基于物聯(lián)網(wǎng)的土壤鹽漬化實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

付騰飛，陳廣泉*，徐興永，劉文全，蘇 喬

（1．國(guó)家海洋局第一海洋研究所 海洋沉積與環(huán)境地質(zhì)國(guó)家海洋局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266061；2．青島海洋科學(xué)與技術(shù)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室 海洋地質(zhì)過(guò)程與環(huán)境功能實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266061）

鹽漬土作為困擾人類的五大土壤問題之一，在全球有著廣泛的分布。據(jù)統(tǒng)計(jì)世界上約有950,000,000 ha的土壤受到鹽漬化的危害[1]，鹽漬土其按照所處地理位置的不同，被劃分成內(nèi)陸鹽漬土和濱海鹽漬土[2]。濱海鹽漬土由于其所處地理位置的特點(diǎn)，地下水埋深度較淺，蒸發(fā)量大且時(shí)常有海潮倒灌，造成其水分、鹽分變化較為劇烈，因此，鹽漬土的原位、實(shí)時(shí)、自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)于合理管理土地資源具有重要的作用。

目前，鹽漬土的監(jiān)測(cè)研究工作已經(jīng)開展了很長(zhǎng)時(shí)間，主要包括直接測(cè)量土壤性質(zhì)法、遙感影像法[3]、水鹽模型[4]等。這些方法各具優(yōu)缺點(diǎn)，例如：直接測(cè)量法雖然簡(jiǎn)單準(zhǔn)確，但卻耗時(shí)耗力；遙感影像法雖然自動(dòng)化程度高，但卻需要豐富的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。在這些方法中電學(xué)測(cè)量法由于其監(jiān)測(cè)無(wú)損性、連續(xù)性以及數(shù)據(jù)的易取得性而被廣泛應(yīng)用在鹽漬土的監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，土壤的電學(xué)性質(zhì)是指示其含鹽量的一個(gè)重要指標(biāo)，很多學(xué)者曾致力于此方面的研究，起初研究者如Archie等[5]利用土壤電導(dǎo)率來(lái)描述土壤特性。隨后，Rhoades等[6]研究人員利用土壤的電學(xué)特性來(lái)測(cè)量土壤的鹽度。目前常用于鹽漬化監(jiān)測(cè)分析的電學(xué)方法主要包括以下4個(gè)方面：（1）電導(dǎo)率法；（2）利用時(shí)域反射計(jì)（TDR）[7]；（3）電磁感應(yīng)測(cè)量法（EM）[8]；（4）電阻率法[9-10]。

土壤電導(dǎo)率因其化學(xué)組成不同而存在差異。美國(guó)鹽漬土研究所在1954年確立了通過(guò)測(cè)量土壤浸出液的電導(dǎo)率來(lái)判定土壤鹽度的方法，McNeal等[11]于1970建立了土壤電導(dǎo)率與土壤浸出液離子摩爾體積濃度的關(guān)系，通過(guò)測(cè)量浸出液電導(dǎo)率來(lái)轉(zhuǎn)化得到土壤鹽度，Bohn等[12]首先利用2根恒距離放置的電極來(lái)測(cè)量浸出液電導(dǎo)率，后來(lái)有人利用土壤飽和浸出液的電導(dǎo)率來(lái)代表鹽度，起初研究發(fā)現(xiàn)易溶解鹽溶解所需要的水土比為2．5:1，后來(lái)人們將土壤鹽分全部溶解所需的水土比為5:1，這也是目前常用于測(cè)量土壤鹽度的浸出液制備時(shí)的水土比。但是后來(lái)人們發(fā)現(xiàn)這樣做不符合實(shí)際土壤的含水率，因?yàn)橥寥乐械臍?、液、固三相都受水土比的影響。而且測(cè)量大尺度土壤鹽度變化樣品的土壤浸出液電導(dǎo)率消耗的時(shí)間和財(cái)力太大，所以隨著研究的深入，人們逐漸采用表觀電導(dǎo)率[13]代替土壤溶液、浸出液電導(dǎo)率來(lái)判定土壤鹽度。土壤表觀電導(dǎo)率的原理表現(xiàn)為一定含水量土壤的電導(dǎo)率主要是由大孔隙中的土壤溶液及其中的鹽類物質(zhì)所決定，表觀電導(dǎo)率與鹽漬化程度密切相關(guān)，同時(shí)受到土壤中粘土礦物中可交換的陽(yáng)離子及土壤顆粒的密集程度的影響[14]。而且由于土壤的電學(xué)性質(zhì)易受到溫度、含水率等因素的影響，因此采用電學(xué)方法進(jìn)行土壤監(jiān)測(cè)時(shí)，需要綜合考慮各個(gè)因素對(duì)電學(xué)性質(zhì)的影響。

