水田土壤入滲性能遠程監(jiān)測設(shè)備研發(fā)

邊輝輝，陳 銘，王 梓，余 青，周呂彬，陳新明*

（浙江省國土整治中心，浙江 杭州）

水田犁底層的構(gòu)筑質(zhì)量是反映土地整治工程質(zhì)量的一個重要控制因素。水田滲透度是水田質(zhì)量的關(guān)鍵參數(shù)之一，需要一種高精度的水田滲透度探測設(shè)備來進行水田滲透度的監(jiān)測。

現(xiàn)有市面上的水位監(jiān)測設(shè)備主要針對河道、地下市政工程應(yīng)用場合，檢測技術(shù)上一般采用電容式感應(yīng)檢測[1-2]，由于電極按照間距（通常是cm 級別）的排列，存在水位測試數(shù)據(jù)離散、精度較低的問題?；谒畨簜鞲衅鞯乃粰z測儀器[3-4]，測量精度可以達到毫米級別，然而新筑水田環(huán)境密度差異將導(dǎo)致水位測量精度的不確定性。研究人員提出了很多土壤入滲性能的測量方法，如雙環(huán)測量方法[5]、線源入流測量法[6]等。孫權(quán)等[7]為克服傳統(tǒng)雙環(huán)入滲儀的供水不穩(wěn)定、讀取和記錄數(shù)據(jù)工作量大的問題，設(shè)計了一種高效的自動雙環(huán)入滲儀，采用電容感應(yīng)液位傳感器來監(jiān)測內(nèi)環(huán)和外環(huán)內(nèi)的水位，同時利用激光測距實現(xiàn)連續(xù)自動監(jiān)測水位。但是，自動雙環(huán)入滲儀主要用于某個點的土壤入滲性質(zhì)，無法作為土地整治工程中新墾造水田土壤入滲性能的監(jiān)測。

為此，本文開發(fā)了一種基于水壓傳感器測量、電容感應(yīng)修正的高精度水田滲透度遠程檢測設(shè)備，為今后水田土壤入滲性能提供遠程監(jiān)管和決策性支撐。

1 高精度水位檢測原理

考慮水田使用時，水質(zhì)不均勻、密度差異性大，從而導(dǎo)致水位檢測精度一致性差的問題，提出采用基于水壓傳感器測量、電容感應(yīng)修正相結(jié)合的水位檢測原理，如圖1 所示。

圖1 高精度水位檢測原理

圖1 中，H1為水位下方最近的某一電極的高度，H2為其上相鄰電極的高度，Hd為電極間隔；P1為水位在H1時測得底部水壓監(jiān)測傳感器的水壓，P2為水位在H2時測得底部水壓監(jiān)測傳感器的水壓。P 為水位在H 時測得的水壓?；诓逯担梢韵伤芏炔淮_定帶來的誤差，因此水位的計算公式表示如下：

考慮同一壓力傳感器的測試誤差相同，經(jīng)簡化，其誤差計算如下：

2 水田滲透度遠程檢測設(shè)備開發(fā)

2.1 水田滲透度遠程檢測設(shè)備主控設(shè)計

水田滲透度遠程檢測系統(tǒng)由主模塊及可擴展從模塊組成，如圖2 所示。根據(jù)量程需要進行快速擴展，包括測量主模塊、水位開關(guān)檢測模塊及通信模塊組成。

圖2 水田滲透度遠程檢測系統(tǒng)架構(gòu)

水田滲透度遠程檢測系統(tǒng)由若干個水尺標準化部件（水位位置檢測，從模塊）和高精度水壓測量部件（主模塊）組成，每個水尺標準化部件設(shè)定為200 mm，基于不同應(yīng)用場合，可以選擇不同個數(shù)；比如，3 個水尺標準化部件，則其有效測量部分為600 mm。通過用RS-485 總線與主模塊系統(tǒng)建立信息鏈接。選擇高精度水壓傳感器，其設(shè)定最大量程為3.0 m，最大測量精度為0.1%的FS。

考慮水田滲透度在線無人檢測及能源供給等問題，系統(tǒng)考慮采用超低功耗的處理器STM32L 系列處理器、水尺標準化電子模塊、FLASH 存儲模塊、能源管理模塊、4G通信模塊及、RS-485 通信模塊及現(xiàn)場LCD 顯示模塊等組成，如圖3 所示。

