脉冲式蒸发器水面蒸发量手机在线检测装置研制

曹春号，杨启良，李加念，刘小刚，喻黎明



脉冲式蒸发器水面蒸发量手机在线检测装置研制

曹春号，杨启良※，李加念，刘小刚，喻黎明

（昆明理工大学现代农业工程学院，昆明 650500）

为提高水面蒸发量的智能检测水平，研制了一种可以通过手机进行水面蒸发量在线检测的装置。该装置主要由整体结构稳定装置、传感器位置固定装置、调节装置、检测和脉冲控制模块、电源模块及上位机控制计算显示存储软件、物联网服务器、数据传输模块组成。采用水位检测传感器探头接触水面后，通过传感器探头的电平状态变化，对单片机所发出的脉冲进行计数，推算水面蒸发量，进行灌溉区间的动态计算，实现了水面蒸发量的在线检测。结果表明：1）装置运行可靠：水位传感器回到初始位置的成功率和单片机开发板接收到检测指令的成功率均为100%；2）装置运行稳定，检测精度较高：试验测定的脉冲数的最大极差为3，与人工测量值相比，该装置测定值最大相对误差为2.04%；3）单片机所发出的脉冲数和水位高度呈现线性关系，决定系数2达到1；4）田间试验结果表明，该装置适应性较好，性能良好，最小相对误差为0.85%，最大相对误差为2.68%。可见，该装置运行稳定可靠，测量精度较高，不仅通过手机实时查看数据，而且通过手机远程控制检测过程，提高了水面蒸发量在线检测的智能化水平，研究可为智能化节水灌溉的灌溉定额提供依据。

蒸发；蒸发器；传感器；脉冲式；在线检测；水位；智能检测

0 引 言

水面蒸发量研究能为水资源评价、农作物的精准灌溉提供科学依据[1]。早在1687年，天文学家哈利（E. Halley）用蒸发器（皿）观测水面蒸发量，20世纪80年代初，中国根据全国蒸发试验资料，确定了不同气候区的各类蒸发器折算系数及水面蒸发计算模型[2]，为蒸发器的广泛使用奠定了科学理论基础。

近年来，国内外众多学者根据蒸发器测得的水面蒸发量制定农作物的灌溉制度[3-9]，并根据水面蒸发与土壤蒸发的关系，建立了土壤蒸发的数学模型[9-19]。但利用蒸发器进行水面蒸发量测量时，需要检测人员亲自前往检测场地，将定量的清水放在小型蒸发器中，测量初始水位高度值并记录，一段时间之后，用量杯测量剩余水位高度值，进行人工计算，所减少的水位高度值与折算系数的乘积即为水面蒸发量[20-26]。由此可见，该测量方法中，水位高度的变化是衡量水面蒸发量大小的重要指标。这种测量方法由于自动化程度低，操作过程繁多，将蒸发器中的水倒入测量设备时因部分水残留在器皿内壁容易产生水量损失，操作人员读数不当或读数习惯也会引起误差，因此存在检测费时费力，精度不高等突出问 题[27-29]。钱于强等[30]利用日平均空气温度、湿度、风速、日照时数推算蒸发器日蒸发量，虽然取得了近似值，但误差较大。刘小飞等[31]利用马略特瓶原理，研制了一种自动补水蒸发器装置，虽然能对当前水位的高度直接进行读取，但没有实现对水面蒸发量的在线检测以及灌溉区间的动态计算，自动化程度较低。

基于此，本研究旨在研制能够实现水面蒸发量线检测的高精度低成本装置，同时实现手机操作，降低已有水面蒸发量检测装置的成本。

1 装置总体方案设计

1.1 总体设计要求

脉冲式蒸发器水面蒸发量在线检测装置应用需满足4点要求：1）标定试验中，得到关系式的线性拟合度较高，且装置在线检测精度较高；2）运行过程稳定可靠；3）装置的水位高度历史检测结果可通过手机或电脑查看；4）根据蒸发器的折算系数，动态计算水面蒸发量，结合农作物的耗水规律，确定农作物的灌水定额。基于上述要求，提出该装置的原理框图如图1所示。

