土壤墒情检测装置及检测方法
阅读说明：本技术 土壤墒情检测装置及检测方法 (Soil moisture content detection device and detection method ) 是由 丁卫东 于 2021-09-23 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种土壤墒情检测装置及检测方法,属于土壤墒情检测技术领域,包括电源模块、测量电极、标准电容、基准电极以及采集模块；电源模块通过充电按钮串联连接有继电器,所述继电器的两个输出端分别连接所述测量电极和所述基准电极；所述标准电容连接在所述基准电极和所述测量电极之间,所述采集模块的两端分别连接所述测量电极和所述基准电极。本发明电极放电电阻参数含有丰富的信息,为土壤特征提供了准确的信息；在测量电极位置保持不变的情形下,电极的放电电阻可表征所在土壤的墒情,实现了土壤墒情的准确定量；测量电极直接打入土壤,简单、可靠,测量的是电极周围土壤的整体特性,所反映的土壤湿度更准确、更有代表。(The invention provides a soil moisture content detection device and a detection method, which belong to the technical field of soil moisture content detection and comprise a power module, a measuring electrode, a standard capacitor, a reference electrode and an acquisition module; the power supply module is connected with a relay in series through a charging button, and two output ends of the relay are respectively connected with the measuring electrode and the reference electrode; the standard capacitor is connected between the reference electrode and the measuring electrode, and two ends of the acquisition module are respectively connected with the measuring electrode and the reference electrode. The electrode discharge resistance parameters of the invention contain rich information, and provide accurate information for soil characteristics; under the condition that the position of the measuring electrode is kept unchanged, the discharge resistance of the electrode can represent the soil moisture content of the soil, so that the soil moisture content can be accurately quantified; the measuring electrode is directly driven into soil, the method is simple and reliable, the overall characteristics of the soil around the electrode are measured, and the reflected soil humidity is more accurate and representative.)
技术领域
本发明涉及土壤墒情检测技术领域，具体涉及一种土壤墒情检测装置及检测方法。
背景技术
在农业领域，土壤墒情一般表征了的土壤的干旱程度，是作物生长的关键指标。目前，测量土壤的干旱程度，一般采用湿度传感器测量法，即将湿度传感器埋于土壤中，测量其相对湿度含量，该方法中，传感器只反映了附着于传感器表面的介质的湿度，反映的是一个点状的湿度，不能代表较大面积的土壤介质的湿度参数，测量的湿度结果存在较大的局限性，测量结果不能更全面准确的反应土壤的湿度，且湿度传感器在土壤中长期使用易腐蚀，严重影响使用寿命，另外，只测量土壤的水含量，也不能正确全面的反映土壤的墒情信息。
发明内容
本发明的目的在于提供一种采取测量电极放电电阻的方法，用电极的放电电阻的阻值直接表征土壤墒情的土壤墒情检测装置及检测方法，以解决上述背景技术中存在的至少一项技术问题。
为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案：
一方面，本发明提供一种土壤墒情检测装置，包括：
电源模块、测量电极、标准电容、基准电极以及采集模块；
