一种测量土壤含水量的声表面波传感器节点结构及测量方法与流程

本发明涉及一种测量土壤含水量的声表面波传感器节点结构及测量方法，属于土壤检测、无线传感领域。

背景技术：

无论是室内盆栽、温室大棚还是室外田间，为保证作物正常的生长发育，适时适度的浇水、灌溉不可或缺。为实现精准灌溉，需要通过传感器来监测土壤含水量(湿度)，以实际获取的土壤含水量信息作为决策依据，实施针对性灌溉。理论和实践表明，即使在土壤表面同一位置，土壤含水量在土壤深度方向都表现出异质性特征，因此传感器需要测量不同深度层级土壤的含水量以获得其时空分布和变化规律，从而为精准灌溉提供理论依据和实践决策。

现有土壤含水量传感器通常是集成了信号处理模块、无线通信模块的有源传感器，不仅结构复杂、价格昂贵，而且存在着需要定时更换电池的麻烦以及电池中的化学物质潜在影响土壤生态环境等问题。虽然某些改进的结构采用多个传感器节点通过线缆连接到一个共用的无线通信模块以达到降低成本的目的，但这种有线连接方式不仅繁琐，而且在一定程度上妨碍农事操作。此外，虽然某些传感器实现了与太阳能光伏板的一体化设计以解决传感器的能量供应问题，但气候和天气条件会极大地影响传感器性能，且成本更高。

基于声表面波技术的传感器是一种典型的新型传感器，其最大的特点是精度高、响应速度快、无线无源、价格低廉等。声表面波器件用作土壤含水量测量时，可采用单端谐振器型器件，通过外接土壤含水量敏感元件并将该敏感元件作为声表面波器件匹配电路的一部分，从而土壤含水量变化导致敏感元件阻抗变化并最终引起单端谐振器型声表面波器件的谐振频率变化来实现测量目标。

技术实现要素：

本发明针对当前室内盆栽、温室大棚、室外田间等场景需要测量土壤同一表面位置处不同深度层级的含水量的问题，提出一种测量土壤含水量的声表面波传感器节点结构及测量方法，其目的是获得土壤含水量的时空分布和变化规律，从而为精准浇水、灌溉提供理论依据和实践决策。

本发明采用如下技术方案：一种测量土壤含水量的声表面波传感器节点结构，所述声表面波传感器节点由壳体、天线、若干个单端谐振器型声表面波器件和若干个敏感元件构成；

所述壳体为圆柱状金属管结构，其底部呈锥状，顶部连接天线；若干通孔对沿壳体长度方向均布在壳体表面，其数量与单端谐振器型声表面波器件的数量一致；整个壳体表面都涂有耐腐蚀涂层；

所述天线位于壳体顶部；

若干个敏感元件的数量与单端谐振器型声表面波器件的数量一致；

若干个单端谐振器型声表面波器件采用2.4ghz频段，彼此具有相邻但各不重叠的频带；每个单端谐振器型声表面波器件包括压电基底、叉指换能器、第一反射栅、第二反射栅以及匹配电路；其中，叉指换能器沉积在压电基底表面中部；第一反射栅、第二反射栅呈密集型阵列布置，并分别对称沉积在压电基底表面上叉指换能器的左右两侧；匹配电路包括电容、电感，并与叉指换能器连接；

若干个单端谐振器型声表面波器件封装后沿壳体长度方向等距固定在壳体内部，且叉指换能器经匹配电路通过引线穿过壳体上相应位置的通孔对与相应的敏感元件连接；所有单端谐振器型声表面波器件的叉指换能器通过引线与同轴线并联，再连接到壳体顶部的天线上。

进一步地，若干个敏感元件是独立于壳体的分体结构。

进一步地，若干个敏感元件选用测量探针或湿敏电容两种不同的结构。

进一步地，所述测量探针为圆柱状底部呈锥形的一对金属结构，其直径与壳体表面的通孔直径一致；

当所述敏感元件为测量探针时：在传感器节点插入待检测土壤前，测量探针位于壳体内部；在传感器节点插入待检测土壤后，通过位于壳体顶部的机械按键控制测量探针从壳体表面的通孔对弹出。

