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原文传递一种柑橘园土壤水分渗透的测量系统及测量方法

专利名称：	一种柑橘园土壤水分渗透的测量系统及测量方法
摘要：	本发明公开了一种柑橘园土壤水分渗透的测量系统及测量方法，该系统包括：测量设备、控制装置和执行装置；所述测量设备为多个土壤水分传感器，根据预设规则布置在待测量的土壤区域内；所述控制装置包括：微控制器、信号调理模块和显示模块；所述执行装置为电磁阀灌溉设备；所述土壤水分传感器通过串口与所述信号调理模块连接，所述信号调理模块通过串口与所述微控制器连接；所述微控制器分别通过串口与所述显示模块和所述电磁阀灌溉设备控制连接。该系统布置简单，微控制器根据相关指令和采集的测量数据，进行相关计算得到土壤水分的渗透率，通过显示模块进行显示；实现简易快速测量土壤水分渗透率，为柑橘灌溉作业提供指导，具有广阔的应用前景。
专利类型：	发明专利
申请人：	华南农业大学
发明人：	王卫星;杨明欣;占旭锐;周平;陈文彬;林佳翰
专利状态：	有效
申请日期：	1900-01-20T07:00:00+0805
发布日期：	1900-01-20T01:00:00+0805
申请号：	CN202010015235.3
公开号：	CN111089827A
代理机构：	北京慕达星云知识产权代理事务所(特殊普通合伙)
代理人：	曹鹏飞
分类号：	G01N15/08;G05B19/042;G06F17/16;G06F17/18;G;G01;G05;G06;G01N;G05B;G06F;G01N15;G05B19;G06F17;G01N15/08;G05B19/042;G06F17/16;G06F17/18
申请人地址：	510642 广东省广州市天河区五山路483号
主权项：	1.一种柑橘园土壤水分渗透的测量系统，其特征在于，包括：测量设备、控制装置和执行装置；其中，所述测量设备为多个土壤水分传感器，根据预设规则布置在待测量的土壤区域内；所述控制装置包括：微控制器、信号调理模块和显示模块；所述执行装置为电磁阀灌溉设备；所述土壤水分传感器通过串口与所述信号调理模块连接，所述信号调理模块通过串口与所述微控制器连接；所述微控制器分别通过串口与所述显示模块和所述电磁阀灌溉设备控制连接。 2.如权利要求1所述的一种柑橘园土壤水分渗透的测量系统，其特征在于，所述电磁阀灌溉设备包括：双稳态电磁阀以及相连的驱动电路；所述驱动电路通过串口与所述微控制器连接。 3.如权利要求2所述的一种柑橘园土壤水分渗透的测量系统，其特征在于，所述双稳态电磁阀为SLXN7K50双稳态电磁阀；所述驱动电路由IRF520大功率MOS管及其外围电路组成，通过串口与所述微控制器连接。 4.如权利要求1所述的一种柑橘园土壤水分渗透的测量系统，其特征在于，所述土壤水分传感器采用METER的EC-5小型传感器。 5.如权利要求1所述的一种柑橘园土壤水分渗透的测量系统，其特征在于，所述信号调理模块由A/D转换器组成，通过串口与微控制器连接。 6.如权利要求1所述的一种柑橘园土壤水分渗透的测量系统，其特征在于，所述微控制器采用STM32F407VGT6芯片。 7.一种柑橘园土壤水分渗透的测量方法，其特征在于，包括： S1：将待测量土壤自上而下均匀划分为a层，每层均匀布置b x b个土壤水分传感器，设每层高度差为h，相邻土壤水分传感器的距离为s； S2：通过显示模块设置灌溉时间及灌溉完成与采集数据的时间间隔，向执行装置发送灌溉指令； S3：执行装置完成灌溉作业后返回反馈数据至微控制器，微控制器等待采集数据时间，向测量设备发送采集数据指令； S4：测量设备返回三次测量数据至微控制器，进入待机模式； S5：所述测量数据通过信号调理模块转换为数字信号，在微控制器中求平均值并存储； S6：将S4执行n+1次，其中前n次测量数据用于建立贝叶斯模型中的先验概率； S7：根据所述先验概率及第n+1次测量数据，计算置信距离，筛选出最佳融合数；根据所述最佳融合数计算第i层水分估计值、以及第i层与第i+1层的水分渗透率。 