周利明，韋崇峰，苑嚴(yán)偉，周強(qiáng)兵，趙　博，張俊寧，汪鳳珠

（1. 中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院，北京 100083；2. 土壤植物機(jī)器系統(tǒng)技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083）

0　引　言

土壤鹽堿化是國(guó)內(nèi)外農(nóng)業(yè)發(fā)展普遍面臨的嚴(yán)峻生態(tài)環(huán)境問題[1]。鹽堿地改良是通過采用物理、化學(xué)或生物方法改變土壤理化形狀，使之達(dá)到有利于作物生長(zhǎng)的條件[2-7]。暗管改堿技術(shù)是目前較為先進(jìn)的鹽堿地物理治理技術(shù)，其利用埋入地下一定深度的打孔波紋管將含有鹽分的水引到暗管中，并集中排放至明渠，從而控制地下水位，抑制返堿，降低土壤堿性，提高土壤質(zhì)量[8-12]。暗管改堿技術(shù)已經(jīng)在埃及和荷蘭等國(guó)家得到廣泛應(yīng)用。國(guó)內(nèi)山東東營(yíng)、天津?yàn)I海和新疆等地均開始應(yīng)用此項(xiàng)技術(shù)，實(shí)施效果良好。開展改堿暗管排鹽在線監(jiān)測(cè)有助于準(zhǔn)確掌握土壤中鹽堿運(yùn)移分布，為暗管改堿技術(shù)的實(shí)施效果提供科學(xué)評(píng)價(jià)依據(jù)。

隨著無線傳感技術(shù)的發(fā)展，其在農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測(cè)方面得到廣泛應(yīng)用。蔣建明等[13]研究了基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)（wireless sensor net，WSN）水質(zhì)參數(shù)的測(cè)量和溶解氧自動(dòng)控制，并對(duì)無線通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了優(yōu)化。李穎慧等[14]開發(fā)了基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的營(yíng)養(yǎng)液電導(dǎo)率實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。韓玉冰等[15]設(shè)計(jì)了一種基于 WSN的觀賞魚養(yǎng)殖水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，在實(shí)施監(jiān)測(cè)養(yǎng)殖水質(zhì)環(huán)境參數(shù)的同時(shí)，能夠根據(jù)水溶氧量動(dòng)態(tài)啟停增氧機(jī)，保證水質(zhì)處于最佳環(huán)境。李鑫星等[16]針對(duì)水質(zhì)監(jiān)測(cè)需求及其監(jiān)測(cè)點(diǎn)的隨機(jī)變動(dòng)，設(shè)計(jì)了一種多參數(shù)無線水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；徐坤等[17]基于自制的基質(zhì)多參數(shù)復(fù)核傳感器，并結(jié)合 Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)基質(zhì)含水率、電導(dǎo)率和溫度的測(cè)量。一些學(xué)者將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用于湖泊、河流等大面積水質(zhì)的在線監(jiān)測(cè)[18-22]，由此實(shí)現(xiàn)廣域信息的在線獲取，進(jìn)一步提高了WSN的適用性。

針對(duì)暗管改堿技術(shù)應(yīng)用過程中排堿管道排鹽信息缺乏在線監(jiān)測(cè)手段，難以對(duì)改良實(shí)施效果進(jìn)行科學(xué)評(píng)價(jià)的問題，本文選擇管道流量、pH值及電導(dǎo)率作為監(jiān)測(cè)參數(shù)，設(shè)計(jì)了一種基于Zigbee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的改堿暗管排鹽信息在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)不同埋深管道的流量及水質(zhì)信息進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)，并對(duì)排水暗管集水池水位進(jìn)行在線控制，為實(shí)現(xiàn)改良地塊鹽分遷移的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)提供技術(shù)支撐。

1　排鹽監(jiān)控系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

1.1　需求分析

通過技術(shù)調(diào)研和分析，改堿暗管排鹽監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)滿足以下幾點(diǎn)需求：1）能夠適應(yīng)野外無市電到達(dá)的區(qū)域，2）系統(tǒng)應(yīng)能夠自動(dòng)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)無人值守，3）系統(tǒng)的運(yùn)行成本應(yīng)相對(duì)較低，同時(shí)滿足經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性。