图1 脉冲式蒸发器水面蒸发量在线检测装置的原理框图

1.2 装置检测工作原理

水位高度采用水位传感器（广州市龙戈电子科技有限公司，精度±0.5 mm）检测，水位传感器利用红外光学原理，将检测的水位信号通过光学传递，转换为电信号输出，通过传感器采集的电压信号的变化判别水位情况。如图2所示，为防止水位传感器探头触碰到蒸发器的底部而损坏探头，测量范围设定为10～70 mm的水位。

1. 传感器探头 2. 探头运动方向 3. 水面 4. 蒸发器 5. 出水口 6. 传感器检测范围 7. 探头安全距离 8. 初始位置 9. 水位高度 10. 运动距离

传感器探头从固定的初始位置开始运动，未接触到水面时，处于低电平状态，当传感器探头接触到水面时，会激发探头的高电平状态，对传感器探头开始运动至接触水面下方深5 mm期间单片机发出的脉冲进行计数求和，利用拉格朗日插值法[32]建立脉冲总数与水位高度的对应关系式，推算水位高度。

检测人员通过手机app从物联网服务器请求加载上次测得水位高度的记录值，发送检测指令，待检测完成后，手机app将上次测得水位高度的记录值与本次测得的水位高度值相减，得到的水位差值与预设的折算系数的乘积，即为蒸发器水面蒸发量。

采用Esp8266型数据传输模块，实现Arduino Uno单片机开发板与物联网服务器之间的通信，通过行程开关控制检测前后的复位操作。

2 装置硬件设计

2.1 整体结构设计

该装置由整体结构稳定装置（底座、支撑杆固定底座、支撑杆构成）、传感器位置固定装置（电机固定杆、导轨固定杆、探头固定杆构成）、检测和脉冲控制模块（A/D 转换、步进电机驱动板、单片机开发板构成）、传感器位置调节装置（水位传感器、丝杆、联轴器、丝杆螺母、步进电机、行程开关构成）、电源模块、物联网 服务器、上位机控制计算显示存储软件和数据传输模块组成。装置整体结构如图3，水位传感器安装在探头固定杆上。选用42BYGH48步进电机（相电压9 V，步距角1.8°）驱动丝杆（螺距2 mm），带动传感器探头进行复位和测量。支撑杆上安装有电机固定杆和导轨固定杆，固定42BYGH48步进电机的位置并为探头固定杆提供导轨。在导轨固定杆下端设有德力西LXW5-11N1行程开关，以便对装置进行精准复位。

1. 底座 2. 支撑杆固定底座 3. 支撑杆 4. 导轨固定杆 5. 电机固定杆 6. 行程开关 7. 42BYGH48 步进电机 8. 联轴器 9. 丝杆螺母 10. 丝杆 11. 探头固定杆 12. 传感器探头 13. 蒸发器

2.2 检测和脉冲控制模块

检测和控制模块由水位传感器，步进电机驱动板、单片机开发板组成，检测模块由水位传感器和单片机连接电路组成，脉冲控制模块是步进电机驱动板（图4）。

注：MS1～MS3为细分选择端；OUT1A和OUT1B是DMOS全桥A输出引脚1和2；OUT2A和OUT2B是DMOS全桥B输出引脚1和2；REST是上电复位引脚;VBB1和VBB2是电机驱动电源输入端；STEP为脉冲输入端；VDD是驱动板自身所需电源输入引脚；DIR是电机正反转控制引脚。

2.2.1 检测模块

本文选用的水位传感器的工作电压为5 V直流电，其输出方式为模拟电平直流电压信号，信号端直接连接在自带A/D转换电路的Arduino Uno单片机开发板[33]的模拟信号输入引脚上。

2.2.2 脉冲控制模块

本文传感器位置调节装置选用42BYGH48步进电机，其工作电压为9 V，相电流1.2 A，由A4988步进电机驱动板提供脉冲驱动，脉冲由Arduino Uno 单片机数字输入/输出接口提供。该步进电机驱动板上的MS1、MS2和MS3选择端可以调整输出脉冲的电压和电流大小，由该步进电机（步距角1.8°）和丝杆（导程8 mm）的特性选择全步进模式，即MS1～MS3细分选择端接地或者悬空，达到本装置所需要的精度[34]。电路板的接口如图4所示。其控制信号由Arduino Uno单片机数字输入/输出接口提供。

