曹春號,楊啟良,李加念,劉小剛,喻黎明
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脈沖式蒸發(fā)器水面蒸發(fā)量手機在線檢測裝置研制
曹春號,楊啟良※,李加念,劉小剛,喻黎明
(昆明理工大學現(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程學院,昆明 650500)
為提高水面蒸發(fā)量的智能檢測水平,研制了一種可以通過手機進行水面蒸發(fā)量在線檢測的裝置。該裝置主要由整體結構穩(wěn)定裝置、傳感器位置固定裝置、調(diào)節(jié)裝置、檢測和脈沖控制模塊、電源模塊及上位機控制計算顯示存儲軟件、物聯(lián)網(wǎng)服務器、數(shù)據(jù)傳輸模塊組成。采用水位檢測傳感器探頭接觸水面后,通過傳感器探頭的電平狀態(tài)變化,對單片機所發(fā)出的脈沖進行計數(shù),推算水面蒸發(fā)量,進行灌溉區(qū)間的動態(tài)計算,實現(xiàn)了水面蒸發(fā)量的在線檢測。結果表明:1)裝置運行可靠:水位傳感器回到初始位置的成功率和單片機開發(fā)板接收到檢測指令的成功率均為100%;2)裝置運行穩(wěn)定,檢測精度較高:試驗測定的脈沖數(shù)的最大極差為3,與人工測量值相比,該裝置測定值最大相對誤差為2.04%;3)單片機所發(fā)出的脈沖數(shù)和水位高度呈現(xiàn)線性關系,決定系數(shù)2達到1;4)田間試驗結果表明,該裝置適應性較好,性能良好,最小相對誤差為0.85%,最大相對誤差為2.68%??梢姡撗b置運行穩(wěn)定可靠,測量精度較高,不僅通過手機實時查看數(shù)據(jù),而且通過手機遠程控制檢測過程,提高了水面蒸發(fā)量在線檢測的智能化水平,研究可為智能化節(jié)水灌溉的灌溉定額提供依據(jù)。
蒸發(fā);蒸發(fā)器;傳感器;脈沖式;在線檢測;水位;智能檢測
水面蒸發(fā)量研究能為水資源評價、農(nóng)作物的精準灌溉提供科學依據(jù)[1]。早在1687年,天文學家哈利(E. Halley)用蒸發(fā)器(皿)觀測水面蒸發(fā)量,20世紀80年代初,中國根據(jù)全國蒸發(fā)試驗資料,確定了不同氣候區(qū)的各類蒸發(fā)器折算系數(shù)及水面蒸發(fā)計算模型[2],為蒸發(fā)器的廣泛使用奠定了科學理論基礎。
近年來,國內(nèi)外眾多學者根據(jù)蒸發(fā)器測得的水面蒸發(fā)量制定農(nóng)作物的灌溉制度[3-9],并根據(jù)水面蒸發(fā)與土壤蒸發(fā)的關系,建立了土壤蒸發(fā)的數(shù)學模型[9-19]。但利用蒸發(fā)器進行水面蒸發(fā)量測量時,需要檢測人員親自前往檢測場地,將定量的清水放在小型蒸發(fā)器中,測量初始水位高度值并記錄,一段時間之后,用量杯測量剩余水位高度值,進行人工計算,所減少的水位高度值與折算系數(shù)的乘積即為水面蒸發(fā)量[20-26]。由此可見,該測量方法中,水位高度的變化是衡量水面蒸發(fā)量大小的重要指標。這種測量方法由于自動化程度低,操作過程繁多,將蒸發(fā)器中的水倒入測量設備時因部分水殘留在器皿內(nèi)壁容易產(chǎn)生水量損失,操作人員讀數(shù)不當或讀數(shù)習慣也會引起誤差,因此存在檢測費時費力,精度不高等突出問 題[27-29]。錢于強等[30]利用日平均空氣溫度、濕度、風速、日照時數(shù)推算蒸發(fā)器日蒸發(fā)量,雖然取得了近似值,但誤差較大。劉小飛等[31]利用馬略特瓶原理,研制了一種自動補水蒸發(fā)器裝置,雖然能對當前水位的高度直接進行讀取,但沒有實現(xiàn)對水面蒸發(fā)量的在線檢測以及灌溉區(qū)間的動態(tài)計算,自動化程度較低。
基于此,本研究旨在研制能夠?qū)崿F(xiàn)水面蒸發(fā)量線檢測的高精度低成本裝置,同時實現(xiàn)手機操作,降低已有水面蒸發(fā)量檢測裝置的成本。
脈沖式蒸發(fā)器水面蒸發(fā)量在線檢測裝置應用需滿足4點要求:1)標定試驗中,得到關系式的線性擬合度較高,且裝置在線檢測精度較高;2)運行過程穩(wěn)定可靠;3)裝置的水位高度歷史檢測結果可通過手機或電腦查看;4)根據(jù)蒸發(fā)器的折算系數(shù),動態(tài)計算水面蒸發(fā)量,結合農(nóng)作物的耗水規(guī)律,確定農(nóng)作物的灌水定額?;谏鲜鲆?,提出該裝置的原理框圖如圖1所示。
圖1 脈沖式蒸發(fā)器水面蒸發(fā)量在線檢測裝置的原理框圖
水位高度采用水位傳感器(廣州市龍戈電子科技有限公司,精度±0.5 mm)檢測,水位傳感器利用紅外光學原理,將檢測的水位信號通過光學傳遞,轉(zhuǎn)換為電信號輸出,通過傳感器采集的電壓信號的變化判別水位情況。如圖2所示,為防止水位傳感器探頭觸碰到蒸發(fā)器的底部而損壞探頭,測量范圍設定為10~70 mm的水位。
