專利名稱：四針式土壤濕度無線傳感器節(jié)點(diǎn)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種土壤濕度無線傳感器，尤其涉及長期埋入土壤中進(jìn)行土壤水 分實(shí)時(shí)監(jiān)測的土壤濕度傳感器節(jié)點(diǎn)。
背景技術(shù)：
在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，土壤的含水量對農(nóng)作物的生長起著決定因素。為了保證農(nóng)作物更 好的生長，要對土壤中的含水量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。土壤濕度傳感器主要用于農(nóng)田土壤含水量 測量和農(nóng)田灌溉系統(tǒng)，其主要原理是利用土壤水分決定土壤的介電常數(shù)，土壤的介電常數(shù) 和電容之間的關(guān)系，土壤的張力和土壤水分之間的關(guān)系，駐波率和土壤水分之間的關(guān)系等。 目前，土壤濕度傳感器探頭由于受到土壤中雜質(zhì)離子的影響，長期埋在土壤中易腐蝕，導(dǎo)致 測量精度較差且測量成本較高。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型提供一種四針式土壤濕度無線傳感器節(jié)點(diǎn)，解決現(xiàn)有技術(shù)中土壤濕度 無線傳感器測量精度低、功耗高、成本高等不足。本實(shí)用新型采用的技術(shù)方案是包括一個(gè)外殼，外殼下部分是傳感器探頭，外殼中 間部分固定設(shè)有喇叭、電源按鈕、開始按鈕、復(fù)位按鈕、綠色指示燈和紅色指示燈，外殼頂部 設(shè)有電池盒和天線；傳感器探頭具有四個(gè)針，其中的三個(gè)針成正三角形分布，第四個(gè)針分布 在正三角形的中心位置；外殼內(nèi)部設(shè)有測量電路、溫度補(bǔ)償電路、數(shù)據(jù)處理模塊、無線收發(fā) 模塊，能量供應(yīng)模塊和報(bào)警模塊；傳感器探頭依次串接測量電路、溫度補(bǔ)償電路、數(shù)據(jù)處理 模塊和無線收發(fā)模塊；溫度補(bǔ)償電路與數(shù)據(jù)處理模塊之間以及測量電路與無線收發(fā)模塊之 間串聯(lián)能量供應(yīng)模塊，能量供應(yīng)模塊連接報(bào)警模塊；喇叭分別電連接數(shù)據(jù)處理模塊和報(bào)警 模塊；天線和無線收發(fā)模塊的輸出端相連；電池盒內(nèi)部的電源線分別電連接電源按鈕和數(shù) 據(jù)處理模塊；開始按鈕電連接測量電路；復(fù)位按鈕、綠色指示燈和紅色指示燈分別電連接 數(shù)據(jù)處理模塊。本實(shí)用新型的有益效果如下1、傳感器探頭采用石墨電極，降低了成本，且耐腐蝕，適合長期埋入土壤中使用， 應(yīng)用于農(nóng)田土壤含水量的實(shí)時(shí)測量。2、本實(shí)用新型采用四針式傳感器探頭，采集的數(shù)據(jù)為中心探頭和周圍探頭之間的 電阻率的值，然后對采集到的三個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行加權(quán)處理后，再轉(zhuǎn)換為土壤的濕度信號，從而提 高了測量精度。3、土壤電阻的測量電路采用單片機(jī)中的A/D芯片提供的電壓進(jìn)行測量，測量的電 壓信號經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后，在單片機(jī)中轉(zhuǎn)換為數(shù)字式的土壤的電阻率信號輸出，輸出信號中沒 有出現(xiàn)直流電壓信號，減少了土壤中雜質(zhì)離子對輸出信號的影響。4、本實(shí)用新型的溫度補(bǔ)償電路對土壤的電阻率信號進(jìn)行了溫度校正，使測量的土 壤電阻率信號更準(zhǔn)確。[0010]5、本實(shí)用新型采用的無線收發(fā)模塊，避免了布線的麻煩，同時(shí)便于遠(yuǎn)程操作。6、本實(shí)用新型采用的節(jié)能控制技術(shù)，即無線收發(fā)模塊在單片機(jī)的控制下間歇工 作，降低了耗電量。7、本實(shí)用新型采用低電壓報(bào)警模塊，當(dāng)電池的電量低于單片機(jī)中設(shè)定的閾值時(shí)， 報(bào)警模塊開始工作，提醒管理人員及時(shí)更換電池。

