一种一体化设计的土壤墒情物联网监测系统技术方案

本发明专利技术公开了一种一体化设计的土壤墒情物联网监测系统，包括土壤水分传感器、监测系统的中央控制单元、数据接收及终端显示二维码；结构由上管机盒、中管机盒、下管机盒组成。将模拟传感器、数据采集仪、无线发送电路、太阳能供电及设备二维码等一体化设计，使得传感器在野外田间应用时无需复杂的系统集成、组装、调试及组网测试等过程，轻轻松松地实现即插即用，解决了传统土壤墒情传感器系统集成度低、设备复杂、功耗大、信号衰弱、稳定性差的问题，为智慧农业物联网提供精准可靠的数据源，在节水灌溉、水肥一体化、土壤墒情自动监测领域具有广阔的应用前景。

【技术实现步骤摘要】
一种一体化设计的土壤墒情物联网监测系统
本专利技术涉及物联网
，尤其涉及一种一体化设计的土壤墒情物联网监测系统。
技术介绍
土壤水分信息的精准获取对节水灌溉、水肥一体化、温室大棚自动控制、防汛抗旱以及林业、气象等领域都具有重要意义。随着智慧农业、农业物联网及大数据的发展，土壤水分测量的需求越来越多，推进了土壤水分实时监测新技术的应用发展。目前市场现有的设备技术上存在较多问题：一是田间监测精准度不高；二是稳定性差，每隔一段时间检测电路工作点就会偏移导致误差变大，需要对传感器重新率定；三是我国第一代土壤墒情传感器集成度不高，目前市场上很多土壤墒情监测设备并不是专为物联网设计的传感器，接入物联网还需要集成其它设备，增加了系统的复杂度和功耗，加大了安装与调试的难度，具有技术陈旧、接口不统一、互不兼容、系统集成复杂的问题，对农业生产、野外田间自动监测都是极为不方便的。目前主流技术以插针式传感器为主(如图2所示)，这种传感器稳定性和重复性都较差，传感器需要用长电缆通过RS485/RS232接口与数字采集设备连接，存在功耗大、信号衰耗严重及性能不稳定的缺陷。传感器一般仅能实现模拟信号的获取，需要配置数字采集仪进行数据采集及通讯，如果把测量数据存入PC机还需要上位机与数据采集仪相连。由于连接电缆的束缚导致应用受限且设备复杂，对于多个深度的土壤墒情监测系统需要多个独立的RS485/RS232接口的针式传感器与数字接收集组成一个复杂的系统。多个独立传感器集成对设备输出一致性也较差。此外系统庞大也带来野外监测站的施工安装复杂、安装成本高。如果接入物联网还需另外增加物联网设备，甚至经常因为接口及协议不统一为组网增加了困难。传统的土壤墒情传感器一般是指模拟感知及模拟检测电路，并不包括数据采集仪及无线发送部分及数据显示终端，实际应用时需要再外接数据采集仪和网络发送设备，导致整体功耗大，需要外接大型太阳能板保证电源供应，无法实现一体化设计，增大了安装与调试的难度，引入了极为不便。本专利技术将传统的分立设备组成的大系统(包括多个传感器、数据采集、无线发送及上位机等)高度小型化一体化集成为“一根管子”(如图3所示)，将模拟传感器、数据采集仪、无线发送电路、太阳能供电及设备二维码等一体化设计，使传感器在野外田间应用时无需复杂的系统集成、组装、调试及组网测试等过程，可以轻松地实现即插即用。
技术实现思路
本专利技术旨在解决国内市场上现有的物联网土壤墒情传感器集成度不高、设备复杂、系统功耗大、可靠性差、安装复杂等问题。为此，本专利技术的技术方案具体是这样实现的：本专利技术提供了一种一体化设计的土壤墒情物联网监测系统，包括：土壤水分传感器、监测系统的中央控制单元、数据接收及终端显示二维码；所述土壤墒情物联网监测系统的结构分为三部分：上管机盒、中管机盒及下管机盒；所述上管机盒插槽内固定监测系统的中央控制单元，中央控制单元包括：太阳能光伏板、充电与电源管理电路、数据采集与无线发送电路、环境参数传感器、GPS定位芯片，所述机盒上表面安装有太阳能光伏板，所述机盒上表面有小孔，所述太阳能光伏板的电源线通过所述小孔与所述充电与电源管理电路连接，所述小孔用防水胶堵住；所述中管机盒内固定有土壤水分传感器；所述下管机盒内固定有可充电锂电池；数据线与电源线分别与中管内所述土壤水分传感器和下管内所述可充电锂电池电源线相连，所述上管机盒、所述中管机盒及所述下管机盒采用带有防水密封圈的螺纹口旋紧连接；所述土