基于无线传感网络的改碱暗管排盐监控系统

周利明，韦崇峰，苑严伟，周强兵，赵　博，张俊宁，汪凤珠

（1. 中国农业机械化科学研究院，北京 100083；2. 土壤植物机器系统技术国家重点实验室，北京 100083）

0　引　言

土壤盐碱化是国内外农业发展普遍面临的严峻生态环境问题[1]。盐碱地改良是通过采用物理、化学或生物方法改变土壤理化形状，使之达到有利于作物生长的条件[2-7]。暗管改碱技术是目前较为先进的盐碱地物理治理技术，其利用埋入地下一定深度的打孔波纹管将含有盐分的水引到暗管中，并集中排放至明渠，从而控制地下水位，抑制返碱，降低土壤碱性，提高土壤质量[8-12]。暗管改碱技术已经在埃及和荷兰等国家得到广泛应用。国内山东东营、天津滨海和新疆等地均开始应用此项技术，实施效果良好。开展改碱暗管排盐在线监测有助于准确掌握土壤中盐碱运移分布，为暗管改碱技术的实施效果提供科学评价依据。

随着无线传感技术的发展，其在农业环境监测方面得到广泛应用。蒋建明等[13]研究了基于无线传感网络（wireless sensor net，WSN）水质参数的测量和溶解氧自动控制，并对无线通信网络进行了优化。李颖慧等[14]开发了基于无线传感网络的营养液电导率实时监测系统。韩玉冰等[15]设计了一种基于 WSN的观赏鱼养殖水质监测系统，在实施监测养殖水质环境参数的同时，能够根据水溶氧量动态启停增氧机，保证水质处于最佳环境。李鑫星等[16]针对水质监测需求及其监测点的随机变动，设计了一种多参数无线水质监测系统；徐坤等[17]基于自制的基质多参数复核传感器，并结合 Zigbee无线网络技术，实现基质含水率、电导率和温度的测量。一些学者将无线传感器网络技术应用于湖泊、河流等大面积水质的在线监测[18-22]，由此实现广域信息的在线获取，进一步提高了WSN的适用性。

针对暗管改碱技术应用过程中排碱管道排盐信息缺乏在线监测手段，难以对改良实施效果进行科学评价的问题，本文选择管道流量、pH值及电导率作为监测参数，设计了一种基于Zigbee无线传感器网络的改碱暗管排盐信息在线监测系统，对不同埋深管道的流量及水质信息进行在线监测，并对排水暗管集水池水位进行在线控制，为实现改良地块盐分迁移的动态监测提供技术支撑。

1　排盐监控系统总体方案设计

1.1　需求分析

通过技术调研和分析，改碱暗管排盐监测系统应满足以下几点需求：1）能够适应野外无市电到达的区域，2）系统应能够自动运行，实现无人值守，3）系统的运行成本应相对较低，同时满足经济性和实用性。

1.2　系统总体结构

项目区内改碱管道排水采用“排（渗）水管-集水管”两级排水系统，排水管沿田间南北向布置，相邻管路间距 20 m，集水管沿田间东西向布置，埋深 2.0 m，坡降0.7‰，排水管与集水管连接处设置集水井。

由于暗管监测系统布设区域较大，现场测控节点多，且各节点间相距较远，难以通过铺设大量电缆线进行系统供电和数据传输，因此布设区室外监测节点需要由太阳能供电。基于长期运营的低成本和节点扩展的便捷性考虑，Zigbee网络结构适合作为系统的通讯方式。本研究设计的监控系统主要由中心节点、监测节点及控制节点 3部分组成，采用星型拓扑结构进行网络体系构建，总体结构如图1所示。