所述电源模块通过充电按钮串联连接有继电器，所述继电器的两个输出端分别连接所述测量电极和所述基准电极；所述标准电容连接在所述基准电极和所述测量电极之间，所述采集模块的两端分别连接所述测量电极和所述基准电极；
其中，
所述电源模块，用于为所述测量电极和所述标准电容充电；所述采集模块用于采集所述标准电容和所述测量电极的放电时间。
优选的，所述标准电极和所述测量电极均包括并联的对地电阻和对地电容。
优选的，所述继电器的一个输出端与所述测量电极之间设有第一常开触点，所述继电器的另一输出端与所述基准电极之间设有第二常开触点。
优选的，所述电源模块包括蓄电池。
优选的，所述电源模块还包括光伏发电板，所述光伏发电板用于为所述蓄电池充电。
优选的，所述标准电容采用涤纶电容。
优选的，所述采集模块为录波器或示波器。
优选的，所述采集模块通过通信模块通信连接后台计算机系统。
优选的，所述通信模块为RS485通信网络。
第二方面，本发明提供一种使用如上所述的土壤墒情检测装置的土壤墒情检测方法，包括：
设定一个接地点作为大地零电位基准点；
通过电源模块给标准电容和测量电极充电、放电，利用采集模块记录和测量放电时间，结合所述标准电容的电容量计算测量电极的放电电阻；
其中，
零电位基准点插入金属棒为基准电极，在距离基准电极一定距离的地面插入测量电极；
放电电阻为放电时间与标准电容的电容量的比值。
本发明有益效果：电极放电电阻参数含有丰富的信息，为土壤特征提供了准确的信息；在测量电极位置保持不变的情形下，电极的放电电阻一般只与土壤含水量有关，可表征所在土壤的墒情，实现了土壤墒情的测量准确率；测量电极直接打入土壤，简单、可靠，测量的是电极周围土壤的整体特性，所反映的土壤湿度更准确、更有代表。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，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他的附图。
图1为本发明实施例1所述的土壤墒情检测装置结构图；
图2为本发明实施例2所述的土壤墒情检测装置结构图；
图3为本发明实施例3所述的土壤墒情检测装置使用状态示意图。
具体实施方式
下面详细叙述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。
还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件和/或它们的组。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
在本说明书的描述中，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本说明书的描述中，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。
除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“设置”应做广义理解，例如，可以是固定相连、设置，也可以是可拆卸连接、设置，或一体地连接、设置。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本技术中的具体含义。
为便于理解本发明，下面结合附图以具体实施例对本发明作进一步解释说明，且具体实施例并不构成对本发明实施例的限定。
本领域技术人员应该理解，附图只是实施例的示意图，附图中的部件并不一定是实施本发明所必须的。
实施例1
任何存在正电荷的导体，只要有导电路径，都要向负电荷端泄漏。大地是一个无限导体，任何接地电流都要流向大地。插到土壤里的电极，其电荷放电速度与土壤介质、含水量等密切相关，在介质一定的情况下，电极上的电荷放电速度只与土壤含水量直接相关，而放电速度直接取决于电极的放电电阻，因此，电极的放电电阻可代表土壤的墒情情况。基于此，本发明实施例1提供了一种测量电极向大地放电的放电电阻的电路结构，用测量的放电电阻的阻值来直接表征土壤墒情。
如图1所示，本实施例1提供的用于测量放电电阻的电路结构。该电路结构包括电源模块、充电按钮PB以及继电器J串联连接组成的充电及快速切除电路，还包括与继电器J的两端连接的常开触点J1和J2，J1连接触点U，触点U用于连接测量电极，测量电极由测量电阻R及并联的测量电容C组成，J2连接触点U0，触点U0用于连接基准电极，基准电极由基准电阻R0及并联的基准电容C0组成。J1和J2之间还连接有标准电容Cstd，标准电容并联有采集模块，采集模块用于采集标准电容和测量电阻R的放电时间。
本实施例1中，采集模块使用的是录波器，录波器的正极连接测量电极，负极连接基准电极。充电及快速切除电路可以为标准电容和测量电阻R充电，充电结束后可快速将电源切除，所使用的电源模块为直流电源E，可以是蓄电池，用于为标准电容和测量电阻R充电。
本实施例1中，利用上述的图1所示的电路结构，进行放电电阻的测量的测量原理和过程如下：
首先按下充电按钮PB，继电器J即带电，通过其两个常开触点J1和J2将电源E接通，给测量电极的测量电容C和标准电容Cstd充电。数秒后，充电按钮PB释放，则继电器J失电，两个常开触点同时断开，电源E快速从电路中切除。此时，标准电容Cstd和测量电极的对地电容(即测量电容C)上的电荷将通过放电电阻(即测量电阻R)对地放电，而由于基准电极的对地电容(即基准电容C0)极小且C0上的电荷通过放电电阻(即基准电阻R0)快速释放，因此，基准电极的影响可忽略不计，录波器的负端可以认为是理想中的大地。
