太阳能供电的土壤水势智能记录仪制造技术

本实用新型专利技术涉及水势记录装置技术领域，尤其涉及一种太阳能供电的土壤水势智能记录仪，它包括：水势测量终端机和土壤水势变送器；所述的土壤水势测量终端机包括：ARM数据处理核心单元、电源管理单元、通信单元以及土壤水势测量单元；所述的土壤水势变送器包括：张力计管和负压传感器，其中张力计管包括管体及陶瓷头。所述的水势测量终端机使用防水塑料外壳。与传统由人工手动测量与记录土壤水势的方式相比，能够大幅度提高工作人员的工作效率，大幅减少劳动强度，并且能适应农业物联网环境下的智能化数据采集。

Soil Water Potential Intelligent Recorder with Solar Power Supply

【技术实现步骤摘要】
太阳能供电的土壤水势智能记录仪
本技术涉及水势记录装置
，尤其涉及一种太阳能供电的土壤水势智能记录仪。
技术介绍
农作物的科学灌溉与土壤的干旱程度密不可分，而判断土壤干旱程度的唯一指标是土壤水势。由于土壤的含水量不直接反应土壤的干旱程度，以往的灌溉控制系统使用土壤含水量代替土壤水势，在不同土壤中，同一含水量可能会形成完全不同的水势，因此使用土壤含水量代替土壤水势几乎没有应用价值。这种以土壤含水量为基础的研究工作与实际应用相脱节，不仅无法达到良好的农作物灌溉效果，同时对人力、物力以及水资源的一种极大浪费。而解决这个问题唯一的方法则是对土壤水势进行直接、精确的测量，以土壤水势为基础，进行植物和水分关系的研究，建立在土壤水势基础上的研究成果与土壤性质的相关性被削弱，从而具有了普遍性，为大规模应用创造了可能，同时也为节水灌溉、智能化农业信息采集提供了有力支撑。同时可以配合智能灌溉系统，不仅可以实现农作物的精确灌溉控制，同时也极大地节约了水资源、人力资源。设施农业是发达地区现代农业的重要标志，是天津沿海都市型农业的支柱产业和农民增收的主要途径，在农业及农村经济发展中的地位和作用越来越重要。随着农业物联网技术的发展，使得设施农业能够实现集中管理，整体监控。在设施农业生产过程中，植物的生长对于水的依赖在其整个生育期内都是毋庸置疑的。传统的大水漫灌或者是不当的灌水制度，将会导致植物发病率大大提高，生长受限，甚至死亡。所以，测量土壤水势是实现节水灌溉的关键技术，土壤水势测量智能数据采集终端可以离线对土壤水势进行测量与记录发送，不仅可以提供土壤水势的数据记录，配合智能灌溉系统更可以为农作物提供更加科学有效的灌溉。目前，传统的灌溉方式大多通过农民田间经验，甚至是大水漫灌的方式，耗时费力，针对性差，并且容易导致植物跟层无机氮的淋失，增加作物养分的流失，给植物和土壤都会带来了不可估量的损失；采用传统的灌溉方式也无法适应在农业物联网环境下实现的温室远程数据采集等相关工作。
技术实现思路
本技术的主要目的就是针对上述问题，提供一种太阳能供电的土壤水势智能记录仪。本技术为实现上述目的，采用以下技术方案：一种太阳能供电的土壤水势智能记录仪，其特征在于：包括土壤水势信息采集终端机、太阳能电池板、负压传感器以及张力计管；所述土壤水势信息采集终端机包括外壳、电路板以及安装在电路板上的ARM数据处理核心单元、通信单元、电源管理单元、土壤水势信号调理单元和数据储存单元；所述负压传感器将张力计管的真空度转换为电流信号，所述电流信号经由所述土壤水势信号调理单元转换为电压信号并送入所述ARM数据处理核心单元进行模数转换，通过对电压量的采集，实现对土壤水势的检测；所述的电源管理单元包括三部分组成，分别为：a.太阳能供电及电池保护电路，采用额定电压5V、额定电流1A的单晶硅太阳能电池板，采用线性充电管理芯片TP4056管理锂离子电池充电过程，采用锂电池保护电路DW01配合N沟道增强型MOSFET8205实现了锂电池的过充、过放保护进一步保护锂电池；b.锂离子电池电压测量电路：采用TI公司的低压差稳压芯片TPS7333保证系统供电，并经由两个10K电阻分压与STM32微控制器引脚连接测量当前电压值；c.负压传感器升压及保护电路：选用PT1301转换器进行升压以获得稳定的5V电源，在PT1301升压电路的输入端通过P沟道MOS管进行控制，以减少在系统休眠时的传感器耗电。优选地，所述外壳包括壳体、底板以及固定在壳体两侧的悬挂安装孔，所述电路板通过固定在所述壳体内，壳体通过不锈钢螺丝与安装底板连接，安装底板上方设置有天线安装孔、下部设有电源线固定孔、土壤水势传感器引线孔、RS-485通讯总线引线孔。优选地，所述的壳体与安装底板之间通过密封胶圈进行壳体密封；电源线固定孔、土壤水势传感器引线孔、RS-485通讯总线引线孔分别有防水盖帽，保证壳体的防水性。优选地，所述ARM数据处理核心单元由STM32F103RCT6控制芯片及其外围电路构成，采用停机模式实现暂停系统运行，并通过RTC时钟中断唤醒休眠，实现系统的低功耗设计。