2.3 装置供电分配

本装置部件正常工作的电源类型均为直流电，其中Arduino Uno开发板、42BYGH48步进电机均为9 V，LXW5-11N1行程开关、A4988驱动模块和水位传感器均为5 V，Esp8266数据传输模块为3.3 V，且Arduino Uno开发板上有5和3.3 V电源接口，所以将220 V的交流电通过电源模块转换为9 V的直流电，提供给Arduino Uno 开发板和A4988步进电机驱动板，就可以保证上述部件的正常运行。装置的供电分配图如图5所示。

图5 脉冲式蒸发器水面蒸发量在线检测装置供电分配图

3 底层软件和手机端软件交互设计

单片机端程序在Arduino1.8.1软件中用C语言开发，经过调试后，编译后下载到Arduino Uno自带的flash中；手机端程序在Xcode 9.4.1中使用Objective-C语言开发，经过调试后，编译运行安装到手机上。底层软件和手机端软件均采用TCP协议进行通信，程序流程如图6所示。

图6 脉冲式蒸发器水面蒸发量在线检测装置程序流程图

手机端软件的主要功能有：显示设备ID，可以对本文设计的蒸发器水面蒸发量在线检测装置发送测量指令，控制其进行检测操作，待完成1次检测操作后，可接收从物联网服务器上回传的消息，实时查看本次测量的水位高度值；显示上一次测量时的水位高度值、当前预设的折算系数和灌溉区间参数，并根据本次测量的水位高度值、预设的折算系数、灌溉区间参数对水位差值、水面蒸发量、灌溉区间进行动态计算；将每次水位高度测得值存储在物联网服务器并在手机app上对历史测得值及其对应的测量时间和趋势图进行显示，数据不会丢失，可以随时查看和分析；对于不同型号的蒸发器、不同的测量月份（折算系数稍有差别）和不同的农作物的灌溉区间，可以提前对参数进行预设。

4 脉冲式蒸发器水面蒸发量在线检测装置性能测试

4.1 试验材料和试验环境

试验在室内进行，试验水样选用自来水，水的温度为20 ℃，密度为0.995 g/mL，室温为22 ℃，无阳光直射。

4.2 试验装置

将电源模块接入220 V交流电源，使装置正常开机，待装置连接到预设的WiFi网络后，将蒸发器放置在传感器探头正下方。试验开始前，应保证蒸发器和量杯内是干燥无水状态，且进行加水操作后要等蒸发器中的水面呈静止状态一段时间之后再进行试验。试验装置如图7所示。

1. 毫米量杯 2. 交流转直流电源模块 3. 150毫升量筒 4. 滴管 5. A4988步进电机驱动板 6. Arduino Uno 开发板 7. Esp8266数据传输块

水面蒸发量检测精度试验，分别用毫米量杯（量程：10 mm）量取10、25、40、55、70 mm的自来水，倒入蒸发器进行测量，模拟水面蒸发量测量的过程，并进行相对误差分析。

4.3 试验方法

装置的性能通过以下3个方面进行测试和验证： 1）装置的运行性能的测试，通过人工观察传感器探头能否回到初始位置和能否准确接收检测指令；2）水面蒸发量检测结果的准确性试验；3）水面蒸发量检测结果的数据稳定性分析。

4.3.1 装置运行试验

水位传感器回到初始位置的成功率为

手机app发送指令，开发板接收到指令的成功率为

4.3.2 水面蒸发量检测结果的准确性试验

因为相同蒸发器的折算系数相同，只需将人工观测的水位高度值与装置测量所得到的水位高度值进行分析比较，验证装置检测结果的准确性。

4.3.3 水面蒸发量计算所得结果的数据稳定性

采用试验设计方法中的数据稳定性分析方法，在相同水平下所测得的一组数据，极差越小，越稳定。决定系数越接近1，说明数据的线性拟合度越高，所得到的2个变量对应的关系式参考价值越高。

