待监测土层中，然后将声波发射探头和声波采集探头的监测端面需平行放置；

S2、打开电源按键，通过显示屏或者外界终端设备设置好土壤含水率采集模块的埋入20cm-50cm的土层深度，并发送开始监测指令，土壤含水率长期监测装置进入长期定时监测土壤含水率状态，该土壤含水率长期监测装置监测得到的土壤信息能在显示屏实时显示，并向通过显示屏或者无线连接的外界终端设备发送监测信息；

S3、土壤含水率长期监测装置早、中、晚多个时段定时多次监测土壤含水率；当到达需要监测的时间时，微控制模块会向土壤含水率采集模块发送检测指令，等待土壤含水率采集模块反馈检测信息，土壤含水率采集模块接收到微控制模块传来的检测指令后，分别读取温度传感模块和压力传感模块的数值，获取当前检测环境下的土壤温度和土壤紧实度信息，同时驱动声速检测模块产生脉冲电信号，声波发射在驱动电路的作用下，产生特定频率的声波信号，随后声波采集探头采集到特定频率的声波信号，利用声波传播的时间差和两探头的位置距离关系，得出土壤当前状态下的声速；

S4、土壤含水率采集模块得到土壤声速、土壤温度和土壤紧实度信息后，将土壤声速值、土壤温度值和土壤压力值三个物理量代入土壤温度及土壤紧实度含水率模型，即可分析得出土壤含水率；

S5、土壤含水率采集模块向微控制模块发送土壤相关信息，微控制模块接收到土壤相关信息后进行存储，随后分别发送至显示模块和外界终端设备，由显示模块进行实地显示，同时由天线向外界终端设备进行土壤当前信息的无线传输。

优选的，在步骤S3中，为了提高声速的检测精度，重复检测土壤声速的步骤10次，剔除最大值和最小值，取剩余8次声速检测的平均值作为土壤声速值，其中，每次声速检测的时间小于0.1秒。

优选的，在步骤S4中，土壤温度及土壤压力值的土壤含水率模型的建立方法为：

S41、将称取适量的干燥的土壤颗粒，均匀放入密封矩形容器中，温度传感器和压力传感器置于土壤样品的内部，按照上述步骤，制备若干个土壤样品；

S42、将土壤样品进行不同程度的压实处理，改变土壤紧实度，使得土壤样品内的压力发生变化，制备若干批压力梯度从低到高的土壤样品；

S43、将紧实程度不同土壤样品依次放入温控箱中，进行恒温缓慢加湿处理，通过控制加水的质量，控制土壤含水率，土壤含水率以5％的梯度从0-30％缓慢递增，每次加湿处理后静止24小时，待土壤温度、含水率和结构稳定后，读取土壤温度和压力值，并测量此时土壤的声速；改变温控箱的温度，从0-40℃以5℃为梯度递增，放入第二批不同紧实度的土壤样品，重复上述步骤；以此类推，得到土壤温度、土壤压力值、土壤声速和土壤含水率的数据库，

S44、通过拟合曲线的数学方法得到跟土壤温度、土壤压力和土壤声速相关的土壤含水率公式，建立土壤温度及土壤压力值的土壤含水率模型。

本发明与现有技术相比具有以下的有益效果：

(1)、本发明的基于声速反演的土壤含水率长期监测装置是利用声速推算土壤含水率，且采用土壤温度和压力参量修正土壤含水率，具有测量精度高且稳定性好的特点。

(2)、本发明的基于声速反演的土壤含水率长期监测装置采用太阳能作为能量来源，由于土壤表面的太阳能丰富，因此无需担心电量问题，从而对土壤实现长时间的含水率监测，另外，使用太阳能作为能源，更加环保。

(3)、本发明的基于声速反演的土壤含水率长期监测装置长期置于土层，能够做到土壤含水率的随时检测与长期监测，无需人工重复多次操作，获取方式简单，且不会对土壤结构进行二次破坏。

