专利名称：一种作物-大气-土壤信息无线采集终端及采集方法
技术领域：
本发明涉及一种作物-大气-土壤信息无线采集终端，尤其涉及农田信息无线采集装置，适用于农田信息长期、大范围、无人值守条件下实时监测，属于农业物联网领域。
背景技术：
在传统作物生产管理过程中，对作物生长状况往往缺乏准确量化认识；或虽对作物生长指标进行定量分析，但需破坏性取样与化学分析，时效性差，常导致生产中普遍过量施肥(特别是氮肥)或肥料施用不足(如部分微量元素)，易造成生产成本上升、环境污染和土地可持续生产能力下降。以氮肥为例，我国氮肥消费量占世界氮肥总量的30%，但氮肥利用效率却十分低下，通常只有30%左右，而国外发达国家如美国普遍达到50飞0%。因此，必须要瞄准世界农业科技前沿，围绕现代农业发展的瓶颈，大力推进农业信息化、智能化技术，集成先进传感器技术和物联网等高新技术，实现农业生产管理过程中对作物、环境、土壤的实时监测，快速获取作物生长状况、生态环境以及水肥状况，为作物生产全程管理提供丰富的实时数据资源与决策支持，促进作物生产管理向数字化和智慧化方向发展。但是现有的技术中，作物生产智慧管理系统的建立受传感器技术、农业工程、作物生长监测和作物栽培管理决策技术的制约，大范围环境下农田作物、环境、土壤信息的协同实时获取技术还不成熟，还存在着监测指标单一，监测点范围小、监测手段繁琐、成本高、施工困难、易受干扰等缺陷与不足，还不能很好地满足实际应用需求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对背景技术中的缺陷，提供一种应用于大范围农田环境下作物-大气-土壤信息无线采集终端，该装置能多跳、协同、自组织无线传感网络，实现野外田间条件下连续、实时、大范围地获取农田生态环境信息。本发明为了解决上述问题采用以下技术方案
一种作物-大气-土壤信息无线采集终端，包括依次相连接的传感器�？�、微处理器�？椤⑽尴咄ㄐ拍？椋约坝糜诠┑绲牡缭茨？椋换拱ㄊ凳笔敝幽？�、电源控制模块；其中所述电源�？榉直鸸┑绺凳笔敝幽？楹偷缭纯刂颇？椋凰龅缭纯刂颇？榉直鹆哟衅髂？�、微处理器�？�、无线通信模块；所述微处理器�？橛胧凳笔敝幽？榈男藕攀淙攵肆樱鍪凳笔敝幽？榈男藕攀涑龆擞氲缭纯刂颇？榱樱坏蔽⒋砥髂？槌晒邮沾衅髂？椴杉男藕藕螅ü刂剖凳笔敝幽？榈穆龀逍藕欧佣刂频缭纯刂颇？榈耐ǘ�。作为本发明的一种作物-大气-土壤信息无线采集终端的进一步优化方案，所述传感器�？榘舾性ピ�、信号调理单元和总线接口单元；其中，所述敏感元件单元包括温湿度传感器、CO2浓度传感器、光强传感器、多光谱作物生长传感器、土壤水分传感器和土壤温度传感器；所述信号调理单元包括作物生长信号调理电路和土壤水分信号调理电路； 其中所述多光谱作物生长传感器通过屏蔽电缆连接作物生长信号调理电路，所述土壤水分传感器通过屏蔽电缆连接土壤水分信号调理电路，所述土壤信息调理电路、作物生长信号调理电路、温湿度传感器、CO2浓度传感器、光强传感器、土壤温度传感器分别连接总线接口单元；所述总线接口单元连接微处理器�？榈氖挚�。作为本发明的一种作物-大气-土壤信息无线采集终端的进一步优化方案，所述作物生长信号调理电路包括电流-电压转换电路、微信号放大电路、滤波电路、增益可调电路、模数转换电路；其中所述电流-电压转换电路的输入端与多光谱作物生长传感器连接，所述电流-电压转换电路的输出端依次串接微信号放大电路、滤波电路、增益可调电路、模数转换电路。