邊輝輝，陳 銘，王 梓，余 青，周呂彬，陳新明*

（浙江省國(guó)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(gè)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(cè)設(shè)備來(lái)進(jìn)行水田滲透度的監(jiān)測(cè)。

現(xiàn)有市面上的水位監(jiān)測(cè)設(shè)備主要針對(duì)河道、地下市政工程應(yīng)用場(chǎng)合，檢測(cè)技術(shù)上一般采用電容式感應(yīng)檢測(cè)[1-2]，由于電極按照間距（通常是cm 級(jí)別）的排列，存在水位測(cè)試數(shù)據(jù)離散、精度較低的問(wèn)題?；谒畨簜鞲衅鞯乃粰z測(cè)儀器[3-4]，測(cè)量精度可以達(dá)到毫米級(jí)別，然而新筑水田環(huán)境密度差異將導(dǎo)致水位測(cè)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(cè)量方法，如雙環(huán)測(cè)量方法[5]、線源入流測(cè)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(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種高效的自動(dòng)雙環(huán)入滲儀，采用電容感應(yīng)液位傳感器來(lái)監(jiān)測(cè)內(nèi)環(huán)和外環(huán)內(nèi)的水位，同時(shí)利用激光測(cè)距實(shí)現(xiàn)連續(xù)自動(dòng)監(jiān)測(cè)水位。但是，自動(dòng)雙環(huán)入滲儀主要用于某個(gè)點(diǎn)的土壤入滲性質(zhì)，無(wú)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(cè)。

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

1 高精度水位檢測(cè)原理

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

圖1 高精度水位檢測(cè)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(shí)測(cè)得底部水壓監(jiān)測(cè)傳感器的水壓，P2為水位在H2時(shí)測(cè)得底部水壓監(jiān)測(cè)傳感器的水壓。P 為水位在H 時(shí)測(cè)得的水壓。基于插值，可以消除由水密度不確定帶來(lái)的誤差，因此水位的計(jì)算公式表示如下：

考慮同一壓力傳感器的測(cè)試誤差相同，經(jīng)簡(jiǎn)化，其誤差計(jì)算如下：

2 水田滲透度遠(yuǎn)程檢測(cè)設(shè)備開(kāi)發(fā)

2.1 水田滲透度遠(yuǎn)程檢測(cè)設(shè)備主控設(shè)計(jì)

水田滲透度遠(yuǎn)程檢測(cè)系統(tǒng)由主模塊及可擴(kuò)展從模塊組成，如圖2 所示。根據(jù)量程需要進(jìn)行快速擴(kuò)展，包括測(cè)量主模塊、水位開(kāi)關(guān)檢測(cè)模塊及通信模塊組成。

圖2 水田滲透度遠(yuǎn)程檢測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)

水田滲透度遠(yuǎn)程檢測(cè)系統(tǒng)由若干個(gè)水尺標(biāo)準(zhǔn)化部件（水位位置檢測(cè)，從模塊）和高精度水壓測(cè)量部件（主模塊）組成，每個(gè)水尺標(biāo)準(zhǔn)化部件設(shè)定為200 mm，基于不同應(yīng)用場(chǎng)合，可以選擇不同個(gè)數(shù)；比如，3 個(gè)水尺標(biāo)準(zhǔn)化部件，則其有效測(cè)量部分為600 mm。通過(guò)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(cè)量精度為0.1%的FS。

考慮水田滲透度在線無(wú)人檢測(cè)及能源供給等問(wèn)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(biāo)準(zhǔn)化電子模塊、FLASH 存儲(chǔ)模塊、能源管理模塊、4G通信模塊及、RS-485 通信模塊及現(xiàn)場(chǎng)LCD 顯示模塊等組成，如圖3 所示。

圖3 水田滲透度遠(yuǎn)程檢測(cè)設(shè)備的主控系統(tǒng)

