一种田间持水量测量方法及装置与流程

本发明涉及田间持水量测量领域，尤其是一种田间持水量测量方法及装置。

背景技术：

田间持水量是水文学的专业名词，它是指土壤中悬着毛管水达到最大量时的土壤含水量，是土壤不受地下水影响所能保持水量的最大值。田间持水量的形式上包括：吸湿水+膜状水+悬着毛管水。田间持水量是土壤所能稳定保持的最高土壤含水量，也是对作物有效的最高的土壤水含量，作为灌溉上限和计算灌水定额的指标，对农业生产及抗旱有着指导意义。

随着农业灌溉向精细化、精准化、节约型耕作发展，根据作物的生长周期定量灌溉、施肥成为当前的趋势。而当前我国土地的田间持水量的测量通过取样、晾干、研磨、压实、渗透、湿样称重、烘干、干样称重等工艺，人工操作，存在误差大、耗时等缺点，因此需要一种田间持水量测量方法及装置，可以简化测量、高效测量。

技术实现要素：

本发明的目的在于：本发明提供了一种田间持水量测量方法及装置，通过采集土壤体积含水率和土壤容重获取田间持水量，减少手动采样，实现高效测量。

本发明采用的技术方案如下：

一种田间持水量测量方法，包括如下步骤：

取土样计算土壤容重；

根据设置的时间长度采集土壤体积含水率；

计算土壤体积含水率数据对应曲线的导数，根据前述导数和设置的导数阈值判断拐点，根据拐点对应的土壤体积含水率和土壤容重计算并实时传输田间持水量。

优选地，所述取土样计算土壤容重包括如下步骤：

步骤a1：取土样n份，将n份土样烘干，n为大于1的正整数；

步骤a2：将烘干后的n份土样取平均值计算土壤的容重。

优选地，所述采集土壤体积含水率包括如下步骤：

步骤b1：通过触摸屏设置时间长度和配置参数，所述配置参数包括导数阈值；

步骤b2：启动传感器采集，所述传感器包括土壤体积含水率传感器和温度传感器。

优选地，所述计算和传输田间持水量包括如下步骤：

步骤c1：获取时间长度内的土壤体积含水率；

步骤c2：获取前述时间长度内的土壤体积含水率峰值和对应的峰值时间；

步骤c3:根据峰值时间后的土壤体积含水率数据绘制曲线，根据曲线计算一阶导数；

步骤c4：判断步骤c3获得的一阶导数是否小于一阶导数阈值，若是，则此点为拐点，存储此点和此点对应的土壤体积含水率；若否，则跳至步骤c1；

步骤c5：根据拐点的土壤体积含水率计算田间持水量，计算公式如下：

其中，c表示田间持水量，h表示拐点处的土壤体积含水率，r表示土壤容重；

步骤c6：将田间持水量通过无线传输方式传输至平台，所述无线传输方式包括gprs。

一种装置，包括

传感器采集模块，用于采集土壤体积含水率和土壤温度；

触摸屏，用于设置时间长度、配置参数、触发传感器采集模块、实时显示土壤体积含水率和田间持水量；

存储模块，用于存储采集的土壤体积含水率数据和计算数据；

控制器，用于处理土壤体积含水率数据后计算其的导数，根据导数判断拐点后，根据拐点对应的土壤体积含水率和测量所得的土壤容重计算田间持水量；

无线模块，用于实时传输土壤体积含水率和田间持水量；

电源模块，用于通过太阳能板和锂电池为控制器、触摸屏、无线模块和传感器采集模块供电；

所述控制器通过485通信模块电性连接传感器采集模块，所述存储模块、触摸屏、无线模块分别与控制器电性连接。

优选地，还包括用于连接pc机的usb通讯模块，usb通讯模块通过tx、rx引脚对应连接控制器的usart1_rx和usart1_tx。

优选地，所述控制器包括用于数据转换模块和计算模块，所述数据转换模块用于将传感器采集模块采集的模拟信号转换为数字信号，所述计算模块用于计算采集数据对应曲线的导数，根据导数阈值判断拐点和根据拐点土壤体积含水率和测量的土壤容量计算田间持水量。