8.如权利要求7所述的一种柑橘园土壤水分渗透的测量方法，其特征在于，所述S6中，前n次测量数据用于建立贝叶斯模型中的先验概率，包括： S61：设第i层，第j个传感器，一次测量平均值记为xijk；对于第i层，第j个土壤水分传感器，数据矩阵Fij为: Fij＝[xij1,xij2,......,xijk,......,xijn]，其中i＝1,2...a,a+1；j＝1,2......,b2，k＝1,2......n； S62：将作物含水量近似认为区域化变量，服从正态分布，计算μij和σij使得其中，μij和σij分别为第i层第j个土壤水分传感器n次测量数据的均值、标准差； S63：对于第i层，测量数据平均值矩阵Fi为其中i＝1,2...a,a+1，j＝1,2......,b2；利用公式(1)(2)计算μi和σi使得其中Yi表示在第i层中b2个土壤水分传感器数据平均值，μi和σi表示分别为第i层中b2个土壤水分传感器数据平均值的均值、标准差。 9.如权利要求8所述的一种柑橘园土壤水分渗透的测量方法，其特征在于，所述S7包括： S71：在第n+1次测量数据中，对第i层土壤水分传感器的测量数据进行选择；利用公式(3)计算第i层中任意两个土壤水分传感器测量数据之间的置信距离，利用公式(4)计算每个传感器数据的概率密度函数，获得一个b2 x b2的置信距离矩阵Di；其中dij(j+1)表示第i层中第j个与第j+1个土壤水分传感器第n+1次测量数据之间的置信距离，积分上限为xij，积分下限为xi(j+1)，xij和xi(j+1)分别表示第j个、j+1个土壤水分传感器第n+1次测量数据，Pij、μij、σij分别表示第i层第j个土壤水分传感器前n次测量数据的概率密度函数、均值和标准差；同理可求di(j+1)j，即第i层中第j+1个与第j个土壤水分传感器第n+1次测量数据之间的置信距离，积分上限为xi(j+1)，积分下限为xij；j＝1,2,......,b2； S72：临界值βij(j+1)由土壤水分传感器前n次测量数据的变异系数确定，利用公式(5)(6)判定Di中每个数据可靠性，得到一个二值矩阵Ri，即只有0和1；式(5)中，Cij(j+1)v为第i层第j个与第j+1个土壤水分传感器第n+1次测量数据的变异系数，μij(j+1)为第i层第j个与第j+1个土壤水分传感器前n次测量数据的均值之差，μij(j+1)＝μij-μi(j+1)；σij(j+1)为第i层第j个与第j+1个土壤水分传感器前n次测量数据的标准差平方和再开方，同理可求Ci(j+1)jv、μij(j+1)、σij(j+1)，μi(j+1)j＝μi(j+1)-μij，式(6)中，dij(j+1)表示表示第i层中第j个与第j+1个土壤水分传感器第n+1次测量数据之间的置信距离，rij(j+1)为判别结果，同理可用di(j+1)j和βi(j+1)j求ri(j+1)j； S73：由二值矩阵对多个土壤水分传感器测量数据进行选择，产生最佳融合数； S74：将μi、和最佳融合数对应l个的μij、代入贝叶斯融合估计公式(7)求得第i层的水分估计值； (7)式中，xij为第i层第j个土壤水分传感器第n+1次测量数据，μi和σi分别为第i层中b2个土壤水分传感器前n次数据平均值的均值、标准差； S75：根据上述步骤得到a层的水分估计值a个，由达西定律(8)计算第i层与第i+1层的水分渗透率； (8)式中，Δp＝Δhρg,g＝9.81m/s2,Δh为相邻两层之间的压差，ρ为水密度；A为测量的横截面积，A＝(bs)2；Q为流量，μ为水粘度；ΔL为相邻两层高度差。
所属类别：	发明专利