根据项目区内暗管改碱排水系统的管路分布和监测需求，确定监控系统节点分布如图2所示。

由图1、图2知系统监测节点连接流量计、pH传感器和电导率传感器，各监测节点按照设定的时间间隔定时采集管道内地下水的流量、pH值以及电导率等信息，并通过Zigbee节点将信息发送至中心节点。布设的监测节点主要包括位于中心监控室外沿集水井呈东西向均匀分布的5路埋深1.8 m的排水暗管监测节点（节点1～5）和1路埋深1.2 m的排水暗管末端监测节点（节点6），以及位于中心监控室内的2路埋深1.8 m集水管（节点7，8）。其中监测节点1与中心节点直线距离约为70 m，节点1至节点5沿水平方向均匀分布且相邻节点间距约为120 m，节点6与中心节点间距约为10 m，节点7和8与中心节点间距均在5 m内。室外排水管监测节点均位于管路末端的集水井位置。另外监测节点还包括 1路室内蓄水池实时水位监测（节点 9），将蓄水池的水位信息实时发送给中心节点，为水位的自动控制提供反馈。系统控制节点主要用于管道蓄水池的水位控制，该控制节点连接集水井的进水阀以及水泵驱动器，可以根据远程控制指令对进水阀的开关和水泵的启动进行在线控制。中心节点则负责接收各类监测节点信息，通过RS232接口连接本地服务器，同时将控制指令下发给控制节点，实现相应的控制动作。

图1　改碱暗管排盐监控系统结构框图Fig.1　Network structure diagram of subsurface pipe drainage monitoring system

图2　改碱暗管排盐监控系统节点分布示意图Fig.2　Distribution diagram for nodes of subsurface pipe drainage monitoring system

2　监控系统硬件设计

2.1　监测节点设计

每一路水质信息监测节点包括 Zigbee无线采集模块、pH传感器、电导率传感器、管道流量计和水体自动取样装置。其现场安装如图3所示。

图3　监测节点现场实物图Fig.3　Picture of real monitoring node

2.1.1无线采集模块

无线采集模块主要负责采集各路传感器的信息，并通过Zigbee网络将信息发送到中心节点。考虑到各路变送器输出信号均选择4～20 mA标准电流信号，因此采集节点采用上海顺舟科技公司SZ-06-05型无线数据采集设备。SZ-06-05采集模块包括4路4～20 mA电流采集通道，视距最大传输距离200 m，节点具备中继路由和终端设备功能，支持广播发送或目标地址发送模式，可以通过RS485总线接口对模块参数进行配置。

2.1.2pH与电导率变送器选型

每一个监测节点均需连接一路 pH传感器和电导率传感器，以便实时获取管道内的水质信息。选择PH1110A复合玻璃电极作为管道水体pH值测量电极，其测量范围为0～14，分辨率为0.01，测量精度为0.05。其根据被测介质的不同酸度产生不同幅值的直流电压。同时选择河北科瑞达科技有限公司的PH7500型pH变送控制器实现4～20 mA标准电流信号的输出。

根据前期水土调查结果，被测地下水的电导率范围为3.0～7.0 mS/cm。基于此，选择CON3124-14型不锈钢电导池进行电导率的在线检测，其电导池系数为1.0，分辨率为0.01 μS/cm，测量范围为0～10 mS/cm。由于电导池输出为微弱 mV电压信号，同时选择河北科瑞达科技有限公司生产的CCT8301A型电导率在线变送控制器对电导池输出信号进行处理，变换后输出4～20 mA标准电流信号。CCT-8301A自带温度补偿功能，可有效提高测量精度。所选pH和电导率变送器供电电压为DC24 V，由于太阳能供电电压仅为 DC12 V，因此采用金升阳DC/DC电源模块SW12S24-10w为pH和电导率变送器供电，所选电源模块输入电压DC12 V，输出电压DC24 V，输出功率10 W。

2.1.3流量计选型

排水暗管流量计负责实时获取各管道的渗透水流量，由于管道水中含有一定的盐分，其电导率通常在mS/cm量级，而电磁流量计仅要求介质电导率大于5 μS/cm，因此针对管道渗透水的流量监测选择开封百特流量仪表有限公司生产的电磁流量计。在暗管盐碱改良的工程设计中，所选排水暗管的管径为110 mm，集水管的管径为200 mm，根据管道的规格，所选的排水管流量计型号为 BTLD-101161，集水管流量计型号为BTLD-201161，流量计工作电压为 DC12V，输出为 4～20 mA电流信号，测量精度为0.5级，管道衬里为聚四氟乙烯。排水管流量计安装在各排水暗管末端，集水管流量计安装在集水管路中，均采用法兰安装形式。

2.1.4水体自动取样装置

受排水管规格影响以及传感器自身安装要求，难以直接将电导率传感器和pH传感器安装于排水管管体上。采用水体自动取样装置对管道内的水体进行取样，以便检测。水体自动取样装置包括定时控制器、直流隔膜水泵以及传感器安装导流座，结构如图4所示。