圖1是本實(shí)用新型外形結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本實(shí)用新型電路連接圖；圖3是圖2中測量電路2的電路原理圖；圖中1.傳感器探頭；2.測量電路；3.溫度補(bǔ)償電路；4.數(shù)據(jù)處理模塊；5.無線 收發(fā)模塊；6.能量供應(yīng)模塊；7.報(bào)警模塊；9.外殼；10.喇叭；Ila.電源按鈕；lib.開始按 鈕；lie.復(fù)位按鈕；12a.綠色指示燈；12b.紅色指示燈；13.電池盒；14.天線；
具體實(shí)施方式
如圖1，本實(shí)用新型包括一個(gè)外殼9，外殼9的下部分連接傳感器探頭1。在外殼9 的殼體中間部分固定安裝喇叭10、電源按鈕11a、開始按鈕lib、復(fù)位按鈕11c、綠色指示燈 1 和紅色指示燈12b，在外殼9頂部安裝電池盒13和天線14。傳感器探頭1采用石墨電 極，傳感器探頭1具有四個(gè)針，其中的三個(gè)針成正三角形分布，第四個(gè)針分布在正三角形的 中心位置。如圖2，在外殼9內(nèi)部設(shè)有測量電路2，溫度補(bǔ)償電路3，數(shù)據(jù)處理模塊4、無線收發(fā) 模塊5，能量供應(yīng)模塊6和報(bào)警模塊7。其中，傳感器探頭1依次串接測量電路2、溫度補(bǔ)償 電路3，數(shù)據(jù)處理模塊4和無線收發(fā)模塊5。溫度補(bǔ)償電路3與數(shù)據(jù)處理模塊4之間、以及測 量電路2與無線收發(fā)模塊5之間分別串連能量供應(yīng)模塊6，能量供應(yīng)模塊6連接報(bào)警模塊7。 由傳感器探頭1、測量電路2、溫度補(bǔ)償電路3、數(shù)據(jù)處理模塊4組成檢測終端。由無線收發(fā) 模塊5、能量供應(yīng)模塊6組成控制端。為了避免溫度對土壤的電阻率的影響，需要對測量電 路2輸出的土壤的電阻信號進(jìn)行溫度補(bǔ)償，即將測量電路2輸出的信號送到溫度補(bǔ)償電路 3中進(jìn)行溫度校正，校正后的信號在數(shù)據(jù)處理模塊4中處理，土壤的電阻率信號被校正為室 溫下的電阻率值，從而避免了溫度的影響，提高了測量精度。當(dāng)測量電路2有信號輸出時(shí)， 在溫度補(bǔ)償電路3，數(shù)據(jù)處理模塊4中進(jìn)行處理，土壤濕度信號被傳送到控制端的無線收發(fā) 模塊5，發(fā)送一個(gè)外部中斷信號，無線收發(fā)模塊5從休眠狀態(tài)喚醒，將信號發(fā)送到上位機(jī)。喇叭10分別電連接數(shù)據(jù)處理模塊4和報(bào)警模塊7，當(dāng)電量低于數(shù)據(jù)處理模塊4設(shè) 定的閾值時(shí)，數(shù)據(jù)處理模塊4輸出一個(gè)高電平，喇叭10開始工作，發(fā)出報(bào)警聲。電池盒13 內(nèi)部的電源線分別電連接電源按鈕Ila和數(shù)據(jù)處理模塊4，為其供電。按下電源按鈕11a， 電池盒13中的電池開始供電。開始按鈕lib電連接測量電路2，當(dāng)電源按鈕Ila按下的情 況下，按下開始按鈕11b，測量電路2開始工作。復(fù)位按鈕Ilc電連接數(shù)據(jù)處理模塊4。綠 色指示燈1 和紅色指示燈12b分別電連接數(shù)據(jù)處理模塊4。天線14和無線收發(fā)模塊5的 輸出端相連，用來發(fā)送信息。如圖3的測量電路2，測量電路2包括單片機(jī)、穩(wěn)壓芯片、過電壓保護(hù)電路以及第一、第二模擬開關(guān)，傳感器探頭1之間的土壤的電阻為待測電阻Rx，待測電阻Rx與正溫度系 數(shù)熱敏電阻Rr串聯(lián)。