1.2　系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

項(xiàng)目區(qū)內(nèi)改堿管道排水采用“排（滲）水管-集水管”兩級(jí)排水系統(tǒng)，排水管沿田間南北向布置，相鄰管路間距 20 m，集水管沿田間東西向布置，埋深 2.0 m，坡降0.7‰，排水管與集水管連接處設(shè)置集水井。

由于暗管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)布設(shè)區(qū)域較大，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)控節(jié)點(diǎn)多，且各節(jié)點(diǎn)間相距較遠(yuǎn)，難以通過鋪設(shè)大量電纜線進(jìn)行系統(tǒng)供電和數(shù)據(jù)傳輸，因此布設(shè)區(qū)室外監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)需要由太陽能供電。基于長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)的低成本和節(jié)點(diǎn)擴(kuò)展的便捷性考慮，Zigbee網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)適合作為系統(tǒng)的通訊方式。本研究設(shè)計(jì)的監(jiān)控系統(tǒng)主要由中心節(jié)點(diǎn)、監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)及控制節(jié)點(diǎn) 3部分組成，采用星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)體系構(gòu)建，總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

根據(jù)項(xiàng)目區(qū)內(nèi)暗管改堿排水系統(tǒng)的管路分布和監(jiān)測(cè)需求，確定監(jiān)控系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)分布如圖2所示。

由圖1、圖2知系統(tǒng)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)連接流量計(jì)、pH傳感器和電導(dǎo)率傳感器，各監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)按照設(shè)定的時(shí)間間隔定時(shí)采集管道內(nèi)地下水的流量、pH值以及電導(dǎo)率等信息，并通過Zigbee節(jié)點(diǎn)將信息發(fā)送至中心節(jié)點(diǎn)。布設(shè)的監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)主要包括位于中心監(jiān)控室外沿集水井呈東西向均勻分布的5路埋深1.8 m的排水暗管監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)（節(jié)點(diǎn)1～5）和1路埋深1.2 m的排水暗管末端監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)（節(jié)點(diǎn)6），以及位于中心監(jiān)控室內(nèi)的2路埋深1.8 m集水管（節(jié)點(diǎn)7，8）。其中監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)1與中心節(jié)點(diǎn)直線距離約為70 m，節(jié)點(diǎn)1至節(jié)點(diǎn)5沿水平方向均勻分布且相鄰節(jié)點(diǎn)間距約為120 m，節(jié)點(diǎn)6與中心節(jié)點(diǎn)間距約為10 m，節(jié)點(diǎn)7和8與中心節(jié)點(diǎn)間距均在5 m內(nèi)。室外排水管監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)均位于管路末端的集水井位置。另外監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)還包括 1路室內(nèi)蓄水池實(shí)時(shí)水位監(jiān)測(cè)（節(jié)點(diǎn) 9），將蓄水池的水位信息實(shí)時(shí)發(fā)送給中心節(jié)點(diǎn)，為水位的自動(dòng)控制提供反饋。系統(tǒng)控制節(jié)點(diǎn)主要用于管道蓄水池的水位控制，該控制節(jié)點(diǎn)連接集水井的進(jìn)水閥以及水泵驅(qū)動(dòng)器，可以根據(jù)遠(yuǎn)程控制指令對(duì)進(jìn)水閥的開關(guān)和水泵的啟動(dòng)進(jìn)行在線控制。中心節(jié)點(diǎn)則負(fù)責(zé)接收各類監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)信息，通過RS232接口連接本地服務(wù)器，同時(shí)將控制指令下發(fā)給控制節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的控制動(dòng)作。

圖1　改堿暗管排鹽監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.1　Network structure diagram of subsurface pipe drainage monitoring system

圖2　改堿暗管排鹽監(jiān)控系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)分布示意圖Fig.2　Distribution diagram for nodes of subsurface pipe drainage monitoring system