水壓測(cè)量采用高精度擴(kuò)散硅壓力傳感器，并應(yīng)用比較測(cè)量原理實(shí)現(xiàn)，電路包括水位測(cè)量傳感器的激勵(lì)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(shí)采用SHT30 溫濕度等環(huán)境參數(shù)的監(jiān)測(cè)功能?？紤]到其他環(huán)境因素（譬如風(fēng)、認(rèn)為因素、其他振動(dòng)系統(tǒng)）對(duì)測(cè)量系統(tǒng)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了SCL3300 振動(dòng)傳感器（選裝）來(lái)檢測(cè)環(huán)境振動(dòng)因素的影響，并與濾波軟件結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境因素的消除，進(jìn)一步提高水位測(cè)量精度。

檢測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理包括本地?cái)?shù)據(jù)存儲(chǔ)與遠(yuǎn)程云存儲(chǔ)兩種方式，為此，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了TF 卡的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路，考慮到TF 卡消耗能量，采用使用開(kāi)通原則，以實(shí)現(xiàn)能耗的進(jìn)一步降低。應(yīng)用SPI 接口實(shí)現(xiàn)TF 卡與處理器，并應(yīng)用FAT32 文件系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的TF 卡存儲(chǔ)。

通信電路是實(shí)現(xiàn)水位開(kāi)關(guān)測(cè)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(lái)實(shí)現(xiàn)。測(cè)量數(shù)據(jù)云端傳輸，采用芯訊通無(wú)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(dòng)電路等。系統(tǒng)采用AT指令及MQTT協(xié)議實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。

2.2 水尺標(biāo)準(zhǔn)化部件檢測(cè)方案設(shè)計(jì)

應(yīng)用擴(kuò)散硅水壓傳感器測(cè)量水位，需要測(cè)量對(duì)象確定的密度，水田由于環(huán)境的復(fù)雜性，水的密度會(huì)有所變化，這使得其對(duì)測(cè)量精度產(chǎn)生較大影響。為此，系統(tǒng)采用電容測(cè)量法對(duì)設(shè)置點(diǎn)的水位進(jìn)行測(cè)量，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)擴(kuò)散硅水壓傳感器水位測(cè)量的校準(zhǔn)。

系統(tǒng)選擇永嘉微電的VK36W1D 電容式水位測(cè)量芯片，通過(guò)電路設(shè)計(jì)和算法，可以實(shí)現(xiàn)0.5 mm 精度的水位測(cè)量。芯片具有功耗低，非接觸測(cè)量，集成度相對(duì)較高，外圍測(cè)量電路簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，其電路結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

圖4 水位檢測(cè)系統(tǒng)的校準(zhǔn)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(yùn)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(shí)現(xiàn)超低功耗系統(tǒng)測(cè)量。

電源管理是實(shí)現(xiàn)中長(zhǎng)期無(wú)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(shí)現(xiàn)整個(gè)監(jiān)測(cè)的過(guò)程能量平衡，特別是4G 收發(fā)模式下的能量平衡問(wèn)題；（2） 多點(diǎn)電源分時(shí)管理技術(shù)，根據(jù)對(duì)測(cè)量過(guò)程的觀察，分析各監(jiān)測(cè)對(duì)象的時(shí)序關(guān)系，建立測(cè)量系統(tǒng)的能源時(shí)序，并加以平衡，從而實(shí)現(xiàn)測(cè)量系統(tǒng)低功耗。

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

3 水田滲透度遠(yuǎn)程平臺(tái)開(kāi)發(fā)方案

土地整治工程驗(yàn)收時(shí)，需要對(duì)新筑水田土壤入滲性能進(jìn)行測(cè)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(yuǎn)程監(jiān)測(cè)的總體方案，如圖5 所示。水田滲透度遠(yuǎn)程檢測(cè)設(shè)備具備定位和遠(yuǎn)程通訊功能，現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)手機(jī)APP 程序綁定檢測(cè)設(shè)備，獲取檢測(cè)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(cè)并實(shí)時(shí)發(fā)送相關(guān)檢測(cè)數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)水田水位數(shù)據(jù)的連續(xù)自動(dòng)監(jiān)測(cè)，并計(jì)算相關(guān)滲透率。滲透率基于水位下降差除以時(shí)間差進(jìn)行計(jì)算。

