基于NB-IoT土壤参数传感器

技术领域

本申请涉土壤检测领域，具体涉及一种基于NB-IoT的土壤参数传感器。

背景技术

土壤墒情是指土壤的湿度情况。土壤湿度是土壤的干湿程度，即土壤的实际含水量，可用土壤水与烘干土重或土壤体积的比值表示，也可以土壤含水量相当于田间持水量的百分比，或相对于饱和水量的百分比等相对量表示。现有的土壤墒情以及其他参数检测装置一般采用相应的具有探针或其他检测元件的检测头插入到土壤中进行检测。并且，现有的土壤墒情检测装置均要采用有线的供电或有线的电源传输进行工作。

这样非常不利于野外的检测环境，并且不适于长期的监测。

发明内容

为了解决现有技术的不足之处，本申请提供一种基于NB-IoT的土壤参数传感器，包括：电极模块，包括若干电极；信号模块，用于产生和处理土壤参数检测所需的信号；主控模块，用于处理至少来自于所述信号的数据；通讯模块，包括一个NB-IoT芯片；电源模块，包括一个锂离子电池；其中，所述电极模块与所述信号模块构成电性连接以使所述电极能发射或接收所述信号模块产生电磁信号；所述信号模块、通讯模块以及电源模块分别电性连接至所述主控模块。

进一步地，所述锂离子电池为锂亚硫酰氯电池。

进一步地，所述电源模块还包括一个超级电容，所述超级电容电性连接至所述锂离子电池以使所述锂离子电池至少能为所述超级电容充电。

进一步地，所述电源模块还包括一个串联元件，所述串联元件与所述超级电容串联然后与所述锂离子电池并联，所述串联元件包括电阻或/和二极管。

进一步地，所述通讯模块包括一个eSIM卡。

进一步地，所述基于NB-IoT的土壤参数传感器包括：热敏电阻，用于根据温度产生对应的温度检测信号；所述热敏电阻与所述主控模块构成电性连接。

进一步地，所述通讯模块还包括一个天线装置，所述天线装置与所述NB-IoT芯片电性连接。

进一步地，所述天线装置包含一个PIFA天线。

进一步地，电极被构造为探针、环形或U形电极。

进一步地，所述基于NB-IoT的土壤参数传感器还包括：交互模块，用于供用户操作或向用户反馈信息；所述交互模块包括一个按钮装置和一个显示装置。

本申请的有益之处在于：提供一种具有较优的电源和通讯性能的基于NB-IoT的土壤参数传感器。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，使得本申请的其它特征、目的和优点变得更明显。本申请的示意性实施例附图及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1是根据本申请一种实施例的基于NB-IoT的土壤参数传感器外观示意图；

图2是根据本申请另一种实施例的基于NB-IoT的土壤参数传感器外观示意图

图3是根据本申请一种实施例的基于NB-IoT的土壤参数传感器的模块示意框图；

图4是根据本申请一种实施例的电源模块的电路示意图；

图5是根据本申请另一种实施例的电源模块的电路示意图；

图6是根据本申请第三种实施例的电源模块的电路示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。

需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

在本申请中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“中”、“竖直”、“水平”、“横向”、“纵向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系。这些术语主要是为了更好地描述本申请及其实施例，并非用于限定所指示的装置、元件或组成部分必须具有特定方位，或以特定方位进行构造和操作。

并且，上述部分术语除了可以用于表示方位或位置关系以外，还可能用于表示其他含义，例如术语“上”在某些情况下也可能用于表示某种依附关系或连接关系。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解这些术语在本申请中的具体含义。

此外，术语“安装”、“设置”、“设有”、“连接”、“相连”、“套接”应做广义理解。例如，可以是固定连接，可拆卸连接，或整体式构造；可以是机械连接，或电连接；可以是直接相连，或者是通过中间媒介间接相连，又或者是两个装置、元件或组成部分之间内部的连通。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

如图1所示，土壤参数传感器100包括：传感器本体101、探针102、保护套103，其中传感器本体 101形成有一个指示灯的窗口1011。传感器本体101包括壳体和其内部结构。探针102的数目为三，它们可以并排平行设置，其中一根探针用于发射电磁信号，另外的探针可以用于接收电磁信号。传感器本体101中电路以及芯片，通过计算电磁信号传播时，介电常数的变化来获得土壤参数，比如土壤的湿度，具体可以采用FDR或TDR的原理进行测量。探针102作为本申请中电极模块电极的一种方式。