2　監(jiān)控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1　監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

每一路水質(zhì)信息監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)包括 Zigbee無線采集模塊、pH傳感器、電導(dǎo)率傳感器、管道流量計(jì)和水體自動(dòng)取樣裝置。其現(xiàn)場(chǎng)安裝如圖3所示。

圖3　監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)物圖Fig.3　Picture of real monitoring node

2.1.1無線采集模塊

無線采集模塊主要負(fù)責(zé)采集各路傳感器的信息，并通過Zigbee網(wǎng)絡(luò)將信息發(fā)送到中心節(jié)點(diǎn)?？紤]到各路變送器輸出信號(hào)均選擇4～20 mA標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)，因此采集節(jié)點(diǎn)采用上海順舟科技公司SZ-06-05型無線數(shù)據(jù)采集設(shè)備。SZ-06-05采集模塊包括4路4～20 mA電流采集通道，視距最大傳輸距離200 m，節(jié)點(diǎn)具備中繼路由和終端設(shè)備功能，支持廣播發(fā)送或目標(biāo)地址發(fā)送模式，可以通過RS485總線接口對(duì)模塊參數(shù)進(jìn)行配置。

2.1.2pH與電導(dǎo)率變送器選型

每一個(gè)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)均需連接一路 pH傳感器和電導(dǎo)率傳感器，以便實(shí)時(shí)獲取管道內(nèi)的水質(zhì)信息。選擇PH1110A復(fù)合玻璃電極作為管道水體pH值測(cè)量電極，其測(cè)量范圍為0～14，分辨率為0.01，測(cè)量精度為0.05。其根據(jù)被測(cè)介質(zhì)的不同酸度產(chǎn)生不同幅值的直流電壓。同時(shí)選擇河北科瑞達(dá)科技有限公司的PH7500型pH變送控制器實(shí)現(xiàn)4～20 mA標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)的輸出。

根據(jù)前期水土調(diào)查結(jié)果，被測(cè)地下水的電導(dǎo)率范圍為3.0～7.0 mS/cm。基于此，選擇CON3124-14型不銹鋼電導(dǎo)池進(jìn)行電導(dǎo)率的在線檢測(cè)，其電導(dǎo)池系數(shù)為1.0，分辨率為0.01 μS/cm，測(cè)量范圍為0～10 mS/cm。由于電導(dǎo)池輸出為微弱 mV電壓信號(hào)，同時(shí)選擇河北科瑞達(dá)科技有限公司生產(chǎn)的CCT8301A型電導(dǎo)率在線變送控制器對(duì)電導(dǎo)池輸出信號(hào)進(jìn)行處理，變換后輸出4～20 mA標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)。CCT-8301A自帶溫度補(bǔ)償功能，可有效提高測(cè)量精度。所選pH和電導(dǎo)率變送器供電電壓為DC24 V，由于太陽能供電電壓僅為 DC12 V，因此采用金升陽DC/DC電源模塊SW12S24-10w為pH和電導(dǎo)率變送器供電，所選電源模塊輸入電壓DC12 V，輸出電壓DC24 V，輸出功率10 W。

2.1.3流量計(jì)選型

排水暗管流量計(jì)負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)獲取各管道的滲透水流量，由于管道水中含有一定的鹽分，其電導(dǎo)率通常在mS/cm量級(jí)，而電磁流量計(jì)僅要求介質(zhì)電導(dǎo)率大于5 μS/cm，因此針對(duì)管道滲透水的流量監(jiān)測(cè)選擇開封百特流量?jī)x表有限公司生產(chǎn)的電磁流量計(jì)。在暗管鹽堿改良的工程設(shè)計(jì)中，所選排水暗管的管徑為110 mm，集水管的管徑為200 mm，根據(jù)管道的規(guī)格，所選的排水管流量計(jì)型號(hào)為 BTLD-101161，集水管流量計(jì)型號(hào)為BTLD-201161，流量計(jì)工作電壓為 DC12V，輸出為 4～20 mA電流信號(hào)，測(cè)量精度為0.5級(jí)，管道襯里為聚四氟乙烯。排水管流量計(jì)安裝在各排水暗管末端，集水管流量計(jì)安裝在集水管路中，均采用法蘭安裝形式。

