一种基于TDR的土壤温度、湿度及电导率检测方法及系统

本发明属于农业科学，具体涉及一种基于tdr的土壤温度、湿度及电导率检测方法及系统。

背景技术：

1、土壤含水量作为农业科学、水文科学和气象科学等领域中的重要指标，已经越来越受到重视。显然，节水的重头戏是全面尽快实施节水农业技术体系，而节水装备技术是保证节水农业技术体系实施的关键技术之一。因此，利用当今先进的高科技手段深入研究土壤含水量及电导率的测量理论与方法并由此推出新一代具有实时采集与处理能力的反映土壤含水量及电导率的高精度测量仪器，无论对于指导农作物生长过程的精细管理还是农业水资源的合理利用都具有难以估量的经济意义。

2、2010年7月21日公开的公开号为cn101782535a的中国发明专利申请公开了用于基于相位检测原理的tdr土壤水分测量仪的传感器，其中介绍了结构复杂的基于tdr与相位检测技术的土壤水分测量仪，利用信号源产生高频正弦波，经过功率分配器分为两路，一路直接输出到相位检测器，另一路经过tdr探头后输入到相位检测器。通过比较这两路的信号相位差，计算土壤含水量。系统包含元件多，且部分元件成本较高，导致整个设备成本较高；只能测量含水量，无法检测土壤电导率；仅用原始topp公式计算土壤含水量，未修正会导致测量结果存在一定的误差；测出的土壤介电常数是外层pvc材质混合后的介电常数，不是土壤本身的介电常数，导致根据土壤介电常数计算出的土壤含水量不准确；正弦波频率太高，波长比探针长度短，导致测出的相位差与实际相位差可能存在±nπ的差异，导致结果不正确。

3、2023年9月12日公开的公开号为cn116735417a的中国发明专利申请公开了一种土壤湿度检测装置，介绍了一种结构复杂的基于烘干法的土壤湿度检测装置。装置包含四个样品料桶。将待测地区采集的四份土壤样品置于四个料筒中，称重。将料筒旋转并加热，将土壤内的水分烘干后，再次称重。根据两次测量出的重量计算四个料桶中样品的含水量，求平均值得到待测地区土壤含水量。结构复杂，包含多个料筒、轴承等器件，成本较高；需要将土壤烘干后再测量，等待时间长；装置只包含机械结构，多组数据的测量、计算需要人工处理，操作复杂。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服不能高精度实时采集与处理土壤含水量及电导率的问题，提出了一种基于tdr的土壤温度、湿度及电导率检测方法及系统。

2、为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、一种基于tdr的土壤温度、湿度及电导率检测系统，包括直流降压模块和用户计算机，用户计算机的usb接口通过直流降压模块连接内部器件，内部器件连接tdr探针，tdr探针上安装温度传感器；

4、内部器件包括单片机控制模块、高速比较器模块和参考电平模块，温度传感器与单片机控制模块通讯连接，单片机控制模块及参考电平模块与高速比较器模块连接，tdr探针的输入端与高速比较器模块连接，tdr探针的输出端与单片机控制模块连接；

5、用户计算机与单片机控制模块通讯连接，用户计算机安装用户软件；

6、直流降压模块，用于将用户计算机的usb接口电压转换为内部器件电压；

7、单片机控制模块，用于依据用户计算机指令生成斜波信号传输至高速比较器模块、接收高速比较器模块的方波信号及tdr探针的回传信号、将tdr探针的回传信号传输至用户计算机、接收温度传感器回传的土壤温度的原始数字数据并计算得到温度数据后传输至用户计算机；

8、高速比较器模块，用于产生方波信号传输至tdr探针及单片机控制模块；

9、tdr探针，用于接收高速比较器模块输入的方波信号并测量土壤的含水量和湿度回传至单片机控制模块；

10、温度传感器，用于测量土壤温度的原始数字数据回传至单片机控制模块；

11、用户软件，用于向单片机控制模块下达检测指令、接收单片机控制模块的回传信号计算土壤的湿度和电导率。

12、进一步地，单片机控制模块包括信号生成与信号采集模块和边沿触发模块，高速比较器模块包括高速比较器第一模块和高速比较器第二模块，信号生成与信号采集模块与tdr探针连接；

13、信号生成与信号采集模块包括快斜波信号生成模块、慢斜波信号生成模块和tdr探针回传信号采集模块；

14、快斜波信号生成模块及参考电平模块通过高速比较器第一模块与tdr探针的输入端连接；

15、tdr探针的输出端与tdr探针回传信号采集模块连接；

16、快斜波信号生成模块与慢斜波信号生成模块与高速比较器第二模块的输入端连接，高速比较器第二模块的输出端通过边沿触发模块与tdr探针回传信号采集模块连接；

17、快斜波信号生成模块，用于生成快斜波信号输入高速比较器模块；

18、慢斜波信号生成模块，用于生成慢斜波信号输入高速比较器第二模块；

19、高速比较器第一模块，用于通过比较快斜波信号与参考电平生成与快速斜波信号周期相同且上升沿陡峭的方波信号并输入tdr探针，上升沿为皮秒级别；

20、高速比较器第二模块，用于通过比较快斜波信号和慢斜波信号生成具有固定时延的方波信号并输入边沿触发模块；

21、边沿触发模块，用于根据高速比较器第二模块输入的方波信号触发tdr探针回传信号采集模块；

22、tdr探针回传信号采集模块，用于对tdr探针的回传信号进行采样，采样频率为高速比较器第二模块产生方波信号的固定时延的倒数。

23、进一步地，固定时延计算如下式所示：

24、

25、其中，δt为高速比较器第二模块产生方波信号的固定时延，tfs为快斜波信号一个周期的时间，kfs为快斜波信号一个周期内锯齿波的斜率，kss为慢斜波信号一个周期内锯齿波的斜率。

