一种基于电磁波信号的土壤水分信息感知系统技术方案

本发明专利技术涉及农业土壤采样技术领域，特别涉及一种基于电磁波信号的土壤水分信息感知系统，包括：电磁波信号发射器、若干个电磁波信号接收天线、上位机；所述电磁波信号接收天线与上位机连接；所述系统的工作步骤为S1、电磁波信号发射器发射数据包；S2、土壤中的电磁波信号接收天线阵列接收信号并发送到上位机中；S3、上位机对数据进行处理后得到土壤水分信息。本发明专利技术的有益效果在于：商用土壤湿度传感器的高成本限制了土壤感知技术的和精准灌溉技术在大部分发展中地区和中小农场中的使用，本发明专利技术提出的土壤信息感知系统为他们提供了一种更加低成本的选择，在让小农户采用数据驱动的农业技术方面迈出了一步。动的农业技术方面迈出了一步。动的农业技术方面迈出了一步。

【技术实现步骤摘要】
一种基于电磁波信号的土壤水分信息感知系统


[0001]本专利技术涉及农业土壤采样
，特别涉及一种基于电磁波信号的土壤水分信息感知系统。

技术介绍

[0002]目前，国内外对基于无线信号的土壤感知技术主要分为两类：利用射频进行土壤感知；利用传感器网络进行土壤信息采集。
[0003]在利用射频进行土壤感知领域，射频感知技术可分为两类，一为遥感技术，二为基于ToF的技术。在过去的二十年中，遥感技术已被证明是成功的估算土壤湿度的方法，该方法根据土壤表面辐射系数估算土壤介电性质，从而估算土壤湿度。各种低频(X、C和L波段)通常用于检测裸露或植被土壤表面的水分含量。搭载在各种卫星上的C波段和X波段传感器(如AMSR
‑
E、ASCAT、 RADARSAT、WindSAT)已显示出用于全球表面(皮肤)湿度测量的潜力。几个基于卫星的L波段辐射仪和雷达包括SMOS、水瓶座海洋盐度和SMAP和1.26GHz 仪器被放置在轨道上在过去的几年中全球监测近地表土壤湿度及海洋盐度(0
‑
5 厘米)。遥感技术利用土壤反射率对土壤湿度的依赖性来感知土壤湿度。但这些方法的空间分辨率较低，从1m到10km，只能探测到深度为几厘米的土壤浅表面的湿度。基于ToF的技术，如探地雷达和TDR。利用探地雷达测量土壤湿度主要分为四种方法：利用反射波速度测定土壤湿度；利用地面波速测定土壤含水量；由钻孔间透射波速确定土壤含水量；根据地表反射系数确定土壤含水量。时域反射法(TDR)是由Davis和Chudobiak(1975)开发的一种非破坏性的测量土壤水分含量的方法。它是基于费尔纳
‑
菲尔德格(1969)提出的方法。时域反射法(TDR)的使我们能够在对土壤干扰最小的情况下，用单探针同时获得土壤含水量和电导率。两种方法都可以提供良好的空间分辨率，但这些方法依赖于专门的超宽带系统来获得准确的ToF估计，因此非常昂贵。地下传感器网络通常由地下土壤探针和无线通信节点组成，其中无线信号负责通信，而不是传感。土壤探针通常是商用的土壤传感器，其高成本限制了传感器网络的规模。然而，考虑到准确性和性能，低成本的土壤探针又不是理想的选择。