2.1.4水體自動(dòng)取樣裝置

受排水管規(guī)格影響以及傳感器自身安裝要求，難以直接將電導(dǎo)率傳感器和pH傳感器安裝于排水管管體上。采用水體自動(dòng)取樣裝置對(duì)管道內(nèi)的水體進(jìn)行取樣，以便檢測(cè)。水體自動(dòng)取樣裝置包括定時(shí)控制器、直流隔膜水泵以及傳感器安裝導(dǎo)流座，結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4　水體自動(dòng)取樣裝置及導(dǎo)流座Fig.4　Water automatic sampling device and water diversion module

采用微電腦時(shí)控開關(guān)KG316T（上海卓一電子有限公司，DC12V）作為定時(shí)控制器，控制水泵按照給定時(shí)間抽取水樣。KG316T可以設(shè)置16組開關(guān)時(shí)間，其定時(shí)范圍可以在1 min～168 h內(nèi)任意設(shè)定。由于管道水質(zhì)通常變化較為緩慢，從系統(tǒng)節(jié)能角度考慮，采用定時(shí)取樣方式進(jìn)行水質(zhì)信息監(jiān)測(cè)。通過定時(shí)控制器設(shè)定水泵工作時(shí)間為30 min，停止間隔為60 min。水泵選擇河北石家莊普蘭迪機(jī)電設(shè)備有限公司的PL1205型直流隔膜水泵，其工作電壓為DC12V，最大壓力0.62 MPa，功率為25 W，流量為3.15 L/min。

傳感器安裝導(dǎo)流座主要為 pH傳感器和電導(dǎo)率傳感器（電導(dǎo)池）的安裝提供支撐條件。電導(dǎo)率傳感器在使用時(shí)對(duì)安裝形式要求較高，不正確的安裝形式會(huì)導(dǎo)致測(cè)量數(shù)據(jù)失真，通常需采取平裝形式。基于此，本文設(shè)計(jì)了適于傳感器安裝的導(dǎo)流座。導(dǎo)流座采用ABS材料經(jīng)數(shù)控加工而成，由水泵出水口排出的地下水進(jìn)入導(dǎo)流座進(jìn)水口，流經(jīng)pH傳感器和電導(dǎo)池后由上方出水口排出，保證了電導(dǎo)池始終迎向水流方向且深入流動(dòng)水體，使測(cè)量結(jié)果不受影響。

2.2　室外供電設(shè)計(jì)

室外監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)供電采取太陽能供電形式。太陽能供電單元主要包括太陽能電池板、充電控制器和鉛酸蓄電池。

2.2.1設(shè)備每天耗電量估算

為合理確定太陽能發(fā)電功率及蓄電池容量，需首先估算節(jié)點(diǎn)負(fù)載的功耗。這里監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)每天的功耗包括傳感器、無線采集傳輸節(jié)點(diǎn)和直流水泵的功耗總和。

式中，Q為節(jié)點(diǎn)總功耗，Qsen為傳感器功耗，Qpum為取樣水泵功耗，Qtmr為定時(shí)控制器功耗，Wh。

節(jié)點(diǎn)傳感器功耗包括pH傳感器、電導(dǎo)率傳感器以及流量計(jì)正常工作所消耗的能量，其中pH和電導(dǎo)率傳感器由DC/DC電源模塊供電，模塊電源轉(zhuǎn)換效率為0.86，pH變送器功率為3.0 W，電導(dǎo)率傳感器功率為5.4 W，電磁流量計(jì)功率為15 W。所有傳感器均24 h連續(xù)工作。則傳感器每天功耗

