多用途土壤墒情采集装置的设计

曹 勇，周贺凯，殷 飞

(吉林农业科技学院，吉林 吉林 132101)

现今，在农业种植领域，土壤中的水分、温度、电导率(含盐量)等，对种植户来说是最重要和最常用的数据信息，是影响农作物生长发育的关键指标。由于区域地形地貌、土壤物理化学特性、气象等因素的差异，致使区域土壤的状态分布不均匀，适时掌握区域土壤状态的动态信息，探明作物生长发育期内土壤水分盈亏、温度高低、电导率(含盐量)高低，以便做出灌溉、施肥决策或排水措施、升温或降温，对于提高农作物管理水平，科学指导抗旱救灾，预防和减轻干旱灾害，保障生活用水、生态用水，实现农业精准化种植具有重要意义[1]。

我国是一个水资源匮乏的国家，我国的农业发展也因此而被制约，土壤墒情检测器可以采集到土壤中水分的信息，由此可以有效地进行节水灌溉，从而侧面体现出对于我国水资源的节约。为使得农作物保持良好的生长发育状态，需要适时检测土壤中各个层级的数据信息。现有的土壤墒情采集监测装置引入多层监测设计，在不同深度的土壤中分别布局一个监测单元，每个监测单元均设有探针外露的采集器，但对采集器没有适当的防护措施，导致采集器磨损严重[2]。通过对原有装置的设计与改进，可以解决现有技术的不足。该装置能够在土壤墒情监测、节水灌溉、温室控制、精细农业等领域有着重要的应用。

1.1 结构介绍

该装置包括中空的探测杆及安装在探测杆顶部上的控制箱，探测杆的侧壁上沿间隔设有若干滑动件，滑动件包括滑套，探测杆与滑套之间设有紧固件。滑动件沿竖向间隔设有2～4个，沿周向设有3～6个弧形支撑片，每个弧形支撑片上设有一个土壤墒情传感器，每个滑动件上的多个土壤墒情传感器可为相同功能的传感器，也可为不同功能的传感器。滑套的周侧转动设有若干弧形支撑片，弧形支撑片上设有探测孔，弧形支撑片的底部安装有采集器，采集器的探针穿过探测孔设置。控制箱内设有控制器、存储模块、通信模块、电源电路、充放电控制电路、信号处理模块及电池，控制箱上安装有太阳能板。

1.2 结构的特点

1.2.1 实现不同深度的土壤采集方式

通过滑套滑动设于探测杆上，便于对滑套于探测杆上的高度进行调节，并通过紧固件固定其位置，便于对不同深度的土壤同时进行采集。

1.2.2 实现对不同方位的土壤多角度采集

采集器通过弧形支撑片于探测杆向周向活动分布，使得弧形支撑片带动采集器转动时，采集器的探针能插入相同深度、不同方向的土壤中。

1.2.3 增加对采集器的防护作用

传统装置对采集器没有适当的防护措施，导致采集器磨损严重，通过弧形支撑片可以对采集器起到一定的防护作用，在插入土壤时更加稳定、牢固，能够避免因探测杆插入土壤过浅或人为、自然原因容易倒伏。

1.2.4 实现土壤信息的集中化处理

太阳能板经充放电控制电路给电池充电，电池经电源电路为电机及各硬件模块供电，信号处理模块将土壤信息处理后发送给控制器并储存在存储模块中，控制器通过通信模块与外部管理设备进行信息交互。

2.1 采集装置模块

装置的弧形支撑片铰接于探测杆的外壁上，探测杆的外壁上设有与采集器对应的凹陷部，且凹陷部与采集器的形状相适配，探测杆内设有电机，电机的输出轴上设有传动轴穿过探测杆与弧形支撑片的外侧壁连接，电机通过电机驱动电路与控制器电连接。通过控制器控制电机的传动轴伸出或缩回，也可通过气缸代替电机。

2.2 信号传输模块

控制箱内设有控制器、存储模块、通信模块、电源电路、充放电控制电路、信号处理模块以及电池。其中通信模块包括定位模块，定位模块为GPRS定位器或GPS定位器，定位模块与控制器电连接。控制箱内也可以设置驱动电机，驱动电机的转轴上安装有第一齿轮，安装板上安装有与第一齿轮相啮合的第二齿轮，以电动驱动安装板旋转。驱动电机通过第二驱动电路分别与控制器电连接，通过在设定时间内驱动电机的转轴旋转设定角度，并在设定时间内反向旋转以复位，方便第二天使用。

控制箱的侧壁上设有充电接口和通信接口，充电接口与充放电控制电路电连接，通信接口设置在通信模块上，充电接口、通信接口均可拆卸且安装有防水塞。需要使用时，打开防水塞，通过设置充电接口，便于在急需且无法更换太阳能板的情况下，采用外部电源对土壤墒情采集监测装置进行充电，以提高实用性；
通过设置通信接口，便于将土壤墒情采集监测装置内存储的信息导出。不使用时，将防水塞装配在充电接口、通信接口上，避免水或尘土进入控制箱影响硬件部分的正常使用。