图4　水体自动取样装置及导流座Fig.4　Water automatic sampling device and water diversion module

采用微电脑时控开关KG316T（上海卓一电子有限公司，DC12V）作为定时控制器，控制水泵按照给定时间抽取水样。KG316T可以设置16组开关时间，其定时范围可以在1 min～168 h内任意设定。由于管道水质通常变化较为缓慢，从系统节能角度考虑，采用定时取样方式进行水质信息监测。通过定时控制器设定水泵工作时间为30 min，停止间隔为60 min。水泵选择河北石家庄普兰迪机电设备有限公司的PL1205型直流隔膜水泵，其工作电压为DC12V，最大压力0.62 MPa，功率为25 W，流量为3.15 L/min。

传感器安装导流座主要为 pH传感器和电导率传感器（电导池）的安装提供支撑条件。电导率传感器在使用时对安装形式要求较高，不正确的安装形式会导致测量数据失真，通常需采取平装形式。基于此，本文设计了适于传感器安装的导流座。导流座采用ABS材料经数控加工而成，由水泵出水口排出的地下水进入导流座进水口，流经pH传感器和电导池后由上方出水口排出，保证了电导池始终迎向水流方向且深入流动水体，使测量结果不受影响。

2.2　室外供电设计

室外监测节点供电采取太阳能供电形式。太阳能供电单元主要包括太阳能电池板、充电控制器和铅酸蓄电池。

2.2.1设备每天耗电量估算

为合理确定太阳能发电功率及蓄电池容量，需首先估算节点负载的功耗。这里监测节点每天的功耗包括传感器、无线采集传输节点和直流水泵的功耗总和。

式中，Q为节点总功耗，Qsen为传感器功耗，Qpum为取样水泵功耗，Qtmr为定时控制器功耗，Wh。

节点传感器功耗包括pH传感器、电导率传感器以及流量计正常工作所消耗的能量，其中pH和电导率传感器由DC/DC电源模块供电，模块电源转换效率为0.86，pH变送器功率为3.0 W，电导率传感器功率为5.4 W，电磁流量计功率为15 W。所有传感器均24 h连续工作。则传感器每天功耗

式中，Psen为传感器正常工作功率，W；T为传感器每天工作时间，h。

监测节点所用的直流水泵功率为25 W，工作电压为直流12 V，设定每天取样16次，每次取样时间30 min。则水泵每天功耗

定时控制器的功率为1.5 W，其工作时间与直流水泵一致。则定时控制器每天功耗

2.2.2蓄电池容量确定

根据系统设计要求，蓄电池容量应能满足负载在24 h内连续阴雨天供电需求，根据工程经验取蓄电池工作容量安全系数为1.2，深度放电系数为80%。则蓄电池容量

据此，选择免维护胶体蓄电池，电池容量为100 Ah，输出电压12 V。

2.2.3太阳能电池板功率确定

太阳能电池板的功率输出为

式中，Im为太阳能电池板正常输出电流，A；U为电池板工作电压，V；k为安全系数，根据工程经验取1.2。

太阳能电池板输出的最小电流Imin和最大电流Imax分别见式（8）和式（9）[23-26]

式中，QL为负载每天的耗电量，Wh；Tm为当地日平均峰值日照时数，h；Tmin为当地日最小峰值日照时数，η1为蓄电池充电效率；η2为电池板灰尘遮蔽损耗系数。

考虑项目区位于山东东营，通过查询当地气象资料确定Tm为4.5 h，根据工程经验，取η1为0.95，η2为0.95，则计算得到Imin为14.12 A。

式中，Uf为蓄电池浮充电压，工程取值14.5 V；Ud为线损电压，工程取值0.7 V[26]；将各参数带入式中，得到太阳能板输出功率为283 W。根据太阳能电池板常用的市场规格，确定采用2块150 W多晶太阳能板并联。

2.3　控制节点设计

为实现暗管水体的综合利用，在进行暗管改碱工程设计施工时，排碱暗管内的地下水需经集水管汇聚后进入现场控制室的蓄水池内。当蓄水池内水位达到一定高度时，通过水泵将水排出。控制节点位于现场泵站内。控制节点用于实时获取蓄水池内水位高度，并根据相应的控制策略，调节水泵工作状态，保证水位处在合理范围内。

