一种土壤湿度传感器智能校准系统及其校准方法与流程

1.本发明的技术方案涉及土壤湿度传感器装置，具体地说是一种土壤湿度传感器智能校准系统及其校准方法。


背景技术：

2.在农业领域中，土壤的湿度已经成为农业生产监测的重要参数，因为它影响着土壤中微生物、农作物生长的整个过程。目前湿度传感器技术和无线网络传输技术在农业应用领域中越来越成熟。传感器采集数据，无线传输技术传输数据，设备终端接收数据并处理数据，同时能够发出指令，这几部分构成了一个完整的系统。但是这种系统存在一个明显的缺点，其中某一个环节出现问题，就可能会导致整个系统的崩溃。尤其是当传感器端发生故障，出现数据漂移的时候，会导致设备终端接收到错误的数据，并根据错误的数据发出指令，这可能导致作物的生长发育环境变得不适宜。为克服这一缺陷，现有技术多数是采用多传感器融合方法和人工智能算法进行改进，这两种方法不仅能够精确地检测出土壤湿度传感器的故障而且能解决数据漂移问题，从而提高土壤湿度传感器的测试准确度。但是上述方法会使农业生产成本大幅提高，并且人工智能算法需要大量的数据进行训练，也增加了时间成本。因此深入研究土壤湿度传感器的工作原理，从其电路结构中找出改进方法，是今后土壤湿度传感器的重点发展方向。
3.cn106248522b公开了一种关于土壤墒情传感器的实验室校准方法，此方法需要设定土壤的容重和体积含水率，并在实验室依次记录传感器测量值，是一种实验室校准方法。cn105158108b公开了一种基于原状土柱的电容式土壤水分传感器校准方法，需要通过现场采集原状土柱，在实验室通过称重法来测量土壤的含水量对传感器进行校准。这两种校准方法都需要在实验室采用实验的方法记录数据，效率低下。而cn105021218b一种数字土壤湿度传感器批量校准仪的水浸式校准方法虽然不需要记录数据就可以实现传感器的自动校准，但是需要将各个校准地点的土壤作为样本采集到实验室，而采集到实验室的土壤的变化和田间土壤的变化并不是同步的，因此会导致校准出现误差。
4.总之，土壤湿度传感器的校准方法的现有技术存在效率低下和导致校准出现误差的缺陷。


技术实现要素：

5.本发明所要解决的技术问题是：提供一种土壤湿度传感器智能校准系统及其校准方法，适时精确地完成土壤湿度传感器校准，及时获得被测土壤的湿度，克服了现有技术的土壤湿度传感器校准方法所存在效率低下和导致校准出现误差的缺陷。
6.本发明解决该技术问题所采用的技术方案是：一种土壤湿度传感器智能校准系统，包括电源模块、控制单元、驱动单元、继电器、调理单元和探针单元，上述各个部分的连接方式是：电源模块分别连接控制单元、驱动单元、继电器、调理单元和探针单元，并为该五个部分供电；控制单元连接驱动单元；驱动单元又分别连接继电器和调理单元；继电器又分
别连接调理单元和探针单元。
7.上述土壤湿度传感器智能校准系统，所述调理单元的构成是：包括继电器的电磁阀开关部分和调理单元内置的调理电容，继电器的电磁阀开关部分包括开关i和开关ⅱ，开关ⅱ设置有十二个位置，调理单元内置的调理电容包含十二个大小分别是2pf、4pf、5pf、7pf、9pf、10pf、12pf、14pf、15pf、17pf、20pf、22pf的电容。
8.上述土壤湿度传感器智能校准系统，所述电源模块采用开关型电压转换电路。
9.上述土壤湿度传感器智能校准系统，所述控制单元由微处理器和其外围的电路构成。
10.上述土壤湿度传感器智能校准系统，所述电源模块的作用是用以供给各个单元电路和继电器所需电能；所述控制单元的作用是接收土壤传感器采集的数据，切换校准模式与测量模式，进行数据分析和校准；所述驱动单元的作用是根据指令切换继电器中的电磁阀开关；所述继电器的作用是通过切换其内部电磁阀开关的位置来切换校准模式和测量模式；所述调理单元的作用是通过继电器内部电磁阀开关的位置来切换校准模式和测量模式，在校准模式下，继电器内部电磁阀开关会依次切换连接到调理单元内置的各个大小不同的调理电容，电容接通之后，会进行充电和放电，由于电容充电和放电，土壤湿度传感器采集到读数，得到电压