优选地，所述无线模块包括gprs模块，所述gprs模块的rxd、txd、dtr、ri、sim_data、pwekey引脚对应连接控制器的usart3_txrx、pb12、pb13、pb14、pb15引脚。

优选地，所述电源模块包括电源降压稳压电路和充电控制电路，所述电源降压稳压电路为各模块供电，所述充电控制电路输入端连接控制器和输入电压端，其输出端连接锂电池，所述充电控制电路与控制器的电路连接如下：输入电压连接电容c16一端，控制器的pc5引脚连接电容c16的另一端，电容c16与电阻r17并联连接，并联连接的一端连接mos管q1的源极，并联连接的另一端连接电阻r18后连接mos管q1的栅极，mos管q1的漏极连接二极管d3后连接蓄电池电源正端，蓄电池电源负端接地，二极管d3阴极连接串联连接的电阻r100和r101后接地，电阻r100和r101之间连接控制器pc0引脚。

优选地，所述控制器通过485通信模块连接传感器采集模块，电路连接如下：所述控制器通过usart2_rx、usart2_tx、pa4引脚对应连接所述485通信模块的ro、re-de、di引脚，所述485通信模块的b、a引脚对应连接传感器采集模块的2、3接口。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1.本发明通过采集土壤体积含水率数据，寻找土壤体积含水率对应的拐点，从而根据土壤容重和土壤体积含水率计算土壤持水量，实现自动测量持水量，减少采样步骤，加快测量速率；

2.本发明通过土壤持水量变化特性，根据测量数据绘制曲线的导数计算土壤体积含水率的拐点，根据拐点对应的土壤体积含水率计算土壤持水量，计算更加精确；

3.本发明的装置通过传感器采集模块采集土壤体积含水率数据，控制器寻找土壤体积含水率对应的拐点，根据土壤容重和土壤体积含水率计算土壤持水量，实现自动测量持水量，减少采样步骤，加快测量速率，通过gprs模块无线传输实时的田间持水量测量数据。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明的方法流程图；

图2为本发明的装置的系统框图；

图3为本发明的装置控制部分结构示意图；

图4为本发明的计算土壤持水量的方法流程图；

图5为本发明的存储模块的电路图；

图6为本发明的电源模块的电路图；

图7为本发明的电源模块中充电控制电路的电路图；

图8为本发明的usb通讯模块的电路图；

图9为本发明的控制器的电路图；

图10为本发明的传感器、触摸屏和太阳能板接口连接图；

图11为本发明的传感器485通讯的电路图；

图12为本发明的无线模块采用gprs的部分电路图；

图13为本发明的gprs模块sim部分的电路图；

图14为本发明的gprs模块pwekry部分的电路图；

附图标记：1-太阳能板接线插头，2-传感器插头，3-电源按钮，4-天线插头。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，术语“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。

实施例1

土壤田间持水量是指当水饱和的土体中的重力水完全排除后，毛管悬着水达到最大量时的土壤含水量所保持的水量。淹灌后土壤含水量会立即上升到峰值，然后重力排水使土壤含水量近乎垂直下降趋势，此后出现一个偏离近乎垂直下降趋势的拐点，此后土壤水分的下降逐渐变慢，此拐点处对应的土壤含水量即为此土壤的田间持水量。通过设置的传感器监测土壤体积含水率和测量的土壤容重计算土壤持水量；本申请通过测量装置实现简便、快速测量，如图1所示，细节如下：

测量步骤：

1.在测试区取土样4份，用烘干法，取平均计算出土壤的容重；

2.按照围框淹灌法，以土壤温度、体积含水率传感器为中心，建立测试区和保护区；

3.按照围框淹灌法，灌水前，在测试区和保护区各插一根厘米尺；在灌水区铺垫草或席子，先在保护区灌水达到一定程度后，再向测试地块灌水，使内外均保持5cm厚的水层，直到将水灌完为止；灌水渗完后，在土面覆盖青草或麦秆，上面再盖一块塑料布，以防止水分蒸发和雨水淋入；