正溫度系數(shù)熱敏電阻Rr與標(biāo)準(zhǔn)電阻RO串聯(lián)。測量電路2的測量電 壓由穩(wěn)壓芯片LM385-2. 5提供2. 5V電壓，穩(wěn)壓芯片連接電阻Rl和三極管VT2，三極管VT2 連接標(biāo)準(zhǔn)電阻R0，經(jīng)過分壓之后，利用三極管VT2正向?qū)妷鹤鳛闇y試電壓。在正溫度系 數(shù)熱敏電阻Rr與標(biāo)準(zhǔn)電阻RO之間串接三極管VT1，三極管VTl經(jīng)過電容Cl和電阻R2后 連接單片機(jī)，由三極管VT1、電容Cl、電阻R2組成了過電壓保護(hù)電路。正溫度系數(shù)熱敏電阻 Rr經(jīng)過電阻R3和電容C2后連接單片機(jī)，由電阻R3、電容C2起濾波作用。當(dāng)傳感器探頭1 之間的土壤電阻兩端的電壓和標(biāo)準(zhǔn)電阻RO兩端的電壓相等時(shí)，通過單片機(jī)中A/D轉(zhuǎn)換芯片 后，輸出數(shù)字形式的土壤電阻率信號。由于采集的數(shù)據(jù)為傳感器探頭1之間的土壤電阻率 信號，因此，本實(shí)用新型采用兩個(gè)四雙向模擬開關(guān)，即傳感器探頭1分別連接第一模擬開關(guān) 和第二模擬開關(guān)，這兩個(gè)四雙向模擬開關(guān)的輸入端和傳感器探頭1相連。單片機(jī)的I/O 口 輸出連接第一、第二模擬開關(guān)，輸出控制信號以控制第一、第二模擬開關(guān)的兩路開關(guān)導(dǎo)通， 例如，單片機(jī)的I/O 口輸出的控制信號控制第一、第二模擬開關(guān)的導(dǎo)通引腳，使兩模擬開關(guān) 分別導(dǎo)通一個(gè)通道，從而可以測得兩個(gè)模擬開關(guān)兩個(gè)引腳之間的電阻率，從而得到傳感器 探頭1之間的土壤的電阻率。電阻率信號經(jīng)過A/D芯片進(jìn)行轉(zhuǎn)換后，被轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號輸 出。由于土壤中含有的酸、堿、鹽和金屬離子等雜質(zhì)離子，這些離子會對輸出的直流信號產(chǎn) 生干擾，土壤的電阻率信號以數(shù)字信號形式輸出，降低了土壤中雜質(zhì)離子的干擾。 本實(shí)用新型工作時(shí)，先將傳感器探頭1插入到要測量的土壤中，綠色指示燈1 被 點(diǎn)亮，當(dāng)電池電量低于閾值電壓時(shí)，紅色的指示燈12b被點(diǎn)亮，喇叭10發(fā)出報(bào)警聲，提醒管 理人員更換電池，同時(shí)單片機(jī)發(fā)出一個(gè)報(bào)警信號經(jīng)無線收發(fā)模塊5發(fā)送到上位機(jī)系統(tǒng)中； 按下復(fù)位按鈕11c，停止報(bào)警。按下電源開關(guān)按鈕11a，電源開始供電，按下開始按鈕11b，測 量電路2開始工作，采集數(shù)據(jù)，傳感器正常工作，指示燈12a閃爍。輸出的信號被傳送到溫 度補(bǔ)償電路3中進(jìn)行校正之后，在數(shù)據(jù)處理模塊4中進(jìn)行處理，通過單片機(jī)控制，對數(shù)據(jù)信 息進(jìn)行加權(quán)處理，得到均值，并根據(jù)土壤電阻率和土壤濕度之間的關(guān)系得到土壤濕度信號， 該信號被發(fā)送到無線收發(fā)模塊5的同時(shí)，單片機(jī)給無線收發(fā)模塊5發(fā)一個(gè)外部中斷信號，使 該模塊的休眠狀態(tài)被喚醒，開始工作，將采集到的土壤濕度信號發(fā)送到匯集節(jié)點(diǎn)，當(dāng)信號被 發(fā)送之后，單片機(jī)給無線收發(fā)模塊5發(fā)送一個(gè)休眠指令，使該模塊進(jìn)入休眠狀態(tài)，等待下一 個(gè)數(shù)據(jù)到來。無線收發(fā)模塊5在單片機(jī)的控制下間歇工作，這樣節(jié)省了耗電量。通過測量 傳感器探頭1之間土壤的電阻率，然后根據(jù)土壤的電阻率和土壤含水量之間的關(guān)系，得到 被測試點(diǎn)土壤的含水量。