盡管各種監(jiān)測(cè)方法技術(shù)相對(duì)成熟，但是目前多為定期取樣或者監(jiān)測(cè)，缺少一種能夠遠(yuǎn)程、原位監(jiān)測(cè)土壤各項(xiàng)參數(shù)的監(jiān)測(cè)平臺(tái)。為解決上述問題，本文基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計(jì)土壤監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)在各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)測(cè)量終端，利用測(cè)量終端進(jìn)行土壤性質(zhì)的原位檢測(cè)，然后通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至遠(yuǎn)程的監(jiān)控中心，進(jìn)行測(cè)量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、處理并發(fā)布，從而為監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)土壤性質(zhì)的現(xiàn)狀評(píng)價(jià)以及變化趨勢(shì)的分析預(yù)警提供硬件方面的技術(shù)支持，這對(duì)于濱海后備土地資源的有效利用和管理具有重要的意義。

1 監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化

系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)包括傳感器終端、系統(tǒng)下位機(jī)和系統(tǒng)上位機(jī)三部分。傳感器和下位機(jī)采用柔性有線連接，上位機(jī)和下位機(jī)采用物聯(lián)網(wǎng)連接。監(jiān)測(cè)人員通過(guò)上位機(jī)可以對(duì)原位系統(tǒng)發(fā)出指令（監(jiān)測(cè)起始時(shí)間、監(jiān)測(cè)頻率等），終端按照指令能夠同步采集監(jiān)測(cè)點(diǎn)的溫度、電導(dǎo)率和含水率隨時(shí)間的變化情況，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)在下位機(jī)進(jìn)行自動(dòng)存儲(chǔ)的同時(shí)將數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程發(fā)送到上位機(jī)，進(jìn)行發(fā)布、存儲(chǔ)、查詢和管理,從而實(shí)現(xiàn)鹽漬土的多參數(shù)、原位動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)各部分連接示意圖如圖1所示。

圖1 土壤鹽漬化多參量原位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)及接口連接示意圖

1.1 傳感器終端優(yōu)化設(shè)計(jì)

土壤電導(dǎo)率受到離子濃度、粘土含量、礦物質(zhì)含量、容重、溫度的影響。因此為了更準(zhǔn)確地測(cè)量電導(dǎo)率，本套監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的傳感器終端目前主要包括以下4個(gè)傳感器：溫度、pH、電導(dǎo)率及含水率傳感器。傳感器終端與下位機(jī)采用柔性連接，傳感器終端示意圖如圖2所示，傳感器終端各參數(shù)如下。

圖2 傳感器終端示意圖

1．1．1 溫度傳感器 目前的電導(dǎo)率儀器都顯示的是25℃時(shí)的電導(dǎo)率，這是由于電導(dǎo)率在溫度升高1℃時(shí)，電導(dǎo)率大概增加1．9%，為了能夠更好地對(duì)電導(dǎo)率變化進(jìn)行修正，所以當(dāng)溫度變化超過(guò)10℃，就必須考慮溫度對(duì)電導(dǎo)率的影響，將其統(tǒng)一至25℃的電導(dǎo)率，其公式如下：

式中：fT為溫度影響系數(shù)；EC25℃為修正為25℃時(shí)的電導(dǎo)率；ECT為在溫度為T℃時(shí)測(cè)量的電導(dǎo)率。

Sheets et al．（1995）推導(dǎo)出溫度影響系數(shù)fT的公式如下：

本溫度傳感器采用DS18B20探頭，將其與電導(dǎo)率模塊一起用環(huán)氧樹脂封裝，大大縮減了傳感器終端的體積。測(cè)量土壤溫度時(shí)，埋在待測(cè)土壤中，用導(dǎo)線將電源和控制線引出即可，而且這顆芯片結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、測(cè)量范圍滿足要求、性能可靠、資料較多，適合本系統(tǒng)的開發(fā)使用。