技术实现思路

[0004]为了解决设计昂贵的专门的土壤探测器会增加成本的问题，本专利技术提供了一种基于电磁波信号的土壤水分信息感知系统，具体方案下：
[0005]一种基于电磁波信号的土壤水分信息感知系统，包括电磁波信号发射器、电磁波信号接收天线阵列、上位机；所述电磁波信号接收天线阵列与上位机连接；系统的工作步骤为
[0006]S1、电磁波信号发射器发射电磁波信号；
[0007]S2、电磁波信号接收天线阵列接收信号并发送到上位机中；
[0008]S3、上位机对数据进行处理后得到土壤水分信息。
[0009]具体地说，所述上位机支持MIMO技术。
[0010]具体地说，所述电磁波信号接收天线阵列设置在待测土壤中。
[0011]具体地说，还包括密封盒；所述电磁波信号接收天线阵列安装在密封盒内。
[0012]具体地说，所述电磁波信号接收天线阵列包括若干个电磁波信号接收天线，所述电磁波接收天线沿直线等距离排列成接收天线阵列。
[0013]具体地说，所述若干个电磁波接收天线通过相同长度的电缆与上位机连接。
[0014]具体地说，所述电磁波信号发射器发射的电磁波的频率范围为2400MHz～ 2483.5MHz。
[0015]具体地说，所述步骤S3具体为：
[0016]S31、上位机获取电磁波信号接收天线阵列中各个天线的信道状态信息；
[0017]S32、基于MUSIC算法获取多径信道中的最短路径，并计算相邻天线的相对TOF；
[0018]S33、建立空气
‑
土壤信号传播模型；
[0019]S34、根据相对TOF和空气
‑
土壤信号传播模型计算土壤表观介电常数；
[0020]S35、将表观介电常数转换为土壤湿度。
[0021]具体地说，步骤S32具体为：相邻天线上的最短路径的相对TOF为ΔT＝ t
l,m
‑
t
l,n
；
[0022]其中t
l,m
为第m根天线路径l的绝对到达时间，t
l,n
为第n根天线路径l的绝对到达时间，其中路径l为各天线上信号传播最短的路径。
[0023]具体地说，步骤S34具体为：在空气
‑
土壤界面中，电磁波信号从空气进入土壤的入射角为θ1，折射角为θ2；电磁波信号从土壤进入接收天线的入射角为θ3；天线阵列的倾斜角为θ4；
[0024]电磁波信号在两个相邻接收天线上的到达时间差Δt＝Δl1‑
nΔl2+nΔl3；
[0025]由上式可得
[0026]电磁波信号在土壤中的传播速度为折射系数
[0027]由ΔT＝Δl/c，计算∈
a
的值；
[0028]在空气
‑
土壤界面中，电磁波信号从空气进入土壤的入射角为θ1，折射角为θ2；电磁波信号从土壤进入接收天线的入射角为θ3；天线阵列与水平面的夹角为θ4；电磁波在空气中的传播速度为c，土壤的表观介电常数为∈
a
，Δl1、Δl2、Δl3分别为相邻接收天线接收的电磁波信号进入土壤时的路径差、土壤折射后的路径差、进入接收天线的路径差。
[0029]本专利技术的有益效果在于：
[0030](1)商用土壤湿度传感器高成本限制了土壤感知技术的和精准灌溉技术在大部分发展中地区和中小农场中的使用，本专利技术提出的土壤信息感知系统为他们提供了一种更加低成本的选择，在让小农户采用数据驱动的农业技术方面迈出了一步。
[0031](2)通过使用2400MHz～2483.5MHz的免牌照电磁波发射频率可以降低系统的成本。
[0032](3)通过将电磁波信号接收天线等距离沿直线排列方便后序的计算。
[0059]电磁波信号在两个相邻接收天线上的到达时间差Δt＝Δl1‑
nΔl2+nΔl3；
[0060]由上式可得
[0061]电磁波信号在土壤中的传播速度为折射系数
[0062]由ΔT＝Δl/c，计算∈
a
的值；
[0063]在空气
‑
土壤界面中，电磁波信号从空气进入土壤的入射角为θ1，折射角为θ2；电磁波信号从土壤进入接收天线的入射角为θ3；天线阵列与水平方面的夹角为θ4；空气中的传播速度为c，土壤的表观介电常数为∈
a
，Δl1、Δl2、Δl3分别为相邻接收天线接收的电磁波信号进入土壤时的路径差、土壤折射后的路径差、进入接收天线的路径差。
[0064]以上位机为具有MIMO功能的计算机、电磁波信号发射器为WIFI信号发射器发射频率为2.4GHZ带宽为70MHZ，采用三个WIFI信号接收本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于电磁波信号的土壤水分信息感知系统，其特征在于，包括电磁波信号发射器、电磁波信号接收天线阵列、上位机；所述电磁波信号接收天线阵列与上位机连接；系统的工作步骤为S1、电磁波信号发射器发射电磁波信号；S2、电磁波信号接收天线阵列接收信号并发送到上位机中；S3、上位机对数据进行处理后得到土壤水分信息。2.根据权利要求1所述的一种基于电磁波信号的土壤水分信息感知系统，其特征在于，所述上位机支持MIMO技术。3.根据权利要求1所述的一种基于电磁波信号的土壤水分信息感知系统，其特征在于，所述电磁波信号接收天线阵列设置在待测土壤中。4.根据权利要求1所述的一种基于电磁波信号的土壤水分信息感知系统，其特征在于，还包括密封盒；所述电磁波信号接收天线阵列安装在密封盒内。5.根据权利要求1所述的一种基于电磁波信号的土壤水分信息感知系统，其特征在于，所述电磁波信号接收天线阵列包括若干个电磁波信号接收天线，所述电磁波接收天线沿直线等距离排列成接收天线阵列。6.根据权利要求5所述的一种基于电磁波信号的土壤水分信息感知系统，其特征在于，所述若干个电磁波接收天线通过相同长度的电缆与上位机连接。7.根据权利要求1所述的一种基于电磁波信号的土壤水分信息感知系统，其特征在于，所述电磁波信号发射器发射的电磁波的频率范围为2400MHz～2483.5MHz。8.根据权利要求1所述的一种基于电磁波信号的土壤水分信息感知系统，其特征在于，步骤S3具体为：S31、上位机获取电磁波信号接收天线阵列中各个天线的信道状态信息；S32、基于MUSIC算法获取多径信道中的最短路径，并计算相邻天线的相对TOF；S33、建立空气
‑
土...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡必玲，仝钰，谢飞，陈澳迎，吴玉杰，于驰，
申请(专利权)人：合肥师范学院，
类型：发明
国别省市：