圖5 水田土壤入滲性能遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)的總體方案

水田土壤入滲性能遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)平臺(tái)包含登錄、系統(tǒng)管理、項(xiàng)目管理、設(shè)備管理、報(bào)表統(tǒng)計(jì)和可視化等模塊，同時(shí)開(kāi)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(hù)。（2） 系統(tǒng)管理模塊：包含用戶管理，實(shí)現(xiàn)對(duì)平臺(tái)組織、用戶、角色、菜單、身份識(shí)別、個(gè)人信息、權(quán)限、注冊(cè)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(bào)、設(shè)備配置、設(shè)備定位和設(shè)備信息的維護(hù)等功能。（4） 項(xiàng)目管理模塊：通過(guò)項(xiàng)目維度對(duì)設(shè)備和人員進(jìn)行歸屬，具有創(chuàng)建項(xiàng)目、信息設(shè)置（項(xiàng)目名稱、位置信息、時(shí)間、監(jiān)測(cè)時(shí)間、地形條件和土壤質(zhì)地等）等功能，基于可選菜單實(shí)現(xiàn)更加靈活的控制。（5） 報(bào)表統(tǒng)計(jì)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(bào)表的展示和導(dǎo)出。包括提供Excel 報(bào)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(guò)微信小程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)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(yuǎn)程檢測(cè)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(duì)多的消息分發(fā)機(jī)制，可以用極少的代碼和有限的帶寬，為連接遠(yuǎn)程設(shè)備提供實(shí)時(shí)可靠的消息服務(wù)。

4 測(cè)試及結(jié)果分析

為評(píng)估水田滲透度遠(yuǎn)程檢測(cè)設(shè)備及云平臺(tái)數(shù)據(jù)測(cè)量、通信狀態(tài)等，分別在實(shí)驗(yàn)室和野外進(jìn)行了測(cè)試。在實(shí)驗(yàn)室，使用量筒置水，在水面放一薄紙片以方便游標(biāo)卡尺精準(zhǔn)獲得水位高度，然后分別按照10 mm 下降水位，并進(jìn)行測(cè)量，測(cè)試過(guò)程如圖6 所示。表1 為實(shí)驗(yàn)室水位測(cè)試對(duì)比數(shù)據(jù)。測(cè)試結(jié)果表明，絕對(duì)誤差在0.5 mm內(nèi)。

表1 實(shí)驗(yàn)室水位測(cè)試結(jié)果

圖6 實(shí)驗(yàn)室水位高度測(cè)試對(duì)比實(shí)驗(yàn)

進(jìn)一步，在野外實(shí)際水田內(nèi)開(kāi)展了多地、多區(qū)域的測(cè)試。圖7 為在浙江某丘陵地帶水田水位傳輸?shù)竭h(yuǎn)程云平臺(tái)的測(cè)試結(jié)果。測(cè)試結(jié)果驗(yàn)證了儀器的定位、遠(yuǎn)程通訊、設(shè)備綁定、水位數(shù)據(jù)連續(xù)自動(dòng)監(jiān)測(cè)等功能。

圖7 野外水田水位測(cè)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(gè)重要控制因素。本文設(shè)計(jì)了一種高精度水田滲透度遠(yuǎn)程檢測(cè)設(shè)備，開(kāi)發(fā)了相應(yīng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)。在指定的環(huán)境下，對(duì)檢測(cè)設(shè)備進(jìn)行了功能和性能測(cè)試，結(jié)果表明，水田滲透度遠(yuǎn)程檢測(cè)設(shè)備在水位檢測(cè)精度和功能上能滿足土地整治質(zhì)量評(píng)價(jià)要求。

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