式中，Psen為傳感器正常工作功率，W；T為傳感器每天工作時(shí)間，h。

監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)所用的直流水泵功率為25 W，工作電壓為直流12 V，設(shè)定每天取樣16次，每次取樣時(shí)間30 min。則水泵每天功耗

定時(shí)控制器的功率為1.5 W，其工作時(shí)間與直流水泵一致。則定時(shí)控制器每天功耗

2.2.2蓄電池容量確定

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，蓄電池容量應(yīng)能滿足負(fù)載在24 h內(nèi)連續(xù)陰雨天供電需求，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)取蓄電池工作容量安全系數(shù)為1.2，深度放電系數(shù)為80%。則蓄電池容量

據(jù)此，選擇免維護(hù)膠體蓄電池，電池容量為100 Ah，輸出電壓12 V。

2.2.3太陽能電池板功率確定

太陽能電池板的功率輸出為

式中，Im為太陽能電池板正常輸出電流，A；U為電池板工作電壓，V；k為安全系數(shù)，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)取1.2。

太陽能電池板輸出的最小電流Imin和最大電流Imax分別見式（8）和式（9）[23-26]

式中，QL為負(fù)載每天的耗電量，Wh；Tm為當(dāng)?shù)厝掌骄逯等照諘r(shí)數(shù)，h；Tmin為當(dāng)?shù)厝兆钚》逯等照諘r(shí)數(shù)，η1為蓄電池充電效率；η2為電池板灰塵遮蔽損耗系數(shù)。

考慮項(xiàng)目區(qū)位于山東東營(yíng)，通過查詢當(dāng)?shù)貧庀筚Y料確定Tm為4.5 h，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，取η1為0.95，η2為0.95，則計(jì)算得到Imin為14.12 A。

式中，Uf為蓄電池浮充電壓，工程取值14.5 V；Ud為線損電壓，工程取值0.7 V[26]；將各參數(shù)帶入式中，得到太陽能板輸出功率為283 W。根據(jù)太陽能電池板常用的市場(chǎng)規(guī)格，確定采用2塊150 W多晶太陽能板并聯(lián)。

2.3　控制節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)暗管水體的綜合利用，在進(jìn)行暗管改堿工程設(shè)計(jì)施工時(shí)，排堿暗管內(nèi)的地下水需經(jīng)集水管匯聚后進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)控制室的蓄水池內(nèi)。當(dāng)蓄水池內(nèi)水位達(dá)到一定高度時(shí)，通過水泵將水排出?？刂乒?jié)點(diǎn)位于現(xiàn)場(chǎng)泵站內(nèi)。控制節(jié)點(diǎn)用于實(shí)時(shí)獲取蓄水池內(nèi)水位高度，并根據(jù)相應(yīng)的控制策略，調(diào)節(jié)水泵工作狀態(tài)，保證水位處在合理范圍內(nèi)。

控制節(jié)點(diǎn)主要包括液位傳感器、水位無線采集節(jié)點(diǎn)、開關(guān)量無線輸出節(jié)點(diǎn)和潛水泵。水位傳感器用于實(shí)時(shí)測(cè)量蓄水池內(nèi)水位信息，采用北京昆侖海岸傳感技術(shù)有限公司的靜壓式液位變送器，型號(hào)為 JYB-K0-LAG。其供電電壓DC12 V，輸出4～20 mA標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)，量程0～5 m，精度為±0.5%。水位采集節(jié)點(diǎn)采用SZ-06-05模塊，實(shí)時(shí)將水位信號(hào)發(fā)送給中心節(jié)點(diǎn)。潛水泵用于排出蓄水池內(nèi)積水，采用美國(guó) ITT飛力泵業(yè)公司的潛水排污泵，型號(hào)為Steady 1310。其工作電壓為交流380 V，額定功率為2.4 kW，最大揚(yáng)程24 m，最大流量為16 L/S。開關(guān)量無線控制節(jié)點(diǎn)采用上海順舟科技有限公司SZ-06-04高低電平輸出模塊，模塊的IO輸出外接繼電器，通過控制開關(guān)量輸出高低電平使繼電器通斷并使交流接觸器動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)潛水泵的啟停。