1．1．2 pH傳感器 由于鹽漬土在脫鹽過(guò)程中有發(fā)生堿化的潛在危險(xiǎn)，因而在設(shè)計(jì)本套監(jiān)測(cè)系統(tǒng)時(shí)增加了pH監(jiān)測(cè)探頭。本監(jiān)測(cè)傳感器采用梅特勒-托利多pH探頭，每隔5 min自動(dòng)儲(chǔ)存測(cè)量數(shù)據(jù)，且具有記錄操作使用情況和報(bào)警功能，能夠?qū)﹄姌O標(biāo)定進(jìn)行記錄且進(jìn)行25℃的換算。

1．1．3 含水率傳感器 土壤的含水率能夠影響土壤電導(dǎo)率，尤其當(dāng)含鹽量小于10 g/kg時(shí)，影響作用尤為明顯。

本套土壤含水率傳感器是一款基于頻域反射原理，利用高頻電子技術(shù)制造的高精度、高靈敏度測(cè)量土壤水分的傳感器。通過(guò)測(cè)量土壤的介電常數(shù)，能直接穩(wěn)定地反映各種土壤的真實(shí)水分含量。土壤水分傳感器可測(cè)量土壤水分的體積百分比，是目前國(guó)際上最流行的土壤水分測(cè)量方法。探針的具體參數(shù)為：長(zhǎng)度53 mm，直徑3 mm，其與下位機(jī)的連接采用柔性電纜連接，長(zhǎng)度2．4 m。

傳感器在土壤飽和含水率范圍內(nèi)具有良好的線性特征，式（3）是0～50%典型的標(biāo)定公式。

式中：θv為土壤體積含水量；V為采集器采集到的電壓值。

1．1．4 電導(dǎo)率傳感器 土壤電導(dǎo)率傳感器采用四針原理測(cè)量，外面兩針為信號(hào)產(chǎn)生針，里面兩針為信號(hào)測(cè)量針，測(cè)量信號(hào)頻率為300 Hz。通過(guò)測(cè)量土壤的交變電流和電壓，可計(jì)算土壤的電導(dǎo)率。

該電導(dǎo)率傳感器體積小巧（長(zhǎng)×寬×厚=86 mm×52 mm×22 mm）、其探針長(zhǎng)度為23 mm，直徑2 mm，采用不銹鋼材質(zhì)，探針以ABS工程塑料封裝，環(huán)氧樹脂密封以防止腐蝕，與下位機(jī)的連接采用柔性電纜連接，電纜長(zhǎng)度2．4 m，能夠滿足鹽漬土監(jiān)測(cè)的一般需求深度。使用簡(jiǎn)單、測(cè)量精度高、響應(yīng)速度快；具有良好的密封性，可直接埋入土壤或液體中使用，且不受腐蝕；受土質(zhì)影響較小，應(yīng)用地區(qū)廣泛。

1.2 下位機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)功能和指標(biāo)要求，結(jié)合目前的電子技術(shù)水平，提出土壤監(jiān)測(cè)系統(tǒng)方案，下位機(jī)部分由4個(gè)模塊構(gòu)成：中心控制模塊、通信模塊、土壤參數(shù)測(cè)量模塊、電源管理模塊。

1．2．1 中心控制模塊 此模塊主要是由MCU及其外圍電路構(gòu)成的，這是整個(gè)系統(tǒng)最核心的部分，其為系統(tǒng)中的各個(gè)模塊提供控制接口和數(shù)據(jù)傳輸通道，并且也是系統(tǒng)軟件運(yùn)行的載體，中心控制模塊與系統(tǒng)中其他模塊的連接關(guān)系如圖3所示。

圖3 MCU與各模塊接口

從圖3中可以看出，MCU與每個(gè)模塊及分模塊的連接關(guān)系，GPRS與MCU之間使用UART通信接口，電源管理使用普通I/O口，與EEPROM之間通訊使用I2C接口，土壤參數(shù)測(cè)量模塊有3個(gè)傳感器：溫度、含水率、電導(dǎo)率，每個(gè)傳感器的構(gòu)成都是獨(dú)立的，溫度測(cè)量數(shù)據(jù)傳輸由普通I/O口完成。電導(dǎo)率測(cè)量需要使用高精度ADC，這里選用的串行ADC，與MCU之間需使用SPI接口通信。含水率測(cè)量需要用高頻檢波電路，通過(guò)差動(dòng)放大器輸出到MCU上的ADC端口。

微處理器選擇CC2530，不僅因?yàn)槠涫腔?1內(nèi)核的單片機(jī)，可以大大縮短開發(fā)周期，更因?yàn)樗哂卸喾N工作模式，當(dāng)運(yùn)行在最低休眠模式時(shí)，功耗僅為400 nA，非常適用于本系統(tǒng)，平時(shí)系統(tǒng)通過(guò)電源管理可以切斷其他模塊的供電，但是MCU一直在工作，如果將MCU設(shè)置為這種休眠模式，將大大減少電池耗電量，以此提高電池一次充電的使用時(shí)間。