录波器测得的放电曲线实际是标准电容Cstd和测量电容C并联后的总电容的放电时间，如果标准电容Cstd容量是测量电极地对电容(即测量电容C)的10倍以上，则测量电极对地电容的影响可忽略不计，因此，录波器记录和测量的放电时间就是标准电容Cstd和测量电极放电电阻的放电时间，根据放电时间等于放电电阻与标准电容的电容量的乘积的关系，便可计算得到一个近似的放电电阻。标准电容的电容量越大，则计算的放电电阻的数值越精确。
实施例2
本实施例2提供了一种土壤墒情检测装置。该土壤墒情检测装置通过测量放电电阻的阻值，来表征土壤墒情。
如图2所示，本实施例2所述的土壤墒情检测装置的电路结构包括：
电源模块以及串联连接的继电器J3、J4，J3的一端连接电源模块的正极，另一端连接触点G1，触点G1用于连接测量电极；J4的一端连接电源模块的正极，另一端连接有标准电容C3，标准电容C3的一端连接触点G0，触点G0用于连接基准电极。C3和J4还并联有两个串联的电阻R5和电阻R6，R5和R6的电阻值不同，采集模块的微处理器MCU的两个引脚分别连接有电阻R7和R8，R7和R8的电阻值相同。微处理器MCU的另外两个引脚分别连接继电器J3和继电器J4，微处理器MCU还连接有数码管显示驱动和键盘控制芯片CH452，还连接有通信模块以将数据通过通信模块传输给后台计算机系统。通信模块使用的是RS485通信网络。
触点G1用于连接测量电极，测量电极包括测量电阻R1以及与其并联的测量电容C1。本实施例2中，采集模块使用的是录波器，也可以使用示波器。微处理器MCU自动接通继电器J3和J4，内部48V电源(即电源模块)给测量电阻R1并联的测量电容C1充电，之后断开J3，标准电容C3上的电荷通过R1放电，同时MCU自动记录和测量高电位电压和低电位电压，实现了电容C3的放电时间的测量，由此，可计算得到测量电阻R1的放电电阻，该放电电阻的值即代表了土壤的导电程度。
本实施例2中，所使用的电阻R5的阻值为100k，所使用的电阻R6的阻值为6.8k，所使用的电阻R7和R8的阻值为1k。
在具体使用中，上述电阻R5、R6、R7和R8的阻值可根据具体情况选择合适的电阻值，保证R5和R6的阻值一个为大、一个为小，且R7和R8的阻值相同即可。
本实施例2中，所使用的标准电容C3为涤纶电容。涤纶电容(PolyesterCapacitor)是指用两片金属箔做电极，夹在极薄绝缘介质中，卷成圆柱形或者扁柱形芯子，介质是涤纶，涤纶薄膜电容，介电常数较高，体积小，容量大，稳定性较好，适宜做旁路电容。
实施例3
如图3所示，本实施例3提供一种土壤墒情检测装置(GMU)，该装置包括一个盒体，盒体内设置有实施例2所述的电路结构，在盒体上设置两个连接触点G3和G4，其中，使用时，G3连接测量电极，测量电极包括测量电阻R3以及与R3并联的测量电容C4，G4连接基准电极，基准电极包括基准电阻R4以及与R4并联的基准电容C5。盒体上还设有CH452接口以及RS485的接口，连接显示模块。该显示模块可以为LED显示器。
本实施例3中，电源模块为放置在盒体内的蓄电池。在具体使用中，可以设置太阳能光伏板作为充电电源为蓄电池充电。
本实施例3中，使用上述的土壤墒情检测装置进行土壤墒情检测时：
设定一个接地点作为大地零电位基准点，将GMU的触点G4连接基准电极，基准电极的基准电阻可以为一根金属棒，将该金属棒插入零电位基准点；然后将另一个电阻连接GMU的触点G3，该电阻作为测量电阻，在距离基准电阻的一定距离处的大地中插入该电阻，该电阻并联有电容C4。打开GMU电源开关，通过电源模块给标准电容和测量电极充电、放电，利用采集模块记录和测量放电时间，结合所述标准电容的电容量计算测量电极的放电电阻，通过LED显示器显示测量电极的放电电阻。
综上所述，本发明实施例所述的土壤墒情检测装置及检测方法，土壤电极放电电阻，物理上表征的是土壤的导电特征，而导电特征又与土壤的多种因素有关，不仅与土壤含水量有关，还与土壤的酸碱度、金属离子、化学离子、介质成分等密切相关，因此，电极放电电阻参数代表的信息十分丰富，可以反映土壤的综合特性。
提出的放电电阻特征对于认识地表的土壤特征提供了准确的信息，具有重要的科学价值。在测量电极位置保持不变的情形下，电极的放电电阻一般只与土壤含水量有关，因此，可代表所在土壤的墒情，实现了墒情可以准确定量，为当前和未来的数字化农业提供了准确的量化标准。测量电极直接打入土壤，简单、可靠，测量的是电极周围土壤的整体特性，而不像湿度传感器一样反映的仅仅是一个点，因此，所反映的土壤湿度更准确、更有代表。可完全替换目前的土壤湿度测量装置，具有巨大的经济效益和社会效益。
以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。
上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域技术人员在不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形，都应涵盖在本发明的保护范围之内。