一、產(chǎn)品簡介及設(shè)計(jì)目標(biāo)
QYCK-1000型土壤測坑監(jiān)測系統(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。其通過對被測土壤（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)率和水勢傳感器，配置了智能數(shù)據(jù)采集器和信號處理器，可同時(shí)檢測被測土體信息隨時(shí)間的微小變化及氣溫。空氣濕度、光照、降水等對應(yīng)相關(guān)參數(shù)，并對測量的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)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(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)的長期監(jiān)測。
土壤測坑監(jiān)測系統(tǒng)，是我公司在充分汲取國內(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)和檢測技術(shù)的革新提高了相關(guān)參數(shù)的測量精度；同時(shí)，進(jìn)一步改善和提高了土壤測坑監(jiān)測系統(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 土壤測坑監(jiān)測系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)
二、系統(tǒng)組成及總體結(jié)構(gòu)
土壤測坑監(jiān)測系統(tǒng)可分為硬件和軟件兩大部分，共四個(gè)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(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、閥門和補(bǔ)水系統(tǒng)等組成。
QYCK-1000型土壤測坑監(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(dǎo)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(jī) | 1套 | 可多套使用 |
圖2土壤測坑監(jiān)測系統(tǒng)外部（照片）
圖3 土壤測坑監(jiān)測系統(tǒng)外部（照片）
圖4 土壤測坑監(jiān)測系統(tǒng)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)
測量參數(shù)：土壤溫度、土壤容積含水率、電導(dǎo)率
測量單位：℃，%（m3/m3），ms/cm
水分量程和精度：0~99%，±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：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
測量區(qū)域：以探針為中心的直徑7cm、高7cm的圓柱體
探針長度直徑：55cm，3mm
探針材質(zhì)：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(jìn)氣值：15bar
張力計(jì)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(shí)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）
工作原理 采用新一代無油潤滑負(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/件
包裝尺寸 445×400×865mm 毛重/凈重 22/19.5kg
附件清單 1支、空氣過濾器2只、吸引軟導(dǎo)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(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 土壤測坑監(jiān)測系統(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、軟件開發(fā)方案
IIS是Internet Information Services的縮寫，意為互聯(lián)網(wǎng)信息服務(wù)，是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言。ASP.NET基于.NET Framework的Web開發(fā)平臺，不但吸收了ASP以前版本的優(yōu)點(diǎn)并參照J(rèn)ava、VB語言的開發(fā)優(yōu)勢加入了許多新的特色。ASP.NET具備開發(fā)網(wǎng)站應(yīng)用程序的一切解決方案，包括驗(yàn)證、緩存、狀態(tài)管理、調(diào)試和部署等全部功能。在代碼撰寫方面特色是將頁面邏輯和業(yè)務(wù)邏輯分開，它分離程序代碼與顯示的內(nèi)容，讓豐富多彩的網(wǎng)頁更容易撰寫。同時(shí)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(gòu)
由于土壤測坑監(jiān)測系統(tǒng)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，開發(fā)了傳感器配置模塊，使得軟件能適應(yīng)不同土壤測坑監(jiān)測系統(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，頁面之間通過菜單操作、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)庫管理軟件MySQL進(jìn)行科研數(shù)據(jù)的統(tǒng)一儲存管理，并考慮到了系統(tǒng)擴(kuò)展性，可對下位機(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、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)測定：測定土體的參數(shù)。
下位機(jī)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(shí)時(shí)數(shù)據(jù)接收：對下位機(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)圖表形式加載到頁面，也可將實(shí)時(shí)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(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。
新數(shù)據(jù)接收：對下位機(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。
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，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)器對土壤測坑檢測數(shù)據(jù)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫進(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，具有針對外部網(wǎng)絡(luò)訪問安全防火控制，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。
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，對內(nèi)連接防火墻，對外連接中國移動(dòng)或中國電信的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)
