一、產(chǎn)品簡(jiǎn)介及設(shè)計(jì)目標(biāo)

BN-TCK20型土壤測(cè)坑系統(tǒng)是我公司在現(xiàn)代電子技術(shù)、土壤物理學(xué)和微氣候?qū)W等學(xué)科領(lǐng)域不斷深入發(fā)展的基礎(chǔ)上，為測(cè)定農(nóng)田蒸騰蒸發(fā)和地下水-土壤水轉(zhuǎn)化而研發(fā)生產(chǎn)的一種更系統(tǒng)更綜合的標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)設(shè)備。其通過(guò)對(duì)被測(cè)土壤（原狀土或人工配置實(shí)驗(yàn)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(yùn)移轉(zhuǎn)化規(guī)律。該儀器采用的高分辨率土壤溫度、水分、電導(dǎo)率和水勢(shì)傳感器，配置了智能數(shù)據(jù)采集器和信號(hào)處理器，可同時(shí)檢測(cè)被測(cè)土體信息隨時(shí)間的微小變化及氣溫。空氣濕度、光照、降水等對(duì)應(yīng)相關(guān)參數(shù)，并對(duì)測(cè)量的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)在線快速分析處理、記錄儲(chǔ)存，做到了數(shù)據(jù)采集的高速化、準(zhǔn)確化和人性化，大大提高了工作效率，降低了勞動(dòng)強(qiáng)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(zhǎng)期監(jiān)測(cè)。

測(cè)坑監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，是我公司在充分汲取國(guó)內(nèi)外有關(guān)系統(tǒng)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)研制的新款設(shè)備。其主要特點(diǎn)是：緊跟傳感器技術(shù)和檢測(cè)技術(shù)的革新提高了相關(guān)參數(shù)的測(cè)量精度；同時(shí)，進(jìn)一步改善和提高了土壤監(jiān)測(cè)系統(tǒng)使用中的人機(jī)效率，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度和維護(hù)工作量。其筒體結(jié)構(gòu)與工作原理如圖1所示。

圖1 測(cè)坑監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

二、系統(tǒng)組成及總體結(jié)構(gòu)

測(cè)坑監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可分為硬件和軟件兩大部分，共四個(gè)板塊：

（1）測(cè)量部分：由測(cè)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(zhuǎn)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(mén)和補(bǔ)水系統(tǒng)等組成。

BN-TCK20型測(cè)坑監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（無(wú)灌溉系統(tǒng)）

圖2土壤監(jiān)測(cè)系統(tǒng)外部（照片）

圖3 土壤監(jiān)測(cè)系統(tǒng)外部（照片）

圖4 土壤測(cè)坑監(jiān)測(cè)內(nèi)部（照片）

三、解決方案

1、土壤溫度水分電導(dǎo)率傳感器性能參數(shù)

測(cè)量參數(shù)：土壤溫度、土壤容積含水率、電導(dǎo)率

測(cè)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(dǎo)率量程和精度：0~20ms/cm，±2%

工作范圍：-30~70℃

輸出信號(hào)：RS485 MODBUS-RTU協(xié)議

供電電壓：DC 5~24V

穩(wěn)定時(shí)間：＜1秒

響應(yīng)時(shí)間：＜1秒

電導(dǎo)電極材質(zhì)：石墨

測(cè)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(zhǎng)度直徑：55cm，3mm

探針材質(zhì)：316L不銹鋼

密封材料：ABS工程塑料

2、土壤水勢(shì)傳感器性能參數(shù)

陶瓷頭 長(zhǎng)度：60mm   直徑：24mm   進(jìn)氣值：15bar

張力計(jì)管長(zhǎng)度：可自選長(zhǎng)度，10~200cm   直徑：25mm

水勢(shì)測(cè)量范圍：±100kPa

水勢(shì)測(cè)量精度：±0.5kPa

輸出信號(hào)：RS485 MODBUS-RTU協(xié)議

供電電壓：DC 24V

纜線：4芯屏蔽線

土壤水勢(shì)傳感器：帶外部注水裝置，可實(shí)現(xiàn)原位注水。

圖5 土壤水勢(shì)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(dòng)吸引器

工作原理 采用新一代無(wú)油潤(rùn)滑負(fù)壓泵制造而成的可移動(dòng)式吸引裝置

主要材料 塑料

參數(shù)技術(shù) 電源電壓：~220V±22V，50Hz±1Hz

電機(jī)功率：120VA

吸引泵：活塞泵

極限負(fù)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(tái)/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(guò)濾器2只、吸引軟導(dǎo)管（長(zhǎng)度2米）1根、電源線1根、熔絲管（RF1φ5×20/2.0A）2只、腳踏開(kāi)關(guān)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(kù)中，也可以數(shù)據(jù)文件的形式按設(shè)計(jì)定的周期保存，并且能通過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳遞和狀態(tài)監(jiān)控。機(jī)體包括物理設(shè)備層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層、數(shù)據(jù)資源層、科研業(yè)務(wù)層4個(gè)層次，以及信息安全保障、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范建設(shè)兩個(gè)支撐體系。

圖8 土壤測(cè)坑監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成框圖

其中物理設(shè)備層所有數(shù)據(jù)的自動(dòng)化采集功能：網(wǎng)絡(luò)傳輸層利用Internet局域網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)科研數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程創(chuàng)術(shù)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(wù)器，整合了實(shí)驗(yàn)基地采集或?qū)肟蒲袛?shù)據(jù)，向上提供有關(guān)數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)交換、遠(yuǎn)程輸出安監(jiān)控等數(shù)據(jù)服務(wù)；科研業(yè)務(wù)與B/S方式提供諸如遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)監(jiān)控、科研數(shù)據(jù)下載、系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)等業(yè)務(wù)；信息安全保障體系通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸加密、用戶鑒權(quán)等方式，保障系統(tǒng)安全；標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范建設(shè)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(shè)內(nèi)容。