进一步地，所述天线采用单极子天线或偶极子天线两种不同的结构。

进一步地，当外部阅读器为手持移动式终端时，不同的声表面波传感器节点具有完全相同的结构；当外部阅读器为安装在土壤某一位置的固定式终端时，不仅构成单个声表面波传感器节点的单端谐振器型声表面波器件彼此具有相邻但各不重叠的频带，而且与阅读器对应的所有声表面波传感器节点的所有单端谐振器型声表面波器件彼此都具有相邻但各不重叠的频带。

本发明还采用如下技术方案：一种测量土壤含水量的声表面波传感器节点结构的测量方法，当外部阅读器为手持移动式终端时，工作步骤如下：

步骤a：手持外部阅读器移动到声表面波传感器节点附近；

步骤b：外部阅读器发射一个射频查询脉冲，该查询脉冲的载波频率为声表面波传感器节点中第1个单端谐振器型声表面波器件的设计谐振频率；

步骤c：声表面波传感器节点的天线接收到阅读器发射的射频查询脉冲，经过同轴线加载到并联的该节点所有单端谐振器型声表面波器件的叉指换能器上，通过叉指换能器选频，第1个单端谐振器型声表面波器件的叉指换能器经逆压电效应产生声表面波沿压电基底表面向两侧传播，经第一反射栅、第二反射栅多次相干反射并叠加形成驻波，再通过叉指换能器经正压电效应转换成电磁波，并经声表面波传感器节点的天线将回波信号发射回外部阅读器；

步骤d：阅读器接收回波信号，回波信号为幅值随时间呈指数规律衰减的双边带信号，其载波频率与第1个单端谐振器型声表面波器件的实际谐振频率一致；

步骤e：阅读器对回波信号进行处理，获得第1个单端谐振器型声表面波器件的实际谐振频率，根据其与对应的第1个敏感元件的阻抗之间的关系，以及第1个敏感元件的阻抗与土壤含水量之间的关系，测得第1个敏感元件所在土壤深度位置处的土壤含水量；

步骤f：外部阅读器发射一个射频查询脉冲，该查询脉冲的载波频率为声表面波传感器节点中第2个单端谐振器型声表面波器件的设计谐振频率，重复步骤c、步骤d、步骤e，测得第2个敏感元件所在土壤深度位置处的土壤含水量；

步骤g：重复步骤f，直至外部阅读器测得声表面波传感器节点中所有敏感元件所在土壤深度位置处的土壤含水量；

步骤h：若阅读器只需要测量单个声表面波传感器节点对应位置处的土壤含水量，则阅读器将上述测得数据通过阅读器上的无线通信模块传送到云端或基站以供分析和决策；若阅读器需要测量多个声表面波传感器节点对应位置处的土壤含水量，则手持外部阅读器移动到下一个声表面波传感器节点附近，重复步骤b、步骤c、步骤d、步骤e、步骤f、步骤g，直至外部阅读器测得所有声表面波传感器节点中所有敏感元件所在土壤深度位置处的土壤含水量，再将上述测得数据通过阅读器上的无线通信模块传送到云端或基站以供分析和决策。

当外部阅读器为固定式终端时，工作步骤如下：

步骤a：固定式外部阅读器发射一个射频查询脉冲，该查询脉冲的载波频率为与阅读器对应的第1个声表面波传感器节点中第1个单端谐振器型声表面波器件的设计谐振频率；

步骤b：第1个声表面波传感器节点的天线接收到阅读器发射的射频查询脉冲，经过同轴线加载到并联的该节点所有单端谐振器型声表面波器件的叉指换能器上，通过叉指换能器选频，第1个单端谐振器型声表面波器件的叉指换能器经逆压电效应产生声表面波沿压电基底表面向两侧传播，经第一反射栅、第二反射栅多次相干反射并叠加形成驻波，再通过叉指换能器经正压电效应转换成电磁波，并经第1个声表面波传感器节点的天线将回波信号发射回外部阅读器；