‑
电容的关系曲线，在测量模式下继电器内部电磁阀开关会切换连接探针单元，进行土壤湿度的测量；所述探针单元的作用是直接测量土壤湿度环境。
11.上述土壤湿度传感器智能校准系统，所述电源模块采用商购的mdr
‑
20
‑
24型号，控制单元采用商购的stc89c52单片机，驱动单元采用商购的2sb1316型号，继电器采用商购的hfd4型号，探针单元采用商购的fdr
‑
100型号。
12.上述土壤湿度传感器智能校准系统，所述构成部分的元器件均通过公知途径获得。
13.上述土壤湿度传感器智能校准系统的校准方法，具体操作如下：在该系统的控制单元内预先编写好土壤湿度传感器智能校准系统的校准方法的计算机程序，使用控制单元的stc89c52的定时器设定定时校准时间为四天，系统一启动，先进行控制单元的初始化，然后控制单元向驱动单元发送校准指令或测量指令，当控制单元发出校准指令，驱动单元根据控制单元发出的校准指令切换调理单元中的继电器的电磁阀开关部分到开关ⅱ位置，进入校准模式，在校准模式下，通过继电器控制调理电路，调整不同电容值的电容来模拟出不同湿度的土壤，将得到的不同电容值用多项式插值方法生成电容与湿度的曲线，然后将其与原始曲线对比生成校准曲线，具体地说是驱动单元根据控制单元发出不同的指令切换调理单元中所包含的继电器的电磁阀开关部分的开关ⅱ的十二个不同的开关的位置，即依次分别切换连接到调理单元内置的调理电容所包含的十二个电容，该十二个电容大小分别是2pf、4pf、5pf、7pf、9pf、10pf、12pf、14pf、15pf、17pf、20pf、22pf的电容，电容接通之后，会进行充电和放电，由于电容充电和放电，土壤湿度传感器采集到读数，控制单元根据不同电容值通过多项式插值的方法绘制出电容值与土壤湿度的关系曲线，即实测的电压
‑
电容的二维曲线，分别是标准电压
‑
电容曲线和实测电压
‑
电容曲线，标准电压
‑
电容曲线是系统内置无误差、无故障时的电压
‑
电容曲线，实测电压
‑
电容曲线是系统在使用过程中测得的电压
‑
电容曲线，将实测电压
‑
电容曲线与标准电压
‑
电容曲线比较，依此绘制出校准曲线；当控制单元发出测量指令，驱动单元根据控制单元发出的测量指令切换调理单元中的继电器
的电磁阀开关部分到开关i，进入测量模式，在切换到测量模式时，如果数据发生漂移，根据校准模式中生成的校准曲线，对采集到的数据经在终端采用嵌入式二元回归分析法进行处理，得到补偿校准效果曲线，从而实现数据校准，具体操作为：首先进行实验标定，即根据大量的实验获得可靠的实验数据，再利用matlab软件编程处理得到的这些实验数据，计算出的二元回归方程系数，将计算出的系数代回设定的二元回归方程后，即得到表示存在探头腐蚀影响的土壤湿度传感器的输入
‑
输出关系，最后根据该输入
‑
输出关系进行数据校准，得到探头未经使用的无偏状态下准确的湿度值；在测量模式下，即在实际测量土壤湿度时，调理单元中的继电器的电磁阀开关部分被到切换开关i，使继电器的电磁阀开关连接到探针单元，由探针单元采集土壤湿度信息，采集到的土壤湿度信息数据通过控制单元的stc89c52的io口传入控制单元，控制单元根据在校准模式下生成的校准曲线进行数据漂移校准，校准曲线是误差值与电压之间的函数关系，依据此校准曲线对采集到的土壤湿度数据进行数据补偿，完成土壤湿度传感器校准，在测量模式下，土壤湿度传感器智能校准系统根据校准曲线对采集到的数据进行补偿校准，得到的校准曲线是误差值
‑
电压的关系，采集到的数据是电压
‑
时间的关系，电压
‑
时间关系中的电压值对应误差值
‑
