БЕСПРОВОДНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОНТРОЛЯ МИКРОКЛИМАТА ПОЧВЫ
WIRELESS DEVICE FOR CONTROL OF MICROCLIMATE OF SOIL

Изобретение относится к области исследований или анализа материалов путем определения их химических или физических свойств, в частности к измерительной технике, предназначенной для контроля параметров локальных земельных участков различного назначения в экологических, агротехнических и других целях.
Известен влагомер почвы, содержащий клиновидное устройство заглубления, ограничитель, два измерительных электрода, источник постоянного тока, измеритель проводимости, усилитель, аналого-цифровой преобразователь и цифровой индикатор, в котором электроды закреплены на устройстве заглубления с изолятором последовательно по ходу транспортного средства (Патент № 49270RU. Опубл. 10.11.2005).
Однако известный влагомер почвы предназначен для использования в полевых условиях при движении транспортного средства и не способен к работе в автономных условиях, кроме того, он не оборудован системой беспроводной связи.
Известно беспроводное устройство для измерения содержания влаги в почве путем измерения диэлектрической проницаемости почвы, позволяющее либо периодически передавать этот параметр по беспроводному каналу, либо выводить уровень влажности почвы на встроенный индикатор, способное использоваться в сочетании с системами управления орошением. Устройство содержит электродную часть, которая представляет собой либо свитую между собой пару проводов, либо пару полосковых электродов, нанесенных на изолированное от окружающей среды основание, либо пару полосковых электродов, нанесенных на вилочную конструкцию, причем межэлектродная емкость измеряется при помощи микроконтроллера, преобразующего полученный результат в натуральные единицы и выводящего этот результат на индикатор устройства и (или) передающего этот параметр по радиоканалу на устройство регистрации и (или) управления (Номер международной публикации US 2010/0109685 A1. Дата публикации 06.05.2010).
Данное устройство предназначено для измерения влажности только в одном почвенном слое и не имеет датчиков температуры почвы, что существенным образом сокращает объем предоставляемой им информации.
Известно устройство измерения параметров атмосферы, содержащее блок датчиков, включающий датчик температуры воздуха, датчик относительной влажности воздуха, датчик атмосферного давления, трехкоординатный ультразвуковой анемометр, электромагнитный компас, датчик температуры почвы, блок обработки информации, пульт оператора, преобразователь напряжения блока датчиков, преобразователь напряжения пульта оператора и блок сопряжения, выполненное с возможностью самоконтроля с передачей результатов на устройство индикации объекта эксплуатации за счет встроенного программного обеспечения и снабженное внешним источником электропитания, информационно-управляющим модулем носителя и узлом двухкоординатного инклинометра, при этом блок датчиков выполнен с возможностью прямой передачи информации на информационно-управляющий блок носителя, информационно-управляющий модуль носителя соединен с блоком обработки информации, а внешний источник электропитания соединен через канал связи с преобразователем напряжения блока датчиков, причем узел двухкоординатного инклинометра соединен с блоком обработки информации и снабжен по меньшей мере двумя расположенными во взаимно перпендикулярных плоскостях чувствительными элементами, выполненными с возможностью измерения и контроля углов отклонения от вертикали продольной и поперечной осей носителя, при этом оно снабжено блоком спутниковой навигации, выполненным с возможностью определения текущих показаний координат в реальном масштабе времени и получения сведений от датчиков с жестко закрепленной внутри малогабаритной антенной и выполненным в виде печатной платы с двухсторонним расположением элементов встроенным навигационным приемником, при этом блок спутниковой навигации выполнен с возможностью параллельного приема и обработки сигналов навигационных спутников, а навигационный приемник снабжен взаимосвязанными цифровым модулем обработки, модулем сопряжения, модулем подавления помех, модулем питания и разъемами, причем антенна соединена с навигационным приемником посредством радиочастотного кабеля (Патент RU 162914. Опубл. 27.06.2016).
