专利名称：无线多点土壤电阻率测量系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种测量土壤电阻率的系统，具体涉及一种无线多点土壤电阻率测量系统。
背景技术：
21世纪农业已达到十分发达的水平，这样的发展速度主要是依赖化肥、农药的大量使用。这些化学物质在带来农业高产的同时，也引起农业水土流失、土壤生产力下降、农产品和地下水生态环境恶化等诸多问题，使得农业的可持续发展严重受阻。精细农业技术正是在这种情况下应运而生。精细农业就是一种现代化农业理念。所谓精细农业，是指基于变异的一种田间管理手段。农田里田间土壤、作物的特性都不是均一的，是随着时间、空间变化的。而在传统的、目前仍在采用的农田管理中，都认为是均一的，采用统一的施肥时间、施肥量。实际存在的差别、空间变异使得目前这种按均一进行田间作业的方式有两种弊害第一，浪费资源， 为了使贫瘠缺肥的地也能获得高收成，就把施肥量设定得比较高，那么本来就比较肥沃的地就浪费了 ；第二，这些过量施用的农药、肥料会流入地表水和地下水，引起环境污染。在这种情况下提出精细农业，根据田间变异来确定最合适的管理决策，目标是在降低消耗、保护环境的前提下，获得最佳的收成。精细农业本身是一种可持续发展的理念，是一种管理方式。精细农业的核心思想就是获取农田小区作物产量和影响作物生长的环境因素 (如土壤结构、地形、肥力、含水量、病虫害等)在空间和时间分布上的差异性，分析产生这些差异的原因，采取适当的调控措施，区别对待，按需实时定位管理。为了测量农作物产量和影响作物生长的环境因素在空间和时间分布上的差异性，直接测量各个因素对于低利润的农业是不现实的，为了降低检测成本，近年来人们一直在寻找一项能够综合反映各因素的指标。要实行精细农业的最佳办法就是按照农作物的需求供应农用物质。实现这种想法的关键在于找出农作物的需求量。根据专家的长期研究发现，农作物对农用物质的需求量跟土壤的一系列属性有关，如土壤的电阻率、含水量、压实度等。要测量土壤的这些属性就必须使用方便使用的测量工具。通过对土壤学的研究发现土壤的电阻率能不同程度的反映土壤中的含盐量、含水量、有机质含量、土壤质地结构和孔隙率等参数的大小，借助测量土壤电阻率来评估农作物的生长环境和确定土壤的各种参数的时空分布有着重大意义。电阻率是用来表示各种物质电阻特性的物理量，单位是欧姆 米(Ω · m或ohmm) 表示。土壤物理学研究表明土壤电阻率本身包含了反映土壤品质与物理性质的丰富信息。 土壤里的电流传导是由潮气通过土壤微粒之间小孔而产生的。因此，土壤电阻率有以下的土壤性质所决定。孔隙度土壤的孔隙度越大，电阻率越小。粘土含量高的土壤要比沙质土壤有更高
4的孔隙度。例外的是，通常压实会减小土壤电阻率。温度当温度降低到冰点附近时，土壤电阻率会微弱的升高。在冰点以下时，土壤孔隙彼此之间会越来越绝缘，而整体的土壤电阻率会急剧上升。含水量干燥的土壤比潮湿的电阻率要大很多。电阻率适中的土壤具有适中的土壤结构，并且能够适度的保持水分，这种土壤的农作物产量最高。含盐量提高土壤水中的电解液(盐分)的浓度会急剧减小土壤电阻率。大多数种植玉米的土壤的含盐量都非常低。阳离子交换能力(CEC)矿物质土壤包含很高的有机物或者大约2 1粘土矿物都比缺少有机物的土壤要有较高的保持阳离子(如钙、镁、钾、钠、氨或氢)的能力。这些离子存在与土壤潮湿的气孔中会和盐分一样降低土壤电阻率。粘土层深度粘土呈现的电阻率响应已被精确地用在预测岩土层的顶层土壤深度上。土壤电阻率除了和上面的一些土壤属性有明确的相关性之外，土壤电阻率与作物产量之间的关系一直是研究的热点，但还是没有找到明确的相关性。土壤电阻率的测量大致可分为实验室测量和现场测量两大类，实验室测量首先要制备土壤浸提液，然后利用电极法测量土壤浸提液的电阻率，利用土壤浸提液的测量值表征土壤电阻率的变化。这种传统的实验室方法作为标准测量方法具有较高的精度，也是评价土壤电阻率高低的基准，但是测量过程繁琐，而且耗费较长时间，实时性差，不能满足现代精细农业要求在短时间内完成大批量测量的要求。