26、进一步地，快斜波信号为在周期内起始与终止阶段带有恒定直流电平的锯齿波形；慢斜波信号为频率低于快斜波信号的锯齿波。

27、进一步地，方波信号传至tdr在土壤表面产生一次反射，并在tdr探针顶部产生一次反射，根据两次反射信号的幅度与时间间隔计算土壤含水量和湿度。

28、进一步地，内部器件与tdr探针之间设置匹配电路，用于匹配内部器件的前置电路与fdr探针之间的阻抗。

29、进一步地，用户计算机的usb接口电压为5v；用户计算机的usb接口与直流降压模块之间连接滤波电路和驱动电路，驱动电路采用脉冲宽度调制驱动。

30、进一步地，参考电平模块输出直流电平。

31、一种基于tdr的土壤温度、湿度及电导率检测方法，利用以上所述的一种基于tdr的土壤温度、湿度及电导率检测系统，其特征在于，当用户计算机对内部器件下达采集土壤温度、湿度及电导率的指令后，温度传感器采集土壤温度回传至用户计算机，计算机控制模块生成斜波信号传输至高速比较器模块生成方波信号触发tdr探针并采样tdr探针的回传信号得到tdr探针的采样信号，将tdr探针的采样信号传输至用户计算机；

32、用户软件依据预设的等效采样率对tdr探针的采样信号的数据点进行重构得到连续的原始测量信号；对连续的原始测量信号利用topp公式和电导率计算公式计算得到土壤的湿度和电导率。

33、进一步地，用户软件计算快速斜波信号和慢速斜波信号的频率参数采用以下公式进行：

34、

35、其中，feq为等效采样频率，δt为高速比较器第二模块产生方波信号的固定时延，tfs为快斜波信号一个周期的时间，kfs为快斜波信号一个周期内锯齿波的斜率，kss为慢斜波信号一个周期内锯齿波的斜率。

36、与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

37、本发明提出的一种基于tdr的土壤温度、湿度及电导率检测系统，集成了单片机控制模块，使得系统具备了灵活多变的适应性，能够根据用户的实际需求动态调节等效采样频率、采样持续时间等一系列关键参数，提高了系统的智能化水平和实用性，设计tdr探针使测量精度更高；在tdr探针上加装温度传感器，使得探针能够检测土壤温度。

38、进一步地，通过精心设计用户友好的交互界面，本系统得以实现简易的操作流程，用户只需直观操作即可获得所需信息，降低了操作门槛，提升了用户体验。

39、进一步地，利用usb接口的双功能特性，不仅将其作为关键信号传输通道，还将其供应的5v直流电源转化为各功能模块所需的工作电压。这种集成化的电源解决方案有效地简化了系统架构，增强了内部组件布局的逻辑性和整洁度，从而极大地方便了系统各组成部分的安装和整合。

40、进一步地，利用电压转换模块将5v直流电转换为各个模块正常工作的直流电，利用单片机产生稳定的快斜波、慢斜波信号，利用高速比较器产生窄上升沿用于tdr测量的方波信号，利用高速比较器比较快慢斜波信号，产生固定时延的方波信号，给出期望的固定时延的方波信号的时延值，利用软件计算需要的快慢斜波幅度与频率并控制单片机产生。

41、进一步地，凭借其简洁的结构设计、明晰的模块划分以及高效的系统集成度，有效简化了组装过程，使得系统易于部署和使用。尤为值得一提的是，整个系统紧凑地封装于体积小巧的外壳之内，通过usb连线即可将测量数据实时传送回用户主机，数据传输稳定可靠。此类精心设计不仅增强了系统的耐用性，延长了使用寿命，而且显著提升了方法的应用潜力和市场推广价值。

42、本发明提出的一种基于tdr的土壤温度、湿度及电导率检测方法，利用等效采样技术与tdr技术，实现低成本高精度的土壤温度、含水量及介电常数测量，利用固定时延的方波信号触发adc，利用软件合成采集到的信号，实现等效采样。

43、进一步地，采用了经过改进的topp公式来精确估算土壤含水量，其中考虑了温度对土壤介电性质的影响因素，从而确保了测量结果的高度准确性与可靠性，根据回传的tdr信号与土壤温度，利用修正后的topp公式及电导率计算公式计算土壤的湿度与电导率。

44、进一步地，引入等效采样技术后，tdr系统能够在不依赖极高采样率的adc条件下，实现对土壤水分含量及介电常数的高精度测定，显著降低了硬件成本。