[发明专利]一种作物冠层温度与土壤墒情数据监测系统及其应用

权利要求书

1.一种作物冠层温度和土壤墒情数据监测系统，其特征在于：它包括电源管理单元、微处理器、多路复用开关、数据采集单元、模数转换器、数据存储单元、人机交互单元和通信单元；所述电源管理单元为所述微处理器和数据采集单元供电，所述微处理器通过所述多路复用开关与所述数据采集单元连接，所述数据采集单元将采集到的作物冠层温度、空气温度和湿度以及土壤的水分、温度和水势模拟信号通过所述多路复用开关传输至所述模数转换器，所述模数转换器将模拟信号转换成数字信号后传输至所述微处理器；所述微处理器将带工程单位的数据分别传输至所述数据存储单元和人机交互单元进行存储和显示；通过所述人机交互单元向所述微处理器输入运行配置参数，所述微处理器的运行状态通过所述人机交互单元显示；所述微处理器控制所述数据存储单元将存储的带工程单位的数据通过所述通信单元传输至服务器，并通过所述通信单元接收服务器发出的测量控制信号。

2.如权利要求1所述的一种作物冠层温度和土壤墒情数据监测系统，其特征在于：所述微处理器、多路复用开关、模数转换器、数据存储单元、人机交互单元和通信单元均设置在一数据处理箱中，所述数据处理箱设置在一立杆下部。

3.如权利要求2所述的一种作物冠层温度和土壤墒情数据监测系统，其特征在于：所述电源管理单元包括太阳能电池板、蓄电池、充放电控制器和电源输出模块；所述太阳能电池板设置在所述立杆顶端，所述蓄电池、充放电控制器和电源输出模块均设置在一防护机箱中，所述防护机箱位于所述数据处理箱下端并设置在所述立杆上；所述太阳能电池板和蓄电池均通过所述充放电控制器与所述电源输出模块连接，所述电源输出模块与所述微处理器连接；所述太阳能电池板将太阳辐射能转化为电能，一部分电能通过所述充放电控制器发送给所述电源输出模块，所述电源输出模块将电能转换成工作电压后分别给所述微处理器和数据采集单元供电；另一部分电能通过所述充放电控制器给所述蓄电池充电。

4.如权利要求3所述的一种作物冠层温度和土壤墒情数据监测系统，其特征在于：所述电源输出模块转换输出的工作电压分别为3.3V和12V，3.3V电压给所述微处理器供电，12V电压给所述数据采集单元供电。

5.如权利要求2或3或4所述的一种作物冠层温度和土壤墒情数据监测系统，其特征在于：所述数据采集单元包括红外测温传感器、空气温湿度传感器、土壤水分传感器、土壤温度传感器和土壤水势传感器；所述红外测温传感器设置在一与所述立杆垂直的横臂一端，所述横臂的另一端位于所述太阳能电池板下方并固定设置在所述立杆上；所述空气温湿度传感器设置在所述数据处理箱上部，所述土壤水分传感器、土壤温度传感器和土壤水势传感器均设置在土壤中；所述红外测温传感器、空气温湿度传感器、土壤水分传感器、土壤温度传感器和土壤水势传感器将采集到的作物冠层温度、空气温度和湿度以及土壤剖面的水分、温度和水势的模拟信号通过导线传输至所述数据处理箱中，所述微处理器通过控制所述多路复用开关依次将采集到的作物冠层温度、空气温度和湿度以及土壤剖面的水分、温度和水势的模拟信号传输至所述模数转换器，所述模数转换器将接收到的模拟信号转换成数字信号后传输至所述微处理器。

6.如权利要求5所述的一种作物冠层温度和土壤墒情数据监测系统，其特征在于：所述数据采集单元采集到的模拟信号的范围为0～2500mV。

7.如权利要求1或2或3或4或6所述的一种作物冠层温度和土壤墒情数据监测系统，其特征在于：所述人机交互单元包括LCD显示模块和键盘模块，所述LCD显示模块和键盘模块均与所述微处理器连接，所述LCD显示模块用于显示所述微处理器的运行状态信息和所述数据采集单元采集到的包含作物冠层温度、空气温度和湿度以及土壤剖面的水分、温度和水势的信息；通过所述键盘模块对所述微处理器的运行配置参数进行设置。

8.如权利要求1或2或3或4或6所述的一种作物冠层温度和土壤墒情数据监测系统，其特征在于：所述通信单元中设置GPRS通信模块、USB通信模块和2.4G无线短程通信模块中的一种或多种，所述微处理器通过所述通信单元与服务器之间实现GPRS通信、USB通信或2.4G无线短程通信。

9.一种如权利要求1～8任一项所述的作物冠层温度和土壤墒情数据监测系统的应用，其特征在于：作物冠层温度和土壤墒情数据监测系统监测到的作物冠层温度、空气温度和湿度以及包含土壤剖面水分、温度和水势的土壤墒情数据的应用过程为：

(1)数据采集与处理；

红外测温传感器将采集到的n个点的作物冠层温度模拟信号依次通过多路复用开关和模数转换器转换成数字信号，并将数字信号传输至微处理器进行处理；微处理器采用预设程序自动剔除其中的最大值和最小值，存储剩余n-2个作物冠层温度数据及其平均值并同时传输至服务器；

土壤水分传感器、土壤温度传感器和土壤水势传感器分别将采集的各层土壤剖面的水分含量、温度和水势的模拟信号依次通过多路复用开关和模数转换器转换成数字信号，并将数字信号传输至微处理器进行处理；微处理器直接存储接收到的数字信号，并采用预设程序计算土壤表层至根层1m内的平均土壤含水量，计算结果传输至服务器；

空气温湿度传感器与红外测温传感器同步采集空气温度和湿度数据后，传输至微处理器进行存储并同时传输至服务器进行处理；

(2)多指标模糊综合灌溉决策；

根据红外测温传感器、空气温湿度传感器、土壤水分传感器、土壤温度传感器和土壤水势传感器采集的作物冠层温度、空气温度和湿度以及土壤剖面的水分、温度和水势信息，服务器计算作物冠气温差和作物根层平均土壤含水率，其具体过程为：

①通过调用MATLAB程序的Fuzzy Logic工具箱GUI，服务器根据预设模糊规则产生的*.fis文件对作物冠气温差和作物根层平均土壤含水率进行模糊计算；

②根据所选择的作物类型、计算得到的作物冠气温差值和根层土壤平均含水率以及预设的权重值，在服务器中唯一确定多指标模糊决策模型；

③服务器根据多指标模糊决策模型对干旱情况进行判断，并根据根层土壤平均含水率对需灌水量进行计算，实现对目标区域的灌溉预报。