电压的误差值为补偿值，采集到的电压加上补偿值就是校准后的值，再经过ad转换得到准确的土壤湿度数据，完成土壤湿度传感器校准，最终适时获得被测土壤的湿度。
14.上述土壤湿度传感器智能校准系统的校准方法，所述多项式插值的方法、嵌入式二元回归分析法、matlab软件编程均是是本技术领域公知的方法。
15.上述土壤湿度传感器智能校准系统的校准方法中的操作方法是本领域技术人员能够掌握的。
16.本发明的有益效果是：与现有技术相比，本发明具有以下突出的实质性特点：
17.(1)本发明发明人深入研究土壤湿度传感器的工作原理，从其总体电路结构中找出改进方法，是今后土壤湿度传感器的重点发展方向。基于上述理念，本发明土壤湿度传感器智能校准系统通过在土壤湿度传感器内部加入调理单元，在校准模式下，土壤湿度传感器通过继电器切换将发生偏差的调理电路用内置的标准电容代替以模拟土壤湿度值，通过多项式插值的方法绘制出电压
‑
电容的二维曲线，与原内置电压
‑
电容比较，绘制出校准曲线；在测量模式下，土壤湿度传感器智能校准系统根据校准曲线对采集到的湿度信息数据进行补偿校准，完成土壤湿度传感器校准，最终适时获得被测土壤的湿度。
18.(2)本发明土壤湿度传感器智能校准系统涉及到的模块较多、电路复杂，要求保护的技术方案不是本领域技术人员轻而易举就能得到的。
19.(3)本发明土壤湿度传感器智能校准系统的工作流程中，采用预先写好计算机程序指令，不同的指令选择继电器开关的位置，以此来达到选择不同电容的目的，不同的指令也选择不同的工作模式。
20.(4)本发明土壤湿度传感器智能校准系统中的调理单元5内放置不同大小的电容并且将其并联连接，以节省空间。
21.(5)本发明土壤湿度传感器智能校准系统中的电源模块1采用开关型电压转换电路，来实现对不同电压要求的传感器单元供电。
22.与现有技术相比，本发明具有以下显著进步：
23.(1)本发明一种土壤湿度传感器智能校准系统是一种实时实地进行故障诊断和参
数校准的土壤湿度传感器智能校准系统，克服了土壤湿度传感器的校准方法的现有技术存在效率低下和导致校准出现误差的缺陷。
24.(2)与cn106248522b公开的一种关于土壤墒情传感器的实验室校准方法和cn105158108b公开的一种基于原状土柱的电容式土壤水分传感器校准方法相比，本发明不需要在实验室循环制作土样，也不需要记录实验数据，只需要将动态土壤传感器校准装置埋入土壤，即能够实现定期适时地自动完成土壤湿度传感器校准，极大地提高了土壤湿度传感器校准的校准效率。
25.(3)与cn105158108b公开的一种基于原状土柱的电容式土壤水分传感器校准方法相比，本发明不需要现场采集原状土柱和在实验室通过称重法来测量土壤的含水量对传感器进行校准，本发明只需将传感器埋入土壤中，其能够实现定期适时地自动完成土壤湿度传感器校准，极大地提高了土壤湿度传感器校准的校准效率。
附图说明
26.下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
27.图1为一种土壤湿度传感器智能校准系统构成示意框图。
28.图2为一种土壤湿度传感器智能校准系统实体构造示意透视图。
29.图3为一种土壤湿度传感器智能校准系统构成中的调理单元5的构成及其周围电路示意图。
30.图4为土壤湿度传感器智能校准系统的校准方法中的实测得到的电压
‑
电容二维曲线图。
31.图5为土壤湿度传感器智能校准系统的校准方法中的在校准模式下生成的校准曲线图。
32.图6为土壤湿度传感器智能校准系统的校准方法中，对采集到的数据经在终端采用嵌入式二元回归分析法进行处理得到的补偿校准效果曲线示意图。
33.图7为土壤湿度传感器智能校准系统的校准方法的计算机程序示意图。