控制节点主要包括液位传感器、水位无线采集节点、开关量无线输出节点和潜水泵。水位传感器用于实时测量蓄水池内水位信息，采用北京昆仑海岸传感技术有限公司的静压式液位变送器，型号为 JYB-K0-LAG。其供电电压DC12 V，输出4～20 mA标准电流信号，量程0～5 m，精度为±0.5%。水位采集节点采用SZ-06-05模块，实时将水位信号发送给中心节点。潜水泵用于排出蓄水池内积水，采用美国 ITT飞力泵业公司的潜水排污泵，型号为Steady 1310。其工作电压为交流380 V，额定功率为2.4 kW，最大扬程24 m，最大流量为16 L/S。开关量无线控制节点采用上海顺舟科技有限公司SZ-06-04高低电平输出模块，模块的IO输出外接继电器，通过控制开关量输出高低电平使继电器通断并使交流接触器动作，实现潜水泵的启停。

2.4　中心节点设计

中心节点是整个监控系统的核心单元。主要负责接收各个监测节点发送来的无线数据信息，通过RS232接口将接收到的信息上传给监控中心的计算机，同时将中心计算机对蓄水池水位的控制指令通过该节点发送到下位控制节点，控制节点根据相应的控制信号驱动继电器执行相应的控制动作。中心节点选择上海顺舟科技有限公司SZ02-232模块。该模块作为网络协调器，能够完成自组织、管理网络的功能。

3　监控系统软件设计

3.1　蓄水池水位控制策略

改碱暗管中的地下水经汇集后进入到蓄水池内，当水位达到一定高度时，监测系统会自动调节蓄水池内潜水泵的启停，并向外排水，以便控制蓄水池水位。

蓄水池的水位受到水泵工作的影响容易出现上下波动，因此会给液位传感器的测量带来不利影响。考虑到水位变化缓慢，采用一阶惯性滤波算法对实时获取的水位信息进行处理。经滤波后的水位信号输出为

式中，β为滤波系数；Ts为采样时间，s；Tf为滤波时间；x(i)为本次采样值，y(i-1)为上次滤波后的输出值。本系统中 Ts为 1 s，Tf为 10 s。

根据设计要求，蓄水池的水位控制分为上水位和下水位 2档，当蓄水池水位低于下水位时，需关闭潜水泵停止向外排水；当蓄水池水位高于上水位时，需启动潜水泵向外排水。水位控制流程如图5所示。

图5　蓄水池水位控制流程图Fig.5　Program flowchart of reservoir water level control

3.2　通讯协议

在整个监测网络中，包括1个中心节点、9个监测节点和1个控制节点。每个节点均预设1个不同的地址，各节点采用定时主动上报形式向中心节点传输，中心节点与各监测节点的地址分配见表1。

设置各节点的频点为2.425 GHz，定时主动上报时间间隔为15 s，数据包为ASCII码格式。

表1　各节点地址分配表Table 1　Address allocation for wireless monitoring nodes

3.3　监控中心软件设计

本地监控中心软件采用美国国家仪器（NI）公司的LabWindows/CVI 2012开发。该软件采用交互式编程技术，同时集成强大的函数库和图形界面控件，非常适合测控系统的开发[27-30]。监控中心软件通过调用 VISA RS232函数库获取中心节点串口发送的监测数据，对数据进行滤波预处理后将所接收的数据以txt文件格式进行存储与管理。其主要功能模块包括参数设置、实时监控、数据处理与回放等。参数设置部分主要对蓄水池液位上下限值、水质参数的上下限值以及通讯参数进行设置；实时监控主要完成实时采集各监测节点的 pH值、电导率、管道流量数据以及蓄水池水位信息，并以动态曲线图形式将数据进行显示，同时根据实时水位进行控制决策，适时调整潜水泵的启停，保证水位处于设定范围内。数据处理与回放主要完成水位数据的在线滤波处理，各类水质数据预处理，并对历史数据进行查询、统计和回放等。图6为监测系统软件界面。