作为本发明的一种作物-大气-土壤信息无线采集终端的进一步优化方案，所述土壤水分信号调理电路包括f-V转换电路、电压放大电路、模数转换电路；其中所述f-V转换电路的输入端连接土壤水分传感器，所述f-V转换电路的输出端依次连接电压放大电路、模数转换电路。作为本发明的一种作物-大气-土壤信息无线采集终端的进一步优化方案，所述无线通信�？榈钠刀挝�780MHz。作为本发明的一种作物-大气-土壤信息无线采集终端的进一步优化方案，所述电源控制�？榘ùシ⑵鳌⒌缱幽Ｄ饪�、续流二极管、低压差线性稳压器、去耦二极管；其中所述触发器依次连接电子模拟开关、续流二极管、低压差线性稳压器、去耦二极管。作为本发明的一种作物-大气-土壤信息无线采集终端的进一步优化方案，所述电源�？榘ㄌ裟艹涞绲缏�、过压保护电路、充电保护电路、稳压电路；其中，所述太阳能充电电路依次连接过压保护电路、充电保护电路、稳压电路。本发明还提出一种基于上述作物-大气-土壤信息无线采集终端的采集方法，包括如下步骤
步骤I)，在农田中按需布置若干个作物-大气-土壤信息无线采集终端，当启动每个米集终端电源模块时，由实时时钟模块输出一正窄脉冲信号至电源控制�？椋辉诘缭纯刂颇？橹校谜龀逍藕啪シ⑵鞅４妫缓笄缱幽Ｄ饪兀刂频脱共钕咝晕妊蛊魇鼓埽沟糜氲缭纯刂颇？榱拥奈⒋砥髂？�、传感器模块、无线通信�？榉直鸾油ǖ缭矗徊街�2)，微处理器模块进行初始化包括外部数字口初始化、传感器模块采集时序初始化、通信协议初始化、扫描信道初始化；
步骤3)，各采集终端通过无线通信�？榍肭蠹尤胱宰橹纾⒌却缁憔劢诘阆煊Γ绻缁憔劢诘惴⒊隽佑Υ穑虿杉斩肆晒Γ环裨蚣绦却煊Γ�
步骤4)，传感器�？樵谖⒋砥髂？榈目刂葡拢凑沾衅髂？椴杉毙蛑鹨徊杉┨镄畔ⅲ词毙蚬叵荡娲⒂谖⒋砥髂？槟诖嬷校�
步骤5)，完成一次采集周期后，装配按时序关系存储于微处理器�？槟诖嬷械氖荩饔眯椴愕腁PI完成数据向网络汇聚节点的发送；
步骤6)，数据成功发送后，微处理器�？橄蚴凳笔敝幽？榉⒊鐾獠恐卸锨肭螅凳笔敝幽？橄煊χ卸虾螅舳は壬瓒ㄔ谑凳笔敝幽？橹械亩ㄊ笔奔涫荩煌保凳笔敝幽？槭涑鲆桓赫龀逍藕胖恋缭纯刂颇？椋诘缭纯刂颇？橹校酶赫龀逍藕啪シ⑵魉婧螅囟系缱幽Ｄ饪兀刂频脱共钕咝晕妊蛊髯瓒希沟梦⒋砥髂？榇τ诙系缧菝咦刺却叫眩�
步骤7)，当到达实时时钟�？橹猩瓒ǖ亩ㄊ笔奔涫保墒凳笔敝幽？槭涑鲆徽龀逍藕胖恋缭纯刂颇？椋诘缭纯刂颇？橹校谜龀逍藕啪シ⑵魉妫缓笄缱幽Ｄ饪兀刂频脱共钕咝晕妊蛊魇鼓埽匦率沟糜氲缭纯刂颇？榱拥奈⒋砥髂？�、传感器�？�、无线通信�？榉直鸾油ǖ缭矗�
步骤8)，重复执行步骤2)-步骤7)。作为本发明的作物-大气-土壤信息无线采集终端的采集方法进一步的优化方案，步骤4)所述传感器�？椴杉毙蛭魑锕诓阄露刃畔ⅰ⒆魑锕诓闶刃畔�、作物冠层光照信息、作物冠层CO2浓度信息、作物生长信息、土壤含水率信息、土壤温度信息。本发明采用以上技术方案，与现有技术相比的有益效果是1、本发明的一种作物-大气-土壤信息无线采集终端，在电路板级系统上集成多种传感器，并按照一定的传感器�？椴杉毙虿杉�、存储数据、装配数据、发送数据，实现了大范围环境下农田作物、环境、土壤信息的协同实时获取。克服了以往监测指标单一，监测点�。嗖夥椒ǚ彼龅谋锥�。