34.图中，1.电源模块，2.控制单元，3.驱动单元，4.继电器，5.调理单元，6.探针单元，7.土壤湿度传感器外壳，8.调理单元内置的调理电容，i.继电器的电磁阀开关i，ⅱ.继电器的电磁阀开关ⅱ，a.控制单元的stc89c52的io口，b.继电器4的电磁阀开关部，c.调理单元内置的调理电容8，d.探针单元6。
具体实施方式
35.实施例1
36.本实施例为一种土壤湿度传感器智能校准系统的构成，如图1一种土壤湿度传感器智能校准系统构成示意框图所示，包括电源模块1、控制单元2、驱动单元3、继电器4、调理单元5和探针单元6，上述各个部分的连接方式是：电源模块1分别连接控制单元2、驱动单元3、继电器4、调理单元5和探针单元6，并为该五个部分供电；控制单元2连接驱动单元3；驱动单元3又分别连接继电器4和调理单元5；继电器4又分别连接调理单元5和探针单元6。
37.本实施例的一种土壤湿度传感器智能校准系统的实体构造如图2一种土壤湿度传感器智能校准系统实体构造示意透视图所示，包括电源模块1、继电器4、调理单元5及其所
包含的调理单元内置的调理电容8、探针单元6、土壤湿度传感器外壳7。
38.本实施例的一种土壤湿度传感器智能校准系统中的调理单元5及其周围电路如图3所示，调理单元5包括b和c两部分，b部分为继电器4的电磁阀开关部分，该部分包括开关i和开关ⅱ，c部分为调理单元内置的调理电容8，调理电容8包含十二个大小分别是2pf、4pf、5pf、7pf、9pf、10pf、12pf、14pf、15pf、17pf、20pf、22pf的电容；调理单元5的周围电路包括a和d两部分,a部分为控制单元的stc89c52的io口，d部分为探针单元6。
39.上述电源模块1采用商购的mdr
‑
20
‑
24型号，控制单元2采用商购的stc89c52单片机，驱动单元3采用商购的2sb1316型号，继电器4采用商购的hfd4型号，探针单元6采用商购的fdr
‑
100型号。
40.本实施例的一种土壤湿度传感器智能校准系统，其中所述构成部分的元器件均通过公知途径获得。
41.实施例2
42.本实施例为实施例1的一种土壤湿度传感器智能校准系统的校准方法，具体操作如下：在该系统的控制单元2内预先编写好如图7所示的土壤湿度传感器智能校准系统的校准方法的计算机程序，使用控制单元2的stc89c52的定时器设定定时校准时间为四天，系统一启动，先进行控制单元2的初始化，然后控制单元2向驱动单元3发送校准指令或测量指令，当控制单元2发出校准指令，驱动单元3根据控制单元2发出的校准指令切换调理单元5中的继电器4的电磁阀开关部分到开关ⅱ位置，进入校准模式，在校准模式下，通过继电器4控制调理电路5，调整不同电容值的电容来模拟出不同湿度的土壤，将得到的不同电容值用多项式插值方法生成电容与湿度的曲线，然后将其与原始曲线对比生成校准曲线，具体地说是驱动单元3根据控制单元发2出不同的指令切换调理单元5中所包含的继电器4的电磁阀开关部分的开关ⅱ的十二个不同的开关的位置，即依次分别切换连接到调理单元5内置的调理电容8所包含的十二个电容，该十二个电容大小分别是2pf、4pf、5pf、7pf、9pf、10pf、12pf、14pf、15pf、17pf、20pf、22pf的电容，电容接通之后，会进行充电和放电，由于电容充电和放电，土壤湿度传感器采集到读数，控制单元2根据不同电容值通过多项式插值的方法绘制出电容值与土壤湿度的关系曲线，即如图4所示的实测的电压
‑
电容的二维曲线，分别是标准电压
‑
电容曲线和实测电压
‑
电容曲线，标准电压
‑
电容曲线是系统内置无误差、无故障时的电压
‑
电容曲线，实测电压
‑
电容曲线是系统在使用过程中测得的电压
‑
电容曲线，将实测电压
‑
电容曲线和标准电压
‑
电容曲线相减，依此绘制出如图5所示的校准曲线；