2.4　中心節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

中心節(jié)點(diǎn)是整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)的核心單元。主要負(fù)責(zé)接收各個(gè)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送來的無線數(shù)據(jù)信息，通過RS232接口將接收到的信息上傳給監(jiān)控中心的計(jì)算機(jī)，同時(shí)將中心計(jì)算機(jī)對(duì)蓄水池水位的控制指令通過該節(jié)點(diǎn)發(fā)送到下位控制節(jié)點(diǎn)，控制節(jié)點(diǎn)根據(jù)相應(yīng)的控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)繼電器執(zhí)行相應(yīng)的控制動(dòng)作。中心節(jié)點(diǎn)選擇上海順舟科技有限公司SZ02-232模塊。該模塊作為網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，能夠完成自組織、管理網(wǎng)絡(luò)的功能。

3　監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1　蓄水池水位控制策略

改堿暗管中的地下水經(jīng)匯集后進(jìn)入到蓄水池內(nèi)，當(dāng)水位達(dá)到一定高度時(shí)，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)調(diào)節(jié)蓄水池內(nèi)潛水泵的啟停，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響容易出現(xiàn)上下波動(dòng)，因此會(huì)給液位傳感器的測(cè)量帶來不利影響。考慮到水位變化緩慢，采用一階慣性濾波算法對(duì)實(shí)時(shí)獲取的水位信息進(jìn)行處理。經(jīng)濾波后的水位信號(hào)輸出為

式中，β為濾波系數(shù)；Ts為采樣時(shí)間，s；Tf為濾波時(shí)間；x(i)為本次采樣值，y(i-1)為上次濾波后的輸出值。本系統(tǒng)中 Ts為 1 s，Tf為 10 s。

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，蓄水池的水位控制分為上水位和下水位 2檔，當(dāng)蓄水池水位低于下水位時(shí)，需關(guān)閉潛水泵停止向外排水；當(dāng)蓄水池水位高于上水位時(shí)，需啟動(dòng)潛水泵向外排水。水位控制流程如圖5所示。

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

3.2　通訊協(xié)議

在整個(gè)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)中，包括1個(gè)中心節(jié)點(diǎn)、9個(gè)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)和1個(gè)控制節(jié)點(diǎn)。每個(gè)節(jié)點(diǎn)均預(yù)設(shè)1個(gè)不同的地址，各節(jié)點(diǎn)采用定時(shí)主動(dòng)上報(bào)形式向中心節(jié)點(diǎn)傳輸，中心節(jié)點(diǎn)與各監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的地址分配見表1。

設(shè)置各節(jié)點(diǎn)的頻點(diǎn)為2.425 GHz，定時(shí)主動(dòng)上報(bào)時(shí)間間隔為15 s，數(shù)據(jù)包為ASCII碼格式。

表1　各節(jié)點(diǎn)地址分配表Table 1　Address allocation for wireless monitoring nodes

3.3　監(jiān)控中心軟件設(shè)計(jì)

本地監(jiān)控中心軟件采用美國(guó)國(guó)家儀器（NI）公司的LabWindows/CVI 2012開發(fā)。該軟件采用交互式編程技術(shù)，同時(shí)集成強(qiáng)大的函數(shù)庫和圖形界面控件，非常適合測(cè)控系統(tǒng)的開發(fā)[27-30]。監(jiān)控中心軟件通過調(diào)用 VISA RS232函數(shù)庫獲取中心節(jié)點(diǎn)串口發(fā)送的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波預(yù)處理后將所接收的數(shù)據(jù)以txt文件格式進(jìn)行存儲(chǔ)與管理。其主要功能模塊包括參數(shù)設(shè)置、實(shí)時(shí)監(jiān)控、數(shù)據(jù)處理與回放等。參數(shù)設(shè)置部分主要對(duì)蓄水池液位上下限值、水質(zhì)參數(shù)的上下限值以及通訊參數(shù)進(jìn)行設(shè)置；實(shí)時(shí)監(jiān)控主要完成實(shí)時(shí)采集各監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的 pH值、電導(dǎo)率、管道流量數(shù)據(jù)以及蓄水池水位信息，并以動(dòng)態(tài)曲線圖形式將數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示，同時(shí)根據(jù)實(shí)時(shí)水位進(jìn)行控制決策，適時(shí)調(diào)整潛水泵的啟停，保證水位處于設(shè)定范圍內(nèi)。數(shù)據(jù)處理與回放主要完成水位數(shù)據(jù)的在線濾波處理，各類水質(zhì)數(shù)據(jù)預(yù)處理，并對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢、統(tǒng)計(jì)和回放等。圖6為監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件界面。