(4)、本发明的基于声速反演的土壤含水率长期监测装置能够长期监测土壤含水率，使用太阳能供电无需进行频繁换电的人工操作，并且利用无线传输模块能够实时迅速得到土壤含水率信息。

(5)、本发明的基于声速反演的土壤含水率长期监测装置在得到土壤声速后，结合土壤温度值和土壤压力值反映的土壤温度和紧实度信息，建立土壤温度及土壤紧实度(压力值)的土壤含水率模型，对当前土壤状态下的土壤含水率进行校准，能进一步提高声学法检测土壤含水率的精度。

附图说明

图1为本发明的基于声速反演的土壤含水率长期监测装置的立体结构示意图。

图2为控制模块的结构框图。

具体实施方式

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。

参见图1-图2，本发明的基于声速反演的土壤含水率长期监测装置包括支架9以及设置在支架9上的太阳能供电模块、土壤含水率采集模块和控制模块，其中，所述太阳能供电模块安装在所述支架9的顶部，用于给所述土壤含水率采集模块和所述控制模块提供电源；所述土壤含水率采集模块与所述控制模块相连接，用于获取土壤声速、土壤温度和土壤紧实度信息，并以此计算出土壤含水率，包括声速检测模块、温度传感模块5和压力传感模块6，其中，所述声速检测模块包括声波发射探头8和声波采集探头7，所述声波发射探头8用于发射特定频率的大功率声波，将声波信号穿透土壤介质传递给所述声波采集探头7；所述声波采集探头7内置信号放大电路和信号调制电路，用于接收声波发射探头8产生的透过土壤介质的声波信号；所述温度传感模块5和所述压力传感模块6均设置在所述声波采集探头7的表面，其中，所述压力传感模块6用于采集土壤紧实度信息；所述温度传感模块5用于采集土壤紧实度信息。

参见图1-图2，所述控制模块包括电路集成柜10，所述电路集成柜10安装在所述支架9的中部，包括微控制模块、显示模块、供电模块和无线通信模块，其中，

所述微控制模块通过线缆分别与所述显示模块、所述供电模块、所述无线通信模块和所述土壤含水率采集模块相连接，用于控制所述显示模块的显示内容、所述无线通信模块发送或接收信号、分配所述供电模块的电量以及与所述土壤含水率采集模块进行信息交互；

所述显示模块包括工作指示灯2和显示器4，其中，所述工作指示灯2位于所述电路集成柜10的柜门表面，且与所述微控制模块连接；所述微控制模块通过控制所述工作指示灯2发出不同颜色的灯光变化来表明工作状态；所述显示器4安装在所述电路集成柜10上，且位于所述工作指示灯2的下方，且与所述微控制模块连接，用于进行信号传输，以显示当前时间、电量、土壤声速、土壤温度值、土壤压力值、土壤含水率；

所述无线通信模块用于与外界终端进行信息传输，向外界终端设备发送装置信息及土壤信息，同时外界终端设备通过无线通信模块向装置发送指令，该无线通信模块包括天线11和信息传输模块，其中，所述天线11位于所述电路集成柜10的柜体背面，通过线缆与所述供电模块和所述信息传输模块相连接，用于接收外界终端设备的信号和发射所述信息传输模块的信号；所述信息传输模块通过线缆分别与所述供电模块和所述微控制模块相连接，用于处理所述天线11发送和接收到的无线信号，并与微控制模块进行通信；

所述供电模块用于向显示模块、供电模块、土壤含水率采集模块、微控制模块和无线通信模块提供工作所需电能；该供电模块包括电源按键3、蓄电池与能量调制模块，其中，所述电源按键3用于控制装置的开关状态；所述能量调制模块通过线缆分别与所述蓄电池和所述太阳能板1相连接，用于将从所述太阳能板1接收到电能进行能量调制处理，并向所述蓄电池输送电能；所述蓄电池通过线缆与所述能量转换模块和各个电模块相连接，用于吸收太阳能转化的电能并释放各个用电模块工作所需的电能；