43.当控制单元发出测量指令，驱动单元3根据控制单元2发出的测量指令切换调理单元5中的继电器4的电磁阀开关部分到开关i，进入测量模式，在切换到测量模式时，如果数据发生漂移，根据校准模式中生成的校准曲线，对采集到的数据经在终端采用嵌入式二元回归分析法进行处理，得到补偿校准效果曲线，从而实现数据校准，具体操作为：首先进行实验标定，即根据大量的实验获得可靠的实验数据，再利用matlab软件编程处理得到的这些实验数据，计算出的二元回归方程系数，将计算出的系数代回设定的二元回归方程后，即得到表示存在探头腐蚀影响的土壤湿度传感器的输入
‑
输出关系，最后根据该输入
‑
输出关系进行数据校准，得到探头未经使用的无偏状态下准确的湿度值；在测量模式下，即在实际测量土壤湿度时，调理单元5中的继电器4的电磁阀开关部分被到切换开关i，使继电器4的电磁阀开关连接到探针单元6，由探针单元6采集土壤湿度信息，采集到的土壤湿度信息数
据通过控制单元的stc89c52的io口传入控制单元2，控制单元2根据在校准模式下生成的校准曲线进行数据漂移校准，校准曲线是误差值与电压之间的函数关系，依据此校准曲线对采集到的土壤湿度数据进行数据补偿，完成土壤湿度传感器校准；实际操作中，用户只要通过控制单元中的stc89c52的定时器设定定时校准时间长度为四天，设定好定时校准时间后，该土壤湿度传感器智能校准系统会定时进入校准模式，生成校准曲线后，土壤湿度传感器智能校准系统又会自动进入测量模式，在测量模式下，土壤湿度传感器智能校准系统根据校准曲线对采集到的数据进行补偿校准，得到的校准曲线是误差值
‑
电压的关系，采集到的数据是电压
‑
时间的关系，电压
‑
时间关系中的电压值对应误差值
‑
电压的误差值为补偿值，采集到的电压加上补偿值就是校准后的值，再经过ad转换得到准确的土壤湿度数据，完成土壤湿度传感器校准，最终适时获得被测土壤的湿度。当数据发生漂移时，根据校准模式中生成的校准曲线，对采集到的数据经在终端采用嵌入式二元回归分析法进行处理，得到如图6所示补偿校准效果曲线，从而实现数据校准，具体操作为：首先进行实验标定，即根据大量的实验获得可靠的实验数据，再利用matlab软件编程处理得到的这些实验数据，计算出的二元回归方程系数，将计算出的系数代回设定的二元回归方程后，即得到表示存在探头腐蚀影响的土壤湿度传感器的输入
‑
输出关系，最后根据该输入
‑
输出关系进行数据校准，得到探头未经使用的无偏状态下准确的湿度值；当控制单元2发出测量指令，驱动单元3根据控制单元2发出的测量指令切换调理单元5中的继电器4的电磁阀开关部分到开关i，进入测量模式，在测量模式下，即在实际测量土壤湿度时，调理单元5中的继电器4的电磁阀开关部分被到切换开关i，使继电器4的电磁阀开关连接到探针单元6，由探针单元6采集土壤湿度信息，采集到的土壤湿度信息数据通过控制单元2的stc89c52的io口传入控制单元2，控制单元2根据在校准模式下生成的图5所示的校准曲线进行数据漂移校准，图5所示的校准曲线是误差值与电压之间的函数关系，依据此校准曲线对采集到的土壤湿度数据进行数据补偿，完成土壤湿度传感器校准，在测量模式下，土壤湿度传感器智能校准系统根据校准曲线对采集到的数据进行补偿校准，得到的校准曲线是误差值
‑
电压的关系，采集到的数据是电压
‑
时间的关系，电压
‑
时间关系中的电压值对应误差值
‑
电压的误差值为补偿值，采集到的电压加上补偿值就是校准后的值，再经过ad转换得到准确的土壤湿度数据，完成土壤湿度传感器校准，最终适时获得被测土壤的湿度。
44.实际操作中，用户只要通过控制单元2中的stc89c52的定时器设定定时校准时间长度为四天，设定好定时校准时间后，该土壤湿度传感器智能校准系统会定时进入校准模式，生成校准曲线后，土壤湿度传感器智能校准系统又会自动进入测量模式，完成土壤湿度传感器的校准。
45.图4显示了土壤湿度传感器智能校准系统的校准方法中实测得到的电压
‑