保护套103作用主要覆盖传感器本体101设有操作按钮(图1中未示出)，避免操作按钮因为在土壤中被误触，且进一步加强了操作按钮的防水性能。

如图2所示，土壤参数传感器200包括：传感器本体201、若干个环形电极202以及太阳能电池板 203。区别于图1所示的方案，土壤参数传感器200采用环形电极202，至少两个环形电极202组成一组测量单元，它们一个负责发射电磁信号，一个负责接收电磁信号。作为可选方案，可以设置多组，从而实现一机对不同高度或位置的检测。

另外，传感器本体201被构造为具有管状结构，传感器本体201可以被完全埋设在土壤中，其可以竖直放置，也可以横向放置，当横向放置时，多组环形电极202可以检测不同横向位置，竖直放置时，检测不同高度位置。作为一种扩展方案，传感器本体201可以使其一端具有尖端。这样可以不用挖坑填埋，而可以打洞然后插入传感器本体201，在某较为浅层的检测，或者设置传感器本体201的尺寸使其一端露出时，可以设置太阳能电池板203作为电能来源。这样可以进一步提高其使用时间，但是露出部分会一定程度影响农业耕作。

如图3所示，本申请的土壤参数传感器包括：电极模块、信号模块、主控模块、通讯模块、电源模块和交互模块。

电极模块包括若干电极，电极用于连接内部电路，以发射或接收电磁信号。作为一种优选方案，电极可以被构造成如图1所示的探针，或如图2所示环形电极，或其他形态如U型。

其中，信号模块用于产生和处理土壤参数检测所需的信号，具体而言，信号模块可以包括：信号源电路和检测电路。其中，信号源电路可以在主控模块的控制下，产生一定频率(50MHz至100MHz,优选为75MHz)的电磁脉冲信号，通过同轴缆线或其他导电连接传导至一个电极。检测电路也以类似的方式，即采用同轴缆线或其他导电连接传导至一个电极，该电极能接收到另一个电极发出的电磁信号，检测电路将电极传导过来的电磁信号进行检测和转化，变成主控模块可以处理的数字信号。

主控模块主要用于进行信号处理等控制功能，其可以包括一个处理器和一个存储器。处理器和存储器可以由分别的芯片构成也可以由一个集成的芯片以及相应的外围电路构成。主控模块亦可以实现对其他模块的控制，这种控制可以基于主控模块的程序设定，也可以根据其他模块反馈而来信号或数据所触发。

作为扩展方案，基于NB-IoT的土壤参数传感器包括热敏电阻，该热敏电阻用于根据温度产生对应的温度检测信号；热敏电阻与主控模块构成电性连接。随着温度变化，热敏电阻的电学参数发生变化，从而产生不同的电信号以使主控模块能根据电信号获知温度数据。作为可选方案，热敏电阻为PTC元件或NTC元件。

通讯模块包括一个通讯模块，以实现主控模块与外部的数据交互，具体的，通讯模块包括一个NB- IoT芯片，从而使主控模块可以通过一个NB-IoT网络进行通讯。作为更具体的方案，通讯模块还包括一个eSIM卡和一个天线装置，它们构成电性连接。其中，天线装置包含一个PIFA天线。

交互模块用于供用户操作或向用户反馈信息；交互模块包括一个按钮装置和一个显示装置。按钮装置用于供用户操作进行开关机和模式切换，显示装置用于显示工作模式或/和电量状态。

电源模块至少包括一个锂离子电池，电源模块主要用于提供各模块所需的电能，电源模块可以直接连接到各模块为它们供电，也可以通过主控模块间接为各个模块供电。

作为其中一种方案，电源模块直接为信号模块中的信号源电路供电，控制模块电性连接至信号源电路中的半导体器件以控制所产生电磁波信号，此时信号源电路相当于电源模块的一个脉冲放电电路。电源模块也直接为控制模块供电，再由控制模块为通讯模块或/和交互模块供电，作为具体方案，电源模块设有一个第一电源正极和一个第二电源正极，其中，第一电源正极电性连接至信号源电路，第二电源正极电性连接至主控模块。电源模块输出到信号源电路和主控模块存在差异，具体而言，电源模块输出到信号源电路的电压小于等于电源模块输出到信号源电路的电压；更具体而言，就是第一电源正极的输出电压小于等于第二电源正极的输出电压。

