[发明专利]一种新型时域反射式土壤测量装置和方法

说明书

本发明是关于一种新型时域反射式土壤测量装置和方法。该装置包括：信号控制和处理系统、电源模块和探针；信号控制和处理系统包括Wi‑Fi芯片组、环形器和微控制器，Wi‑Fi芯片组包括第一Wi‑Fi芯片和第二Wi‑Fi芯片，第一Wi‑Fi芯片和第二Wi‑Fi芯片分别与微控制器连接，还分别通过环形器与探针连接。本发明提供的方案，通过在传统TDR技术的基础上，区别于传统TDR设备，创新采用2个Wi‑Fi芯片分别作为高频信号的信号发射源和信号接收器，可通过测量信号在土壤介质中传播的相关参数，从而同时实现土壤含水率和电导的测量，提高了测量准确率并且大大降低了成本和实现难度。

技术领域

本发明属于土壤测量领域，尤其涉及一种基于Wi-Fi芯片组的创新型时域反射式土壤水分和电导率测量的装置和方法。

背景技术

土壤水分作为农作物生长所需水分的主要供给来源，对农作物生长有着重要的作用。土壤中水分过少会导致土壤硬化，不利于作物对水分和养分的吸收，影响作物生长。土壤水分过多会影响作物根系活力，同样不利于作物生长，并且有可能导致肥料流失造成污染。作物在吸收水分的同时从土壤中吸收营养物质如无机盐等。而土壤的电导率可以反映一定水分条件下土壤盐分的实际情况，影响到土壤养分的转化、存在状态的有效性，限制微生物活性的阈值以及作物根系的盐分吸收。故测量土壤含水率和土壤电导率不仅能够有效进行灌溉控制，提高灌溉效率，节约农业用水，同时能够通过对农作物的需求规律，提供精准的施肥管理，合理指导农作物生长。

随着农业节水技术推广和应用，在生产过程中越来越需要实时、快速、低成本地检测土壤水分和电导率，以确保对农作物适时、适量的灌溉和施肥。虽然现在已经发展了许多的检测方法和技术手段，如水分检测的称重烘干法、土壤电阻率传感器、张力计、中子仪等，测量土壤电导率常用的电极法，但是这些技术方法通常只能测量单一参数，不能同时实现土壤水分和电导率的测量。

现阶段，时域反射(Time Domain Reflectance，TDR)技术基于能够实时、快速、准确、无污染地测量土壤水分和电导率，并且受土壤类型影响小，具有可以同时实现土壤含水率了和电导率的测量的优势，使其越来越收到重视。然而，现有的TDR设备要求能够产生一个具有极小上升沿(200ps)的阶跃电压信号，然后通过高速采样示波器获取整个TDR波形，其涉及到快速阶跃信号发生器、超高速的AD转换器和高精高分辨率的时间基准，从而导致技术实现难度大，应用成本高，故而限制了其推广使用。

发明内容

本发明目的在于提供了一种基于Wi-Fi芯片组的新型TDR式土壤水分和电导率测量的装置和方法，以解决传统TDR式设备技术实现难度大、成本高的问题，并且实现了土壤含水率和电导率多参数同时测量的技术难题。为解决上述技术问题，本发明的具体技术方案如下：

根据本发明实施例的第一方面，提供一种新型时域反射式土壤测量装置，包括：信号控制和处理系统、电源模块和探针；

所述信号控制和处理系统包括Wi-Fi芯片组、环形器和微控制器，所述Wi-Fi芯片组包括第一Wi-Fi芯片和第二Wi-Fi芯片，所述第一Wi-Fi芯片和第二Wi-Fi芯片分别与所述微控制器连接，还分别通过所述环形器与所述探针连接；

所述第一Wi-Fi芯片用于发射高频的源信号，所述第二Wi-Fi芯片用于接收反射回的信号，并将信号传输至微控制器进行处理，得到土壤测量结果，所述电源模块为所述信号控制和处理系统提供电力。

进一步，所述环形器通过同轴电缆与所述探针连接。

进一步，所述探针的形状采用多排直线型针式、回旋针式或线圈式。

根据本发明实施例的第二方面，提供一种基于上述装置的新型时域反射式土壤测量方法，包括：

记录发射源信号的初始时间t₀、所述源信号在探针首端反射后被接收时的第一接收时间t₁和经由探针末端反射后被接收时的第二接收时间t₂；