Однако известное устройство не снабжено датчиком влажности почвы, имеет сложную конструкцию и избыточность функционала, в частности, наличие блока спутниковой навигации для стационарно устанавливаемого устройства не является необходимостью, поскольку точка установки устройства измерения параметров атмосферы заведомо известна. Кроме того, наличие дополнительного узла повышает энергопотребление устройства, что является критичным для систем с автономным питанием. Данное устройство имеет элементы коррекции с целью повышения точности измерения параметров атмосферы при отклонении от вертикальной оси (инклинометр), что в условиях стационарного размещения также является избыточным и влечет за собой повышение энергопотребления устройства. Вывод измеряемых параметров атмосферы осуществляется на пульт оператора, который подключен к устройству проводной линией связи, что делает невозможным удаленный контроль.
Известно устройство для измерения уровня влаги в почве и передачи этой информации в цифровом виде с помощью специальной системы связи. Устройство содержит зонд в виде усеченного конуса из полимерного материала, заканчивающегося металлическим стержнем, который соединен с кабелем. Специальная система связи содержит жидкокристаллический дисплей, радиопередатчик и порт USB для подключения к компьютеру. Монтажная плата содержит микропроцессор, источник питания (Номер международной публикации WO/2016/163898. Дата публикации 13.10.2016).
Однако  известное устройство имеет следующие недостатки:
- измерительно-передающая часть выполнена в виде герметичного корпуса, размещенного на уровне земли ниже уровня растительности, что ухудшает прохождение радиосигнала, при этом подъем антенны потребует отдельного устройства (держателя антенны), а кабель до антенны может быть поврежден в процессе эксплуатации;
- датчик легко потерять при размещении его среди растительности;
- конструктивно датчик состоит из двух компонентов: измерительной штанги с чувствительным элементом, имеющим сложную конструкцию, и головной части (модуля детектора), в которой размещена измерительно-передающая часть датчика. Такая конструкция датчика требует надежного герметичного соединения ее элементов, что приводит к усложнению процесса производства.
Известен многосекторный датчик влажности почвы, содержащий несколько чувствительных элементов, использующих емкостный способ измерения влажности почвы и размещенных внутри трубы, изготовленной из полимерного материала. Чувствительные элементы в этой конструкции сформированы из одной общей обкладки и индивидуальных обкладок на каждом из уровней измерения. Датчик может иметь как проводное, так и беспроводное исполнение (Номер заявки GB 201520284. Номер публикации GB2544497. Дата публикации 24.05.2017).
Однако в известном многосекторном датчике влажности почвы измерительно-передающая часть датчика размещена ниже уровня растительности на уровне земли, что, при беспроводном исполнении, может привести к ухудшению прохождения радиосигнала от датчика, поскольку для беспроводной связи в подобных решениях используются сигналы на радиочастотах свыше 300 МГц, которые хорошо поглощаются молекулами воды. Таким образом, сухая растительность слабо мешает распространению радиосигнала, а влажная активно его поглощает. Кроме того, на указанных частотах радиоволна имеет слабо выраженную способность к огибанию препятствий, антенна беспроводного датчика для обеспечения надежной связи должна быть вынесена выше уровня растительности. Дискутируемое выше, по отношению к рассматриваемому датчику, потребует установки дополнительной стойки для антенны и реализации проводного соединения с антенной, что усложняет использование решения. Наряду с описанным, такое размещение датчика затрудняет его визуальное обнаружение в поле при необходимости (проведение сельхозработ, демонтаж по завершении сезона, необходимость настройки или ремонта). При этом корпус датчика представляет собой сложное изделие, состоящее, по меньшей мере, из двух частей: трубы, в которой размещены чувствительные емкостные элементы, и головной части, в которой находится измерительно-передающая часть датчика. Такое конструктивное решение приводит к необходимости надежного герметичного соединения этих двух частей, что усложняет процесс производства.
Известен датчик влажности почвы, представляющий собой винтовую конструкцию, позволяющую вкручивать датчик в грунт по принципу бура, причем емкостные чувствительные элементы выполнены в ложбинках бура спиральным образом, а измерительно-передающая часть, включающая в себя радиомодуль, микроконтроллер и автономный источник питания, размещена в корпусе, присоединенном к заглубляемой части датчика (Номер публикации US 20170254766 А1. Опубл. 07.09.2017).
