【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于环境能量采集，具体涉及一种可实现土壤能量采集与土壤含水率检测的一体化集成系统。
技术介绍
1、土壤无处不在，由于微生物的自然代谢反应，它是可再生的，而且它比其他能源便宜的多。然而，由于土壤类型和成分不同，最大限度地从土壤提取电力，并提供有效的电力输送，仍然面临重大挑战。现有的土壤能量采集技术主要是将两根电极插入土壤中，采集来自氧化还原反应原理下两根电极上的电势差所形成的电能。但由于土壤能量装置本身低电压、高内阻的特性，能量采集效率很低。
2、同时，土壤含水率是农业生产过程中是必不可少的参数，在地质灾害监测中也是一个重要变量。但由于长时间暴露于复杂的野外环境，现有的土壤含水率测量装置的电池和电源线等电源的维护成本较高，如何解决供电问题也是当前相关研究的难点之一。
技术实现思路
1、本专利技术目的在于同时解决土壤能量采集效率低和土壤含水率测量装置电源模块维护成本高的问题，提出了一种可实现土壤能量采集与土壤含水率检测的一体化集成系统。
2、本专利技术通过如下技术方案来解决上述存在的技术问题：一种可实现土壤能量采集与土壤含水率检测的一体化集成系统，包括：检测模块、含水率测量模块和土壤能量采集模块，其中，所述检测模块包括尼龙棒、双螺旋结构的电极和双掷开关，所述电极包括按照双螺旋分布的方式设置在所述尼龙棒外表面的阳极和阴极，所述阳极的输出端与所述双掷开关的固定端电连接，所述阴极的输出端接地；所述含水率测量模块包括依次电连接的采样电阻和测量单元，所述采样电阻
3、本专利技术提出的一种可实现土壤能量采集与土壤含水率检测的一体化集成系统，一方面通过双螺旋结构的电极设计，增加了电极与土壤的接触面积，进而提高了土壤能量采集模块的电能采集效率；另一方面，含水率测量模块在利用土壤能量采集模块采集到的电能的基础上，通过采样电阻将土壤含水率转换为电压值，并由测量单元基于电压值对土壤含水率进行测量，测量方法简单、测量精度高，且无需外接电源。该技术实现了自供电的土壤含水率监测，在智慧农业土壤状况监测与山体滑坡土壤环境监测中拥有应用前景，同时整个系统的检测模块、含水率测量模块和土壤能量采集模块可集成于一体，有利于实现产品的小型化。
4、在一较佳实施例中，还包括显示设备，且所述测量单元还包括通讯接口，所述显示设备与所述通讯接口电连接。由于土壤能量采集的电能有限，若含水率测量模块还设有显示模块，则土壤能量采集模块需要同时为测量单元和显示模块供电，供电压力较大，因此，通过在测量单元设置通讯接口，以外接显示设备的方式，收集含水率测量结果。
5、在一较佳实施例中，所述尼龙棒中部的外表面设有螺旋状的隔离槽，所述阳极和所述阴极通过所述隔离槽固定。由于工作时，检测模块需要插入土壤中，以保证电极与土壤接触，因此，通过在尼龙棒外表面设置用于固定阳极和阴极的螺旋状凹槽，以确保工作时，检测模块结构稳定，阳极和阴极不会发生偏移或松动。
6、进一步的，所述尼龙棒的底部设置呈锥体，所述锥体的横截面积从上到下逐渐缩小。如此设置，使得检测模块可方便、灵活的插入土壤。
7、进一步的，所述尼龙棒顶部的两侧对称设有阳极凹槽和阴极凹槽，所述阳极凹槽和所述阴极凹槽沿所述尼龙棒轴向设置。如此设置，使得工作时，阳极和阴极的输出端能方便的从土壤中引出，以用于和外部电路连接。
8、进一步的，所述尼龙棒呈空心或实心，且所述尼龙棒的横截面呈圆形、方形或多边形。
9、在一较佳实施例中，所述阳极选自以下各者材料中的任一者：锌、铁、铝，所述阴极选自以下各者材料中的任一者：碳、银、铜。在原电池电化学领域，只要阳极材料的失电子能力强于阴极即可实现原电池，其中，对于阳极，锌是最好的材料，也可选择铁、铝，而对于阴极，可以是碳、银、铜中的任一者。
10、在一较佳实施例中，所述能量采集单元包括ltc3105芯片。如此设置，ltc3105芯片能将检测模块输出的开路电压升压至3.3v，且其内置mppc技术可以最大限度地从低电压、高阻抗的土壤能量采集装置中提取电能。
11、在一较佳实施例中，所述电能存储单元为超级电容。