1. 傳感器探頭 2. 探頭運動方向 3. 水面 4. 蒸發(fā)器 5. 出水口 6. 傳感器檢測范圍 7. 探頭安全距離 8. 初始位置 9. 水位高度 10. 運動距離
傳感器探頭從固定的初始位置開始運動,未接觸到水面時,處于低電平狀態(tài),當傳感器探頭接觸到水面時,會激發(fā)探頭的高電平狀態(tài),對傳感器探頭開始運動至接觸水面下方深5 mm期間單片機發(fā)出的脈沖進行計數(shù)求和,利用拉格朗日插值法[32]建立脈沖總數(shù)與水位高度的對應關系式,推算水位高度。
檢測人員通過手機app從物聯(lián)網(wǎng)服務器請求加載上次測得水位高度的記錄值,發(fā)送檢測指令,待檢測完成后,手機app將上次測得水位高度的記錄值與本次測得的水位高度值相減,得到的水位差值與預設的折算系數(shù)的乘積,即為蒸發(fā)器水面蒸發(fā)量。
采用Esp8266型數(shù)據(jù)傳輸模塊,實現(xiàn)Arduino Uno單片機開發(fā)板與物聯(lián)網(wǎng)服務器之間的通信,通過行程開關控制檢測前后的復位操作。
該裝置由整體結構穩(wěn)定裝置(底座、支撐桿固定底座、支撐桿構成)、傳感器位置固定裝置(電機固定桿、導軌固定桿、探頭固定桿構成)、檢測和脈沖控制模塊(A/D 轉(zhuǎn)換、步進電機驅(qū)動板、單片機開發(fā)板構成)、傳感器位置調(diào)節(jié)裝置(水位傳感器、絲桿、聯(lián)軸器、絲桿螺母、步進電機、行程開關構成)、電源模塊、物聯(lián)網(wǎng) 服務器、上位機控制計算顯示存儲軟件和數(shù)據(jù)傳輸模塊組成。裝置整體結構如圖3,水位傳感器安裝在探頭固定桿上。選用42BYGH48步進電機(相電壓9 V,步距角1.8°)驅(qū)動絲桿(螺距2 mm),帶動傳感器探頭進行復位和測量。支撐桿上安裝有電機固定桿和導軌固定桿,固定42BYGH48步進電機的位置并為探頭固定桿提供導軌。在導軌固定桿下端設有德力西LXW5-11N1行程開關,以便對裝置進行精準復位。
1. 底座 2. 支撐桿固定底座 3. 支撐桿 4. 導軌固定桿 5. 電機固定桿 6. 行程開關 7. 42BYGH48 步進電機 8. 聯(lián)軸器 9. 絲桿螺母 10. 絲桿 11. 探頭固定桿 12. 傳感器探頭 13. 蒸發(fā)器
檢測和控制模塊由水位傳感器,步進電機驅(qū)動板、單片機開發(fā)板組成,檢測模塊由水位傳感器和單片機連接電路組成,脈沖控制模塊是步進電機驅(qū)動板(圖4)。
注:MS1~MS3為細分選擇端;OUT1A和OUT1B是DMOS全橋A輸出引腳1和2;OUT2A和OUT2B是DMOS全橋B輸出引腳1和2;REST是上電復位引腳;VBB1和VBB2是電機驅(qū)動電源輸入端;STEP為脈沖輸入端;VDD是驅(qū)動板自身所需電源輸入引腳;DIR是電機正反轉(zhuǎn)控制引腳。
2.2.1 檢測模塊
本文選用的水位傳感器的工作電壓為5 V直流電,其輸出方式為模擬電平直流電壓信號,信號端直接連接在自帶A/D轉(zhuǎn)換電路的Arduino Uno單片機開發(fā)板[33]的模擬信號輸入引腳上。
2.2.2 脈沖控制模塊
本文傳感器位置調(diào)節(jié)裝置選用42BYGH48步進電機,其工作電壓為9 V,相電流1.2 A,由A4988步進電機驅(qū)動板提供脈沖驅(qū)動,脈沖由Arduino Uno 單片機數(shù)字輸入/輸出接口提供。該步進電機驅(qū)動板上的MS1、MS2和MS3選擇端可以調(diào)整輸出脈沖的電壓和電流大小,由該步進電機(步距角1.8°)和絲桿(導程8 mm)的特性選擇全步進模式,即MS1~MS3細分選擇端接地或者懸空,達到本裝置所需要的精度[34]。電路板的接口如圖4所示。其控制信號由Arduino Uno單片機數(shù)字輸入/輸出接口提供。
本裝置部件正常工作的電源類型均為直流電,其中Arduino Uno開發(fā)板、42BYGH48步進電機均為9 V,LXW5-11N1行程開關、A4988驅(qū)動模塊和水位傳感器均為5 V,Esp8266數(shù)據(jù)傳輸模塊為3.3 V,且Arduino Uno開發(fā)板上有5和3.3 V電源接口,所以將220 V的交流電通過電源模塊轉(zhuǎn)換為9 V的直流電,提供給Arduino Uno 開發(fā)板和A4988步進電機驅(qū)動板,就可以保證上述部件的正常運行。裝置的供電分配圖如圖5所示。
圖5 脈沖式蒸發(fā)器水面蒸發(fā)量在線檢測裝置供電分配圖