2、本发明的一种作物-大气-土壤信息无线采集终端，采用ZigBee-780MHz频段无线通信，该频段干净、绕射能力强，对水和湿度环境不敏感，传输距离长，受干扰�。屎吓┨锎蠓段Щ肪诚录嗖�。3、本发明的一种作物-大气-土壤信息无线采集终端,采用实时时钟�？槎ㄊ�,可以实现作物-大气-土壤信息无线采集终端长时间的休眠与唤醒，节约了终端的工作能耗，延长了网络生存周期，适合农田野外大范围工作环境。4、本发明的一种作物-大气-土壤信息无线采集终端，采用太阳能供电，成本低，对于供电设施比较匮乏的农田野外环境，是一种最佳解决方案。
图1是作物-大气-土壤信息无线采集终端结构示意图。图2是传感器�？榻峁故疽馔�。图3是电源控制�？榻峁故疽馔�。图4是电源�？榻峁故疽馔�。
具体实施例方式下面结合附图对本发明的技术方案做进一步详细说明。参照图1，一种作物-大气-土壤信息无线采集终端包括传感器�？�、微处理�？�、无线通信�？�、实时时钟�？�、电源控制�？�、电源�？�。传感器�？�、微处理器�？�、无线通信模块依次相连；电源�？榉直鹆邮凳笔敝幽？�、电源控制�？椋皇凳笔敝幽？榍岸肆游⒋砥髂？椋蠖肆拥缭纯刂颇？椋坏缭纯刂颇？榉直鹆游⒋砥髂？�、传感器�？�、无线通信�？�。参照图2，传感器�？榕渲玫拿舾性ㄎ率却衅�、CO2浓度传感器、光强传感器、多光谱作物生长传感器、土壤水分传感器和土壤温度传感器；其中，温湿度传感器、CO2浓度传感器、光强传感器、土壤温度传感器输出量为数字信号，直接连接总线接口单元。多光谱作物生长传感器采集作物冠层反射光谱信息，依次经电流-电压转换电路、微信号放大电路、滤波电路、增益可调电路、模数转换电路处理，转换为数字信号，连接总线接口单元。土壤水分传感器采集土壤湿度信息，经f-V转换电路、电压放大电路、模数转换电路处理，转换为数字信号，连接总线接口单元。总线接口单元汇聚各感知信号，以并行方式连接微处理器模块的数字I/o 口。参照图3，电源控制�？榘ùシ⑵�、电子模拟开关、续流二极管、低压差线性稳压器和去耦二极管；其中触发器依次连接电子模拟开关、续流二极管、低压差线性稳压器和去
耦二极管。参照图4，电源�？榘ㄌ裟艹涞绲缏�、过压保护电路、充电保护电路和系统供电电路。其中，太阳能充电电路依次连接过压保护电路、充电保护电路和稳压电路。太阳能采用9V/3W，利用锂电池蓄能，采用稳压电路得到系统稳定的电源电压等级DC3. 3V。为了进一步详细的介绍本发明的无线采集终端，下面描述本发明的一种作物-大气-土壤信息无线采集终端的采集方法，包括如下步骤
步骤1)，启动作物-大气-土壤信息无线采集终端电源�？椋凳笔敝幽？槭涑鲆徽龀逍藕牛シ⑵鞅４妫Ｄ獾缱涌兀脱共钕咝晕妊蛊魇鼓埽⒋砥髂？榻油ǖ缭矗衅髂？榻油ǖ缭矗尴咄ㄐ拍？榻油ǖ缭�。步骤2)，微处理器�？榻谐跏蓟ㄍ獠渴挚诔跏蓟�、传感器�？椴杉毙虺跏蓟�、通信协议初始化、扫描信道初始化；
步骤3)，作物-大气-土壤信息无线采集终端请求加入网络，并等待网络汇聚节点响应，如果网络汇聚节点发出连接应答，则作物-大气-土壤信息无线采集终端连网成功；否则继续等待响应；
步骤4)，传感器模块在微处理器模块的控制下，按照传感器�？椴杉毙蛑鹨徊杉┨镄畔ⅲ词毙蚬叵荡娲⒂谖⒋砥髂？槟诖嬷�。传感器�？椴杉毙蛭魑锕诓阄露刃畔�、作物冠层湿度信息、作物冠层光照信息、作物冠层CO2浓度信息、作物生长信息、土壤含水率信息、土壤温度信息；