12、在一较佳实施例中，所述测量单元包括msp430单片机。如此设置，msp430单片机内置的adc10、存储单元、处理单元、电源接口和通讯接口，其中，adc10用于将电压信号转换为数字信号，存储单元用于存储通过土壤含水率标定法得到的土壤含水率与电压值的对应关系，处理单元用于根据上述对应关系及由采样电阻的电压信号转换得到的数字信号进行数据分段拟合，得到土壤含水率。
13、相对于现有技术，本专利技术具有以下优点和有益效果：
14、1.本专利技术在检测模块体积相同的情况下，双螺旋结构的电极设计有利于提升土壤的接触面积，进而提升土壤能量采集效率；
15、2.本专利技术利用电压与土壤含水率的对应关系，进行土壤含水率的测量，测量方法简单、测量精度高；
16、3.本专利技术的检测模块、含水率测量模块和土壤能量采集模块可集成于一体，该系统在采集土壤能量的同时还能检测土壤含水率的变化，不需要额外的土壤含水率传感器。
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1.一种可实现土壤能量采集与土壤含水率检测的一体化集成系统，其特征在于，包括：检测模块（1）、含水率测量模块（2）和土壤能量采集模块（3），其中，
2.根据权利要求1所述的一种可实现土壤能量采集与土壤含水率检测的一体化集成系统，其特征在于，还包括显示设备（4），且所述测量单元（22）还包括通讯接口（222），所述显示设备（4）与所述通讯接口（222）电连接。
3.根据权利要求1所述的一种可实现土壤能量采集与土壤含水率检测的一体化集成系统，其特征在于，所述尼龙棒（11）的外表面设有螺旋状的隔离槽（123），所述阳极（121）和所述阴极（122）通过所述隔离槽（123）固定。
4.根据权利要求3所述的一种可实现土壤能量采集与土壤含水率检测的一体化集成系统，其特征在于，所述尼龙棒（11）的底部设置为锥体，所述锥体的横截面积从上到下逐渐缩小。
5.根据权利要求3所述的一种可实现土壤能量采集与土壤含水率检测的一体化集成系统，其特征在于，所述尼龙棒（11）顶部的两侧对称设有阳极凹槽（111）和阴极凹槽（112），所述阳极凹槽（111）和所述阴极
6.根据权利要求3所述的一种可实现土壤能量采集与土壤含水率检测的一体化集成系统，其特征在于，所述尼龙棒（11）呈空心或实心，且所述尼龙棒（11）的横截面呈圆形或多边形。
7.根据权利要求1所述的一种可实现土壤能量采集与土壤含水率检测的一体化集成系统，其特征在于，所述阳极（121）选自以下各者材料中的任一者：锌、铁、铝，所述阴极（122）选自以下各者材料中的任一者：碳、银、铜。
8.根据权利要求1所述的一种可实现土壤能量采集与土壤含水率检测的一体化集成系统，其特征在于，所述能量采集单元（31）包括LTC3105芯片。
9.根据权利要求1所述的一种可实现土壤能量采集与土壤含水率检测的一体化集成系统，其特征在于，所述电能存储单元（32）为超级电容。
10.根据权利要求1所述的一种可实现土壤能量采集与土壤含水率检测的一体化集成系统，其特征在于，所述测量单元（22）包括MSP430单片机。
...【技术特征摘要】
1.一种可实现土壤能量采集与土壤含水率检测的一体化集成系统，其特征在于，包括：检测模块（1）、含水率测量模块（2）和土壤能量采集模块（3），其中，
2.根据权利要求1所述的一种可实现土壤能量采集与土壤含水率检测的一体化集成系统，其特征在于，还包括显示设备（4），且所述测量单元（22）还包括通讯接口（222），所述显示设备（4）与所述通讯接口（222）电连接。
3.根据权利要求1所述的一种可实现土壤能量采集与土壤含水率检测的一体化集成系统，其特征在于，所述尼龙棒（11）的外表面设有螺旋状的隔离槽（123），所述阳极（121）和所述阴极（122）通过所述隔离槽（123）固定。
4.根据权利要求3所述的一种可实现土壤能量采集与土壤含水率检测的一体化集成系统，其特征在于，所述尼龙棒（11）的底部设置为锥体，所述锥体的横截面积从上到下逐渐缩小。
5.根据权利要求3所述的一种可实现土壤能量采集与土壤含水率检测的一体化集成系统，其特征在于，所述尼龙棒（11）顶部的两侧对称设有阳极凹槽（111）和阴极...
【专利技术属性】
技术研发人员：施阁，胡泽楠，贾生尧，孙延伟，施芒，张继成，李青，
申请(专利权)人：中国计量大学，
类型：发明
国别省市：
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