壤水分传感器是多深度的土壤水分传感器，用于土壤水分数据的感知与信号处理，包括多个感知探头、土壤水分模拟检测电路及单片机；所述感知探头作为所述模拟检测电路的电抗元件接入所述模拟检测电路中，所述探头探测到的土壤水分是通过所述模拟检测电路的输出电压来计算，输出电压直接输入所述单片机中，由所述单片机进行存储、数字放大及A/D转换；所述监测系统的中央控制单元用于将所述土壤水分传感器的数据进行存储、并无线发送数据，其中所述数据采集与无线发送电路包括微处理器主控电路MCU、NB-IoT无线通信模块、NB-IoT模组、射频天线及SIM卡；所述太阳能光伏板、所述充电与电源管理电路及所述可充电锂电池组成太阳能供电模块，用于为所述土壤墒情物联网监测系统供电，所述充电与电源管理电路通过导线与所述太阳能光伏板连接为所述可充电锂电池充电；所述太阳能供电模块与所述土壤水分传感器、所述监测系统的中央控制单元分别连接；所述数据接收及终端显示二维码，系统发送的数据存于云端的数据库，用户的数据接收及终端显示页面的链接地址作为前缀+通信模块ID号通过二维码生成软件生成微信可识别的二维码，将所述二维码打印并贴于所述土壤墒情物联网监测系统机盒的表面，用户通过微信扫码、收藏进入数据展示页面随时查看最新数据。优选地，所述主控电路MCU为所述土壤墒情物联网监测系统的控制中心，MCU数据采集通道1与土壤水分传感器电路连接，MCU数据采集通道2与环境参数传感器连接，MCU数据采集通道3与NB-IoT无线通信模块连接，数据通过所述NB-IoT无线通信模块的射频天线发送至云端服务器的存储器；优选地，所述环境参数传感器包括空气温度传感器、空气湿度传感器、大气压强传感器，所述环境参数传感器进行环境参数感知、采集、处理并存储在所述主控电路MCU中与土壤水分数据打包发送；优选地，所述可充电锂电池为2～3节容量为2000mAh可充电锂电池并联组成容量为4000～6000mAh，供电电压范围为3.6～4.2V，充电电流为300mA；所述充电管理电路对充电过程进行控制：保护所述电池过放电，过压，过充，过温，可以有效保护所述电池寿命和使用者的安全；优选地，所述主控电路MCU负责数据的采集、数据处理及发送的控制，主控器的工作流程如下：(1)初始化感知模块：控制土壤水分传感器、环境参数传感器初始化和数据采集；(2)接收数据：接收土壤水分传感器、环境参数传感器的数据；(3)启动所述NB-IoT无线通信模块，搜索通信网络；(4)数据处理：控制数据传输至所述NB-IoT无线通信模块进行数据处理；(5)数据传输：控制所述NB-IoT无线通信模块传输数据至云端服务器；由上述本专利技术提供的技术方案可以看出，本专利技术提供了一种一体化设计的土壤墒情物联网监测系统，将模拟传感器、数据采集仪、无线发送电路、太阳能供电及设备二维码等一体化设计，使得传感器在野外田间应用时无需复杂的系统集成、组装、调试及组网测试等过程，轻轻松松地实现即插即用，解决了传统土壤墒情传感器系统集成度低、设备复杂、功耗大、信号衰弱、稳定性差的问题，为智慧农业物联网提供精准可靠的数据源，在节水灌溉、水肥一体化、土壤墒情自动监测领域具有广阔的应用前景。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种一体化设计的土壤墒情物联网监测系统，其特征在于，包括土壤水分传感器、监测系统的中央控制单元、数据接收及终端显示二维码；/n所述的土壤墒情物联网监测系统的结构分为三部分：上管机盒、中管机盒及下管机盒；所述的上管机盒插槽内固定监测系统的中央控制单元，所述的中央控制单元包括：太阳能光伏板、充电与电源管理电路、数据采集与无线发送电路、环境参数传感器、定位GPS芯片(GlobalPositioning