一种多级电极探针、多层土壤墒情感知装置、系统及方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种多级电极探针、多层土壤墒情感知装置、系统及方法，多级电极探针通过对不同深度的电极进行绝缘嵌套实现墒情探测，多层土壤墒情感知装置的壳体上设有多级电极探针、多级温度探针和核心电路系统，感知系统采用LORA构建包括若干终端节点和中继节点的分布式无线网组，采用多级温度探针弥补墒情数据的温度缺失，采用太阳能绿色节能和任务调度的休眠和低功耗方案极大地降低土壤墒情感知检测的成本，感知方法通过无线网组与服务器信息交互、应用去中心化的终端侧边缘计算迭代优化和独立的分布式无线节点组网结构提高土壤墒情的立体化监测和感知精度，适用于特别是大规模农田、丘陵山区及需要连续墒情立体化感知的不同农业生产环境中。不同农业生产环境中。不同农业生产环境中。

【技术实现步骤摘要】
一种多级电极探针、多层土壤墒情感知装置、系统及方法


[0001]本专利技术属于农业传感领域，具体涉及一种多级电极探针、多层土壤墒情感知装置、系统及方法。

技术介绍

[0002]农业传感系统是实现农业信息化与智能化的关键，而土壤墒情的感知是传感系统中较重要的一个环节。现有土壤湿度采集方法运用较多也较成熟的是频域反射FDR法，该方法通过一对探针对土壤湿度进行的测量，根据电磁波在介质中的传播频率来测量土壤的介电常数，从而得到土壤容积含水量，虽具有简便、快速、准确、少标定等优点，但是在大田种植业中，农田地势的高低往往使得土壤墒情在重力空间上分布不均，单层的测量具有较大的误差，多层测量操作难度大，效率低，同时作物种植密度不均使得土壤墒情在水平空间上分布不均，单点的测量具有误差，在不考虑传感网络的情况下，多点测量的操作性同样繁琐和低效。
[0003]对于部署农业传感系统在田间的网络传感节点来说，稳定的电源供应和信号传输，合理的误差管理，低功耗的调度逻辑等，都是农业感知网络部署应用的技术难点，同样解决这些棘手的问题也是当前发展高质量数字智慧农业的突破点。