发明内容
为了解决现有技术存在的不足，本发明解决的技术问题是提供一种测量过程简便，而且耗费较短，实时性好的无线多点土壤电阻率测量系统。其技术方案为一种无线多点土壤电阻率测量系统，包括主机部分和从机部分，主机部分包括单片机控制电路、液晶显示电路、外部数据存储电路、无线通讯电路及键盘电路；从机部分包括带AD转换的单片机控制电路、无线通讯电路、正弦波发生电路、交变恒流源电路、传感器电极、差分电路、有效值转换电路、信号放大电路、数字电位器；从机的测量电路部分由正弦波发生电路产生失真度较低的正弦波信号，加载到交变恒流源电路上作为测量电路的激励源，接在传感器电极的两电流端，当传感器电极接上激励源后，电极的两电压端就会产生电压差，由差分电路得到这个差值，在经过有效值转换电路得到这个差值的有效值直流信号， 由放大电路放大后传给单片机AD转换口做AD转换。最后通过无线模块将AD转换结果发送给主机。进一步优选，所述主机部分的单片机为STC89C52单片机，其内部有三个16位的可编程的定时/计数器。进一步优选，所述从机采用的单片机自身带有8路10位AD。进一步优选，所述主机部分液晶显示电路的液晶屏是HJ1602A图形点阵型液晶模块，带背光，液晶模块与单片机连接需要占用单片机的11个I/O 口，单片机的P3. 5、P3. 6、 P3. 7 口分别与液晶模块的RS、RW、E相连，P2 口与液晶模块的RS、RW、E相连，P2 口与液晶模块的数据口相连。
进一步优选，所述主机部分外部数据存储电路ATMC08采用两线串行的总线和单片机通讯，电压最低可以到2. 5V，额定电流为1mA，静态电流10uA，电压5. 5V，是一个8K位串行CMOS E2PR0M,内部含有IOM个8位字节，AT24C08有一个16字节页缓存器，该器件通过I2C总线接口进行操作，AT24C08由单片机的P0. 6 口和P0. 7 口控制，R1、R2是上拉电阻， AT24C08的数据线和地址线是复用的，采用串口的方式传送数据，只用两根线SCK移位脉冲和SDA数据/地址与单片机传送数据。进一步优选，所述的无线多点土壤电阻率测量系统，其特征在于，所述主机部分无线通讯电路中的无线模块nRFMLOl为一款工作在2. 4 2. 5GHz ISM频段的单片无线收发器芯片，无线收发器包括频率发生器、增强型SiockBurst 模式控制器、功率放大器、晶体振荡器哦、调制器、解调器，功率输出、频道选择和协议设置通过SPI总线接口进行设置， nRFMLOl无线发射接收模块的电源设计和与单片机的连接，使用AMS1117稳压管进行稳压，以得到3. 3V稳定电压，使用单片机的PO 口与nRFMLOl无线发射接收模块连接。进一步优选，所述从机部分正弦波发生电路采用专用函数信号发生器ICL8038来产生正弦信号，输出信号Vsin峰峰值为5. 2V，频率为330Hz输出信号端Vsin将连接交变恒流源电路输入端。进一步优选，所述从机交变恒流源电路采用的改进型Howland电流泵电路，输出端Rsb端可以接地，交变电流源电路有三部分构成，分别是基准源、比较和输出。交流源电路的基准源Vsin是正弦信号，该信号是由正弦波发生电路产生的，输出端Rsb接负载。进一步优选，所述从机差分电路差分信号输入端加入了电压跟随器电路。进一步优选，所述从机有效值转换电路主要由真有效值转换芯片AD637构成，内部包括有源整流器、平方/除法器、滤波放大器、缓冲器、偏置电路，dB OUT为电平电压输出端，BUFF IN、BUFF OUT分别为缓冲器的输入、输出端。本发明的有益效果(1)本发明无线多点土壤电阻率测量系统测量过程简便，而且耗费较短，实时性好；(2)通过配置无线模块的通道和频道来实现这个“一对多”的通讯网络；(3)从机部分的数字电位器在单片机的控制下，改变交变恒流源的输出电流，以适应不同土壤的测量；G)AT24C08掉电存储单元的设计，AT24C08是8KB字节的电可擦除存储芯片， 采用两线串行的总线和单片机通讯，电压最低可以到2. 5V，额定电流为1mA，静态电流 IOuA (5. 5V)，芯片内的资料可以在断电的情况下保存40年以上，而且采用8脚的DIP封装， 使用方便；(5)无线通讯电路设计极低的电流功耗当工作在发射模式下发射功率为_6dBm 时电流消耗为9mA，接收模式时为12. 3mA，掉电模式和待机模式下电流消耗更低。