控制箱的内壁上设有导热层，控制箱的外壁上设有与导热层对应的散热结构，散热结构包括若干高低间隔排列的散热鳍片。散热鳍片上设有若干散热孔，以改善对流效果，提高散热性能。

控制箱上安装太阳能板，上铰接有转动座，太阳能板安装在转动座上。可根据太阳的方位，人工对太阳能板的朝向进行调节，以更高效地利用太阳能。太阳能板经充放电控制电路给电池充电，电池经电源电路为电机及各硬件模块供电，信号处理模块将土壤墒情传感器采集的土壤信息处理后，发送给控制器并储存在存储模块中，控制器通过通信模块与外部管理设备进行信息交互，便于土壤信息的集中化处理，便于维护，经济可靠。存储模块、电源电路、通信模块、信号处理模块分别与控制器电连接，同时存储模块与通信模块电连接。通过设置定位模块，当太阳能板损坏或到达使用年限，或无法知道土壤墒情采集监测装置的位置，又或者土壤墒情采集监测装置因人为原因丢失，或电池电量不足时，通过内置的电池供电，将土壤墒情采集监测装置的位置经控制器实时发送给外部管理设备，以便及时对太阳能板进行更换，或快速知晓土壤墒情采集监测装置的位置，避免采集数据的丢失和使用成本的增加。采集器包括土壤墒情传感器，主要包括土壤温度传感器、土壤水分传感器、土壤电导率传感器或土壤pH传感器。

土壤墒情自动监测装置不仅适用于野外大规模的田间水分连续动态监测，也能满足室内试验土壤含水量测定的需求，是一种具有应用前景的土壤水分测定设备，对水分反应灵敏[3]。

2.3 传动装置模块

通过电机驱动弧形支撑片沿着探测杆外壁转动，带动弧形支撑片上采集器的探针转动，以实现插入土壤内不同角度，在插入前，将弧形支撑片转动至贴近探测杆，使采集器配合容置于凹陷部，对采集器形成防护，避免插入的过程中土壤中的碎石磨损采集器；
凹陷部上设有穿线孔，与导线之间设有密封圈，探测杆的侧壁与采集器之间设有套于导线外的伸缩管。通过伸缩管对活动伸出穿线孔外的导线进行防护，设置密封圈，避免土壤中的水分进入探测杆。固定好采集监测装置后，电机驱动弧形支撑片转动，使采集器的探针插入土壤内指定深度及角度。

3.1 装置改进的最终目标

通过添加弧形支撑片和滑动与支撑杆结合等技术方案，实现土壤墒情采集监测装置解决现有技术的不足，进而提高装置的工作效率。

3.2 在模型制作过程中可能遇到的问题与解决方案

在原有装置上添加弧形支撑片时，可能有不兼容情况的出现，因此，在模型制作过程中，进行多次实验测定弧形支撑片的使用，以确保装置可以正常工作。

3.3 装置改进后的工作原理

电机驱动弧形支撑片沿着探测杆外壁转动，能够带动弧形支撑片上采集器的探针转动，以实现插入土壤内不同角度、不同高度，在插入前，将弧形支撑片旋转至与探测杆贴近位置，使采集器刚好配合容位于凹陷部，使得全方位实现对采集器的防护，避免在插入的过程中土壤中的碎石对采集器的磨损，固定好采集监测装置后，电机驱动弧形支撑片转动，使采集器的探针插入土壤内指定深度及角度进行勘测。

3.4 土壤信息处理方式

在经过采集器收集土壤信息后，信号处理模块将土壤墒情传感器采集的土壤信息处理后发送至控制器，并稳定储存在存储模块中，控制器通过通信模块与外部管理设备进行信息交互，便于土壤信息的集中化处理，便于维护，经济可靠。

科学的农业种植理念是农业发展的未来趋势，科学的农业种植在美国、加拿大等一些发达国家中已经从理念变成了现实，高科技与农业种植结合发展已经成为国民基础支柱产业之一。中国是一个农业大国，粮食的产量直接影响着国计民生。每年由于旱涝造成的粮食减产的损失巨大，所以，有效防旱、抗旱，防涝、抗灾，减少灾难造成的各项损失，已成为各级防汛抗旱部门的最主要的任务之一[4]。

土壤环境检测技术的广泛应用，与我国环境现状有着直接关系，经历了数十年以环境为代价的经济发展模式，我国整体环境受到了严重的污染，空气、水源、土壤等环境构成因素都受到了不同程度的污染。这种情况下，建立全方位的环境监测系统就显得尤为重要。随着现代工业的发展和扩大，环境中的污染物类型、含量都在不断增加，若是直接食用污染土壤种植的农作物，就有可能威胁到人们的生命健康。因此，环境管理部门有必要对土壤环境状况进行持续监测。环境监测是环境保护措施提出的依据，在环境监测过程中，需要兼顾好现场调查、检测布点、样品采集等一系列工作。环境监测技术的发展十分悠久，但是真正进入现代化，还要追溯到20世纪70年代。环境监测技术应用于土壤监测，需要对土壤环境因素进行多次测定，如此才能获得环境变化趋势的准确认知[5]。在检测中，主要的检测对象是对环境有影响的污染物，借助多种类型的土壤环境质量监测技术，土壤污染物及其消极影响可以得到有效控制。