4.灌水后，通过触摸屏(或pc客户端)，启动测量田间持水量；

5.根据配置的参数，灌水一定时间后，自动计算出田间持水量。

通过触摸屏设置时间长度和配置参数(包括导数阈值)，采集时间长度内的土壤体积含水率数据；计算土壤体积含水率数据对应曲线的导数，根据前述导数和设置的导数阈值判断拐点，根据拐点对应的土壤体积含水率和土壤容重计算并实时传输田间持水量，如图4所示，具体如下：

步骤c1：获取时间长度内的土壤体积含水率；

步骤c2：获取前述时间长度内的土壤体积含水率峰值和对应的峰值时间；

步骤c3:根据峰值时间后的土壤体积含水率数据绘制曲线，根据曲线计算一阶导数；

步骤c4：判断步骤c3获得的一阶导数是否小于一阶导数阈值，若是，则此点为拐点，存储此点和此点对应的土壤体积含水率；若否，则跳至步骤c1；

步骤c5：根据拐点的土壤体积含水率计算田间持水量，计算公式如下：

其中，c表示田间持水量，h表示拐点处的土壤体积含水率，r表示土壤容重；

步骤c6：将土壤持水量通过无线传输方式传输至平台，所述无线传输方式包括gprs。还可以采用nb-iot方式。

本发明通过采集土壤体积含水率数据，通过土壤持水量变化特性，根据测量数据绘制曲线的导数计算土壤体积含水率的拐点，根据拐点对应的土壤体积含水率和测量所得的土壤容重计算土壤持水量，计算更加精确，实现自动测量持水量，减少采样步骤，加快测量速率。

实施例2

基于实施例1，本实施例提供一种田间持水量测量装置，如图3所示，其包括

传感器采集模块，用于采集土壤体积含水率和土壤温度；

触摸屏，用于设置时间长度、配置参数、触发传感器采集模块、实时显示土壤体积含水率和田间持水量；

存储模块，用于存储采集的土壤体积含水率数据和计算数据；

控制器，用于处理土壤体积含水率数据后计算其的导数，根据导数判断拐点后，根据拐点对应的土壤体积含水率和测量所得的土壤容重计算田间持水量；

无线模块，用于实时传输土壤体积含水率和田间持水量；

电源模块，用于通过太阳能板和锂电池为控制器、触摸屏、无线模块和传感器采集模块供电。

所述控制器通过485通信模块电性连接传感器采集模块，所述触摸屏、gprs模块分别与控制器电性连接。

如图3所示为测量装置控制部分结构示意图，太阳能板接线插头1连接电源模块中的太阳能板，传感器插头2连接传感器采集模块中的土壤体积含水率传感器和温度传感器，电源按钮3内部连接锂电池，天线插头4连接无线模块，触摸屏采用型号为tjc8048t070hmi串口触摸屏，触摸屏、传感器、太阳能板接口具体的电路连接如图10所示。控制器采用单片机，型号为stm32f103v；存储模块采用at24c256c-sshl-t；存储模块与单片机的电路连接如图5、9所示，整个装置的电源由电源模块提供，输入电压通过降压稳压芯片转换为12v、5v、3.3v，供对应模块供电；还设置太阳能板，通过单片机控制充电将太阳能转换为电能存储至锂电池，如图6、7、9所示；单片机通过usb通讯模块连接pc机，实现远程监控和显示，usb通讯模块通过串口1连接，具体芯片和电路连接如图8和9所示；如图10所示的接口连接，p1为触摸屏接口，j1为土壤体积含水率和温度传感器的航空接头，j2为太阳能板的航空接口；土壤体积含水率和温度传感器采用一体集成模块，型号为管式的gws-12v-w2，可测量多个土层的数据；采集土壤体积含水率和温度，是通过单片机控制485通信模块进行传输，如图11、9、10所示；传输数据时采用gprs模块，型号为m26，gprs芯片连接sim卡，gprs芯片连接控制器的串口3，具体如图12、13、14、9所示。