步骤5)，完成一次采集周期后，装配按时序关系存储于微处理器�？槟诖嬷械氖荩饔眯椴愕腁PI完成数据向网络汇聚节点的发送；
步骤6)，数据成功发送后，微处理器模块发出外部中断请求，实时时钟�？橄煊χ卸虾螅舳は壬瓒ㄔ谑凳笔敝幽？橹械亩ㄊ笔奔涫荩保凳笔敝幽？槭涑鲆桓赫龀澹シ⑵魉妫囟夏Ｄ獾缱涌兀脱共钕咝晕妊蛊髯瓒希⒋砥髂？榇τ诙系缧菝咦刺却叫�。步骤7)，当定时时间到时，实时时钟�？槭涑鲆徽龀澹シ⑵魉妫Ｄ獾缱涌兀脱共钕咝晕妊蛊魇鼓埽⒋砥髂？榻油ǖ缭矗换叫眩衅髂？榻油ǖ缭矗尴咄ㄐ拍？榻油ǖ缭矗馗粗葱胁街�2)-步骤7)。本发明采用以上方案,可以连续、实时、大范围地获取农田作物氮含量、氮积累量、叶面积指数、生物量等作物生长信息，作物冠层温度、湿度、CO2浓度、光照强度，以及农田土壤含水率、土壤温度等信息。以上方案只是本发明的一个简单示例，任何在本发明的技术方案上所做出的等效替换和变形，都应属于本发明所公开的范围之内。
权利要求
1.ー种作物-大气-土壌信息无线采集終端，包括依次相连接的传感器�？�、微处理器模块、无线通信�？椋约坝糜诠┑绲牡缭茨？椋黄涮卣髟谟冢拱ㄊ凳笔敝幽？�、电源控制�？椋黄渲兴龅缭茨？榉直鸸┑绺凳笔敝幽？楹偷缭纯刂颇？椋凰龅缭纯刂颇？榉直鹆哟衅髂？椤⑽⒋砥髂？�、无线通信�？椋凰鑫⒋砥髂？橛胧凳笔敝幽？榈男藕攀淙攵肆樱鍪凳笔敝幽？榈男藕攀涑龆擞氲缭纯刂颇？榱樱坏蔽⒋砥髂？槌晒邮沾衅髂？椴杉男藕藕螅ü刂剖凳笔敝幽？榈穆龀逍藕欧佣刂频缭纯刂颇？榈耐ǘ�。
2.根据权利要求1所述的ー种作物-大气-土壌信息无线采集終端，其特征在于，所述传感器�？榘舾性ピ⑿藕诺骼淼ピ妥芟呓鹰淼ピ黄渲校雒舾性ピㄎ率却衅�、CO2浓度传感器、光强传感器、多光谱作物生长传感器、土壌水分传感器和土壌温度传感器；所述信号调理单元包括作物生长信号调理电路和土壌水分信号调理电路； 其中所述多光谱作物生长传感器通过屏蔽电缆连接作物生长信号调理电路，所述土壤水分传感器通过屏蔽电缆连接土壌水分信号调理电路，所述土壤信息调理电路、作物生长信号调理电路、温湿度传感器、CO2浓度传感器、光强传感器、土壌温度传感器分别连接总线接ロ単元；所述总线接ロ单元连接微处理器�？榈氖芝�。
3.根据权利要求2所述的ー种作物-大气-土壌信息无线采集終端，其特征在于，所述作物生长信号调理电路包括电流-电压转换电路、微信号放大电路、滤波电路、増益可调电路、模数转换电路；其中所述电流-电压转换电路的输入端与多光谱作物生长传感器连接，所述电流-电压转换电路的输出端依次串接微信号放大电路、滤波电路、増益可调电路、模数转换电路。
4.根据权利要求2所述的ー种作物-大气-土壌信息无线采集終端，其特征在于，所述土壤水分信号调理电路包括f-V转换电路、电压放大电路、模数转换电路；其中所述f-V转换电路的输入端连接土壌水分传感器，所述f-v转换电路的输出端依次连接电压放大电路、模数转换电路。
5.根据权利要求1所述的ー种作物-大气-土壌信息无线采集終端，其特征在于，所述无线通信�？榈钠刀挝�780MHz。
6.根据权利要求1所述的ー种作物-大气-土壌信息无线采集終端，其特征在于，所述电源控制模块包括触发器、电子模拟开关、续流ニ极管、低压差线性稳压器、去耦ニ极管；其中所述触发器依次连接电子模拟开关、续流ニ极管、低压差线性稳压器、去耦ニ极管。