Однако известный датчик влажности почвы имеет следующие недостатки:
- размещение измерительно-передающей части ниже уровня растительности на уровне земли ухудшает распространение радиосигнала, а вынос антенны на отдельную стойку потребует прокладки кабеля, который может быть поврежден в процессе эксплуатации;
- датчик сложно визуально обнаружить при нахождении его среди растений;
- конструктивно датчик состоит из двух компонентов – бура с чувствительными элементами и головной части, в которой размещена измерительно-передающая часть датчика. Такая конструкция датчика требует надежного герметичного соединения ее элементов, что приводит к усложнению процесса производства.
Известны система и метод зондирования влажности почвы, в которой конструкция датчика влажности почвы имеет несколько емкостных сенсоров на различных уровнях, датчик выполнен в виде трубы, внутри которой размещены чувствительные элементы, и корпуса, смонтированного в верхней части трубы и содержащего в себе измерительно-передающую часть, включающую в себя радиомодуль, микроконтроллер и автономный источник питания. Особенностью данной конструкции является использование в качестве датчика влажности емкостного чувствительного элемента в составе колебательного LC-контура (Номер международной заявки PCT/US2016/053471. Номер публикации WO/2017/053816. Дата публикации 30.03.2017).
Однако в известных системе и методе зондирования влажности почвы датчика корпус, в котором находится измерительно-передающая часть, размещен на уровне земли ниже уровня растительности. Такое размещение усложняет прохождение радиосигнала от датчика. Вынос антенны выше уровня растительности приведет к необходимости установки отдельной стойки для антенны и прокладки кабеля, который может быть поврежден. Кроме того, корпус датчика состоит из двух основных частей: несущей трубы, в которой размещаются емкостные чувствительные элементы, и корпуса с измерительно-передающей частью. Такая конструкция корпуса требует обеспечения надежного герметичного соединения его частей, что усложняет конструкцию датчика. Размещение датчика на уровне земли снижает возможность его визуального обнаружения в случае необходимости.
Задачей настоящего изобретения является разработка простой конструкции беспроводного устройства, предупреждающей обрыв кабеля, и без дополнительной гарнитуры.
Технический результат проявляется в увеличении надежности беспроводной связи с устройством, упрощении его визуального обнаружения, упрощении конструкции, расширении функционала устройства.
Поставленная задача решается тем, что в беспроводном устройстве для контроля микроклимата почвы, содержащем корпус, установленные в нем и соединенные между собой измерительно-передающие элементы, включающие датчики, источник питания, корпус, выполненный из внешней и внутренней труб, установленных коаксиально по отношению друг к другу посредством не менее трех центрирующих колец, расположенных на наружной поверхности внутренней трубы, при этом на нижнем торце внешней трубы установлена заглушка, выполненная в виде цилиндра, один из торцов которого выполнен в виде остроконечного конуса, на верхнем торце внешней трубы установлена заглушка, выполненная в виде ступенчатого цилиндра, внешняя, внутренняя трубы и заглушки выполнены из полимерного материала, вдоль внутренней полости внутренней трубы размещены взаимосвязанные автономный источник питания, измерительно-передающая часть в виде печатной платы с размещенными на ней микроконтроллером и радиомодулем, подключенная к антенне, расположенной в верхней части внутренней трубы, на наружной поверхности внутренней трубы в нижней части закреплено не менее одного емкостного датчика, соединенного с измерительно-передающей частью посредством линии связи.
Целесообразно, для измерения уровня освещенности в верхнюю заглушку установить датчик светового потока необходимого спектра, соединенный с измерительно-передающей частью посредством линии связи.
Целесообразно, для измерения температуры воздуха в припочвенном слое и (или) температуры почвы на внешней поверхности внутренней трубы установить не менее одного датчика температуры, соединенного с измерительно-передающей частью посредством линии связи.
Целесообразно, для обеспечения связи с внешними устройствами на внешней поверхности внутренней трубы разместить не менее одной приемной катушки индуктивности, соединенной с измерительно-передающей частью посредством линии связи. Предполагается, что внешнее устройство должно иметь передающую катушку индуктивности, которая может быть размещена легкосъемным способом (надета и закреплена) на внешней поверхности внешней трубы в точке размещения его приемной катушки.