此款芯片有兩個(gè)UART口完全能夠滿足于GPRS的通信，并且還可以與另外的微控制器通信，可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)擴(kuò)展。芯片有21個(gè)通用I/O足夠能夠滿足與各個(gè)模塊的通信，還有一個(gè)8通道的12位ADC，也可以省去測(cè)量含水率時(shí)需要外接ADC。

1．2．2 GPRS模塊 此模塊用來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)與控制中心信息交換，運(yùn)行在GSM網(wǎng)絡(luò)，其功能與普通手機(jī)基本一致，但是根據(jù)本系統(tǒng)的需要，能夠通過(guò)短信方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳和接受控制命令功能，所以在設(shè)計(jì)時(shí)基本上無(wú)需太多的外圍電路，但天線是必須的。

GPRS模塊選用華為的GTM900-C，所有的GPRS模塊運(yùn)行功耗幾乎都差不多（900 MHz為2 W，1 800 MHz為1 W），但它的待機(jī)功耗卻比較低，電流消耗約為3．5 mA左右，主要是因?yàn)槠錅貙捦耆軌驖M足要求，且有細(xì)致的指令集，相關(guān)資料也比較多，方便控制和開發(fā)，且能大大縮短開發(fā)周期。

1．2．3 土壤參數(shù)測(cè)量模塊 土壤參數(shù)測(cè)量模塊包括土壤溫度傳感器、土壤含水率傳感器和土壤電導(dǎo)率傳感器，它們分別用不同的電路來(lái)實(shí)現(xiàn)，以下分別加以介紹。

（1）溫度傳感器。本溫度傳感器采用DS18B20探頭，將其與電導(dǎo)率模塊一起用樹脂膠封封裝，測(cè)量土壤溫度時(shí)，埋在需要測(cè)量土壤中，用導(dǎo)線將電源和控制線引出即可，而且這顆芯片結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、測(cè)量范圍滿足要求、性能可靠、資料較多，適合本系統(tǒng)的開發(fā)使用。

（2）電導(dǎo)率傳感器。傳感器的作用是測(cè)量土壤電導(dǎo)率，其由正弦波發(fā)生器、探頭、兩路ADC電路和MCU處理器組成。如圖4所示。

圖4 電導(dǎo)率傳感器組成示意圖

從圖4中可知，函數(shù)發(fā)生器輸出±10 V的正弦波，頻率為1 kHz，輸出到傳感器探頭，當(dāng)探頭接觸到土壤滲透液時(shí)，由于不同滲透液的電導(dǎo)率會(huì)有所差別，導(dǎo)致BSinX信號(hào)幅度的不同，由兩路ADC分別采集探頭的BSinX和正弦波發(fā)生器的ASinX，由MCU對(duì)比兩個(gè)信號(hào)的幅度差別計(jì)算出土壤的電導(dǎo)率。

這里使用的函數(shù)發(fā)生器具有相當(dāng)高的穩(wěn)定度，這樣就不會(huì)因?yàn)樾盘?hào)的不穩(wěn)定性而導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果不夠精確。實(shí)際上根據(jù)性能要求9位的ADC就已經(jīng)足夠，但是為了方便日后的技術(shù)擴(kuò)展采用了分辨率為16位的ADC，采樣精度能夠滿足實(shí)時(shí)性要求。為節(jié)省MCU的I/O資源，使用串行的ADC，其與MCU之間通信使用SPI接口；

（3）土壤含水率傳感器。含水率傳感器采用國(guó)產(chǎn)傳感器，目前比較流行的傳感器通常基于TDR、FDR和駐波原理，其實(shí)質(zhì)是通過(guò)測(cè)量土壤的介電常數(shù)來(lái)推算土壤的含水率。采用駐波原理實(shí)現(xiàn)可能比較理想，其由100 MHz信號(hào)源、LC傳輸線等效電路、探針、2個(gè)檢波器和差動(dòng)放大器等組成。其原理是：當(dāng)探針處于不同含水量的土壤時(shí)，由于其介電常數(shù)的差異，會(huì)導(dǎo)致100 MHz的高頻信號(hào)反射率不一樣，入射信號(hào)源和反射高頻信號(hào)將在LC傳輸線等效電路中產(chǎn)生駐波，并在該等效電路的一端形成波峰，另一端形成波谷，檢波器將LC傳輸線等效電路兩端的信號(hào)進(jìn)行檢波，并差動(dòng)放大，輸出電壓將與土壤介電常數(shù)一一對(duì)應(yīng)，通過(guò)采集該電壓，實(shí)現(xiàn)測(cè)量土壤含水率的目的。