圖6　監(jiān)測(cè)系統(tǒng)用戶界面Fig.6　User interface of monitoring system

4　試驗(yàn)及結(jié)果分析

2016年4月至12月，在山東省東營(yíng)市農(nóng)業(yè)高新區(qū)鹽堿地改良綜合試驗(yàn)基地進(jìn)行應(yīng)用試驗(yàn)。試驗(yàn)內(nèi)容主要包括蓄水池水位控制試驗(yàn)、傳感器檢測(cè)精度試驗(yàn)、節(jié)點(diǎn)傳輸距離測(cè)試和節(jié)點(diǎn)丟包率測(cè)試等。

4.1　水位控制試驗(yàn)

試驗(yàn)所用蓄水池深度為4 m，設(shè)定蓄水池高水位限值為2.5 m，低水位限值為0.5 m。監(jiān)控系統(tǒng)處于正常工作狀態(tài)，保持集水管向蓄水池供水，同時(shí)記錄蓄水池實(shí)時(shí)的水位變化。圖7為某一工作時(shí)段的蓄水池水位變化曲線。

由圖 7可知，由于集水管的持續(xù)供水，蓄水池水位緩慢上升，當(dāng)水位達(dá)到2.5 m時(shí)，潛水泵開啟，排水量顯著大于進(jìn)水量，水位開始急劇下降；當(dāng)水位下降到0.5 m時(shí)，由于潛水泵關(guān)閉，不再向外排水，此時(shí)集水管仍然進(jìn)水，水位會(huì)再次緩慢上升，進(jìn)入下1次排水循環(huán)。

圖7　蓄水池水位變化曲線Fig.7　Curve of reservoir water level

4.2　傳感器檢測(cè)精度試驗(yàn)

在每個(gè)水質(zhì)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)處進(jìn)行人工水樣采集，將采集的水樣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室化驗(yàn)分析得到真實(shí)電導(dǎo)率和pH值。同時(shí)，記錄監(jiān)控中心軟件所顯示的各個(gè)監(jiān)測(cè)位置點(diǎn)的電導(dǎo)率和pH值，作為當(dāng)前的測(cè)量值。結(jié)果如表2所示。

表2　pH和電導(dǎo)率傳感器測(cè)試結(jié)果Table 2　Test results of pH sensor and conductivity sensor

由表 2可知，本系統(tǒng)中各路傳感器的測(cè)量值與試驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)值較為接近，pH值和電導(dǎo)率的平均測(cè)量誤差均小于5%，能夠滿足實(shí)際生產(chǎn)需要。

4.3　節(jié)點(diǎn)傳輸距離測(cè)試

傳輸距離對(duì)節(jié)點(diǎn)的正確部署具有重要指導(dǎo)作用。由于現(xiàn)場(chǎng)建筑物、林木以及天線部署情況都會(huì)對(duì)傳輸距離產(chǎn)生影響。本系統(tǒng)的中心節(jié)點(diǎn)位于本地監(jiān)控中心，天線與地面距離為1.5 m，中心節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)由上位機(jī)接收。以中心節(jié)點(diǎn)為基準(zhǔn)點(diǎn)，同時(shí)徑向移動(dòng)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)，改變監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)與中心節(jié)點(diǎn)之間的距離，確認(rèn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膩G包率，以測(cè)試無線傳輸?shù)男阅埽瑸楣?jié)點(diǎn)部署提供參考依據(jù)。節(jié)點(diǎn)間距與丟包率曲線如圖8所示。