图6　监测系统用户界面Fig.6　User interface of monitoring system

4　试验及结果分析

2016年4月至12月，在山东省东营市农业高新区盐碱地改良综合试验基地进行应用试验。试验内容主要包括蓄水池水位控制试验、传感器检测精度试验、节点传输距离测试和节点丢包率测试等。

4.1　水位控制试验

试验所用蓄水池深度为4 m，设定蓄水池高水位限值为2.5 m，低水位限值为0.5 m。监控系统处于正常工作状态，保持集水管向蓄水池供水，同时记录蓄水池实时的水位变化。图7为某一工作时段的蓄水池水位变化曲线。

由图 7可知，由于集水管的持续供水，蓄水池水位缓慢上升，当水位达到2.5 m时，潜水泵开启，排水量显著大于进水量，水位开始急剧下降；当水位下降到0.5 m时，由于潜水泵关闭，不再向外排水，此时集水管仍然进水，水位会再次缓慢上升，进入下1次排水循环。

图7　蓄水池水位变化曲线Fig.7　Curve of reservoir water level

4.2　传感器检测精度试验

在每个水质监测节点处进行人工水样采集，将采集的水样进行实验室化验分析得到真实电导率和pH值。同时，记录监控中心软件所显示的各个监测位置点的电导率和pH值，作为当前的测量值。结果如表2所示。

表2　pH和电导率传感器测试结果Table 2　Test results of pH sensor and conductivity sensor

由表 2可知，本系统中各路传感器的测量值与试验室标准值较为接近，pH值和电导率的平均测量误差均小于5%，能够满足实际生产需要。

4.3　节点传输距离测试

传输距离对节点的正确部署具有重要指导作用。由于现场建筑物、林木以及天线部署情况都会对传输距离产生影响。本系统的中心节点位于本地监控中心，天线与地面距离为1.5 m，中心节点的数据由上位机接收。以中心节点为基准点，同时径向移动监测节点，改变监测节点与中心节点之间的距离，确认数据传输的丢包率，以测试无线传输的性能，为节点部署提供参考依据。节点间距与丢包率曲线如图8所示。

从图 8中可知，当测试用监测节点与中心节点距离在120 m以内时，丢包率低于2%。而超过125 m后，数据丢失明显，在达到150 m时丢包率高达43%。其主要原因是中心节点位于监控室内，受周围混凝土墙体遮挡影响无线信号发生衰减导致传输距离变小。

图8　监测节点通讯距离与丢包率关系Fig.8　Relationship between communication distance and packet loss rate for monitoring nodes

4.4　丢包率测试

节点丢包率是衡量无线传感节点数据传输性能的关键指标之一。这里根据系统各节点的分布情况，分别测试监测节点向中心节点发送以及中心节点向控制节点发送的数据传输性能。试验时，监控系统所有节点均处于工作状态，各监测节点在完成数据采集任务的同时，还作为中继器负责数据的转发任务。由每一个监测节点按设定时间发送1 000组数据包，在中心节点接口统计接收到的数据包数量并计算监测丢包率；另外，由中心节点向控制节点下发 500组控制数据包，通过人工确定继电器触点动作次数来确认控制节点收到的数据包数量并计算丢包率。测试结果如表3所示。

表3　各节点丢包率测试结果Table 3　Test result of packet loss rate

由表 3的测试结果，结合各节点的距离分布可知，室外监测节点3、4、5号与中心节点的距离均超过200 m，但节点的数据丢包率并不高，由此表明这 3个节点的数据经过其他节点的中继转发顺利传输至中心节点。整体而言，系统各节点的丢包率均小于3%，通讯较为稳定。

5　结　论

本文采用无线传感网络及多传感探测等技术设计了改碱暗管水质无线测控系统。该系统利用监测节点获取暗管水质及流量信息，并通过Zigbee网络发送至中心节点，本地计算机由中心节点将数据通过RS232接口上传到，实现暗管排水信息的在线测控。借助于滤波算法有效消除液位波动对水位监测的影响，结合无线通讯技术，实现了蓄水池水位的远程自动控制。

通过开展改碱暗管排盐监控系统性能试验，得到以下结论：该系统运行稳定、水位控制准确、数据传输可靠，pH值和电导率的相对测量误差分别为1.81%、1.89%，各节点的最大丢包率为2.6%，能够满足实际生产需要。

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