5、軟件開(kāi)發(fā)方案

由微軟公司提供的基于運(yùn)行Microsoft Windows的互聯(lián)網(wǎng)基本服務(wù)。是微軟公司推出的新一代腳本語(yǔ)言。包括驗(yàn)證、緩存、狀態(tài)管理、調(diào)試和部署等全部功能。在代碼撰寫(xiě)方面特色是將頁(yè)面邏輯和業(yè)務(wù)邏輯分開(kāi)，它分離程序代碼與顯示的內(nèi)容，讓豐富多彩的網(wǎng)頁(yè)更容易撰寫(xiě)。同時(shí)使程序代碼看起來(lái)更潔凈、更簡(jiǎn)單。

圖9 系統(tǒng)軟件整體架構(gòu)

由于土壤測(cè)坑監(jiān)測(cè)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(fù)開(kāi)發(fā)工作量，提高軟件的通用性以及便于日后的功能擴(kuò)展，遵循軟件工程的思想，開(kāi)發(fā)了傳感器配置模塊，使得軟件能適應(yīng)不同土壤測(cè)坑監(jiān)測(cè)系統(tǒng)需要，同時(shí)也能適應(yīng)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(yè)，頁(yè)面之間通過(guò)菜單操作、超鏈接等方式進(jìn)行跳轉(zhuǎn)。進(jìn)入需要輸入用戶名和密碼。

本系統(tǒng)選用數(shù)據(jù)庫(kù)管理軟件MySQL進(jìn)行科研數(shù)據(jù)的統(tǒng)一儲(chǔ)存管理，并考慮到了系統(tǒng)擴(kuò)展性，可對(duì)下位機(jī)進(jìn)行的操作，主要功能有：

1、232串口配置：主要設(shè)置232串口的名 稱、下位機(jī)的名稱、波特率、數(shù)據(jù)位、停止位、校驗(yàn)方式、采樣間隔

2、wifi配置：主要設(shè)置IP和端口號(hào)、下位機(jī)名稱、采樣間隔。

3、密碼設(shè)置：保證接收數(shù)據(jù)安全正常地工作，設(shè)置接收數(shù)據(jù)時(shí)的密碼。

4、參數(shù)測(cè)定：測(cè)定土體的參數(shù)。

下位機(jī)操作子系統(tǒng)涵蓋了對(duì)數(shù)據(jù)采集器發(fā)出的各種命令。主要的模塊有：

實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)接收：對(duì)下位機(jī)發(fā)出實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)接收命令，將下位機(jī)采集到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)以動(dòng)態(tài)圖表形式加載到頁(yè)面，也可將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)保存到MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)。

歷史數(shù)據(jù)接收：對(duì)下位機(jī)發(fā)出歷史數(shù)據(jù)接收命令，將下位機(jī)采集到的歷史數(shù)據(jù)保存到MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)。

新數(shù)據(jù)接收：對(duì)下位機(jī)發(fā)出新數(shù)據(jù)接受命令，將下位機(jī)采集到的歷史數(shù)據(jù)按自定義的時(shí)間段存入MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)。

下位機(jī)管理：設(shè)置和讀取下位機(jī)的狀態(tài)參數(shù)。

數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)涵蓋查詢、統(tǒng)計(jì)、報(bào)表模塊：系統(tǒng)有機(jī)地、創(chuàng)造性地將查詢、統(tǒng)計(jì)和報(bào)表功能結(jié)合起來(lái)，提供了強(qiáng)大的查詢、報(bào)表打印功能，給工程分析提供了真實(shí)的、科學(xué)的依據(jù)。友好、簡(jiǎn)單的條件設(shè)置，便于人員使用。

數(shù)據(jù)導(dǎo)入導(dǎo)出功能更大限度地保護(hù)數(shù)據(jù)，便于查詢統(tǒng)計(jì)。

6、供電電源配置方案

整個(gè)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(diào)研情況了解到，施工地區(qū)地處空曠，經(jīng)雷擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，施工區(qū)的設(shè)備、設(shè)施易遭到雷擊，故電源系統(tǒng)需做防雷，防浪涌。整個(gè)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(shè)方案

試驗(yàn)基地控制中心擬布設(shè)（圖11）并實(shí)現(xiàn)以下功能：

設(shè)置數(shù)據(jù)中心服務(wù)器，與網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)相連接。該服務(wù)器對(duì)土壤測(cè)坑檢測(cè)數(shù)據(jù)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行管理，具有稅局容量大、處理速度快、可靠性高等特點(diǎn)。

設(shè)置硬件防火墻，具有針對(duì)外部網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)安全防火控制，并可進(jìn)行黑白名單設(shè)置，組織不信任區(qū)域?qū)Ρ鞠到y(tǒng)網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)資源的訪問(wèn)。

設(shè)置網(wǎng)絡(luò)中心交換機(jī)，完成網(wǎng)絡(luò)中心的網(wǎng)絡(luò)連接，提供可擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)端口。該類(lèi)型交換機(jī)有網(wǎng)絡(luò)管理接口，能提供24口個(gè)10/100M自適應(yīng)連接端口，并配置2個(gè)光纖插槽，使網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)具有較大的擴(kuò)展能力。

設(shè)置路由器，對(duì)內(nèi)連接防火墻，對(duì)外連接中國(guó)移動(dòng)或中國(guó)電信的4-8M光纖專線。

設(shè)置應(yīng)用服務(wù)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(luò)結(jié)構(gòu)