一、產品簡介及設計目標
BN-TCK20型土壤測坑系統是我公司在現代電子技術、土壤物理學和微氣候學等學科領域不斷深入發展的基礎上，為測定農田蒸騰蒸發和地下水-土壤水轉化而研發生產的一種更系統更綜合的標準實驗設備。其通過對被測土壤（原狀土或人工配置實驗土）水循環的記錄分析，以研究農作物的耗水規律和SPAC系統中水分運移轉化規律。該儀器采用的高分辨率土壤溫度、水分、電導率和水勢傳感器，配置了智能數據采集器和信號處理器，可同時檢測被測土體信息隨時間的微小變化及氣溫。空氣濕度、光照、降水等對應相關參數，并對測量的數據進行實時在線快速分析處理、記錄儲存，做到了數據采集的高速化、準確化和人性化，大大提高了工作效率，降低了勞動強度。適用于農田、草原、森林及河流濕地等生態系統水文循環的長期監測。
測坑監測系統，是我公司在充分汲取國內外有關系統特點的基礎上，設計研制的新款設備。其主要特點是：緊跟傳感器技術和檢測技術的革新提高了相關參數的測量精度；同時，進一步改善和提高了土壤監測系統使用中的人機效率，降低了勞動強度和維護工作量。其筒體結構與工作原理如圖1所示。
圖1 測坑監測系統總體結構
二、系統組成及總體結構
測坑監測系統可分為硬件和軟件兩大部分，共四個板塊：
（1）測量部分：由測坑及配套傳感器等組成、
（2）數據傳輸部分：由數據轉換模塊、放大器及供電系統等組成。
（3）終端顯示部分：由數據采集器、主控制器、配套軟件及液晶顯示屏等組成。
（4）灌溉系統：由控制模塊、閥門和補水系統等組成。
BN-TCK20型測坑監測系統（無灌溉系統）
序號 | 名稱 | 數量 | 備注 |
1 | 土壤溫度水分電導率傳感器 | 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 | 數據采集器及主控制器 | 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 | 1套 | 可多套使用 |
圖2土壤監測系統外部（照片）
圖3 土壤監測系統外部（照片）
圖4 土壤測坑監測內部（照片）
三、解決方案
1、土壤溫度水分電導率傳感器性能參數
測量參數：土壤溫度、土壤容積含水率、電導率
測量單位：℃，%（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℃
電導率量程和精度：0~20ms/cm，±2%
工作范圍：-30~70℃
輸出信號：RS485 MODBUS-RTU協議
供電電壓：DC 5~24V
穩定時間：＜1秒
響應時間：＜1秒
電導電極材質：石墨
測量區域：以中央探針為中心的直徑7cm、高7cm的圓柱體
探針長度直徑：55cm，3mm
探針材質：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
陶瓷頭 長度：60mm 直徑：24mm 進氣值：15bar
張力計管長度：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，可實現原位注水。
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）
電動吸引器
工作原理 采用新一代無油潤滑負壓泵制造而成的可移動式吸引裝置
主要材料 塑料
參數技術 電源電壓：~220V±22V，50Hz±1Hz
電機功率：120VA
吸引泵：活塞泵
極限負壓值：≥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 包裝數量 1臺/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、空氣過濾器2只、吸引軟導管（長度2米）1根、電源線1根、熔絲管（RF1φ5×20/2.0A）2只、腳踏開關1只
圖7 土壤溶液提取裝置
4、數據采集原理及方案