所述太阳能供电模块包括太阳能板1，所述太阳能板1安装在所述支架9的顶部，且该太阳能板1与地面形成45度的夹角；通过线缆与所述能量调制模块相连接，用于接收太阳光照，并把太阳光能转化为电能，传递给所述能量调制模块。

参见图1-图2，本发明的基于声速反演的土壤含水率长期监测方法，包括以下步骤：

S1、将土壤含水率长期监测装置中的支架9安装在土层表面，并将土壤含水率采集模块埋入20-50cm的待监测土层中，然后将声波发射探头8和声波采集探头7的监测端面需平行放置；

S2、打开电源按键3，通过显示屏或者外界终端设备设置好土壤含水率采集模块的埋入土层深度(20-50cm)，并发送开始监测指令，土壤含水率长期监测装置进入长期定时监测土壤含水率状态，该土壤含水率长期监测装置监测得的土壤信息能在显示屏实时显示，并向通过显示屏或者无线连接的外界终端设备发送监测信息；

S3、土壤含水率长期监测装置早、中、晚多个时段定时多次监测土壤含水率；当到达需要监测的时间时，微控制模块会向土壤含水率采集模块发送检测指令，等待土壤含水率采集模块反馈检测信息，土壤含水率采集模块接收到微控制模块传来的检测指令后，分别读取温度传感模块5和压力传感模块6的数值，获取当前检测环境下的土壤温度和土壤紧实度信息，同时驱动声速检测模块中的电路产生脉冲电信号，声波发射在驱动电路的作用下，产生特定频率的声波信号，随后声波采集探头7采集到特定频率的声波信号，利用声波传播的时间差和两探头的位置距离关系，得出土壤当前状态下的声速；为了提高声速的检测精度，重复检测土壤声速步骤10次，剔除最大值和最小值，取剩余8次声速检测的平均值作为土壤声速值；

S4、土壤含水率采集模块得到土壤声速、土壤温度和土壤紧实度信息后，将土壤声速值、土壤温度值和土壤压力值三个物理量代入土壤温度及土壤紧实度含水率模型，即可分析得出土壤含水率；

S5、土壤含水率采集模块向微控制模块发送土壤相关信息，微控制模块接收到土壤相关信息后进行存储，随后分别发送至显示模块和外界终端设备，由显示模块进行实地显示，由天线11向外界终端设备进行土壤当前信息的无线传输；当每次声速检测的时间小于0.1秒时，每次含水率检测过程十分迅速。

参见图1-图2,在步骤S4中，土壤温度及土壤紧实度(压力值)的土壤含水率模型的建立方法为：

S41、将称取适量的干燥的土壤颗粒，均匀放入密封矩形容器中，温度传感器和压力传感器置于土壤样品内部，按照上述步骤，制备若干个土壤样品。

S42、将土壤样品进行不同程度的压实处理，改变土壤紧实度，使得土壤样品内的压力发生变化，制备若干批压力梯度从低到高的土壤样品；

S43、将紧实程度不同土壤样品依次放入温控箱中，进行恒温缓慢加湿处理，通过控制加水的质量，控制土壤含水率，土壤含水率以5％的梯度从0-30％缓慢递增，每次加湿处理后静止24小时，待土壤温度、含水率和结构稳定后，读取土壤温度和压力值，并测量此时土壤的声速；改变温控箱的温度，从0-40℃以5℃为梯度递增，放入第二批不同紧实度的土壤样品，重复上述步骤。以此类推，得到土壤温度、土壤压力值、土壤声速和土壤含水率的数据库，

S44、通过拟合曲线的数学方法得到跟土壤温度、土壤压力和土壤声速相关的土壤含水率公式，建立土壤温度及土壤紧实度(压力值)的土壤含水率模型。

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、块合、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。