1．2．4 電源管理模塊 電源管理模塊的功能是為了將系統(tǒng)的功耗降至最低，以此提高電池的續(xù)航能力。其主要是通過(guò)對(duì)工作模式和工作狀態(tài)的識(shí)別，來(lái)控制系統(tǒng)各個(gè)模塊工作與否，其控制關(guān)系如圖5所示。

圖5 電源管理模塊示意圖

系統(tǒng)由圖5模塊組成，每個(gè)模塊的工作電壓都不一樣，且工作狀態(tài)也都有差別。其中采樣電路需要輸出±10 V電源，分別給ADC和正弦波發(fā)生器使用，GPRS模塊需要3．8 V的供電，MCU、溫度傳感器以及其它芯片分別需要3．3 V供電和5 V供電。MCU一直處于工作狀態(tài)，其識(shí)別當(dāng)前系統(tǒng)的工作模式和狀態(tài)來(lái)決定模塊的供電情況。

電源管理需要使用一個(gè)專門的電源管理芯片來(lái)完成，它受MCU的控制，通過(guò)MCU的配置從而控制電壓的輸出，電量監(jiān)測(cè)主要用于監(jiān)測(cè)電池的電量，掌握電池的剩余電量，適時(shí)發(fā)出電量低的報(bào)警信息，提示工作人員更換電池并充電。

1.3 上位機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)

1．3．1 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)軟件的編寫主要是按照硬件模塊來(lái)分類和分層的，軟件主要包括：主程序、GPRS通信程序、電源管理程序、溫度測(cè)量程序、電導(dǎo)率測(cè)量程序、含水率測(cè)量程序6個(gè)方面。

主程序用來(lái)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化設(shè)置，其軟件流程圖如圖6所示，以實(shí)現(xiàn)在系統(tǒng)復(fù)位情況下進(jìn)行相關(guān)信息的初始化和設(shè)置；GPRS模塊是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)和控制中心通信的橋梁，它是完成數(shù)據(jù)交換的通道。GPRS通信程序完成GPRS模塊與MCU之間的通信；系統(tǒng)與控制中心的數(shù)據(jù)交換電源管理程序完成對(duì)各個(gè)模塊和芯片電源供電開關(guān)設(shè)置，硬件的電源管理模塊最終是要通過(guò)軟件的配置來(lái)實(shí)現(xiàn)；溫度測(cè)量程序由于溫度傳感器是直接通過(guò)I/O連接到MCU，來(lái)完成對(duì)溫度獲?。浑妼?dǎo)率測(cè)量程序完成土壤導(dǎo)電率測(cè)量，包括產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)正弦波，完成對(duì)正弦波的采樣，導(dǎo)電率的測(cè)量主要是以正弦波為標(biāo)準(zhǔn)來(lái)測(cè)量通過(guò)傳感器后的波形幅值的變化，在這里ADC采樣頻率的設(shè)置要求與ADC雙通道切換的時(shí)間成一定的比例關(guān)系，這樣可以減少測(cè)量的誤差；含水率測(cè)量程序主要完成對(duì)含水率傳感器數(shù)據(jù)的采集和處理，包括數(shù)據(jù)收發(fā)格式定義、波特率定義、數(shù)據(jù)傳送和數(shù)據(jù)處理等軟件模塊。

圖6 主程序流程圖

1．3．2 土壤鹽漬化監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng) 土壤鹽漬化監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)主要包括4個(gè)層次，分別為：用戶層、業(yè)務(wù)層、應(yīng)用層及數(shù)據(jù)服務(wù)層，各層次的具體功能如圖7所示。