步骤c：阅读器接收回波信号，回波信号为幅值随时间呈指数规律衰减的双边带信号，其载波频率与第1个声表面波传感器节点中第1个单端谐振器型声表面波器件的实际谐振频率一致；

步骤d：阅读器对回波信号进行处理，获得第1个声表面波传感器节点中第1个单端谐振器型声表面波器件的实际谐振频率，根据其与对应的第1个声表面波传感器节点中第1个敏感元件的阻抗之间的关系，以及第1个声表面波传感器节点中第1个敏感元件的阻抗与土壤含水量之间的关系，测得第1个声表面波传感器节点中第1个敏感元件所在土壤深度位置处的土壤含水量；

步骤e：外部阅读器发射一个射频查询脉冲，该查询脉冲的载波频率为第1个声表面波传感器节点中第2个单端谐振器型声表面波器件的设计谐振频率，重复步骤b、步骤c、步骤d，测得第1个声表面波传感器节点中第2个敏感元件所在土壤深度位置处的土壤含水量；

步骤f：重复步骤e，直至外部阅读器测得第1个声表面波传感器节点中所有敏感元件所在土壤深度位置处的土壤含水量；

步骤g：外部阅读器发射一个查询脉冲，该查询脉冲的载波频率为第2个声表面波传感器节点中第1个单端谐振器型声表面波器件的设计谐振频率，重复步骤b、步骤c、步骤d、步骤e、步骤f，直至外部阅读器测得与阅读器对应的所有声表面波传感器节点中所有敏感元件所在土壤深度位置处的土壤含水量；

步骤h：阅读器将上述测得数据通过阅读器上的无线通信模块传送到云端或基站以供分析和决策。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1.与现有集成了信号处理模块、无线通信模块的土壤含水量传感器相比，本发明的信号处理模块、无线通信模块全部集成到阅读器上，声表面波传感器节点不仅价格低廉，而且无线无源；

2.与现有通过太阳能光伏板解决能量供应问题的土壤含水量传感器相比，本发明的声表面波传感器节点通过阅读器发射的射频查询脉冲提供能量，在阅读器和天线的配合下能实现能量的可靠供给和信号的有效传输；

3.本发明的声表面波传感器节点不仅能实现测量土壤含水量的功能，而且还能完成对同一表面位置处不同深度层级的土壤含水量测量；

4.根据实际检测环境要求，采用手持移动式阅读器或固定式阅读器，本发明的声表面波传感器节点能获得土壤含水量的时空分布和变化规律，从而为室内盆栽、温室大棚、室外田间等场景提供精准浇水、灌溉的理论依据和实践决策。

附图说明：

图1是本发明的测量土壤含水量的声表面波传感器节点结构示意图。

图2是本发明的测量土壤含水量的声表面波传感器节点的壳体内部局部示意图。

图3是本发明的测量土壤含水量的声表面波传感器节点的单端谐振器型声表面波器件结构示意图。

图4是本发明的测量土壤含水量的声表面波传感器节点的若干个单端谐振器型声表面波器件连接方式示意图。

图5是本发明的测量土壤含水量的声表面波传感器节点的敏感元件结构示意图。

图6是本发明的测量土壤含水量的声表面波传感器节点采用单极子天线示意图。

图7是本发明的测量土壤含水量的声表面波传感器节点采用偶极子天线示意图。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

请参照图1、图2所示，本发明测量土壤含水量的声表面波传感器节点结构由壳体1、天线2、若干个单端谐振器型声表面波器件3(图示为6个)和若干个(图示为6个)敏感元件4构成。

壳体1为圆柱状金属管结构；壳体1底部呈锥状，以便于插入土壤中；壳体1顶部连接天线2；若干通孔对5沿壳体1长度方向均布在壳体1表面；通孔对5的数量与单端谐振器型声表面波器件3的数量一致；整个壳体1表面都涂有耐腐蚀涂层。

