一、产品简介及设计目标

BN-TCK20型土壤测坑系统是我公司在现代电子技术、土壤物理学和微气候学等学科领域不断深入发展的基础上，为测定农田蒸腾蒸发和地下水-土壤水转化而研发生产的一种更系统更综合的标准实验设备。其通过对被测土壤（原状土或人工配置实验土）水循环的记录分析，以研究农作物的耗水规律和SPAC系统中水分运移转化规律。该仪器采用的高分辨率土壤温度、水分、电导率和水势传感器，配置了智能数据采集器和信号处理器，可同时检测被测土体信息随时间的微小变化及气温。空气湿度、光照、降水等对应相关参数，并对测量的数据进行实时在线快速分析处理、记录储存，做到了数据采集的高速化、准确化和人性化，大大提高了工作效率，降低了劳动强度。适用于农田、草原、森林及河流湿地等生态系统水文循环的长期监测。

测坑监测系统，是我公司在充分汲取国内外有关系统特点的基础上，设计研制的新款设备。其主要特点是：紧跟传感器技术和检测技术的革新提高了相关参数的测量精度；同时，进一步改善和提高了土壤监测系统使用中的人机效率，降低了劳动强度和维护工作量。其筒体结构与工作原理如图1所示。

图1 测坑监测系统总体结构

二、系统组成及总体结构

测坑监测系统可分为硬件和软件两大部分，共四个板块：

（1）测量部分：由测坑及配套传感器等组成、

（2）数据传输部分：由数据转换模块、放大器及供电系统等组成。

（3）终端显示部分：由数据采集器、主控制器、配套软件及液晶显示屏等组成。

（4）灌溉系统：由控制模块、阀门和补水系统等组成。

BN-TCK20型测坑监测系统（无灌溉系统）

图2土壤监测系统外部（照片）

图3 土壤监测系统外部（照片）

图4 土壤测坑监测内部（照片）

三、解决方案

1、土壤温度水分电导率传感器性能参数

测量参数：土壤温度、土壤容积含水率、电导率

测量单位：℃，%（m³/m³），ms/cm

水分量程和精度：0~100%，±2%

温度量程和精度：-30~70℃，±0.2℃

电导率量程和精度：0~20ms/cm，±2%

工作范围：-30~70℃

输出信号：RS485 MODBUS-RTU协议

供电电压：DC 5~24V

稳定时间：＜1秒

响应时间：＜1秒

电导电极材质：石墨

测量区域：以中央探针为中心的直径7cm、高7cm的圆柱体

探针长度直径：55cm，3mm

探针材质：316L不锈钢

密封材料：ABS工程塑料

2、土壤水势传感器性能参数

陶瓷头 长度：60mm   直径：24mm   进气值：15bar

张力计管长度：可自选长度，10~200cm   直径：25mm

水势测量范围：±100kPa

水势测量精度：±0.5kPa

输出信号：RS485 MODBUS-RTU协议

供电电压：DC 24V

缆线：4芯屏蔽线

土壤水势传感器：带外部注水装置，可实现原位注水。

图5 土壤水势传感器

3、土壤溶液取样

图6 土壤溶液提取器（含取样瓶）

电动吸引器

工作原理 采用新一代无油润滑负压泵制造而成的可移动式吸引装置

主要材料 塑料

参数技术 电源电压：~220V±22V，50Hz±1Hz

电机功率：120VA

吸引泵：活塞泵

极限负压值：≥0.085MPa

噪音≤60dB(A)

抽气速率：≥20L/min

贮液瓶：2500mL/只，2只

外形尺寸 350×305×795mm 包装数量 1台/件

包装尺寸 445×400×865mm 毛重/净重 22/19.5kg

附件清单 腹腔吸引管1支、空气过滤器2只、吸引软导管（长度2米）1根、电源线1根、熔丝管（RF1φ5×20/2.0A）2只、脚踏开关1只

图7 土壤溶液提取装置

4、数据采集原理及方案

本系统的数据采集全部为智能化采集，数据可直接保存到数据库中，也可以数据文件的形式按设计定的周期保存，并且能通过网络进行远程数据传递和状态监控。机体包括物理设备层、网络传输层、数据资源层、科研业务层4个层次，以及信息安全保障、标准规范建设两个支撑体系。