Настоящее изобретение поясняется подробным описанием, чертежами, на которых:
Фиг. 1 - показывает разрез общего вида конструкции беспроводного устройства для измерения микроклимата почвы (далее устройство);
Фиг. 2 – показывает размещение датчика светового потока в верхней заглушке;
Фиг. 3 – показывает размещение датчика температуры на внешней поверхности внутренней трубы;
Фиг. 4 – показывает размещение приемной катушки индуктивности на внешней поверхности внутренней трубы.
Устройство выполнено в виде двух установленных коаксиально друг в друга полимерных труб. На внешней трубе 1 установлена на нижнем торце заглушка 2, выполненная в виде цилиндра, один из торцов которого выполнен в виде остроконечного конуса (Фиг.1). На верхнем торце внешней трубы 1 установлена заглушка 3, выполненная в виде ступенчатого цилиндра.
Внутренняя труба 4 зафиксирована внутри внешней трубы 1 при помощи трех и более центрирующих колец 5.
Внешняя труба 1, заглушки 2 и 3, внутренняя труба 4 выполнены из полимерного материала.
Внутри внутренней трубы 4 размещена измерительно-передающая часть, выполненная в виде печатной платы 6, на которой размещены микроконтроллер 7 и радиомодуль 8. Измерительно-передающая часть соединена с автономным источником питания 9.
На поверхности внутренней трубы 4, ближе к заглушке 2 с остроконечным конусом, размещен емкостной датчик 10, который посредством линии связи 11 подключен к измерительно-передающей части.
В верхней части внутренней трубы 4 размещена антенна 12, которая при помощи радиочастотного кабеля 13 подключена к выходу радиомодуля 8.
Устройство размещено в почве с учетом высоты растений 14.
Кроме того, устройство может быть оснащено датчиком светового потока 15 необходимого спектра, который вмонтирован в цилиндрическую заглушку 3, выполненную ступенчатой. Датчик светового потока 15 соединен с  измерительно-передающей частью 6 посредством линии связи 16 (Фиг. 2).
В варианте выполнения изобретения датчик 17 температуры воздуха в припочвенном слое и (или) температуры почвы соединяют с измерительно-передающей частью 6 с помощью линии связи 18 (фиг. 3);
Устройство может быть оснащено не менее одной приемной катушкой индуктивности 19, которая посредством линии связи 20 подключена к измерительно-передающей части 6 (фиг.4)
Беспроводное устройство для контроля микроклимата почвы работает следующим образом.
Скомпонованное устройство устанавливают в грунт посредством остроконечного конуса заглушки 2. Над грунтом в верхней части устройства располагается измерительно-передающая часть 6, автономный источник питания 9, радиочастотный кабель 15 и антенна 14.
Измерительно-передающая часть 6 измеряет параметр емкости емкостного датчика 10, пересчитывает этот параметр в процентный уровень влажности и отправляет эту информацию по радиоканалу посредством антенны 12, размещенной выше уровня растительности 14.
Для измерения уровня освещенности в верхнюю заглушку устанавливают датчик светового потока 15 необходимого спектра, который подключают к измерительно-передающей части 6 посредством линии связи 16.
Для измерения температуры воздуха в припочвенном слое и (или) температуры почвы размешают на внешней поверхности внутренней трубы 4 не менее одного датчика температуры 17:  для воздуха – в верхней части внутренней трубы 4, для почвы – в нижней части внутренней трубы 4. Датчик температуры 17 соединяют линией связи 18 с измерительно-передающей частью 6.
Для обеспечения связи с внешними устройствами размещают на внешней поверхности внутренней трубы 4 в ее верхней части не менее одной приемной катушки индуктивности 19, которую подключают к измерительно-передающей части 6 посредством линии связи 20.
Предложенное изобретение позволяет увеличить надежность беспроводной связи с устройством, упрощает его визуальное обнаружение в условиях сельскохозяйственных полей. Кроме того, предложенное устройство имеет простую в изготовлении конструкцию с расширенным функционалом, имеет низкую себестоимость, просто в использовании, предупреждает обрыв кабеля и предназначено к использованию без дополнительной гарнитуры.