圖7 土壤鹽漬化監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)采用先進(jìn)成熟的基于J2EE平臺(tái)下的MVC架構(gòu)（B/S模式），運(yùn)用“數(shù)據(jù)集中”思想，應(yīng)用Flex4+Blazeds4+Spring3+Mybatis3的多層開發(fā)結(jié)構(gòu)，Mybatis連接數(shù)據(jù)庫(kù)，可以做到與數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)無(wú)關(guān)。此架構(gòu)不但能夠很好地滿足系統(tǒng)的業(yè)務(wù)需求，而且具有較好的跨平臺(tái)性、擴(kuò)展性和安全性，具備強(qiáng)大的技術(shù)升級(jí)能力，可以在各種主流硬件平臺(tái)和操作系統(tǒng)上運(yùn)行；此外支持主流的Web服務(wù)器、應(yīng)用服務(wù)器，使用瀏覽器就可以訪問、管理整個(gè)系統(tǒng)應(yīng)用平臺(tái)。數(shù)據(jù)調(diào)用采用DataService和MapDataService模塊相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的空間調(diào)用和圖層調(diào)用功能。同時(shí)通過(guò)C語(yǔ)言完成Flex與ArcGIS server地理處理服務(wù)的連接，實(shí)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)MySQl數(shù)據(jù)庫(kù)與SQL server數(shù)據(jù)庫(kù)中土壤鹽漬化數(shù)據(jù)的同步和系統(tǒng)對(duì)后臺(tái)數(shù)據(jù)的訪問和處理。土壤鹽漬化監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)可視化數(shù)據(jù)展示界面圖如圖8所示。

圖8 系統(tǒng)可視化數(shù)據(jù)展示界面圖

2 結(jié)論

本文主要介紹了自主研發(fā)的鹽漬土遠(yuǎn)程原位多參數(shù)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的基本組成、功能及其設(shè)計(jì)優(yōu)化，其優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

(1)有針對(duì)性地設(shè)計(jì)了一套完整的基于物聯(lián)網(wǎng)的鹽漬土原位長(zhǎng)期實(shí)時(shí)多參量同步監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，能夠自動(dòng)、實(shí)時(shí)、受控地對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)土壤鹽漬化時(shí)空變異特征進(jìn)行長(zhǎng)期、原位監(jiān)測(cè)。經(jīng)多次試驗(yàn)證明，該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠、自動(dòng)化程度高，能夠較好地完成多參量鹽漬化監(jiān)測(cè)目標(biāo)。

(2)突破了鹽漬土單參數(shù)測(cè)量的局限，綜合考慮了影響土壤鹽度和電導(dǎo)率的因素（含水率和溫度等），并針對(duì)濱海地區(qū)脫鹽堿化的現(xiàn)象增設(shè)堿化指標(biāo)測(cè)量探頭，使監(jiān)測(cè)結(jié)果更加真實(shí)、準(zhǔn)確。

(3)監(jiān)測(cè)探頭采用不銹鋼探針形式，減少探頭貫入難度，有效延長(zhǎng)傳感器的使用壽命。終端所有接口處采用環(huán)氧樹脂密封，減少了野外監(jiān)測(cè)對(duì)儀器的腐蝕。

(4)更改供電方式，采取電池供電與太陽(yáng)能供電相結(jié)合的方式，一改傳統(tǒng)傳感器需要布設(shè)電源線和定期更換電池的不足，大大降低了監(jiān)測(cè)裝置的建設(shè)成本和維護(hù)成本，電源上設(shè)有管理電路，在電量過(guò)低時(shí)進(jìn)行電量預(yù)警以開啟太陽(yáng)能充放電功能，減少更換電池的頻率及電池?zé)o電導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失的風(fēng)險(xiǎn)。

(5)終端除有線柔性電纜連接下位機(jī)外，其單片機(jī)還通過(guò)RS232接口接有ZIgbee無(wú)線收發(fā)裝置，通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)與下位機(jī)建立通訊連接，客戶可通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)對(duì)監(jiān)測(cè)終端直接下達(dá)監(jiān)測(cè)指令，使監(jiān)測(cè)過(guò)程自動(dòng)化、智能化。

(6)中心控制模塊（MCU）設(shè)有自動(dòng)休眠功能模式，在數(shù)據(jù)采集傳輸之外的時(shí)間，切斷所有模塊供電，其自身也處于休眠狀態(tài)，大大縮減電池電量的損耗。數(shù)據(jù)傳輸采用短信模式，信號(hào)傳遞更穩(wěn)定，且下位機(jī)設(shè)有海量存儲(chǔ)設(shè)備備份采集數(shù)據(jù)，增大數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩浴?/p>

(7)測(cè)量模塊預(yù)留了多個(gè)不同測(cè)量采集通道，數(shù)據(jù)采集電量采用高分辨率ADC電路，為今后多參數(shù)采集終端的擴(kuò)展連接實(shí)現(xiàn)提供可能性并滿足日后對(duì)高精度數(shù)據(jù)的需求。

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