圖3 水田滲透度遠程檢測設(shè)備的主控系統(tǒng)

水壓測量采用高精度擴散硅壓力傳感器，并應(yīng)用比較測量原理實現(xiàn)，電路包括水位測量傳感器的激勵電路、調(diào)零電路、多路轉(zhuǎn)換電路、差分放大電路、濾波電路等組成。

系統(tǒng)同時采用SHT30 溫濕度等環(huán)境參數(shù)的監(jiān)測功能?？紤]到其他環(huán)境因素（譬如風(fēng)、認為因素、其他振動系統(tǒng)）對測量系統(tǒng)，系統(tǒng)設(shè)計了SCL3300 振動傳感器（選裝）來檢測環(huán)境振動因素的影響，并與濾波軟件結(jié)合，實現(xiàn)對環(huán)境因素的消除，進一步提高水位測量精度。

檢測系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理包括本地數(shù)據(jù)存儲與遠程云存儲兩種方式，為此，系統(tǒng)設(shè)計了TF 卡的數(shù)據(jù)存儲電路，考慮到TF 卡消耗能量，采用使用開通原則，以實現(xiàn)能耗的進一步降低。應(yīng)用SPI 接口實現(xiàn)TF 卡與處理器，并應(yīng)用FAT32 文件系統(tǒng)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的TF 卡存儲。

通信電路是實現(xiàn)水位開關(guān)測量與主控板信息交流通道，考慮到組網(wǎng)要求，采用RS-485 及MODBUS 通信協(xié)議來實現(xiàn)。測量數(shù)據(jù)云端傳輸，采用芯訊通無線科技（上海）有限公司的A7680C4G 模組作為云端數(shù)據(jù)傳輸通信模組，包括電源處理電路、天線電路、與處理器的接口電路、SIM卡驅(qū)動電路等。系統(tǒng)采用AT指令及MQTT協(xié)議實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。

2.2 水尺標準化部件檢測方案設(shè)計

應(yīng)用擴散硅水壓傳感器測量水位，需要測量對象確定的密度，水田由于環(huán)境的復(fù)雜性，水的密度會有所變化，這使得其對測量精度產(chǎn)生較大影響。為此，系統(tǒng)采用電容測量法對設(shè)置點的水位進行測量，從而實現(xiàn)對擴散硅水壓傳感器水位測量的校準。

系統(tǒng)選擇永嘉微電的VK36W1D 電容式水位測量芯片，通過電路設(shè)計和算法，可以實現(xiàn)0.5 mm 精度的水位測量。芯片具有功耗低，非接觸測量，集成度相對較高，外圍測量電路簡單等特點，其電路結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

圖4 水位檢測系統(tǒng)的校準方案

考慮到元器件功耗要求，系統(tǒng)采用兆易創(chuàng)新的低功耗處理器GD32E230，全速運行模式下為0.22 mA，低功耗模式下0.97 uA，再配合主板電源控制，可以實現(xiàn)超低功耗系統(tǒng)測量。

電源管理是實現(xiàn)中長期無人值守的關(guān)鍵技術(shù)，系統(tǒng)采用以下電源技術(shù)：（1） 電流平衡技術(shù)，系統(tǒng)采用蓄能元件實現(xiàn)整個監(jiān)測的過程能量平衡，特別是4G 收發(fā)模式下的能量平衡問題；（2） 多點電源分時管理技術(shù)，根據(jù)對測量過程的觀察，分析各監(jiān)測對象的時序關(guān)系，建立測量系統(tǒng)的能源時序，并加以平衡，從而實現(xiàn)測量系統(tǒng)低功耗。

檢測系統(tǒng)嵌入式軟件包括系統(tǒng)初始化、參數(shù)采樣及標度轉(zhuǎn)換、RS-485MODBUS 協(xié)議及通信處理、采樣數(shù)據(jù)的TF 存儲及遠程數(shù)據(jù)成包處理、鍵盤與顯示處理等。

3 水田滲透度遠程平臺開發(fā)方案

土地整治工程驗收時，需要對新筑水田土壤入滲性能進行測試。為提高工作效率，減少中間環(huán)節(jié)，提出了水田土壤入滲性能遠程監(jiān)測的總體方案，如圖5 所示。水田滲透度遠程檢測設(shè)備具備定位和遠程通訊功能，現(xiàn)場通過手機APP 程序綁定檢測設(shè)備，獲取檢測設(shè)備的定位位置，錄入地形、土壤質(zhì)地等相關(guān)信息，觸發(fā)檢測并實時發(fā)送相關(guān)檢測數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)水田水位數(shù)據(jù)的連續(xù)自動監(jiān)測，并計算相關(guān)滲透率。滲透率基于水位下降差除以時間差進行計算。