System)；所述的上管机盒上表面安装有太阳能光伏板，所述的上管机盒上表面有小孔，所述的太阳能光伏板的电源线通过所述的小孔与所述的充电与电源管理电路连接，所述的小孔用防水胶堵住；所述的中管机盒内固定有土壤水分传感器；所述的下管机盒内固定有可充电锂电池；数据线与电源线分别与中管内所述的土壤水分传感器和下管内所述的可充电锂电池电源线相连，所述的上管机盒、所述的中管机盒及所述的下管机盒采用带有防水密封圈的螺纹口旋紧连接；/n所述的土壤水分传感器是多深度的土壤水分传感器，用于土壤水分数据的感知与信号处理，包括多个感知探头、土壤水分模拟检测电路及单片机；所述的感知探头作为所述的模拟检测电路的电抗元件接入所述的模拟检测电路中，所述的探头探测到的土壤水分是通过所述的模拟检测电路的输出电压来计算，输出电压直接输入所述的单片机中，由所述的单片机进行存储、数字放大及模拟数字转换A/D转换(Analog DigitalConverter)；/n所述的监测系统的中央控制单元用于将所述的土壤水分传感器的数据进行存储、并无线发送数据，其中所述的数据采集与无线发送电路包括微处理主控电路MCU(MicroControl Unit)、NB-IoT(Narrow Band Internet of Things)无线通信模块、NB-IoT模组、射频天线及SIM卡(Subscriber Identity Module)；/n所述的太阳能光伏板、所述的充电与电源管理电路及所述的可充电锂电池组成太阳能供电模块，用于为所述的土壤墒情物联网监测系统供电，所述的充电与电源管理电路通过导线与所述的太阳能光伏板连接为所述的可充电锂电池充电；所述的太阳能供电模块与所述的土壤水分传感器、所述的监测系统的中央控制单元分别连接；/n所述的数据接收及终端显示二维码，系统发送的数据存于云端的数据库，用户的数据接收及终端显示页面的链接地址作为前缀+通信模块ID号通过二维码生成软件生成微信可识别的二维码，将所述的二维码打印并贴于所述的土壤墒情物联网监测系统机盒的表面，用户通过微信扫码、收藏进入数据展示页面随时查看最新数据。/n...

【技术特征摘要】
1.一种一体化设计的土壤墒情物联网监测系统，其特征在于，包括土壤水分传感器、监测系统的中央控制单元、数据接收及终端显示二维码；
所述的土壤墒情物联网监测系统的结构分为三部分：上管机盒、中管机盒及下管机盒；所述的上管机盒插槽内固定监测系统的中央控制单元，所述的中央控制单元包括：太阳能光伏板、充电与电源管理电路、数据采集与无线发送电路、环境参数传感器、定位GPS芯片(GlobalPositioningSystem)；所述的上管机盒上表面安装有太阳能光伏板，所述的上管机盒上表面有小孔，所述的太阳能光伏板的电源线通过所述的小孔与所述的充电与电源管理电路连接，所述的小孔用防水胶堵住；所述的中管机盒内固定有土壤水分传感器；所述的下管机盒内固定有可充电锂电池；数据线与电源线分别与中管内所述的土壤水分传感器和下管内所述的可充电锂电池电源线相连，所述的上管机盒、所述的中管机盒及所述的下管机盒采用带有防水密封圈的螺纹口旋紧连接；
所述的土壤水分传感器是多深度的土壤水分传感器，用于土壤水分数据的感知与信号处理，包括多个感知探头、土壤水分模拟检测电路及单片机；所述的感知探头作为所述的模拟检测电路的电抗元件接入所述的模拟检测电路中，所述的探头探测到的土壤水分是通过所述的模拟检测电路的输出电压来计算，输出电压直接输入所述的单片机中，由所述的单片机进行存储、数字放大及模拟数字转换A/D转换(AnalogDigitalConverter)；
所述的监测系统的中央控制单元用于将所述的土壤水分传感器的数据进行存储、并无线发送数据，其中所述的数据采集与无线发送电路包括微处理主控电路MCU(MicroControlUnit)、NB-IoT(NarrowBandInternetofThings)无线通信模块、NB-IoT模组、射频天线及SIM卡(SubscriberIdentityModule)；
所述的太阳能光伏板、所述的充电与电源管理电路及所述的可充电锂电池组成太阳能供电模块，用于为所述的土壤墒情物联网监测系统供电，所述的充电与电源管理电路通过导线与所述的太阳能光伏板连接为所述的可充电锂电池充电；所述的太阳能供电模块与所述的土壤水分传...

【专利技术属性】
技术研发人员：石庆兰，韩虎良，刘晓辰，范家林，石玉娇，龙昱光，凌毅立，
申请(专利权)人：中国农业大学，
类型：发明
国别省市：北京;11