水田土壤入渗性能远程监测设备研发

边辉辉，陈 铭，王 梓，余 青，周吕彬，陈新明*

（浙江省国土整治中心，浙江 杭州）

水田犁底层的构筑质量是反映土地整治工程质量的一个重要控制因素。水田渗透度是水田质量的关键参数之一，需要一种高精度的水田渗透度探测设备来进行水田渗透度的监测。

现有市面上的水位监测设备主要针对河道、地下市政工程应用场合，检测技术上一般采用电容式感应检测[1-2]，由于电极按照间距（通常是cm 级别）的排列，存在水位测试数据离散、精度较低的问题。基于水压传感器的水位检测仪器[3-4]，测量精度可以达到毫米级别，然而新筑水田环境密度差异将导致水位测量精度的不确定性。研究人员提出了很多土壤入渗性能的测量方法，如双环测量方法[5]、线源入流测量法[6]等。孙权等[7]为克服传统双环入渗仪的供水不稳定、读取和记录数据工作量大的问题，设计了一种高效的自动双环入渗仪，采用电容感应液位传感器来监测内环和外环内的水位，同时利用激光测距实现连续自动监测水位。但是，自动双环入渗仪主要用于某个点的土壤入渗性质，无法作为土地整治工程中新垦造水田土壤入渗性能的监测。

为此，本文开发了一种基于水压传感器测量、电容感应修正的高精度水田渗透度远程检测设备，为今后水田土壤入渗性能提供远程监管和决策性支撑。

1 高精度水位检测原理

考虑水田使用时，水质不均匀、密度差异性大，从而导致水位检测精度一致性差的问题，提出采用基于水压传感器测量、电容感应修正相结合的水位检测原理，如图1 所示。

图1 高精度水位检测原理

图1 中，H1为水位下方最近的某一电极的高度，H2为其上相邻电极的高度，Hd为电极间隔；P1为水位在H1时测得底部水压监测传感器的水压，P2为水位在H2时测得底部水压监测传感器的水压。P 为水位在H 时测得的水压。基于插值，可以消除由水密度不确定带来的误差，因此水位的计算公式表示如下：

考虑同一压力传感器的测试误差相同，经简化，其误差计算如下：

2 水田渗透度远程检测设备开发

2.1 水田渗透度远程检测设备主控设计

水田渗透度远程检测系统由主模块及可扩展从模块组成，如图2 所示。根据量程需要进行快速扩展，包括测量主模块、水位开关检测模块及通信模块组成。

图2 水田渗透度远程检测系统架构

水田渗透度远程检测系统由若干个水尺标准化部件（水位位置检测，从模块）和高精度水压测量部件（主模块）组成，每个水尺标准化部件设定为200 mm，基于不同应用场合，可以选择不同个数；比如，3 个水尺标准化部件，则其有效测量部分为600 mm。通过用RS-485 总线与主模块系统建立信息链接。选择高精度水压传感器，其设定最大量程为3.0 m，最大测量精度为0.1%的FS。

考虑水田渗透度在线无人检测及能源供给等问题，系统考虑采用超低功耗的处理器STM32L 系列处理器、水尺标准化电子模块、FLASH 存储模块、能源管理模块、4G通信模块及、RS-485 通信模块及现场LCD 显示模块等组成，如图3 所示。

图3 水田渗透度远程检测设备的主控系统

水压测量采用高精度扩散硅压力传感器，并应用比较测量原理实现，电路包括水位测量传感器的激励电路、调零电路、多路转换电路、差分放大电路、滤波电路等组成。

系统同时采用SHT30 温湿度等环境参数的监测功能。考虑到其他环境因素（譬如风、认为因素、其他振动系统）对测量系统，系统设计了SCL3300 振动传感器（选装）来检测环境振动因素的影响，并与滤波软件结合，实现对环境因素的消除，进一步提高水位测量精度。

检测系统数据处理包括本地数据存储与远程云存储两种方式，为此，系统设计了TF 卡的数据存储电路，考虑到TF 卡消耗能量，采用使用开通原则，以实现能耗的进一步降低。应用SPI 接口实现TF 卡与处理器，并应用FAT32 文件系统，实现数据的TF 卡存储。

通信电路是实现水位开关测量与主控板信息交流通道，考虑到组网要求，采用RS-485 及MODBUS 通信协议来实现。测量数据云端传输，采用芯讯通无线科技（上海）有限公司的A7680C4G 模组作为云端数据传输通信模组，包括电源处理电路、天线电路、与处理器的接口电路、SIM卡驱动电路等。系统采用AT指令及MQTT协议实现数据传输。