單片機端程序在Arduino1.8.1軟件中用C語言開發(fā),經(jīng)過調(diào)試后,編譯后下載到Arduino Uno自帶的flash中;手機端程序在Xcode 9.4.1中使用Objective-C語言開發(fā),經(jīng)過調(diào)試后,編譯運行安裝到手機上。底層軟件和手機端軟件均采用TCP協(xié)議進行通信,程序流程如圖6所示。
圖6 脈沖式蒸發(fā)器水面蒸發(fā)量在線檢測裝置程序流程圖
手機端軟件的主要功能有:顯示設備ID,可以對本文設計的蒸發(fā)器水面蒸發(fā)量在線檢測裝置發(fā)送測量指令,控制其進行檢測操作,待完成1次檢測操作后,可接收從物聯(lián)網(wǎng)服務器上回傳的消息,實時查看本次測量的水位高度值;顯示上一次測量時的水位高度值、當前預設的折算系數(shù)和灌溉區(qū)間參數(shù),并根據(jù)本次測量的水位高度值、預設的折算系數(shù)、灌溉區(qū)間參數(shù)對水位差值、水面蒸發(fā)量、灌溉區(qū)間進行動態(tài)計算;將每次水位高度測得值存儲在物聯(lián)網(wǎng)服務器并在手機app上對歷史測得值及其對應的測量時間和趨勢圖進行顯示,數(shù)據(jù)不會丟失,可以隨時查看和分析;對于不同型號的蒸發(fā)器、不同的測量月份(折算系數(shù)稍有差別)和不同的農(nóng)作物的灌溉區(qū)間,可以提前對參數(shù)進行預設。
試驗在室內(nèi)進行,試驗水樣選用自來水,水的溫度為20 ℃,密度為0.995 g/mL,室溫為22 ℃,無陽光直射。
將電源模塊接入220 V交流電源,使裝置正常開機,待裝置連接到預設的WiFi網(wǎng)絡后,將蒸發(fā)器放置在傳感器探頭正下方。試驗開始前,應保證蒸發(fā)器和量杯內(nèi)是干燥無水狀態(tài),且進行加水操作后要等蒸發(fā)器中的水面呈靜止狀態(tài)一段時間之后再進行試驗。試驗裝置如圖7所示。
1. 毫米量杯 2. 交流轉(zhuǎn)直流電源模塊 3. 150毫升量筒 4. 滴管 5. A4988步進電機驅(qū)動板 6. Arduino Uno 開發(fā)板 7. Esp8266數(shù)據(jù)傳輸塊
水面蒸發(fā)量檢測精度試驗,分別用毫米量杯(量程:10 mm)量取10、25、40、55、70 mm的自來水,倒入蒸發(fā)器進行測量,模擬水面蒸發(fā)量測量的過程,并進行相對誤差分析。
裝置的性能通過以下3個方面進行測試和驗證: 1)裝置的運行性能的測試,通過人工觀察傳感器探頭能否回到初始位置和能否準確接收檢測指令;2)水面蒸發(fā)量檢測結果的準確性試驗;3)水面蒸發(fā)量檢測結果的數(shù)據(jù)穩(wěn)定性分析。
4.3.1 裝置運行試驗
水位傳感器回到初始位置的成功率為
手機app發(fā)送指令,開發(fā)板接收到指令的成功率為
4.3.2 水面蒸發(fā)量檢測結果的準確性試驗
因為相同蒸發(fā)器的折算系數(shù)相同,只需將人工觀測的水位高度值與裝置測量所得到的水位高度值進行分析比較,驗證裝置檢測結果的準確性。
4.3.3 水面蒸發(fā)量計算所得結果的數(shù)據(jù)穩(wěn)定性
采用試驗設計方法中的數(shù)據(jù)穩(wěn)定性分析方法,在相同水平下所測得的一組數(shù)據(jù),極差越小,越穩(wěn)定。決定系數(shù)越接近1,說明數(shù)據(jù)的線性擬合度越高,所得到的2個變量對應的關系式參考價值越高。
因為傳感器輸出的是模擬電平信號,在裝置接收到手機app所發(fā)送的檢測指令進行檢測的過程中,傳感器探頭在傳感器位置調(diào)節(jié)裝置的帶動下垂直勻速下降,當傳感器探頭未接觸到水面時,處于低電平狀態(tài),當傳感器探頭接觸到水面時,會激發(fā)探頭的高電平狀態(tài)。利用傳感器的這一特性,傳感器探頭從初始位置開始運動過程中,對單片機發(fā)出的脈沖進行計數(shù),直到傳感器探頭接觸到水面,停止對脈沖進行計數(shù)。用量程10 mm的量杯依次量取10.00、15.00、20.00、25.00、30.00、35.00、40.00、45.00、50.00、55.00、60.00、65.00、70.00 mm的自來水,向蒸發(fā)器中加入,每次向蒸發(fā)器中加入自來水后,測量Arduino Uno開發(fā)板發(fā)出的脈沖數(shù),進行3次重復試驗,并將脈沖數(shù)的平均值與水位對應記錄下來,如圖8所示。
圖8 單片機發(fā)出的脈沖個數(shù)和水位的關系
利用數(shù)值分析中的拉格朗日插值法進行計算,得到2個量之間的對應關系式
(3)
式中為水位,mm;為單片機發(fā)出的脈沖數(shù)。
由圖8可知,單片機發(fā)出的脈沖數(shù)與水位為線性關系,決定系數(shù)2達到1。說明用單片機發(fā)出的脈沖個數(shù)的方法推算水位值效果較好。