电容二维曲线图。其中实线为标准电压
‑
电容曲线，是系统内置无误差、无故障时的电压
‑
电容曲线，虚线为实测电压
‑
电容曲线，是系统在使用过程中测得的电压
‑
电容曲线。
46.图5显示了土壤湿度传感器智能校准系统的校准方法中在校准模式下生成的校准曲线图。实测电压
‑
电容曲线和标准电压
‑
电容曲线相减得到校准曲线，依据校准曲线对再测量模式下测得的土壤湿度数据进行补偿。
47.图6显示了土壤湿度传感器智能校准系统的校准方法中对采集到的数据经在终端采用嵌入式二元回归分析法进行处理得到的补偿校准效果曲线示意图。
48.其中图6a、图6b、图6c、图6d、图6e、图6f是分别在六个不同地点做的本发明土壤湿度传感器智能校准系统使用24～44天的测试，图中三条曲线分别是补偿前的含水量
‑
时间的曲线、实际含水量
‑
时间的曲线、补偿后的含水量
‑
时间的曲线，图中可见补偿前的曲线严重偏离实际曲线，而补偿后的曲线与实际曲线接近。
49.图7显示了土壤湿度传感器智能校准系统的校准方法的计算机程序是：开始
→
初始化系统
→
初始化ad采样
→
实测电压
‑
电容曲线和标准电压
‑
电容曲线均初始化为0
→
发出测量指令
→
测量土壤湿度，测得的数值加对应的校准曲线数值为准确湿度数值
→
是否发出校准指令
→
否，返回发出测量指令；是，切换继电器4的开关到
ⅱ→
测得十二个电容对应的读数，更新实测电压
‑
电容曲线
→
与内置标准电压
‑
电容曲线对比，更新校准曲线
→
返回实测电压
‑
电容曲线和标准电压
‑
电容曲线均初始化为0或结束。
50.本实施例校准方法的实测校准结果数据如下表1～6所示：
51.表1.校准数据列表a
[0052][0053]
表1是图6a对应的校准数据列表。
[0054]
表2.校准数据列表b
[0055][0056]
表2是图6b对应的校准数据列表。
[0057]
表3.校准数据列表c
[0058][0059]
表3是图6c对应的校准数据列表。
[0060]
表4.校准数据列表d
[0061][0062]
表4是图6d对应的校准数据列表。
[0063]
表5.校准数据列表e
[0064][0065]
表5是图6e对应的校准数据列表。
[0066]
表6.校准数据列表f
[0067][0068]
表6是图6f对应的校准数据列表,
[0069]
上述表1～6是本发明土壤湿度传感器智能校准系统在6种土壤湿度条件下得到的校准数据列表，补偿前数据是未经校准时测得的土壤湿度数据，实际值是土壤湿度的准确数据，补偿后数据是经过本发明土壤湿度传感器智能校准系统校准后的数据。
[0070]
上述土壤湿度传感器智能校准系统的校准方法，所述多项式插值的方法、嵌入式二元回归分析法、matlab软件编程均是是本技术领域公知的方法。
[0071]
上述土壤湿度传感器智能校准系统的校准方法中的操作方法是本领域技术人员能够掌握的。

技术特征：
1.一种土壤湿度传感器智能校准系统，其特征在于：包括电源模块、控制单元、驱动单元、继电器、调理单元和探针单元，上述各个部分的连接方式是：电源模块分别连接控制单元、驱动单元、继电器、调理单元和探针单元，并为该五个部分供电；控制单元连接驱动单元；驱动单元又分别连接继电器和调理单元；继电器又分别连接调理单元和探针单元。2.根据权利要求1所述一种土壤湿度传感器智能校准系统，其特征在于：所述调理单元的构成是：包括继电器的电磁阀开关部分和调理单元内置的调理电容，继电器的电磁阀开关部分包括开关ⅰ和开关ⅱ，开关ⅱ设置有十二个位置，调理单元内置的调理电容包含十二个大小分别是2pf、4pf、5pf、7pf、9pf、10pf、12pf、14pf、15pf、17pf、20pf、22pf的电容。3.