图1是本发明系统总体设计框图；图2是本发明主机框图；图3是本发明从机框6
图4是“电流-电压”四端法原理图；图5是本发明主机总电路图；图6是本发明无线通讯电路设计nRFMLOl内部逻辑结构图；图7是本发明nRFMLOl星型网络结构图；图8是本发明从机总电路图；图9是本发明土壤电阻率与含盐量关系图；图10为本发明土壤电阻率与含水量关系图。
具体实施例方式下面结合附图与具体实施方式
对本发明作进一步详细地说明。系统总体设计框图如图1所示系统采用主从式通讯模式，即一个主机接收，多个从机发送。通过配置无线模块的通道和频道来实现这个“一对多”的通讯网络。如图2所示，为系统主机框图。它包括单片机控制电路、液晶显示电路、外部数据存储电路、无线通讯电路及键盘电路。主机以STC89C52单片机为中心，对无线模块接收到从机发送来的数据进行简单的处理，并对从机号做识别，然后通过液晶显示数据。外部数据存储器可对数据做定时存储，以便对测量点的跟踪观测。用户对存储的数据操作可通过键盘电路来实现，如查看数据、删除数据、是否自动保存数据等。如图3所示，为从机框图。它包括带AD转换的单片机控制电路、无线通讯电路、正弦波发生电路、交变恒流源电路、传感器电极、差分电路、有效值转换电路、信号放大电路、 数字电位器。从机的测量电路部分是基于“电流-电压”四端法设计的，由正弦波发生电路产生失真度较低的正弦波信号，加载到交变恒流源电路上作为测量电路的激励源，接在传感器电极的两电流端。当传感器电极接上激励源后，电极的两电压端就会产生电压差，由差分电路得到这个差值，在经过有效值转换电路得到这个差值的有效值直流信号，由放大电路放大后传给单片机AD转换口做AD转换。最后通过无线模块将AD转换结果发送给主机。由于从机采用的单片机自身带有8路10位AD，所以电路设计上省去了额外的AD转换电路。数字电位器作用是在单片机的控制下，改变交变恒流源的输出电流，以适应不同土壤的测量。基于“电流-电压”四端法的接触式设计接触式设计运用了较为成熟的“电流-电压”四端法理论。这种理论的应用领域已经逐步从地球物理勘探扩展到农田土壤信息采集中，在土壤电阻率测量中得到了广泛的应用。运用“电流-电压”四端法这种理论，在测量土壤电阻率是，可以不取样，不扰动土体， 可以保持原态原位连续测量，同时测量值与土壤浸提液电阻率值有着较好的相关性。“电流-电压”四端法，即测试系统包括两个电流端和两个电压端。两个电流端提供测量所需的激励信号，通过检测两个电压端的电位差换算出节点材料的电阻率。测量系统的原理图如图4所示由导体电阻率的定义可知，如果测量对象的截面积和长度确定，则导体的电阻率就很容易求得。然而，对于大地电阻率的测量，它恰恰是一个截面积和长度都不能确定的复杂测量
权利要求
1.一种无线多点土壤电阻率测量系统，其特征在于，包括主机部分和从机部分，主机部分包括单片机控制电路、液晶显示电路、外部数据存储电路、无线通讯电路及键盘电路；从机部分包括带AD转换的单片机控制电路、无线通讯电路、正弦波发生电路、交变恒流源电路、传感器电极、差分电路、有效值转换电路、信号放大电路、数字电位器；从机的测量电路部分由正弦波发生电路产生失真度较低的正弦波信号，加载到交变恒流源电路上作为测量电路的激励源，接在传感器电极的两电流端，当传感器电极接上激励源后，电极的两电压端就会产生电压差，由差分电路得到这个差值，在经过有效值转换电路得到这个差值的有效值直流信号，由放大电路放大后传给单片机AD转换口做AD转换。最后通过无线模块将AD 转换结果发送给主机。
