一、產(chǎn)品簡介及設計目標
BN-TCK20型土壤測坑系統(tǒng)是我公司在現(xiàn)代電子技術、土壤物理學和微氣候學等學科領域不斷深入發(fā)展的基礎上,為測定農(nóng)田蒸騰蒸發(fā)和地下水-土壤水轉化而研發(fā)生產(chǎn)的一種更系統(tǒng)更綜合的標準實驗設備。其通過對被測土壤(原狀土或人工配置實驗土)水循環(huán)的記錄分析,以研究農(nóng)作物的耗水規(guī)律和SPAC系統(tǒng)中水分運移轉化規(guī)律。該儀器采用的高分辨率土壤溫度、水分、電導率和水勢傳感器,配置了智能數(shù)據(jù)采集器和信號處理器,可同時檢測被測土體信息隨時間的微小變化及氣溫??諝鉂穸?、光照、降水等對應相關參數(shù),并對測量的數(shù)據(jù)進行實時在線快速分析處理、記錄儲存,做到了數(shù)據(jù)采集的高速化、準確化和人性化,大大提高了工作效率,降低了勞動強度。適用于農(nóng)田、草原、森林及河流濕地等生態(tài)系統(tǒng)水文循環(huán)的長期監(jiān)測。
測坑監(jiān)測系統(tǒng),是我公司在充分汲取國內外有關系統(tǒng)特點的基礎上,設計研制的新款設備。其主要特點是:緊跟傳感器技術和檢測技術的革新提高了相關參數(shù)的測量精度;同時,進一步改善和提高了土壤監(jiān)測系統(tǒng)使用中的人機效率,降低了勞動強度和維護工作量。其筒體結構與工作原理如圖1所示。
圖1 測坑監(jiān)測系統(tǒng)總體結構
二、系統(tǒng)組成及總體結構
測坑監(jiān)測系統(tǒng)可分為硬件和軟件兩大部分,共四個板塊:
(1)測量部分:由測坑及配套傳感器等組成、
(2)數(shù)據(jù)傳輸部分:由數(shù)據(jù)轉換模塊、放大器及供電系統(tǒng)等組成。
(3)終端顯示部分:由數(shù)據(jù)采集器、主控制器、配套軟件及液晶顯示屏等組成。
(4)灌溉系統(tǒng):由控制模塊、閥門和補水系統(tǒng)等組成。
BN-TCK20型測坑監(jiān)測系統(tǒng)(無灌溉系統(tǒng))
序號 | 名稱 | 數(shù)量 | 備注 |
1 | 土壤溫度水分電導率傳感器 | 8只 |
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2 | 土壤水勢傳感器 | 8只 |
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3 | 土壤溶液提取裝置 | 8只 |
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4 | 數(shù)據(jù)采集器及主控制器 | 1臺 | 含控制模塊 |
5 | 大氣溫濕度傳感器 | 1套 | 可多套使用 |
6 | 光照傳感器 | 1套 | 可多套使用 |
7 | 雨量傳感器 | 1套 | 可多套使用 |
8 | 連接線纜及信號控制線 | 1套 |
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9 | 配套軟件 | 1套 | 可多套使用 |
10 | 工控主機 | 1套 | 可多套使用 |
圖2土壤監(jiān)測系統(tǒng)外部(照片)
圖3 土壤監(jiān)測系統(tǒng)外部(照片)
圖4 土壤測坑監(jiān)測內部(照片)
三、解決方案
1、土壤溫度水分電導率傳感器性能參數(shù)
測量參數(shù):土壤溫度、土壤容積含水率、電導率
測量單位:℃,%(m³/m³),ms/cm
水分量程和精度:0~100%,±2%
溫度量程和精度:-30~70℃,±0.2℃
電導率量程和精度:0~20ms/cm,±2%
工作范圍:-30~70℃
輸出信號:RS485 MODBUS-RTU協(xié)議
供電電壓:DC 5~24V
穩(wěn)定時間:<1秒
響應時間:<1秒