技术实现思路

[0004]本专利技术旨在至少在一定程度上解决上述技术问题之一，本专利技术提供一种多级电极探针、多层土壤墒情感知装置、系统及方法，通过多级电极探针实现多深度的土壤湿度探测、多级温度探针对多深度的土壤温度探测，采用绿色节能的低功耗方案、独立的分布式节点网络和去中心化的终端侧边缘计算，有利于提高土壤墒情的立体化监测和感知精度、极大降低土壤墒情感知检测的成本。
[0005]本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：
[0006]一种多级电极探针，包括依次交替嵌套的N阶电极和N
‑
1阶绝缘，N阶电极中第i阶电极包括有效电极体和/或电极连通体，N
‑
1阶绝缘中第j阶绝缘包括套设在相邻阶有效电极体之间的电极间绝缘体和套设在相邻阶电极连通体之间的导通绝缘体，N为≥2的整数，i∈N且为整数，j∈N
‑
1且为整数。
[0007]上述多级电极探针，进一步地，N阶电极中第1阶电极的包括电极尖，第i阶电极的有效电极体为实心或空心结构且外径为R、长度为Ln，第i阶电极的电极连通体为实心或空心结构且实心直径≤R/N、空心厚度≤R/2N，第j阶绝缘的电极间绝缘体为空心结构且厚度为Lm，第j阶绝缘的导通绝缘体为空心结构且厚度≤R/2N，多级电极探针总长L＝N*Ln+(N
‑
1)*Lm。
[0008]进一步地，N阶电极和N
‑
1阶绝缘交替嵌套，多级电极探针总长为L，N阶电极中第1阶电极包括相连且实心的第1阶有效电极体和第1阶电极连通体，第1阶有效电极体的直径为R，第1阶有效电极体包括电极尖且长度为Ln，第1阶电极连通体的直径≤R/N；N阶电极中
第i'阶电极包括相连且空心的第i'阶有效电极体和第i'阶电极连通体，第i'阶有效电极体的直径和长度与第1阶有效电极体一致，第i'阶电极连通体的厚度≤R/2N，2≤i'≤N
‑
1，i'为整数；N阶电极中第N阶电极包括空心的第N阶有效电极体，第N阶有效电极体的外径和长度与第1阶有效电极体一致，第N阶有效电极体的厚度≤R/2N。
[0009]第j阶绝缘内设有j阶电极，第j阶绝缘的第j阶电极间绝缘体为空心结构且厚度为Lm、外径与第1阶有效电极体一致、内径与第j阶电极连通体一致，Ln远大于Lm，第j阶绝缘的第j阶导通绝缘体为空心结构且厚度≤R/2N，第j阶导通绝缘体的长度为L
‑
jLn
‑
jLm，第j阶电极连通体的长度为L
‑
j*Ln
‑
(j
‑
1)*Lm，多级电极探针总长L＝N*Ln+(N
‑
1)*Lm，实现相邻阶电极的电气物理隔离，用于同时实现多层土壤墒情测量。
[0010]一种多层土壤墒情感知装置，包括壳体，所述壳体上设有两个如上所述的多级电极探针，壳体内设有核心电路系统，所述核心电路系统包括电源管理模块、传感模块、逻辑计算核心模块、本地存储模块和无线收发模块，所述电源管理模块用于管理供电，所述传感模块用于采集多级电极探针的信号、获取多层土壤墒情数据，所述逻辑计算核心模块用于配置装置运行、基于边缘计算迭代优化当前多层土壤墒情数据，所述本地存储模块用于承担边缘计算的本地存储，所述无线收发模块用于数据收发。
[0011]上述多层土壤墒情感知装置，进一步地，所述壳体上设有多级温度探针，所述多级温度探针内设有若干等高对应各有效电极体的温度传感器，所述传感模块包括温度信号处理电路，所述温度信号处理电路用于采集温度传感器的模拟信号、经过信号滤波和模数转换获取多层土壤温度数据，所述逻辑计算核心模块用于基于边缘计算迭代优化当前多层土壤温度数据。
[0012]上述多层土壤墒情感知装置，进一步地，所述壳体上设有太阳能电池板，所述电源管理模块包括储能单元、电荷泵充电管理单元、DCDC电源管理单元，所述电荷泵充电管理单元用于管理太阳能电池板向储能单元的充电和储能单元的放电，所述DCDC电源管理单元用于按电压等级变换配置储能单元的供电，实现稳定的电源管理与供应。
[0013]上述多层土壤墒情感知装置，进一步地，所述传感器模块包括休眠电路、振荡电路和湿度信号处理电路，所述休眠电路用于控制传感器模块低功耗待机，所述振荡电路用于运用频域反射FDR、在等高的有效电极体之间加入振荡信号，所述湿度信号处理电路用于分析振荡电路的振荡信号衰减、经过信号滤波和模数转换获取多层土壤墒情数据。
[0014]上述多层土壤墒情感知装置，进一步地，所述逻辑计算核心模块包括微控制器和支持系统，所述微控制器用于控制包括被动授时、任务调度、低功耗管理、模拟信号数字化转换、数据计算和数据收发，数据计算用于基于边缘计算、根据上一状态多层土壤数据的修正结果和置信度、修正当前状态的多层土壤数据并更新当前多层土壤数据的置信度。
[0015]进一步地，所述微控制器选用低功耗MCU微控制器，具有在空闲任务下能主动降低主频，关闭部分外设的低功耗的设计。
[0016]进一步地，所述数据计算包括数据预测模型和数据估计模型，数据计算的当前状态计为k，数据计算的上一状态计为k
‑
1；
[0017]所述数据预测模型包括：上式中X(k/k
‑
1)表示利用上一状态预测的当前状态多层土壤数据，X(k
‑
1/k
‑
1)表示上一状态的最优多层
土壤数据，A表示数据预测模型参数，B表示控制量参数，U(k)表示当前状态的控制量，P(k/k
‑
1)表示X(k/k
‑
1)的协方差，P(k
‑
1/k
‑
1)表示X(k
‑
1/k
‑
1)的协方差，A'表示A的转置矩阵，Q是数据计算过程本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种多级电极探针，其特征在于，包括依次交替嵌套的N阶电极和N
‑
1阶绝缘，N阶电极中第i阶电极包括有效电极体和/或电极连通体，N
‑
1阶绝缘中第j阶绝缘包括套设在相邻阶有效电极体之间的电极间绝缘体和套设在相邻阶电极连通体之间的导通绝缘体，N为≥2的整数，i∈N且为整数，j∈N
‑
1且为整数。2.根据权利要求1所述的一种多级电极探针，其特征在于，N阶电极中第1阶电极(11)的包括电极尖(111)，第i阶电极的有效电极体为实心或空心结构且外径为R、长度为Ln，第i阶电极的电极连通体为实心或空心结构且实心直径≤R/N、空心厚度≤R/2N，第j阶绝缘的电极间绝缘体为空心结构且厚度为Lm，第j阶绝缘的导通绝缘体为空心结构且厚度≤R/2N，多级电极探针总长L＝N*Ln+(N
‑
1)*Lm。3.一种多层土壤墒情感知装置，其特征在于，包括壳体(4)，所述壳体(4)上设有两个如权利要求1所述的多级电极探针，壳体(4)内设有核心电路系统，所述核心电路系统包括电源管理模块、传感模块、逻辑计算核心模块、本地存储模块和无线收发模块，所述电源管理模块用于管理供电，所述传感模块用于采集多级电极探针的信号、获取多层土壤墒情数据，所述逻辑计算核心模块用于配置装置运行、基于边缘计算迭代优化当前多层土壤墒情数据，所述本地存储模块用于承担边缘计算的本地存储，所述无线收发模块用于数据收发。4.根据权利要求3所述的一种多层土壤墒情感知装置，其特征在于，所述壳体(4)上设有多级温度探针(3)，所述多级温度探针(3)内设有若干等高对应各有效电极体的温度传感器，所述传感模块包括温度信号处理电路，所述温度信号处理电路用于采集温度传感器的模拟信号、经过信号滤波和模数转换获取多层土壤温度数据，所述逻辑计算核心模块用于基于边缘计算迭代优化当前多层土壤温度数据。5.根据权利要求3所述的一种多层土壤墒情感知装置，其特征在于，所述壳体(4)上设有太阳能电池板(5)，所述电源管理模块包括储能单元、电荷泵充电管理单元、DCDC电源管理单元，所述电荷泵充电管理单元用于管理太阳能电池板(5)向储能单元的充电和储能单元的放电，所述DCDC电源管理单元用于按电压等级变换配置储能单元的供电。6.根据权利要求3所述的一种多层土壤墒情感知装置，其特征在于，所述传感器模块包括休眠电路、振荡电路和湿度信号处理电路，所述休眠电路用于控制传感器模块低功耗待机，所述振荡电路用于运用频域反射FDR、在等高的有效电极体之间加入振荡信号，所述湿度信号处理电路用于分析振...

【专利技术属性】
技术研发人员：李红，姜承昊，汤攀，梁琪，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：