优选地，所述的通信单元包括无线传输模块和RS-485通讯总线模块，系统选用具有SX1212芯片的APC240作为无线传输模块，其可以通过无线接收唤醒自身，随后通过EXTI中断唤醒MCU，实现查询式响应，在实现远程唤醒功能的基础上保证了整机的低功耗。优选地，所述的土壤水势信号调理单元，采用CPU内部集成了16通道12位ADC，以满足负压力计的采样需求，设定系统从休眠状态唤醒时，开启升压电路后需要等待约0.8s后以确保读数的准确性，之后，根据统计估值理论和区间估值理论启动粗大误差的判别算法，以消除采样中的粗大误差。优选地，所述数据储存单元采用TF卡和Flash相结合的方式对测量数据和设备电压、充放电等状态数据进行记录，将TF卡与FLASH进行SPI总线复用以节约系统资源，Flash存储芯片选用W25Q64非易失性存储器用于存放字库等外部文件，mmc_SD模块作为系统的底层硬件驱动，嵌入FatFS小型系统，实现数据的便捷读取与处理。本技术的有益效果是:(1)本技术能够对土壤水势数据进行自动记录、存储和下载，能够实现太阳能与锂电池互补供能，能够有效减少土质、温度、高盐等因素给传感器带来的影响，同时能够避免人工读数产生的人工误差以及数据记录的松散性，系统采用高精度A/D转换及粗差剔除算法提高了测量精度和准确度，并且能适应农业物联网环境下的智能化数据采集。(2)本技术将土壤水势的实时测量数据发送至上位机，同时将数据写入TF卡备份，不仅可以实现全部数据的汇总储存以提供土壤水势-灌溉之间的关系，同时在线数据发送更为节水灌溉提供了指导依据。同时其作为设施农业物联网采集终端设备，是设施农业物联网的核心。(3)本技术由于选用了功能、价格比较高的芯片，具备了价格低廉的优点；同时该设计整个设备具有低功耗、体积小、功能强、操作简单、测量精确、方便校正等特点。附图说明图1是基于土壤水势测量的智能数据采集终端的主体示意图；图2是基于土壤水势测量的智能数据采集终端主机的外壳的结构示意图；图3是基于土壤水势测量的智能数据采集终端主机的安装底板结构示意图；图4是基于土壤水势测量的智能数据采集终端主机的系统组成结构示意图。具体实施方式下面结合附图及较佳实施例详细说明本技术的具体实施方式。实施例1一种太阳能供电的土壤水势智能记录仪，包括土壤水势信息采集终端机、太阳能电池板3、负压传感器4以及张力计管5；所述土壤水势信息采集终端机包括外壳1、电路板2以及安装在电路板2上的的ARM数据处理核心单元20、通信单元21、电源管理单元22、土壤水势信号调理单元23以及数据储存单元24。所述的ARM主控制器采用32位的ARM低功耗微处理器STM32F103RCT6，具有25KbyteFlash、48KbyteRAM，工作频率可达72MHz，能够满足该控制器监测与数据处理的需求。该处理器具有5个异步串行接口，能够同时连接无线传输模块、RS-485总线通讯模块，同时内部集成模数转换电路，可以将模拟电压量直接转换为内部数字量，还可以通过SPI总线扩展TF卡用本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种太阳能供电的土壤水势智能记录仪，其特征在于：包括土壤水势信息采集终端机、太阳能电池板、负压传感器以及张力计管；所述土壤水势信息采集终端机包括外壳、电路板以及安装在电路板上的ARM数据处理核心单元、通信单元、电源管理单元、土壤水势信号调理单元和数据储存单元；所述负压传感器将张力计管的真空度转换为电流信号，所述电流信号经由所述土壤水势信号调理单元转换为电压信号并送入所述ARM数据处理核心单元进行模数转换，通过对电压量的采集，实现对土壤水势的检测；所述的电源管理单元包括三部分组成，分别为：a.太阳能供电及电池保护电路，采用额定电压5V、额定电流1A的单晶硅太阳能电池板，采用线性充电管理芯片TP4056管理锂离子电池充电过程，采用锂电池保护电路DW01配合N沟道增强型MOSFET8205实现了锂电池的过充、过放保护进一步保护锂电池；b.锂离子电池电压测量电路：采用TI公司的低压差稳压芯片TPS7333保证系统供电，并经由两个10K电阻分压与STM32微控制器引脚连接测量当前电压值；c.负压传感器升压及保护电路：选用PT1301转换器进行升压以获得稳定的5V电源，在PT1301升压电路的输入端通过P沟道MOS管进行控制，以减少在系统休眠时的传感器耗电；所述外壳包括壳体、底板以及固定在壳体两侧的悬挂安装孔，所述电路板通过固定在所述壳体内，壳体通过不锈钢螺丝与安装底板连接，安装底板上方设置有天线安装孔、下部设有电源线固定孔、土壤水势传感器引线孔、RS‑485通讯总线引线孔；所述的壳体与安装底板之间通过密封胶圈进行壳体密封；电源线固定孔、土壤水势传感器引线孔、RS‑485通讯总线引线孔分别有防水盖帽，保证壳体的防水性。...

