水田土壤入滲性能遠程監測設備研發

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）

水田犁底層的構筑質量是反映土地整治工程質量的一個重要控制因素。水田滲透度是水田質量的關鍵參數之一，需要一種高精度的水田滲透度探測設備來進行水田滲透度的監測。

現有市面上的水位監測設備主要針對河道、地下市政工程應用場合，檢測技術上一般采用電容式感應檢測[1-2]，由于電極按照間距（通常是cm 級別）的排列，存在水位測試數據離散、精度較低的問題。基于水壓傳感器的水位檢測儀器[3-4]，測量精度可以達到毫米級別，然而新筑水田環境密度差異將導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，如雙環測量方法[5]、線源入流測量法[6]等。孫權等[7]為克服傳統雙環入滲儀的供水不穩定、讀取和記錄數據工作量大的問題，設計了一種高效的自動雙環入滲儀，采用電容感應液位傳感器來監測內環和外環內的水位，同時利用激光測距實現連續自動監測水位。但是，自動雙環入滲儀主要用于某個點的土壤入滲性質，無法作為土地整治工程中新墾造水田土壤入滲性能的監測。

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

1 高精度水位檢測原理

考慮水田使用時，水質不均勻、密度差異性大，從而導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、電容感應修正相結合的水位檢測原理，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時測得底部水壓監測傳感器的水壓，P2為水位在H2時測得底部水壓監測傳感器的水壓。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，經簡化，其誤差計算如下：

2 水田滲透度遠程檢測設備開發

2.1 水田滲透度遠程檢測設備主控設計

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

圖2 水田滲透度遠程檢測系統架構

水田滲透度遠程檢測系統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定為200 mm，基于不同應用場合，可以選擇不同個數；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 總線與主模塊系統建立信息鏈接。選擇高精度水壓傳感器，其設定最大量程為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備的主控系統

水壓測量采用高精度擴散硅壓力傳感器，并應用比較測量原理實現，電路包括水位測量傳感器的激勵電路、調零電路、多路轉換電路、差分放大電路、濾波電路等組成。

系統同時采用SHT30 溫濕度等環境參數的監測功能。考慮到其他環境因素（譬如風、認為因素、其他振動系統）對測量系統，系統設計了SCL3300 振動傳感器（選裝）來檢測環境振動因素的影響，并與濾波軟件結合，實現對環境因素的消除，進一步提高水位測量精度。

檢測系統數據處理包括本地數據存儲與遠程云存儲兩種方式，為此，系統設計了TF 卡的數據存儲電路，考慮到TF 卡消耗能量，采用使用開通原則，以實現能耗的進一步降低。應用SPI 接口實現TF 卡與處理器，并應用FAT32 文件系統，實現數據的TF 卡存儲。

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

2.2 水尺標準化部件檢測方案設計

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

系統選擇永嘉微電的VK36W1D 電容式水位測量芯片，通過電路設計和算法，可以實現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，其電路結構如圖4 所示。

圖4 水位檢測系統的校準方案

考慮到元器件功耗要求，系統采用兆易創新的低功耗處理器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，可以實現超低功耗系統測量。

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

檢測系統嵌入式軟件包括系統初始化、參數采樣及標度轉換、RS-485MODBUS 協議及通信處理、采樣數據的TF 存儲及遠程數據成包處理、鍵盤與顯示處理等。

3 水田滲透度遠程平臺開發方案

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，減少中間環節，提出了水田土壤入滲性能遠程監測的總體方案，如圖5 所示。水田滲透度遠程檢測設備具備定位和遠程通訊功能，現場通過手機APP 程序綁定檢測設備，獲取檢測設備的定位位置，錄入地形、土壤質地等相關信息，觸發檢測并實時發送相關檢測數據，從而實現水田水位數據的連續自動監測，并計算相關滲透率。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測的總體方案

水田土壤入滲性能遠程監測平臺包含登錄、系統管理、項目管理、設備管理、報表統計和可視化等模塊，同時開發了相應的微信小程序。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） 系統管理模塊：包含用戶管理，實現對平臺組織、用戶、角色、菜單、身份識別、個人信息、權限、注冊與刪除等的管理。（3） 設備管理模塊：用于設備綁定、解綁、錄入、充電提醒、干擾警報、設備配置、設備定位和設備信息的維護等功能。（4） 項目管理模塊：通過項目維度對設備和人員進行歸屬，具有創建項目、信息設置（項目名稱、位置信息、時間、監測時間、地形條件和土壤質地等）等功能，基于可選菜單實現更加靈活的控制。（5） 報表統計模塊：提供完備的導入導出功能，并提供大數據量數據報表的展示和導出。包括提供Excel 報表模板導入，提供wps excel，wps word ，pdf，html，csv，和txt 等常用格式導出，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：通過微信小程序實現對設備的綁定查看水位以及預警信息等情況。

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

4 測試及結果分析

為評估水田滲透度遠程檢測設備及云平臺數據測量、通信狀態等，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據。測試結果表明，絕對誤差在0.5 mm內。

表1 實驗室水位測試結果

圖6 實驗室水位高度測試對比實驗

進一步，在野外實際水田內開展了多地、多區域的測試。圖7 為在浙江某丘陵地帶水田水位傳輸到遠程云平臺的測試結果。測試結果驗證了儀器的定位、遠程通訊、設備綁定、水位數據連續自動監測等功能。

圖7 野外水田水位測試結果

5 結論

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量的一個重要控制因素。本文設計了一種高精度水田滲透度遠程檢測設備，開發了相應的遠程監控平臺。在指定的環境下，對檢測設備進行了功能和性能測試，結果表明，水田滲透度遠程檢測設備在水位檢測精度和功能上能滿足土地整治質量評價要求。

通過引入傳感器技術，結合通訊技術和云平臺，研究水田滲透度檢測關鍵技術，為土地整治工程的質量評定和驗收提供便捷的有效途徑和科學依據。