4.5.1 裝置運行可靠性檢驗
裝置運行結果如表1所示。13個水位水平,3個重復試驗共39個試驗過程中,水位傳感器回到初始位置的成功率為100%。39個試驗過程中,單片機開發(fā)板接收到檢測指令的成功率為100%,說明裝置運行可靠。
表1 脈沖式蒸發(fā)器水面蒸發(fā)量在線檢測裝置運行成功率
4.5.2 裝置運行穩(wěn)定性分析
裝置運行穩(wěn)定性分析見表2,由表可知,測得單片機發(fā)出的脈沖數(shù)的最大極差為3,最小為0,數(shù)據(jù)穩(wěn)定性較好,由圖8可知,2達到1,說明數(shù)據(jù)的線性擬合度較高,所得到的2個變量之間的關系式具有較高的參考價值,從表中可以看出,數(shù)據(jù)呈現(xiàn)出了輕微的波動性,這可能是步進電機運行過程中發(fā)生失步現(xiàn)象造成。
4.5.3 裝置準確性檢驗
在水面蒸發(fā)量的模擬檢測試驗中,水位差值的裝置檢測結果與人工測量結果的比較見表3,由表可知,在15個模擬水面蒸發(fā)量測量的過程試驗中,相對誤差最大為2.04%,最小為0.60%,裝置檢測結果與人工測量結果誤差較小,說明該裝置檢測結果準確可信。
表2 脈沖式蒸發(fā)器水面蒸發(fā)量在線檢測裝置運行穩(wěn)定性
表3 脈沖式蒸發(fā)器水面蒸發(fā)量在線檢測裝置測量精度
為了進一步驗證脈沖式蒸發(fā)器水面蒸發(fā)量在線檢測裝置的可靠性和適應性,于2018年10月25日—11月2日在昆明理工大學現(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程學院溫室大棚進行田間試驗。大棚內(nèi)種植作物為滇重樓,大棚環(huán)境為無風,2層遮陽網(wǎng)遮陰,量取20 mm清水注入蒸發(fā)器,放置在傳感器探頭正下方,打開手機app,發(fā)送檢測命令進行水位初始值檢測操作,24 h后再次打開手機app,發(fā)送檢測命令,在線檢測水位高度值并計算水面蒸發(fā)量,然后用10 mm量杯人工測量剩余水量,計算水面蒸發(fā)量。將蒸發(fā)器中的水清空,再次量取20 mm清水注入蒸發(fā)器,重復上述過程,檢測結果在手機app上顯示,截取部分結果如圖9所示。
脈沖式蒸發(fā)器蒸發(fā)量檢測裝置測定與人工測量結果如表4。二者最小相對誤差為0.85%,最大相對誤差為2.68%,根據(jù)《GB 21327-2007-T水面蒸發(fā)器》蒸發(fā)傳感器相對偏差≤±3%的要求[35],符合國家標準。
圖9 脈沖式蒸發(fā)器水面蒸發(fā)量在線檢測裝置測得水位值手機App部分截圖
表4 水面蒸發(fā)量在線檢測裝置與傳統(tǒng)方法測定結果對比
本文以Arduino Uno為核心元件,基于水位傳感器,研制了能通過手機或者電腦進行水面蒸發(fā)量在線檢測的裝置。該裝置能夠通過手機app發(fā)送檢測指令對水面蒸發(fā)量進行在線檢測,并根據(jù)檢測結果,進行灌溉區(qū)間的動態(tài)計算,對歷史水位高度數(shù)據(jù)及其對應的測量時間進行顯示和存儲。
1)該裝置運行穩(wěn)定可靠:水位傳感器回到初始位置的成功率和手機app在發(fā)送檢測指令后,單片機端接收到檢測指令的成功率均為100%。
2)該裝置檢測精度較高:采用脈沖式的方法推算探頭與水面的距離,獲得單片機發(fā)出的脈沖數(shù)與水位高度為線性關系,R為1,3次試驗測得脈沖數(shù)最大極差為3,水面蒸發(fā)量測量的最大相對誤差為2.04%,滿足設備的使用要求。
3)田間試驗結果表明,本裝置可以實現(xiàn)田間長期的水面蒸發(fā)量的在線檢測,最小相對誤差為0.85%,最大相對誤差為2.68%,滿足設備的使用要求。
由于本文所設計的脈沖式蒸發(fā)器蒸發(fā)量在線檢測裝置,沒有設置擋雨裝置,而實際測定過程因露天受降雨影響,可能造成蒸發(fā)量測定值稍小,因此后續(xù)針對這一問題繼續(xù)開展研究。
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Design of water surface evaporation on-line detection device of pulse type evaporator
Cao Chunhao, Yang Qiliang※, Li Jianian, Liu Xiaogang, Yu Liming
(650500,)