電導電極材質:石墨
測量區(qū)域:以中央探針為中心的直徑7cm、高7cm的圓柱體
探針長度直徑:55cm,3mm
探針材質:316L不銹鋼
密封材料:ABS工程塑料
2、土壤水勢傳感器性能參數(shù)
陶瓷頭 長度:60mm 直徑:24mm 進氣值:15bar
張力計管長度:可自選長度,10~200cm 直徑:25mm
水勢測量范圍:±100kPa
水勢測量精度:±0.5kPa
輸出信號:RS485 MODBUS-RTU協(xié)議
供電電壓:DC 24V
纜線:4芯屏蔽線
土壤水勢傳感器:帶外部注水裝置,可實現(xiàn)原位注水。
圖5 土壤水勢傳感器
3、土壤溶液取樣
圖6 土壤溶液提取器(含取樣瓶)
電動吸引器
工作原理 采用新一代無油潤滑負壓泵制造而成的可移動式吸引裝置
主要材料 塑料
參數(shù)技術 電源電壓:~220V±22V,50Hz±1Hz
電機功率:120VA
吸引泵:活塞泵
極限負壓值:≥0.085MPa
噪音≤60dB(A)
抽氣速率:≥20L/min
貯液瓶:2500mL/只,2只
外形尺寸 350×305×795mm 包裝數(shù)量 1臺/件
包裝尺寸 445×400×865mm 毛重/凈重 22/19.5kg
附件清單 腹腔吸引管1支、空氣過濾器2只、吸引軟導管(長度2米)1根、電源線1根、熔絲管(RF1φ5×20/2.0A)2只、腳踏開關1只
圖7 土壤溶液提取裝置
4、數(shù)據(jù)采集原理及方案
本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集全部為智能化采集,數(shù)據(jù)可直接保存到數(shù)據(jù)庫中,也可以數(shù)據(jù)文件的形式按設計定的周期保存,并且能通過網(wǎng)絡進行遠程數(shù)據(jù)傳遞和狀態(tài)監(jiān)控。機體包括物理設備層、網(wǎng)絡傳輸層、數(shù)據(jù)資源層、科研業(yè)務層4個層次,以及信息安全保障、標準規(guī)范建設兩個支撐體系。
圖8 土壤測坑監(jiān)測系統(tǒng)組成框圖
其中物理設備層所有數(shù)據(jù)的自動化采集功能:網(wǎng)絡傳輸層利用Internet局域網(wǎng),實現(xiàn)科研數(shù)據(jù)的遠程創(chuàng)術與監(jiān)控功能;數(shù)據(jù)資源層為基于IIS搭建的數(shù)據(jù)管理服務器,整合了實驗基地采集或導入科研數(shù)據(jù),向上提供有關數(shù)據(jù)動態(tài)交換、遠程輸出安監(jiān)控等數(shù)據(jù)服務;科研業(yè)務與B/S方式提供諸如遠程數(shù)據(jù)監(jiān)控、科研數(shù)據(jù)下載、系統(tǒng)運行維護等業(yè)務;信息安全保障體系通過數(shù)據(jù)傳輸加密、用戶鑒權等方式,保障系統(tǒng)安全;標準規(guī)范建設體系包括科研數(shù)據(jù)格式規(guī)范、數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議等建設內容。
5、軟件開發(fā)方案
由微軟公司提供的基于運行Microsoft Windows的互聯(lián)網(wǎng)基本服務。是微軟公司推出的新一代腳本語言。包括驗證、緩存、狀態(tài)管理、調試和部署等全部功能。在代碼撰寫方面特色是將頁面邏輯和業(yè)務邏輯分開,它分離程序代碼與顯示的內容,讓豐富多彩的網(wǎng)頁更容易撰寫。同時使程序代碼看起來更潔凈、更簡單。
圖9 系統(tǒng)軟件整體架構
由于土壤測坑監(jiān)測多為根據(jù)用戶需要量身定制,我公司為了減少軟件的重復開發(fā)工作量,提高軟件的通用性以及便于日后的功能擴展,遵循軟件工程的思想,開發(fā)了傳感器配置模塊,使得軟件能適應不同土壤測坑監(jiān)測系統(tǒng)需要,同時也能適應硬件的剪裁。