2.2 水尺标准化部件检测方案设计

应用扩散硅水压传感器测量水位，需要测量对象确定的密度，水田由于环境的复杂性，水的密度会有所变化，这使得其对测量精度产生较大影响。为此，系统采用电容测量法对设置点的水位进行测量，从而实现对扩散硅水压传感器水位测量的校准。

系统选择永嘉微电的VK36W1D 电容式水位测量芯片，通过电路设计和算法，可以实现0.5 mm 精度的水位测量。芯片具有功耗低，非接触测量，集成度相对较高，外围测量电路简单等特点，其电路结构如图4 所示。

图4 水位检测系统的校准方案

考虑到元器件功耗要求，系统采用兆易创新的低功耗处理器GD32E230，全速运行模式下为0.22 mA，低功耗模式下0.97 uA，再配合主板电源控制，可以实现超低功耗系统测量。

电源管理是实现中长期无人值守的关键技术，系统采用以下电源技术：（1） 电流平衡技术，系统采用蓄能元件实现整个监测的过程能量平衡，特别是4G 收发模式下的能量平衡问题；（2） 多点电源分时管理技术，根据对测量过程的观察，分析各监测对象的时序关系，建立测量系统的能源时序，并加以平衡，从而实现测量系统低功耗。

检测系统嵌入式软件包括系统初始化、参数采样及标度转换、RS-485MODBUS 协议及通信处理、采样数据的TF 存储及远程数据成包处理、键盘与显示处理等。

3 水田渗透度远程平台开发方案

土地整治工程验收时，需要对新筑水田土壤入渗性能进行测试。为提高工作效率，减少中间环节，提出了水田土壤入渗性能远程监测的总体方案，如图5 所示。水田渗透度远程检测设备具备定位和远程通讯功能，现场通过手机APP 程序绑定检测设备，获取检测设备的定位位置，录入地形、土壤质地等相关信息，触发检测并实时发送相关检测数据，从而实现水田水位数据的连续自动监测，并计算相关渗透率。渗透率基于水位下降差除以时间差进行计算。

图5 水田土壤入渗性能远程监测的总体方案

水田土壤入渗性能远程监测平台包含登录、系统管理、项目管理、设备管理、报表统计和可视化等模块，同时开发了相应的微信小程序。各功能模块如下：

（1） 登录模块：用于用户录入、登录，支持用户姓名，电话、性别等信息维护。（2） 系统管理模块：包含用户管理，实现对平台组织、用户、角色、菜单、身份识别、个人信息、权限、注册与删除等的管理。（3） 设备管理模块：用于设备绑定、解绑、录入、充电提醒、干扰警报、设备配置、设备定位和设备信息的维护等功能。（4） 项目管理模块：通过项目维度对设备和人员进行归属，具有创建项目、信息设置（项目名称、位置信息、时间、监测时间、地形条件和土壤质地等）等功能，基于可选菜单实现更加灵活的控制。（5） 报表统计模块：提供完备的导入导出功能，并提供大数据量数据报表的展示和导出。包括提供Excel 报表模板导入，提供wps excel，wps word ，pdf，html，csv，和txt 等常用格式导出，提供完备的打印方案，提供Applet、flash、lodop 等三种以上打印控件。（6）

微信小程序管理模块：通过微信小程序实现对设备的绑定查看水位以及预警信息等情况。

水田渗透度远程检测设备与服务器之间以MQTT协议方式传输数据，支持双向通信，能够提供一对多的消息分发机制，可以用极少的代码和有限的带宽，为连接远程设备提供实时可靠的消息服务。

4 测试及结果分析

为评估水田渗透度远程检测设备及云平台数据测量、通信状态等，分别在实验室和野外进行了测试。在实验室，使用量筒置水，在水面放一薄纸片以方便游标卡尺精准获得水位高度，然后分别按照10 mm 下降水位，并进行测量，测试过程如图6 所示。表1 为实验室水位测试对比数据。测试结果表明，绝对误差在0.5 mm内。

表1 实验室水位测试结果

图6 实验室水位高度测试对比实验

进一步，在野外实际水田内开展了多地、多区域的测试。图7 为在浙江某丘陵地带水田水位传输到远程云平台的测试结果。测试结果验证了仪器的定位、远程通讯、设备绑定、水位数据连续自动监测等功能。

图7 野外水田水位测试结果

5 结论

土壤水分入渗涉及水田犁地层的蓄水能力，是反映土地整治工程水田犁底层质量的一个重要控制因素。本文设计了一种高精度水田渗透度远程检测设备，开发了相应的远程监控平台。在指定的环境下，对检测设备进行了功能和性能测试，结果表明，水田渗透度远程检测设备在水位检测精度和功能上能满足土地整治质量评价要求。

通过引入传感器技术，结合通讯技术和云平台，研究水田渗透度检测关键技术，为土地整治工程的质量评定和验收提供便捷的有效途径和科学依据。