图8 土壤测坑监测系统组成框图

其中物理设备层所有数据的自动化采集功能：网络传输层利用Internet局域网，实现科研数据的远程创术与监控功能；数据资源层为基于IIS搭建的数据管理服务器，整合了实验基地采集或导入科研数据，向上提供有关数据动态交换、远程输出安监控等数据服务；科研业务与B/S方式提供诸如远程数据监控、科研数据下载、系统运行维护等业务；信息安全保障体系通过数据传输加密、用户鉴权等方式，保障系统安全；标准规范建设体系包括科研数据格式规范、数据传输协议等建设内容。

5、软件开发方案

由微软公司提供的基于运行Microsoft Windows的互联网基本服务。是微软公司推出的新一代脚本语言。包括验证、缓存、状态管理、调试和部署等全部功能。在代码撰写方面特色是将页面逻辑和业务逻辑分开，它分离程序代码与显示的内容，让丰富多彩的网页更容易撰写。同时使程序代码看起来更洁净、更简单。

图9 系统软件整体架构

由于土壤测坑监测多为根据用户需要量身定制，我公司为了减少软件的重复开发工作量，提高软件的通用性以及便于日后的功能扩展，遵循软件工程的思想，开发了传感器配置模块，使得软件能适应不同土壤测坑监测系统需要，同时也能适应硬件的剪裁。

配套软件按照B/S模式，用户界面体现为一系列Web网页，页面之间通过菜单操作、超链接等方式进行跳转。进入需要输入用户名和密码。

本系统选用数据库管理软件MySQL进行科研数据的统一储存管理，并考虑到了系统扩展性，可对下位机进行的操作，主要功能有：

1、232串口配置：主要设置232串口的名 称、下位机的名称、波特率、数据位、停止位、校验方式、采样间隔

2、wifi配置：主要设置IP和端口号、下位机名称、采样间隔。

3、密码设置：保证接收数据安全正常地工作，设置接收数据时的密码。

4、参数测定：测定土体的参数。

下位机操作子系统涵盖了对数据采集器发出的各种命令。主要的模块有：

实时数据接收：对下位机发出实时数据接收命令，将下位机采集到的实时数据以动态图表形式加载到页面，也可将实时数据保存到MySQL数据库。

历史数据接收：对下位机发出历史数据接收命令，将下位机采集到的历史数据保存到MySQL数据库。

新数据接收：对下位机发出新数据接受命令，将下位机采集到的历史数据按自定义的时间段存入MySQL数据库。

下位机管理：设置和读取下位机的状态参数。

数据管理子系统涵盖查询、统计、报表模块：系统有机地、创造性地将查询、统计和报表功能结合起来，提供了强大的查询、报表打印功能，给工程分析提供了真实的、科学的依据。友好、简单的条件设置，便于人员使用。

数据导入导出功能更大限度地保护数据，便于查询统计。

6、供电电源配置方案

整个系统供电电源方案如图11所示，220V交流电经变压整流为24V为传感器供电，另外此24V再经电源模块后输出5V为控制柜供电。根据调研情况了解到，施工地区地处空旷，经雷击风险评估，施工区的设备、设施易遭到雷击，故电源系统需做防雷，防浪涌。整个系统供电功率约需100W（包含主控制器、线损和余量）

图10 供电电源配置

7、控制中心布设方案

试验基地控制中心拟布设（图11）并实现以下功能：

设置数据中心服务器，与网络交换机相连接。该服务器对土壤测坑检测数据系统的数据库进行管理，具有税局容量大、处理速度快、可靠性高等特点。

设置硬件防火墙，具有针对外部网络访问安全防火控制，并可进行黑白名单设置，组织不信任区域对本系统网络和数据资源的访问。

设置网络中心交换机，完成网络中心的网络连接，提供可扩展网络端口。该类型交换机有网络管理接口，能提供24口个10/100M自适应连接端口，并配置2个光纤插槽，使网络系统具有较大的扩展能力。

设置路由器，对内连接防火墙，对外连接中国移动或中国电信的4-8M光纤专线。

设置应用服务器，安装数据管理系统软件完成客户的数据处理和查询需求。

图11 控制中心网络结构