天线2位于壳体1顶部。

声表面波传感器节点中的单端谐振器型声表面波器件3的数量取决于壳体1长度、土壤含水量在土壤深度方向的异质性特征等因素。

若干个敏感元件4的数量与单端谐振器型声表面波器件3的数量一致。

若干个单端谐振器型声表面波器件3采用2.4ghz频段，彼此具有相邻但各不重叠的频带，每个器件的带宽取决于土壤含水量的测量范围。

请参照图3所示，每个单端谐振器型声表面波器件3包括压电基底6、叉指换能器7、第一反射栅8、第二反射栅9以及匹配电路10；其中，叉指换能器7沉积在压电基底6表面中部；第一反射栅8、第二反射栅9呈密集型阵列布置，并分别对称沉积在压电基底6表面上叉指换能器7的左右两侧；匹配电路10包括电容、电感，并与叉指换能器7连接。

请参照图2、图4所示，若干个单端谐振器型声表面波器件3封装后沿壳体1长度方向等距固定在壳体1内部，且叉指换能器7经匹配电路10通过引线11穿过壳体1上相应位置的通孔对5与相应的敏感元件4连接；所有单端谐振器型声表面波器件3的叉指换能器7通过引线11与同轴线12并联，再连接到壳体1顶部的天线2上。

请参照图1、图5所示，若干个敏感元件4是独立于声表面波传感器节点壳体1的分体结构，以便于拆卸和更换。

若干个敏感元件4可选用测量探针13或湿敏电容14两种不同的结构。

测量探针13为圆柱状底部呈锥形的一对金属结构，其直径与壳体1表面的通孔直径一致。

当敏感元件4为测量探针13时：在传感器节点插入待检测土壤前，测量探针13位于壳体1内部；在传感器节点插入待检测土壤后，通过位于壳体1顶部的机械按键控制测量探针13从壳体1表面的通孔对5弹出。

请参照图6、图7所示，声表面波传感器节点的天线2根据实际检测环境要求声表面波传感器节点整体埋入土壤与否，采用单极子天线15或偶极子天线16两种不同的结构。

如图6所示，为便于农事操作，实际检测环境要求声表面波传感器节点整体埋入土壤时，采用单极子天线15：一方面，单极子天线15便于埋入土壤；另一方面，同等情况下单极子天线15的增益比偶极子天线16高，可在一定程度上补偿电磁波在土壤中传播与空气中相比较大的损耗；

如图7所示，为便于测量，实际检测环境要求声表面波传感器节点必须有一部分露出土壤表面时，采用偶极子天线16。

当外部阅读器为手持移动式终端时，阅读器用于测量单个或多个声表面波传感器节点对应位置处的土壤含水量，此时不同的声表面波传感器节点具有完全相同的结构；当外部阅读器为安装在土壤某一位置的固定式终端时，每个阅读器用于测量阅读器附近确定数量的声表面波传感器节点对应位置处的土壤含水量，此时不仅构成单个声表面波传感器节点的单端谐振器型声表面波器件3彼此具有相邻但各不重叠的频带，而且与阅读器对应的所有声表面波传感器节点的所有单端谐振器型声表面波器件3彼此都具有相邻但各不重叠的频带，从而避免无线测量时的信号碰撞问题。

请参照图1至图7所示，一种测量土壤含水量的声表面波传感器节点结构的测量方法。

当外部阅读器为手持移动式终端时，工作步骤如下：

步骤a：手持外部阅读器移动到声表面波传感器节点附近；

步骤b：外部阅读器发射一个射频查询脉冲，该查询脉冲的载波频率为声表面波传感器节点中第1个单端谐振器型声表面波器件的设计谐振频率；

步骤c：声表面波传感器节点的天线接收到阅读器发射的射频查询脉冲，经过同轴线加载到并联的该节点所有单端谐振器型声表面波器件的叉指换能器上，通过叉指换能器选频，第1个单端谐振器型声表面波器件的叉指换能器经逆压电效应产生声表面波沿压电基底表面向两侧传播，经第一反射栅、第二反射栅多次相干反射并叠加形成驻波，再通过叉指换能器经正压电效应转换成电磁波，并经声表面波传感器节点的天线将回波信号发射回外部阅读器；