配套軟件按照B/S模式,用戶界面體現(xiàn)為一系列Web網(wǎng)頁,頁面之間通過菜單操作、超鏈接等方式進行跳轉。進入需要輸入用戶名和密碼。
本系統(tǒng)選用數(shù)據(jù)庫管理軟件MySQL進行科研數(shù)據(jù)的統(tǒng)一儲存管理,并考慮到了系統(tǒng)擴展性,可對下位機進行的操作,主要功能有:
1、232串口配置:主要設置232串口的名 稱、下位機的名稱、波特率、數(shù)據(jù)位、停止位、校驗方式、采樣間隔
2、wifi配置:主要設置IP和端口號、下位機名稱、采樣間隔。
3、密碼設置:保證接收數(shù)據(jù)安全正常地工作,設置接收數(shù)據(jù)時的密碼。
4、參數(shù)測定:測定土體的參數(shù)。
下位機操作子系統(tǒng)涵蓋了對數(shù)據(jù)采集器發(fā)出的各種命令。主要的模塊有:
實時數(shù)據(jù)接收:對下位機發(fā)出實時數(shù)據(jù)接收命令,將下位機采集到的實時數(shù)據(jù)以動態(tài)圖表形式加載到頁面,也可將實時數(shù)據(jù)保存到MySQL數(shù)據(jù)庫。
歷史數(shù)據(jù)接收:對下位機發(fā)出歷史數(shù)據(jù)接收命令,將下位機采集到的歷史數(shù)據(jù)保存到MySQL數(shù)據(jù)庫。
新數(shù)據(jù)接收:對下位機發(fā)出新數(shù)據(jù)接受命令,將下位機采集到的歷史數(shù)據(jù)按自定義的時間段存入MySQL數(shù)據(jù)庫。
下位機管理:設置和讀取下位機的狀態(tài)參數(shù)。
數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)涵蓋查詢、統(tǒng)計、報表模塊:系統(tǒng)有機地、創(chuàng)造性地將查詢、統(tǒng)計和報表功能結合起來,提供了強大的查詢、報表打印功能,給工程分析提供了真實的、科學的依據(jù)。友好、簡單的條件設置,便于人員使用。
數(shù)據(jù)導入導出功能更大限度地保護數(shù)據(jù),便于查詢統(tǒng)計。
6、供電電源配置方案
整個系統(tǒng)供電電源方案如圖11所示,220V交流電經(jīng)變壓整流為24V為傳感器供電,另外此24V再經(jīng)電源模塊后輸出5V為控制柜供電。根據(jù)調研情況了解到,施工地區(qū)地處空曠,經(jīng)雷擊風險評估,施工區(qū)的設備、設施易遭到雷擊,故電源系統(tǒng)需做防雷,防浪涌。整個系統(tǒng)供電功率約需100W(包含主控制器、線損和余量)
圖10 供電電源配置
7、控制中心布設方案
試驗基地控制中心擬布設(圖11)并實現(xiàn)以下功能:
設置數(shù)據(jù)中心服務器,與網(wǎng)絡交換機相連接。該服務器對土壤測坑檢測數(shù)據(jù)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫進行管理,具有稅局容量大、處理速度快、可靠性高等特點。
設置硬件防火墻,具有針對外部網(wǎng)絡訪問安全防火控制,并可進行黑白名單設置,組織不信任區(qū)域對本系統(tǒng)網(wǎng)絡和數(shù)據(jù)資源的訪問。
設置網(wǎng)絡中心交換機,完成網(wǎng)絡中心的網(wǎng)絡連接,提供可擴展網(wǎng)絡端口。該類型交換機有網(wǎng)絡管理接口,能提供24口個10/100M自適應連接端口,并配置2個光纖插槽,使網(wǎng)絡系統(tǒng)具有較大的擴展能力。
設置路由器,對內連接防火墻,對外連接中國移動或中國電信的4-8M光纖專線。
設置應用服務器,安裝數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)軟件完成客戶的數(shù)據(jù)處理和查詢需求。
圖11 控制中心網(wǎng)絡結構