一种基于电磁波信号的土壤水分信息感知系统
阅读说明：本技术 一种基于电磁波信号的土壤水分信息感知系统 (Soil moisture information sensing system based on electromagnetic wave signals ) 是由 胡必玲 仝钰 谢飞 陈澳迎 吴玉杰 于驰 于 2021-06-29 设计创作，主要内容包括：本发明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。(The invention relates to the technical field of agricultural soil sampling, in particular to a soil moisture information sensing system based on electromagnetic wave signals, which comprises: the device comprises an electromagnetic wave signal transmitter, a plurality of electromagnetic wave signal receiving antennas and an upper computer; the electromagnetic wave signal receiving antenna is connected with an upper computer; the working steps of the system are S1, the electromagnetic wave signal emitter emits a data packet; s2, receiving the signals by the electromagnetic wave signal receiving antenna array in the soil and sending the signals to the upper computer; and S3, processing the data by the upper computer to obtain soil moisture information. The invention has the beneficial effects that: the high cost of commercial soil moisture sensors limits the use of soil sensing technology and precision irrigation technology in most developing regions and small and medium-sized farms, and the soil information sensing system provided by the invention provides a lower-cost choice for the small and medium-sized farms, and makes a step in the aspect of enabling small farmers to adopt data-driven agricultural technology.)
技术领域
本发明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。
背景技术
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。
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。
发明内容
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，本发明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：
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
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。
具体地说，所述上位机支持MIMO技术。
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。
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。
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。
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。
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。
具体地说，所述步骤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-土壤信号传播模型；
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；
S35、将表观介电常数转换为土壤湿度。
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＝ tl,m-tl,n；
其中tl,m为第m根天线路径l的绝对到达时间，tl,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。
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；
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；
由上式可得
电磁波信号在土壤中的传播速度为折射系数
由ΔT＝Δl/c，计算∈a的值；
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。
本发明的有益效果在于：
(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，本发明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。
(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。
(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。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，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它的附图。
图1为本发明机构示意图；
图2为本发明工作步骤流程图；
图3为空气-土壤信号传播模型示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地说明，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1、图2所示，本发明公开了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。
所述上位机支持MIMO技术。
所述电磁波信号接收天线阵列设置在待测土壤中。
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。
所述电磁波接收天线沿直线排列成接收天线阵列。
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。
所述电缆为SMA电缆。
所述电磁波信号发射器发射的电磁波的频率为2.4GHZ
所述步骤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-土壤信号传播模型；
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；
S35、将表观介电常数转换为土壤湿度。
步骤S32具体为：相邻天线上的最短路径的相对TOF为ΔT＝tl,m-tl,n；
其中tl,m为第m根天线路径l的绝对到达时间，tl,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。
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
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；
由上式可得
电磁波信号在土壤中的传播速度为折射系数
由ΔT＝Δl/c，计算∈a的值；
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。
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信号接收器组成电磁波信号接收天线阵列，WIFI信号接收器等距离排列，三个WIFI信号接收器分别设置在距离地面4.5cm，9cm，13.5cm的土壤中，天线阵列与水平面的夹角为 88度，发送端和接收端同步为例：
基于收集到的CSI数据，即三根天线在不同频率f子载波下获得的CSI矩阵，使用MUSIC算法获取每根天线每条路径不同频率子载波下信号的绝对到达时间ToF。定义信号在第m根天线路径上的绝对到达时间为tl,m，其中路径l为第m根天线上信号传播最短的路径，由于发送端和接收端时间同步，所以具有最低绝对到达时间的路径即为最短路径。计算两相邻天线上最短路径的相对 ToF为ΔT＝tl,m-tl,n
如下图3所示，基于空气-土壤信号传播模型，其中d为天线阵列上天线之间的距离，θ1为入射角，θ2为折射角，θ3为天线阵列的入射角，θ4为天线阵列的旋转角度。利用几何学和斯涅尔折射定律，建立相对ToF和土壤介电常数之间的关系，并计算出土壤的表观介电常数。具体如下：
两相邻天线的路径差由三部分组成，Δl1，Δl2，Δl3。定义信号在空气中的传播速度为c，土壤的表观介电常数为∈a，则信号在土壤中的传播速度为定义折射系数
信号在两相邻天线上的到达时间差Δl可表示为Δl＝Δl1- nΔl2+nΔl3。
由几何知识和斯涅尔折射定律，可推演出
由ΔT＝Δl/c，且在实验部署时θ1＝0，d固定为4.5cm，θ4固定为88°，则可推导出∈a。
基于GS3传感器手册中的模型将表观介电常数转换为土壤湿度值。
vwc定义为土壤所含水分。
尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
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