In this research, a new water surface evaporation on-line detection device of pulse type evaporator was designed. The device was mainly composed of a whole structure stabilization device, a sensor position fixing device, a sensor position adjustment device, an Arduino Uno development board, a water level sensor, an A4988 drive board, a power module, upper computer control calculation and display storage software, Internet of Things server and data transmission module. The whole structure stabilization device was composed of a device base, a supporting rod fixed base and a supporting rod. The sensor position fixing device was composed of a motor fixed rod, a guide rail fixed pole and a probe fixed rod. The sensor position adjustment device was composed of a water level sensor, a coupler, a leading screw, a screw nut, a stepping motor, and a limit switch. The water level sensor was installed on the probe fixed rod. The limit switch was installed under the pole of the guide rail. The water level sensor could provide analog level signal and input to the interface of Arduino Uno. The 42BYGH48 stepping motor was driven by a A4988 drive board, and the drive board was supplied with pulse by Arduino Uno development board. The main interface of the upper computer was designed by Xcode software. The main functions of the mobile terminal software were to display device ID, send measurement instructions to the pulse type on-line detection device for evaporator evaporation and control its detection operation. After a detection operation was completed, it could receive message from the Internet of Things server and view the measured water level in real time; The water level value and irrigation interval parameters were calculated dynamically according to the water level value and irrigation interval parameters. The measured value of each water level were stored in the Internet of Things server. The historical measurement and its corresponding measurement time and trend map were displayed on the mobile app. The data could be viewed and analyzed at any time. In order to evaluate the accuracy and stability of the device. A total of 3 tests were carried out for each water level. The infrared optical sensor detected the change of the level of