權(quán)利要求1.一種四針式土壤濕度無線傳感器節(jié)點(diǎn)，包括一個(gè)外殼(9)，外殼(9)下部分是傳感 器探頭(1)，其特征是外殼(9)中間部分固定設(shè)有喇叭(10)、電源按鈕(11a)、開始按鈕 (lib)、復(fù)位按鈕(lie)、綠色指示燈(12a)和紅色指示燈(12b)，外殼(9)頂部設(shè)有電池盒 (13)和天線(14)；傳感器探頭(1)具有四個(gè)針，其中的三個(gè)針成正三角形分布，第四個(gè)針分 布在正三角形的中心位置；外殼(9)內(nèi)部設(shè)有測量電路O)，溫度補(bǔ)償電路(3)，數(shù)據(jù)處理模 塊G)、無線收發(fā)模塊(5)、能量供應(yīng)模塊(6)和報(bào)警模塊(7)；傳感器探頭(1)依次串聯(lián)測 量電路O)、溫度補(bǔ)償電路(3)、數(shù)據(jù)處理模塊(4)和無線收發(fā)模塊(5)；溫度補(bǔ)償電路(3) 與數(shù)據(jù)處理模塊(4)之間以及測量電路( 與無線收發(fā)模塊( 之間串聯(lián)能量供應(yīng)模塊 (6)，能量供應(yīng)模塊(6)連接報(bào)警模塊(7)；喇叭(10)分別電連接數(shù)據(jù)處理模塊(4)和報(bào)警 模塊⑵；天線(14)和無線收發(fā)模塊(5)的輸出端相連；電池盒(13)內(nèi)部的電源線分別電 連接電源按鈕(Ila)和數(shù)據(jù)處理模塊⑷；開始按鈕(lib)電連接測量電路(2)；復(fù)位按鈕 (11c)、綠色指示燈(12a)和紅色指示燈(12b)分別電連接數(shù)據(jù)處理模塊。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的四針式土壤濕度無線傳感器節(jié)點(diǎn)，其特征是所述測量電路 (2)包括單片機(jī)、穩(wěn)壓芯片和第一、第二模擬開關(guān)，穩(wěn)壓芯片連接電阻Rl和三極管VT2，三極 管VT2連接標(biāo)準(zhǔn)電阻R0，標(biāo)準(zhǔn)電阻RO與正溫度系數(shù)熱敏電阻Rr串聯(lián)，正溫度系數(shù)熱敏電阻 Rr與待測電阻Rx串聯(lián)；在正溫度系數(shù)熱敏電阻Rr與標(biāo)準(zhǔn)電阻RO之間串接三極管VT1，三 極管VTl經(jīng)過電容Cl和電阻R2后連接單片機(jī)；正溫度系數(shù)熱敏電阻Rr經(jīng)過電阻R3和電 容C2后連接單片機(jī)；傳感器探頭(1)分別連接第一、第二模擬開關(guān)，第一、第二模擬開關(guān)連 接單片機(jī)的輸出。
專利摘要本實(shí)用新型公開一種四針式土壤濕度無線傳感器節(jié)點(diǎn)，外殼下部分是傳感器探頭，外殼中間部分固定設(shè)有喇叭、電源按鈕、開始按鈕、復(fù)位按鈕、綠色指示燈和紅色指示燈，外殼頂部設(shè)有電池盒和天線；傳感器探頭具有四個(gè)針，其中的三個(gè)針成正三角形分布，第四個(gè)針分布在正三角形的中心位置；傳感器探頭依次串接測量電路、溫度補(bǔ)償電路、數(shù)據(jù)處理模塊和無線收發(fā)模塊；溫度補(bǔ)償電路與數(shù)據(jù)處理模塊之間以及測量電路與無線收發(fā)模塊之間串聯(lián)能量供應(yīng)模塊，能量供應(yīng)模塊連接報(bào)警模塊；采集的數(shù)據(jù)為中心探頭和周圍探頭之間的電阻率的值，對采集到的三個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行加權(quán)處理后再轉(zhuǎn)換為土壤的濕度信號，提高了測量精度，適合長期埋入土壤中使用。
文檔編號G01R31/36GK201892670SQ201020551759
公開日2011年7月6日 申請日期2010年9月27日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月27日
發(fā)明者張磊, 張榮標(biāo), 李森, 楊正東 申請人:江蘇大學(xué)