4.4 传感器标定

因为传感器输出的是模拟电平信号，在装置接收到手机app所发送的检测指令进行检测的过程中，传感器探头在传感器位置调节装置的带动下垂直匀速下降，当传感器探头未接触到水面时，处于低电平状态，当传感器探头接触到水面时，会激发探头的高电平状态。利用传感器的这一特性，传感器探头从初始位置开始运动过程中，对单片机发出的脉冲进行计数，直到传感器探头接触到水面，停止对脉冲进行计数。用量程10 mm的量杯依次量取10.00、15.00、20.00、25.00、30.00、35.00、40.00、45.00、50.00、55.00、60.00、65.00、70.00 mm的自来水，向蒸发器中加入，每次向蒸发器中加入自来水后，测量Arduino Uno开发板发出的脉冲数，进行3次重复试验，并将脉冲数的平均值与水位对应记录下来，如图8所示。

图8 单片机发出的脉冲个数和水位的关系

利用数值分析中的拉格朗日插值法进行计算，得到2个量之间的对应关系式

（3）

式中为水位，mm；为单片机发出的脉冲数。

由图8可知，单片机发出的脉冲数与水位为线性关系，决定系数2达到1。说明用单片机发出的脉冲个数的方法推算水位值效果较好。

4.5 结果与分析

4.5.1 装置运行可靠性检验

装置运行结果如表1所示。13个水位水平，3个重复试验共39个试验过程中，水位传感器回到初始位置的成功率为100%。39个试验过程中，单片机开发板接收到检测指令的成功率为100%，说明装置运行可靠。

表1 脉冲式蒸发器水面蒸发量在线检测装置运行成功率

4.5.2 装置运行稳定性分析

装置运行稳定性分析见表2，由表可知，测得单片机发出的脉冲数的最大极差为3，最小为0，数据稳定性较好，由图8可知，2达到1，说明数据的线性拟合度较高，所得到的2个变量之间的关系式具有较高的参考价值，从表中可以看出，数据呈现出了轻微的波动性，这可能是步进电机运行过程中发生失步现象造成。

4.5.3 装置准确性检验

在水面蒸发量的模拟检测试验中，水位差值的装置检测结果与人工测量结果的比较见表3，由表可知，在15个模拟水面蒸发量测量的过程试验中，相对误差最大为2.04%，最小为0.60%，装置检测结果与人工测量结果误差较小，说明该装置检测结果准确可信。

表2 脉冲式蒸发器水面蒸发量在线检测装置运行稳定性

表3 脉冲式蒸发器水面蒸发量在线检测装置测量精度

5 田间试验

为了进一步验证脉冲式蒸发器水面蒸发量在线检测装置的可靠性和适应性，于2018年10月25日—11月2日在昆明理工大学现代农业工程学院温室大棚进行田间试验。大棚内种植作物为滇重楼，大棚环境为无风，2层遮阳网遮阴，量取20 mm清水注入蒸发器，放置在传感器探头正下方，打开手机app，发送检测命令进行水位初始值检测操作，24 h后再次打开手机app，发送检测命令，在线检测水位高度值并计算水面蒸发量，然后用10 mm量杯人工测量剩余水量，计算水面蒸发量。将蒸发器中的水清空，再次量取20 mm清水注入蒸发器，重复上述过程，检测结果在手机app上显示，截取部分结果如图9所示。

脉冲式蒸发器蒸发量检测装置测定与人工测量结果如表4。二者最小相对误差为0.85%，最大相对误差为2.68%，根据《GB 21327-2007-T水面蒸发器》蒸发传感器相对偏差≤±3%的要求[35]，符合国家标准。

图9 脉冲式蒸发器水面蒸发量在线检测装置测得水位值手机App部分截图

表4 水面蒸发量在线检测装置与传统方法测定结果对比

6 结 论

本文以Arduino Uno为核心元件，基于水位传感器，研制了能通过手机或者电脑进行水面蒸发量在线检测的装置。该装置能够通过手机app发送检测指令对水面蒸发量进行在线检测，并根据检测结果，进行灌溉区间的动态计算，对历史水位高度数据及其对应的测量时间进行显示和存储。

1）该装置运行稳定可靠：水位传感器回到初始位置的成功率和手机app在发送检测指令后，单片机端接收到检测指令的成功率均为100%。

2）该装置检测精度较高：采用脉冲式的方法推算探头与水面的距离，获得单片机发出的脉冲数与水位高度为线性关系，R为1，3次试验测得脉冲数最大极差为3，水面蒸发量测量的最大相对误差为2.04%，满足设备的使用要求。