本系統的數據采集全部為智能化采集，數據可直接保存到數據庫中，也可以數據文件的形式按設計定的周期保存，并且能通過網絡進行遠程數據傳遞和狀態監控。機體包括物理設備層、網絡傳輸層、數據資源層、科研業務層4個層次，以及信息安全保障、標準規范建設兩個支撐體系。
圖8 土壤測坑監測系統組成框圖
其中物理設備層所有數據的自動化采集功能：網絡傳輸層利用Internet局域網，實現科研數據的遠程創術與監控功能；數據資源層為基于IIS搭建的數據管理服務器，整合了實驗基地采集或導入科研數據，向上提供有關數據動態交換、遠程輸出安監控等數據服務；科研業務與B/S方式提供諸如遠程數據監控、科研數據下載、系統運行維護等業務；信息安全保障體系通過數據傳輸加密、用戶鑒權等方式，保障系統安全；標準規范建設體系包括科研數據格式規范、數據傳輸協議等建設內容。
5、軟件開發方案
由微軟公司提供的基于運行Microsoft Windows的互聯網基本服務。是微軟公司推出的新一代腳本語言。包括驗證、緩存、狀態管理、調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務邏輯分開，它分離程序代碼與顯示的內容，讓豐富多彩的網頁更容易撰寫。同時使程序代碼看起來更潔凈、更簡單。
圖9 系統軟件整體架構
由于土壤測坑監測多為根據用戶需要量身定制，我公司為了減少軟件的重復開發工作量，提高軟件的通用性以及便于日后的功能擴展，遵循軟件工程的思想，開發了傳感器配置模塊，使得軟件能適應不同土壤測坑監測系統需要，同時也能適應硬件的剪裁。
配套軟件按照B/S模式，用戶界面體現為一系列Web網頁，頁面之間通過菜單操作、超鏈接等方式進行跳轉。進入需要輸入用戶名和密碼。
本系統選用數據庫管理軟件MySQL進行科研數據的統一儲存管理，并考慮到了系統擴展性，可對下位機進行的操作，主要功能有：
1、232串口配置：主要設置232串口的名 稱、下位機的名稱、波特率、數據位、停止位、校驗方式、采樣間隔
2、wifi配置：主要設置IP和端口號、下位機名稱、采樣間隔。
3、密碼設置：保證接收數據安全正常地工作，設置接收數據時的密碼。
4、參數測定：測定土體的參數。
下位機操作子系統涵蓋了對數據采集器發出的各種命令。主要的模塊有：
實時數據接收：對下位機發出實時數據接收命令，將下位機采集到的實時數據以動態圖表形式加載到頁面，也可將實時數據保存到MySQL數據庫。
歷史數據接收：對下位機發出歷史數據接收命令，將下位機采集到的歷史數據保存到MySQL數據庫。
新數據接收：對下位機發出新數據接受命令，將下位機采集到的歷史數據按自定義的時間段存入MySQL數據庫。
下位機管理：設置和讀取下位機的狀態參數。
數據管理子系統涵蓋查詢、統計、報表模塊：系統有機地、創造性地將查詢、統計和報表功能結合起來，提供了強大的查詢、報表打印功能，給工程分析提供了真實的、科學的依據。友好、簡單的條件設置，便于人員使用。
數據導入導出功能更大限度地保護數據，便于查詢統計。
6、供電電源配置方案
整個系統供電電源方案如圖11所示，220V交流電經變壓整流為24V為傳感器供電，另外此24V再經電源模塊后輸出5V為控制柜供電。根據調研情況了解到，施工地區地處空曠，經雷擊風險評估，施工區的設備、設施易遭到雷擊，故電源系統需做防雷，防浪涌。整個系統供電功率約需100W（包含主控制器、線損和余量）
圖10 供電電源配置
7、控制中心布設方案
試驗基地控制中心擬布設（圖11）并實現以下功能：
設置數據中心服務器，與網絡交換機相連接。該服務器對土壤測坑檢測數據系統的數據庫進行管理，具有稅局容量大、處理速度快、可靠性高等特點。
設置硬件防火墻，具有針對外部網絡訪問安全防火控制，并可進行黑白名單設置，組織不信任區域對本系統網絡和數據資源的訪問。
設置網絡中心交換機，完成網絡中心的網絡連接，提供可擴展網絡端口。該類型交換機有網絡管理接口，能提供24口個10/100M自適應連接端口，并配置2個光纖插槽，使網絡系統具有較大的擴展能力。
設置路由器，對內連接防火墻，對外連接中國移動或中國電信的4-8M光纖專線。
設置應用服務器，安裝數據管理系統軟件完成客戶的數據處理和查詢需求。
圖11 控制中心網絡結構