所称控制器可以是中央处理单元(centralprocessingunit，cpu)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(digitalsignalprocessor，dsp)、专用集成电路(applicationspecificintegratedcircuit，asic)、现成可编程门阵列(field-programmablegatearray，fpga)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。本实施例仅提供一种类型，但不仅限于本实施例所述的单片机。

所述存储模块可用于存储所述计算机程序和/或模块，所述处理器通过运行或执行存储在所述存储器内的计算机程序和/或模块，以及调用存储在存储器内的数据，实现测量中的数据转换和计算等功能。所述存储器包括高速随机存取存储器，还可以包括非易失性存储器，例如硬盘、内存、插接式硬盘，智能存储卡(smartmediacard，smc)，安全数字(securedigital，sd)卡，闪存卡(flashcard)、至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他易失性固态存储器件。本实施例仅提供一种类型，但不仅限于本实施例所述的存储模块。

其他模块同理，不仅限于本实施例的一种型号。

如图7所示，充电控制电路与控制器的电路连接如下：输入电压连接电容c16一端，控制器的pc5引脚连接电容c16的另一端，电容c16与电阻r17并联连接，并联连接的一端连接mos管q1的源极，并联连接的另一端连接电阻r18后连接mos管q1的栅极，mos管q1的漏极连接二极管d3后连接蓄电池电源正端，蓄电池电源负端接地，二极管d3阴极连接串联连接的电阻r100和r101后接地，电阻r100和r101之间连接控制器pc0引脚。

电阻r100、r101串联，控制器adc采集端口pc0通过电阻分压计算出蓄电池电压。当电压超过蓄电池充电上限电压后控制器pc5控制mos管关断，停止太阳能板充电，当电压低于蓄电池充电下限电压控制器pc5控制mos管开通，开始太阳能板充电。

所述电源模块还包括电源降压稳压电路，所述电源降压稳压电路输出电源包括为传感器采集模块供电的12v电源、为usb通讯模块、触摸屏供电的5v电源和为存储模块、usb通讯模块、控制器、无线模块供电的3.3v电源。

如图12、13、14所示，所述无线模块包括gprs模块，所述gprs模块的rxd、txd、dtr、ri、sim_data、pwekey引脚对应连接控制器的usart3_txrx、pb12、pb13、pb14、pb15引脚。gprs模块的sim_gnd、sim_data、sim_rst、sim_clk连接sim卡槽gnd、i/o、rst、clk。smf05cesd芯片连接sim卡槽i/o、rst、clk。系统上电后，控制器通过pb15拉低gprs模块pwrkey引脚1s后模块开机成功。控制器通过pb14监测电平，检查是否有sim卡。gprs模块启动后，根据内部保存的设置开始启动tcp连接，gprs模块引脚netlight通过三极管q3控制ledd8来指示是否tcp连接成功。

如图9、10、11所示，所述控制器通过485通信模块连接传感器采集模块接口，电路连接如下：控制器通过usart2_rx、usart2_tx、pa4引脚对应连接485通信模块的ro、re-de、di引脚，485通信模块的b、a引脚对应连接传感器采集模块的2、3接口。控制器通过引脚pa4拉高485通信模块引脚re-de启动数据发送，发送完后拉低，启动数据接收。

如图9和10所示，所述控制器与触摸屏的电路连接如下：控制器的uart4_tx、uart4_rx引脚对应连接触摸屏接口的2、3引脚，触摸屏的电源正端连接5v电源。

综上，通过测量装置进行如下步骤：取土样计算土壤容重；根据设置的时间长度采集土壤体积含水率；计算土壤体积含水率数据对应曲线的导数，根据前述导数和设置的导数阈值判断拐点，根据拐点对应的土壤体积含水率和土壤容重计算并实时传输田间持水量。本发明通过采集土壤体积含水率数据，通过土壤持水量变化特性，根据测量数据绘制曲线的导数计算土壤体积含水率的拐点，根据拐点对应的土壤体积含水率计算土壤持水量，计算更加精确，实现自动测量持水量，减少采样步骤，加快测量速率，通过无线模块实时传输测量数据，利于远程监控。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。