作为具体的方案，电源模块采用一个锂亚硫酰氯电池和一个超级电容。其中，电源模块还包括一个串联元件，串联元件与超级电容串联然后与锂离子电池并联。

如图4所示的方案，此时串联元件为一个电阻，在采用该方案时，电池正极作为第二电源正极电性连接至主控模块(或通讯模块)，电容正极作为第一电源正极电性连接至信号模块的信号源电路。

如图5所示的方案，此时串联元件为一个二极管，在采用该方案时，电池正极作为第一电源正极电性连接至信号模块的信号源电路，电容正极作为第二电源正极电性连接至主控模块(或通讯模块)。

作为备选方案，也可以不采用串联元件，而直接采用锂离子电池与超级电容直接并联，而仅仅输出一种电压的方案。

本申请的土壤参数传感器，并不采用任何外接线缆，因此，为了实现长时间的工作，在不考虑换电和充电的基础上，需要具有一个能长时间供电的电池。因此，本申请选用了锂亚硫酰氯电池是实际应用电池系列中比能量最高的一种电池，比能量可达590W·h/kg和1100W·h/L。同时其具有相对低放电率。但是，锂亚硫酰氯电池也存在相应的缺陷，首先其并非为可充电电池，另外，放电率较低(年自放电率非常小，能量型低于1％，功率型低于2％)的原因在于金属锂与亚硫酰氯化学反应时，会生成氧化产物会附着金属锂，即产生氧化膜，其对负极金属锂起到了保护作用，从而阻止了化学反应的继续，即阻止了自放电。但是内部停止反应只是相对的，氧化膜厚度增加会导致电池内阻的增加，从而产生电压滞后的现象，而电压滞后则对其负载电路和控制电路基于电压的功能造成影响。

作为本申请在设计时另一个设计问题在于，NB-IoT芯片为一种低功率的通讯芯片，其也是本申请的土壤参数传感器能长期工作的基础，其能耗较小；而本申请的土壤参数传感器的检测基于发出高频的电磁波，其相对能耗较高，并且在一般的应用场景中，可以会经过多次检测(发射电磁波)才会使NB-IoT 芯片发出一组有效的数据，也就是说在使用频次上，检测也大于数据传输。本申请的方案中，检测时的工作电流为25mA,而待机电流为0.006mA，可见两种放电状态差距之大，而锂亚硫酰氯电池为不能充电的电池，如果直接采用该类电池直接进行恒定值放电，则无法实现溢出的电能再利用，采用NB-IoT芯片的效果大大折扣。

鉴于以上的原理和实际情况，本申请的电源模块采用之前介绍的方案，采用一个超级电容与锂亚硫酰氯电池搭配方案，使超级电容能够克服因为锂亚硫酰氯电池特性而造成电能浪费的现象，同时，又结合力土壤参数传感器本身检测特点，使锂亚硫酰氯电池经过脉冲放电消除部分氧化膜带来的电压滞后的影响，同时超级电容又能够为控制模块提供较为稳定和准确电压来源。

如图4所示的方案，锂亚硫酰氯电池通过二极管为超级电容充电直至等电位，由于二级管的存在超级电容为主控模块提供电压即为上次锂亚硫酰氯电池放电后电压，而锂亚硫酰氯电池正极直接连接信号源电路，即一个脉冲放电电路，在信号源电路工作时，其可以消除锂亚硫酰氯电池的氧化膜，降低其内阻，而在其内阻高时亦继续为超级电容充电，不至于使电能浪费，同时用以消除氧化膜的能量也会在内阻再次变高后回充到超级电容中，采用这样的方案，兼顾土壤检测的特点同时又克服电池本身以及架构本身的原因带来的电能浪费，降低了瞬时工作电流节约电能。使锂亚硫酰氯电池放出的每个电能被最大化利用。

作为一种扩展方案，如图6所示，二极管可以替换为场效应管等可控半导体元件，其控制端可以由主控模块控制，从而更智能的控制电源模块电能分配。

如图5所示的方案，由于电阻的存在，在信号源电路脉冲放电时，先使用超级电容中的电能，由于脉冲放电同时影响了锂亚硫酰氯电池，使其内阻降低，电压下降到真实水平，之前因为内阻升高而存储于超级电动中的电能用于信号源电路同时也用于消除氧化膜。

综上，本申请克服了直接采用锂亚硫酰氯电池和NB-IoT模块直接用于土壤参数传感器，尤其是基于FDR的土壤湿度传感器所带来技术问题，提供一种综合考虑检测、通讯、能耗各方面问题的土壤参数传感器。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。