7.根据权利要求1所述的ー种作物-大气-土壌信息无线采集終端，其特征在于，所述电源�？榘ㄌ裟艹涞绲缏�、过压保护电路、充电保护电路、稳压电路；其中，所述太阳能充电电路依次连接过压保护电路、充电保护电路、稳压电路。
8.ー种基于权利要求1至7任一所述的作物-大气-土壌信息无线采集终端的采集方法，其特征在于，包括如下步骤 步骤I )，在农田中按需布置若干个作物-大气-土壌信息无线采集終端，当启动每个米集终端电源模块时，由实时时钟�？槭涑鲆徽龀逍藕胖恋缭纯刂颇？椋辉诘缭纯刂颇？橹校谜龀逍藕啪シ⑵鞅４妫缓笄缱幽Ｄ饪兀刂频脱共钕咝晕妊蛊魇鼓埽沟糜氲缭纯刂颇？榱拥奈⒋砥髂？椤⒋衅髂？椤⑽尴咄ㄐ拍？榉直鸾油ǖ缭矗徊街�2)，微处理器�？榻谐跏蓟ㄍ獠渴芝沓跏蓟�、传感器�？椴杉毙虺跏蓟�、通信协议初始化、扫描信道初始化； 步骤3)，各采集终端通过无线通信�？榍肭蠹尤胱宰橹纾⒌却缁憔劢诘阆煊Γ绻缁憔劢诘惴⒊隽佑Υ穑虿杉K端联网成功；否则继续等待响应； 步骤4)，传感器�？樵谖⒋砥髂？榈目刂葡拢凑沾衅髂？椴杉毙蛑鹨徊杉┨镄畔ⅲ词毙蚬叵荡娲⒂谖⒋砥髂？槟诖嬷校� 步骤5)，完成一次采集周期后，装配按时序关系存储于微处理器�？槟诖嬷械氖荩饔眯椴愕腁PI完成数据向网络汇聚节点的发送； 步骤6)，数据成功发送后，微处理器�？橄蚴凳笔敝幽？榉⒊鐾獠恐卸锨肭螅凳笔敝幽？橄煊χ卸虾螅舳は壬瓒ㄔ谑凳笔敝幽？橹械亩ㄊ笔奔涫荩煌保凳笔敝幽？槭涑雯`负窄脉冲信号至电源控制�？椋诘缭纯刂颇？橹校酶赫龀逍藕啪シ⑵魉婧螅囟系缱幽Ｄ饪兀刂频脱共钕咝晕妊蛊髯瓒希沟梦⒋砥髂？榇τ诙系缧菝咦刺却叫眩� 步骤7)，当到达实时时钟�？橹猩瓒ǖ亩ㄊ笔奔鋮迹墒凳笔敝幽？槭涑鲆徽龀逍藕胖恋缭纯刂颇？椋诘缭纯刂颇？橹校谜龀逍藕啪シ⑵魉妫缓笄缱幽Ｄ饪兀刂频脱共钕咝晕妊蛊魇鼓埽匦率沟糜氲缭纯刂颇？榱拥奈⒋砥髂？�、传感器�？�、无线通信�？榉直鸾油ǖ缭矗� 步骤8 )，重复执行步骤2 )-步骤7 )。
9.根据权利要求8所述的作物-大气-土壌信息无线采集终端的采集方法，其特征在于，步骤4)所述传感器�？椴杉毙蛭魑锕诓阄露刃畔�、作物冠层湿度信息、作物冠层光照信息、作物冠层CO2浓度信息、作物生长信息、土壤含水率信息、土壤温度信息。
全文摘要
本发明公开了一种作物-大气-土壤信息无线采集终端，包括传感器�？�、微处理器模块、无线通信�？�、实时时钟�？�、电源控制�？椤⒌缭茨？椋渲械缭茨？榉直鸸┑绺凳笔敝幽？楹偷缭纯刂颇？椋坏缭纯刂颇？榉直鹆哟衅髂？�、微处理器�？�、无线通信�？椋晃⒋砥髂？橐来斡胧凳笔敝幽？�、电源控制�？榱樱坏蔽⒋砥髂？槌晒邮沾衅髂？椴杉男藕藕螅ü刂剖凳笔敝幽？榈穆龀逍藕欧佣刂频缭纯刂颇？榈耐ǘ希迪治尴卟杉斩顺な奔涞男菝哂牖叫眩谠剂酥斩说墓ぷ髂芎�。本发明还公开了一种采集方法，实现了大范围环境下农田作物、环境、土壤信息的协同实时获取，适合农田野外大范围工作环境。
文档编号G01D21/02GK103035112SQ20121055438
公开日2013年4月10日 申请日期2012年12月19日 优先权日2012年12月19日
发明者倪军, 曹卫星, 朱艳, 姚霞, 田永超, 庞方荣 申请人:南京农业大学
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