权利要求1所述一种土壤湿度传感器智能校准系统的校准方法，其特征在于：具体操作如下：在该系统的控制单元内预先编写好土壤湿度传感器智能校准系统的校准方法的计算机程序，使用控制单元的stc89c52的定时器设定定时校准时间为四天，系统一启动，先进行控制单元的初始化，然后控制单元向驱动单元发送校准指令或测量指令，当控制单元发出校准指令，驱动单元根据控制单元发出的校准指令切换调理单元中的继电器的电磁阀开关部分到开关ⅱ位置，进入校准模式，在校准模式下，通过继电器控制调理电路，调整不同电容值的电容来模拟出不同湿度的土壤，将得到的不同电容值用多项式插值方法生成电容与湿度的曲线，然后将其与原始曲线对比生成校准曲线，具体地说是驱动单元根据控制单元发出不同的指令切换调理单元中所包含的继电器的电磁阀开关部分的开关ⅱ的十二个不同的开关的位置，即依次分别切换连接到调理单元内置的调理电容所包含的十二个电容，该十二个电容大小分别是2pf、4pf、5pf、7pf、9pf、10pf、12pf、14pf、15pf、17pf、20pf、22pf的电容，电容接通之后，会进行充电和放电，由于电容充电和放电，土壤湿度传感器采集到读数，控制单元根据不同电容值通过多项式插值的方法绘制出电容值与土壤湿度的关系曲线，即实测的电压
‑
电容的二维曲线，分别是标准电压
‑
电容曲线和实测电压
‑
电容曲线，标准电压
‑
电容曲线是系统内置无误差、无故障时的电压
‑
电容曲线，实测电压
‑
电容曲线是系统在使用过程中测得的电压
‑
电容曲线，将实测电压
‑
电容曲线与标准电压
‑
电容曲线比较，依此绘制出校准曲线；当控制单元发出测量指令，驱动单元根据控制单元发出的测量指令切换调理单元中的继电器的电磁阀开关部分到开关ⅰ，进入测量模式，在切换到测量模式时，如果数据发生漂移，根据校准模式中生成的校准曲线，对采集到的数据经在终端采用嵌入式二元回归分析法进行处理，得到补偿校准效果曲线，从而实现数据校准，具体操作为：首先进行实验标定，即根据大量的实验获得可靠的实验数据，再利用matlab软件编程处理得到的这些实验数据，计算出的二元回归方程系数，将计算出的系数代回设定的二元回归方程后，即得到表示存在探头腐蚀影响的土壤湿度传感器的输入
‑
输出关系，最后根据该输入
‑
输出关系进行数据校准，得到探头未经使用的无偏状态下准确的湿度值；在测量模式下，即在实际测量土壤湿度时，调理单元中的继电器的电磁阀开关部分被到切换开关ⅰ，使继电器的电磁阀开关连接到探针单元，由探针单元采集土壤湿度信息，采集到的土壤湿度信息数据通过控制单元的stc89c52的io口传入控制单元，控制单元根据在校准模式下生成的校准曲线进行数据漂移校准，校准曲线是误差值与电压之间的函数关系，依据此校准曲线对采集到的土壤湿度数据进行数据补偿，完成土壤湿度传感器校准，在测量模式下，土壤湿度传感器智能校准系统根据校准曲线对采集到的数据进行补偿校准，得到的校准曲线是误差值
‑
电压的关系，采集到的数据是电压
‑
时间的关系，电压
‑
时间关系中的电压值对应误
差值
‑
电压的误差值为补偿值，采集到的电压加上补偿值就是校准后的值，再经过ad转换得到准确的土壤湿度数据，完成土壤湿度传感器校准，最终适时获得被测土壤的湿度。
技术总结
本发明一种土壤湿度传感器智能校准系统及其校准方法，涉及土壤湿度传感器装置，该系统包括电源模块、控制单元、驱动单元、继电器、调理单元和探针单元，上述各个部分的连接方式是：电源模块分别连接控制单元、驱动单元、继电器、调理单元和探针单元，并为该五个部分供电；控制单元连接驱动单元；驱动单元又分别连接继电器和调理单元；继电器又分别连接调理单元和探针单元；其校准方法中，在校准模式下，通过多项式插值的方法绘制出电压


技术研发人员：宋涛 司玉龙 王彦霖 徐晓辉 高婕 郝淼淼 赵法川 苏彦莽
受保护的技术使用者：河北工业大学
技术研发日：2021.03.25
技术公布日：2021/6/29