步骤d：阅读器接收回波信号，回波信号为幅值随时间呈指数规律衰减的双边带信号，其载波频率与第1个单端谐振器型声表面波器件的实际谐振频率一致；

步骤e：阅读器对回波信号进行处理，获得第1个单端谐振器型声表面波器件的实际谐振频率，根据其与对应的第1个敏感元件的阻抗之间的关系，以及第1个敏感元件的阻抗与土壤含水量之间的关系，测得第1个敏感元件所在土壤深度位置处的土壤含水量；

步骤f：外部阅读器发射一个射频查询脉冲，该查询脉冲的载波频率为声表面波传感器节点中第2个单端谐振器型声表面波器件的设计谐振频率，重复步骤c、步骤d、步骤e，测得第2个敏感元件所在土壤深度位置处的土壤含水量；

步骤g：重复步骤f，直至外部阅读器测得声表面波传感器节点中所有敏感元件所在土壤深度位置处的土壤含水量；

步骤h：若阅读器只需要测量单个声表面波传感器节点对应位置处的土壤含水量，则阅读器将上述测得数据通过阅读器上的无线通信模块传送到云端或基站以供分析和决策；若阅读器需要测量多个声表面波传感器节点对应位置处的土壤含水量，则手持外部阅读器移动到下一个声表面波传感器节点附近，重复步骤b、步骤c、步骤d、步骤e、步骤f、步骤g，直至外部阅读器测得所有声表面波传感器节点中所有敏感元件所在土壤深度位置处的土壤含水量，再将上述测得数据通过阅读器上的无线通信模块传送到云端或基站以供分析和决策。

当外部阅读器为固定式终端时，工作步骤如下：

步骤a：固定式外部阅读器发射一个射频查询脉冲，该查询脉冲的载波频率为与阅读器对应的第1个声表面波传感器节点中第1个单端谐振器型声表面波器件的设计谐振频率；

步骤b：第1个声表面波传感器节点的天线接收到阅读器发射的射频查询脉冲，经过同轴线加载到并联的该节点所有单端谐振器型声表面波器件的叉指换能器上，通过叉指换能器选频，第1个单端谐振器型声表面波器件的叉指换能器经逆压电效应产生声表面波沿压电基底表面向两侧传播，经第一反射栅、第二反射栅多次相干反射并叠加形成驻波，再通过叉指换能器经正压电效应转换成电磁波，并经第1个声表面波传感器节点的天线将回波信号发射回外部阅读器；

步骤c：阅读器接收回波信号，回波信号为幅值随时间呈指数规律衰减的双边带信号，其载波频率与第1个声表面波传感器节点中第1个单端谐振器型声表面波器件的实际谐振频率一致；

步骤d：阅读器对回波信号进行处理，获得第1个声表面波传感器节点中第1个单端谐振器型声表面波器件的实际谐振频率，根据其与对应的第1个声表面波传感器节点中第1个敏感元件的阻抗之间的关系，以及第1个声表面波传感器节点中第1个敏感元件的阻抗与土壤含水量之间的关系，测得第1个声表面波传感器节点中第1个敏感元件所在土壤深度位置处的土壤含水量；

步骤e：外部阅读器发射一个射频查询脉冲，该查询脉冲的载波频率为第1个声表面波传感器节点中第2个单端谐振器型声表面波器件的设计谐振频率，重复步骤b、步骤c、步骤d，测得第1个声表面波传感器节点中第2个敏感元件所在土壤深度位置处的土壤含水量；

步骤f：重复步骤e，直至外部阅读器测得第1个声表面波传感器节点中所有敏感元件所在土壤深度位置处的土壤含水量；

步骤g：外部阅读器发射一个查询脉冲，该查询脉冲的载波频率为第2个声表面波传感器节点中第1个单端谐振器型声表面波器件的设计谐振频率，重复步骤b、步骤c、步骤d、步骤e、步骤f，直至外部阅读器测得与阅读器对应的所有声表面波传感器节点中所有敏感元件所在土壤深度位置处的土壤含水量；

步骤h：阅读器将上述测得数据通过阅读器上的无线通信模块传送到云端或基站以供分析和决策。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。