從圖 8中可知，當(dāng)測(cè)試用監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)與中心節(jié)點(diǎn)距離在120 m以內(nèi)時(shí)，丟包率低于2%。而超過125 m后，數(shù)據(jù)丟失明顯，在達(dá)到150 m時(shí)丟包率高達(dá)43%。其主要原因是中心節(jié)點(diǎn)位于監(jiān)控室內(nèi)，受周圍混凝土墻體遮擋影響無線信號(hào)發(fā)生衰減導(dǎo)致傳輸距離變小。

圖8　監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)通訊距離與丟包率關(guān)系Fig.8　Relationship between communication distance and packet loss rate for monitoring nodes

4.4　丟包率測(cè)試

節(jié)點(diǎn)丟包率是衡量無線傳感節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸性能的關(guān)鍵指標(biāo)之一。這里根據(jù)系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)的分布情況，分別測(cè)試監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)向中心節(jié)點(diǎn)發(fā)送以及中心節(jié)點(diǎn)向控制節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)傳輸性能。試驗(yàn)時(shí)，監(jiān)控系統(tǒng)所有節(jié)點(diǎn)均處于工作狀態(tài)，各監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)在完成數(shù)據(jù)采集任務(wù)的同時(shí)，還作為中繼器負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)任務(wù)。由每一個(gè)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)按設(shè)定時(shí)間發(fā)送1 000組數(shù)據(jù)包，在中心節(jié)點(diǎn)接口統(tǒng)計(jì)接收到的數(shù)據(jù)包數(shù)量并計(jì)算監(jiān)測(cè)丟包率；另外，由中心節(jié)點(diǎn)向控制節(jié)點(diǎn)下發(fā) 500組控制數(shù)據(jù)包，通過人工確定繼電器觸點(diǎn)動(dòng)作次數(shù)來確認(rèn)控制節(jié)點(diǎn)收到的數(shù)據(jù)包數(shù)量并計(jì)算丟包率。測(cè)試結(jié)果如表3所示。

表3　各節(jié)點(diǎn)丟包率測(cè)試結(jié)果Table 3　Test result of packet loss rate

由表 3的測(cè)試結(jié)果，結(jié)合各節(jié)點(diǎn)的距離分布可知，室外監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)3、4、5號(hào)與中心節(jié)點(diǎn)的距離均超過200 m，但節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)丟包率并不高，由此表明這 3個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)經(jīng)過其他節(jié)點(diǎn)的中繼轉(zhuǎn)發(fā)順利傳輸至中心節(jié)點(diǎn)。整體而言，系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)的丟包率均小于3%，通訊較為穩(wěn)定。

5　結(jié)　論

本文采用無線傳感網(wǎng)絡(luò)及多傳感探測(cè)等技術(shù)設(shè)計(jì)了改堿暗管水質(zhì)無線測(cè)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)獲取暗管水質(zhì)及流量信息，并通過Zigbee網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至中心節(jié)點(diǎn)，本地計(jì)算機(jī)由中心節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)通過RS232接口上傳到，實(shí)現(xiàn)暗管排水信息的在線測(cè)控。借助于濾波算法有效消除液位波動(dòng)對(duì)水位監(jiān)測(cè)的影響，結(jié)合無線通訊技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了蓄水池水位的遠(yuǎn)程自動(dòng)控制。

通過開展改堿暗管排鹽監(jiān)控系統(tǒng)性能試驗(yàn)，得到以下結(jié)論：該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、水位控制準(zhǔn)確、數(shù)據(jù)傳輸可靠，pH值和電導(dǎo)率的相對(duì)測(cè)量誤差分別為1.81%、1.89%，各節(jié)點(diǎn)的最大丟包率為2.6%，能夠滿足實(shí)際生產(chǎn)需要。

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