圖5 水田土壤入滲性能遠程監(jiān)測的總體方案

水田土壤入滲性能遠程監(jiān)測平臺包含登錄、系統(tǒng)管理、項目管理、設(shè)備管理、報表統(tǒng)計和可視化等模塊，同時開發(fā)了相應(yīng)的微信小程序。各功能模塊如下：

（1） 登錄模塊：用于用戶錄入、登錄，支持用戶姓名，電話、性別等信息維護。（2） 系統(tǒng)管理模塊：包含用戶管理，實現(xiàn)對平臺組織、用戶、角色、菜單、身份識別、個人信息、權(quán)限、注冊與刪除等的管理。（3） 設(shè)備管理模塊：用于設(shè)備綁定、解綁、錄入、充電提醒、干擾警報、設(shè)備配置、設(shè)備定位和設(shè)備信息的維護等功能。（4） 項目管理模塊：通過項目維度對設(shè)備和人員進行歸屬，具有創(chuàng)建項目、信息設(shè)置（項目名稱、位置信息、時間、監(jiān)測時間、地形條件和土壤質(zhì)地等）等功能，基于可選菜單實現(xiàn)更加靈活的控制。（5） 報表統(tǒng)計模塊：提供完備的導(dǎo)入導(dǎo)出功能，并提供大數(shù)據(jù)量數(shù)據(jù)報表的展示和導(dǎo)出。包括提供Excel 報表模板導(dǎo)入，提供wps excel，wps word ，pdf，html，csv，和txt 等常用格式導(dǎo)出，提供完備的打印方案，提供Applet、flash、lodop 等三種以上打印控件。（6）

微信小程序管理模塊：通過微信小程序?qū)崿F(xiàn)對設(shè)備的綁定查看水位以及預(yù)警信息等情況。

水田滲透度遠程檢測設(shè)備與服務(wù)器之間以MQTT協(xié)議方式傳輸數(shù)據(jù)，支持雙向通信，能夠提供一對多的消息分發(fā)機制，可以用極少的代碼和有限的帶寬，為連接遠程設(shè)備提供實時可靠的消息服務(wù)。

4 測試及結(jié)果分析

為評估水田滲透度遠程檢測設(shè)備及云平臺數(shù)據(jù)測量、通信狀態(tài)等，分別在實驗室和野外進行了測試。在實驗室，使用量筒置水，在水面放一薄紙片以方便游標卡尺精準獲得水位高度，然后分別按照10 mm 下降水位，并進行測量，測試過程如圖6 所示。表1 為實驗室水位測試對比數(shù)據(jù)。測試結(jié)果表明，絕對誤差在0.5 mm內(nèi)。

表1 實驗室水位測試結(jié)果

圖6 實驗室水位高度測試對比實驗

進一步，在野外實際水田內(nèi)開展了多地、多區(qū)域的測試。圖7 為在浙江某丘陵地帶水田水位傳輸?shù)竭h程云平臺的測試結(jié)果。測試結(jié)果驗證了儀器的定位、遠程通訊、設(shè)備綁定、水位數(shù)據(jù)連續(xù)自動監(jiān)測等功能。

圖7 野外水田水位測試結(jié)果

5 結(jié)論

土壤水分入滲涉及水田犁地層的蓄水能力，是反映土地整治工程水田犁底層質(zhì)量的一個重要控制因素。本文設(shè)計了一種高精度水田滲透度遠程檢測設(shè)備，開發(fā)了相應(yīng)的遠程監(jiān)控平臺。在指定的環(huán)境下，對檢測設(shè)備進行了功能和性能測試，結(jié)果表明，水田滲透度遠程檢測設(shè)備在水位檢測精度和功能上能滿足土地整治質(zhì)量評價要求。

通過引入傳感器技術(shù)，結(jié)合通訊技術(shù)和云平臺，研究水田滲透度檢測關(guān)鍵技術(shù)，為土地整治工程的質(zhì)量評定和驗收提供便捷的有效途徑和科學(xué)依據(jù)。