2.根据权利要求1所述的无线多点土壤电阻率测量系统，其特征在于，所述主机部分的单片机为STC89C52单片机，其内部有三个16位的可编程的定时/计数器。
3.根据权利要求1所述的无线多点土壤电阻率测量系统，其特征在于，所述从机采用的单片机自身带有8路10位AD。
4.根据权利要求1所述的无线多点土壤电阻率测量系统，其特征在于，所述主机部分液晶显示电路的液晶屏是HJ1602A图形点阵型液晶模块，带背光，液晶模块与单片机连接需要占用单片机的11个I/O 口，单片机的P3. 5、P3. 6、P3. 7 口分别与液晶模块的RS、RW、E 相连，P2 口与液晶模块的RS、RW、E相连，P2 口与液晶模块的数据口相连。
5.根据权利要求1所述的无线多点土壤电阻率测量系统，其特征在于，所述主机部分外部数据存储电路ATMC08采用两线串行的总线和单片机通讯，电压最低可以到2. 5V，额定电流为1mA，静态电流10uA，电压5. 5V，是一个8K位串行CMOS E2PR0M,内部含有IOM个 8位字节，AT24C08有一个16字节页缓存器，该器件通过I2C总线接口进行操作，AT24C08 由单片机的P0. 6 口和P0. 7 口控制，R1、R2是上拉电阻，AT24C08的数据线和地址线是复用的，采用串口的方式传送数据，只用两根线SCK移位脉冲和SDA数据/地址与单片机传送数据。
6.根据权利要求1所述的无线多点土壤电阻率测量系统，其特征在于，所述主机部分无线通讯电路中的无线模块nRFMLOl为一款工作在2. 4 2. 5GHz ISM频段的单片无线收发器芯片，无线收发器包括频率发生器、增强型SiockBurst 模式控制器、功率放大器、晶体振荡器哦、调制器、解调器，功率输出、频道选择和协议设置通过SPI总线接口进行设置， nRFMLOl无线发射接收模块的电源设计和与单片机的连接，使用AMS1117稳压管进行稳压，以得到3. 3V稳定电压，使用单片机的PO 口与nRFMLOl无线发射接收模块连接。
7.根据权利要求1所述的无线多点土壤电阻率测量系统，其特征在于，所述从机部分正弦波发生电路采用专用函数信号发生器ICL8038来产生正弦信号，输出信号Vsin峰峰值为5. 2V，频率为330Hz输出信号端Vsin将连接交变恒流源电路输入端。
8.根据权利要求1所述的无线多点土壤电阻率测量系统，其特征在于，所述从机交变恒流源电路采用的改进型Howland电流泵电路，输出端Rsb端可以接地，交变电流源电路有三部分构成，分别是基准源、比较和输出。交流源电路的基准源Vsin是正弦信号，该信号是由正弦波发生电路产生的，输出端Rsb接负载。
9.根据权利要求1所述的无线多点土壤电阻率测量系统，其特征在于，所述从机差分电路差分信号输入端加入了电压跟随器电路。
10.根据权利要求1所述的无线多点土壤电阻率测量系统，其特征在于，所述从机有效值转换电路主要由真有效值转换芯片AD637构成，内部包括有源整流器、平方/除法器、滤波放大器、缓冲器、偏置电路，dB OUT为电平电压输出端，BUFF IN, BUFF OUT分别为缓冲器的输入、输出端。
全文摘要
本发明公开了一种无线多点土壤电阻率测量系统，根据“电流-电压四端法”原理设计土壤电阻率测量电路，自制微型探头以减小对土壤溶质移动的干扰，而且可以高密度分布测量。系统的无线通讯电路采用nRF24L01无线模块，由该模块可构成一个“一对多”的通讯网络，由此实现对土壤电阻率的多点测量。系统采用主从式结构建立测量平台，主机完成土壤电阻率数据接收、处理、显示及存储功能，从机完成土壤电阻率数据的采集、发送功能，有效解决多点土壤电阻率实时测量的一致性问题。试验结果表明系统具有良好的稳定性和实用性，土壤电阻率与含盐量及含水量呈良好的线性关系。
文档编号G08C17/02GK102426297SQ20111023555
公开日2012年4月25日 申请日期2011年8月17日 优先权日2011年8月17日
发明者卢超 申请人:陕西理工学院