【技术特征摘要】
1.一种太阳能供电的土壤水势智能记录仪，其特征在于：包括土壤水势信息采集终端机、太阳能电池板、负压传感器以及张力计管；所述土壤水势信息采集终端机包括外壳、电路板以及安装在电路板上的ARM数据处理核心单元、通信单元、电源管理单元、土壤水势信号调理单元和数据储存单元；所述负压传感器将张力计管的真空度转换为电流信号，所述电流信号经由所述土壤水势信号调理单元转换为电压信号并送入所述ARM数据处理核心单元进行模数转换，通过对电压量的采集，实现对土壤水势的检测；所述的电源管理单元包括三部分组成，分别为：a.太阳能供电及电池保护电路，采用额定电压5V、额定电流1A的单晶硅太阳能电池板，采用线性充电管理芯片TP4056管理锂离子电池充电过程，采用锂电池保护电路DW01配合N沟道增强型MOSFET8205实现了锂电池的过充、过放保护进一步保护锂电池；b.锂离子电池电压测量电路：采用TI公司的低压差稳压芯片TPS7333保证系统供电，并经由两个10K电阻分压与STM32微控制器引脚连接测量当前电压值；c.负压传感器升压及保护电路：选用PT1301转换器进行升压以获得稳定的5V电源，在PT1301升压电路的输入端通过P沟道MOS管进行控制，以减少在系统休眠时的传感器耗电；所述外壳包括壳体、底板以及固定在壳体两侧的悬挂安装...

【专利技术属性】
技术研发人员：钱春阳，王建春，李凤菊，孙海波，杜彦芳，王浩，刘伟，宋治文，孙想，
申请(专利权)人：天津市农业科学院信息研究所，
类型：新型
国别省市：天津,12