the sensor probe after the probe touched the water surface, and then calculate the water surface evaporation. Based on this sensor, the online detection of water surface evaporation was realized. The performance of the device was tested by the water surface height test of tap water. The results showed that: 1) the success rate of the water level sensor returning to the initial position was 100% in the 39 tests for the 13 water level levels. During the 39 tests, the success rate of the singlechip microcomputer development board receiving the detection instruction was 100%, indicating that the device runs reliably; 2) in the 39 tests, the maximum range of the number of pulses measured by 3 times at the same level was 3, indicating that the device runs stably; 3) The maximum relative error between water level measured by the device and the artificial method was 2.04%, indicating that the device has high detection accuracy; 4) The results of field tests showed that the device had good adaptability and good performance. The minimum relative error was 0.85% and the maximum relative error was 2.68%. The device can be used as an online detection platform for evaporator evaporation.
evaporation; evaporators; sensors; pulse type; on-line detection; water level; intelligent detection
2018-08-22
2018-12-11
國家自然科學基金(51779113、51379004);昆明理工大學學生課外學術科技創(chuàng)新基金課題項目(2018YB341)
曹春號,河北保定人,主要從事農(nóng)業(yè)智能化檢測與控制技術研究。Email:751627024@qq.com
楊啟良,甘肅通渭人,博士,教授,主要從事高新技術在農(nóng)業(yè)工程中的應用研究。Email:yangqilianglovena@163.com
10.11975/j.issn.1002-6819.2019.01.013
P414.8
A
1002-6819(2019)-01-0106-08
曹春號,楊啟良,李加念,劉小剛,喻黎明.脈沖式蒸發(fā)器水面蒸發(fā)量手機在線檢測裝置研制[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報,2019,35(1):106-113. doi:10.11975/j.issn.1002-6819.2019.01.013 http://www.tcsae.org
Cao Chunhao, Yang Qiliang, Li Jianian, Liu Xiaogang, Yu Liming. Design of water surface evaporation on-line detection device of pulse type evaporator[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(1): 106-113. (in Chinese with English abstract) doi:10.11975/j.issn.1002-6819.2019.01.013 http://www.tcsae.org