3）田间试验结果表明，本装置可以实现田间长期的水面蒸发量的在线检测，最小相对误差为0.85%，最大相对误差为2.68%，满足设备的使用要求。

由于本文所设计的脉冲式蒸发器蒸发量在线检测装置，没有设置挡雨装置，而实际测定过程因露天受降雨影响，可能造成蒸发量测定值稍小，因此后续针对这一问题继续开展研究。

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Design of water surface evaporation on-line detection device of pulse type evaporator

Cao Chunhao, Yang Qiliang※, Li Jianian, Liu Xiaogang, Yu Liming

(650500,)

In this research, a new water surface evaporation on-line detection device of pulse type evaporator was designed. The device was mainly composed of a whole structure stabilization device, a sensor position fixing device, a sensor position adjustment device, an Arduino Uno development board, a water level sensor, an A4988 drive board, a power module, upper computer control calculation and display storage software, Internet of Things server and data transmission module. The whole structure stabilization device was composed of a device base, a supporting rod fixed base and a supporting rod. The sensor position fixing device was composed of a motor fixed rod, a guide rail fixed pole and a probe fixed rod. The sensor position adjustment device was composed of a water level sensor, a coupler, a leading screw, a screw nut, a stepping motor, and a limit switch. The water level sensor was installed on the probe fixed rod. The limit switch was installed under the pole of the guide rail. The water level sensor could provide analog level signal and input to the interface of Arduino Uno. The 42BYGH48 stepping motor was driven by a A4988 drive board, and the drive board was supplied with pulse by Arduino Uno development board. The main interface of the upper computer was designed by Xcode software. The main functions of the mobile terminal software were to display device ID, send measurement instructions to the pulse type on-line detection device for evaporator evaporation and control its detection operation. After a detection operation was completed, it could receive message from the Internet of Things server and view the measured water level in real time; The water level value and irrigation interval parameters were calculated dynamically according to the water level value and irrigation interval parameters. The measured value of each water level were stored in the Internet of Things server. The historical measurement and its corresponding measurement time and trend map were displayed on the mobile app. The data could be viewed and analyzed at any time. In order to evaluate the accuracy and stability of the device. A total of 3 tests were carried out for each water level. The infrared optical sensor detected the change of the level of the sensor probe after the probe touched the water surface, and then calculate the water surface evaporation. Based on this sensor, the online detection of water surface evaporation was realized. The performance of the device was tested by the water surface height test of tap water. The results showed that: 1) the success rate of the water level sensor returning to the initial position was 100% in the 39 tests for the 13 water level levels. During the 39 tests, the success rate of the singlechip microcomputer development board receiving the detection instruction was 100%, indicating that the device runs reliably; 2) in the 39 tests, the maximum range of the number of pulses measured by 3 times at the same level was 3, indicating that the device runs stably; 3) The maximum relative error between water level measured by the device and the artificial method was 2.04%, indicating that the device has high detection accuracy; 4) The results of field tests showed that the device had good adaptability and good performance. The minimum relative error was 0.85% and the maximum relative error was 2.68%. The device can be used as an online detection platform for evaporator evaporation.

evaporation; evaporators; sensors; pulse type; on-line detection; water level; intelligent detection

2018-08-22

2018-12-11

国家自然科学基金（51779113、51379004）；昆明理工大学学生课外学术科技创新基金课题项目（2018YB341）

曹春号，河北保定人，主要从事农业智能化检测与控制技术研究。Email：751627024@qq.com

杨启良，甘肃通渭人，博士，教授，主要从事高新技术在农业工程中的应用研究。Email：yangqilianglovena@163.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.01.013

P414.8

A

1002-6819(2019)-01-0106-08

曹春号，杨启良，李加念，刘小刚，喻黎明.脉冲式蒸发器水面蒸发量手机在线检测装置研制[J]. 农业工程学报，2019，35(1)：106－113. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.01.013 http://www.tcsae.org

Cao Chunhao, Yang Qiliang, Li Jianian, Liu Xiaogang, Yu Liming. Design of water surface evaporation on-line detection device of pulse type evaporator[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(1): 106－113. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.01.013 http://www.tcsae.org