基于無線傳感網絡的改堿暗管排鹽監控系統

周利明，韋崇峰，苑嚴偉，周強兵，趙　博，張俊寧，汪鳳珠

（1. 中國農業機械化科學研究院，北京 100083；2. 土壤植物機器系統技術國家重點實驗室，北京 100083）

0　引　言

土壤鹽堿化是國內外農業發展普遍面臨的嚴峻生態環境問題[1]。鹽堿地改良是通過采用物理、化學或生物方法改變土壤理化形狀，使之達到有利于作物生長的條件[2-7]。暗管改堿技術是目前較為先進的鹽堿地物理治理技術，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，提高土壤質量[8-12]。暗管改堿技術已經在埃及和荷蘭等國家得到廣泛應用。國內山東東營、天津濱海和新疆等地均開始應用此項技術，實施效果良好。開展改堿暗管排鹽在線監測有助于準確掌握土壤中鹽堿運移分布，為暗管改堿技術的實施效果提供科學評價依據。

隨著無線傳感技術的發展，其在農業環境監測方面得到廣泛應用。蔣建明等[13]研究了基于無線傳感網絡（wireless sensor net，WSN）水質參數的測量和溶解氧自動控制，并對無線通信網絡進行了優化。李穎慧等[14]開發了基于無線傳感網絡的營養液電導率實時監測系統。韓玉冰等[15]設計了一種基于 WSN的觀賞魚養殖水質監測系統，在實施監測養殖水質環境參數的同時，能夠根據水溶氧量動態啟停增氧機，保證水質處于最佳環境。李鑫星等[16]針對水質監測需求及其監測點的隨機變動，設計了一種多參數無線水質監測系統；徐坤等[17]基于自制的基質多參數復核傳感器，并結合 Zigbee無線網絡技術，實現基質含水率、電導率和溫度的測量。一些學者將無線傳感器網絡技術應用于湖泊、河流等大面積水質的在線監測[18-22]，由此實現廣域信息的在線獲取，進一步提高了WSN的適用性。

針對暗管改堿技術應用過程中排堿管道排鹽信息缺乏在線監測手段，難以對改良實施效果進行科學評價的問題，本文選擇管道流量、pH值及電導率作為監測參數，設計了一種基于Zigbee無線傳感器網絡的改堿暗管排鹽信息在線監測系統，對不同埋深管道的流量及水質信息進行在線監測，并對排水暗管集水池水位進行在線控制，為實現改良地塊鹽分遷移的動態監測提供技術支撐。

1　排鹽監控系統總體方案設計

1.1　需求分析

通過技術調研和分析，改堿暗管排鹽監測系統應滿足以下幾點需求：1）能夠適應野外無市電到達的區域，2）系統應能夠自動運行，實現無人值守，3）系統的運行成本應相對較低，同時滿足經濟性和實用性。

1.2　系統總體結構

項目區內改堿管道排水采用“排（滲）水管-集水管”兩級排水系統，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置集水井。

由于暗管監測系統布設區域較大，現場測控節點多，且各節點間相距較遠，難以通過鋪設大量電纜線進行系統供電和數據傳輸，因此布設區室外監測節點需要由太陽能供電。基于長期運營的低成本和節點擴展的便捷性考慮，Zigbee網絡結構適合作為系統的通訊方式。本研究設計的監控系統主要由中心節點、監測節點及控制節點 3部分組成，采用星型拓撲結構進行網絡體系構建，總體結構如圖1所示。

根據項目區內暗管改堿排水系統的管路分布和監測需求，確定監控系統節點分布如圖2所示。

由圖1、圖2知系統監測節點連接流量計、pH傳感器和電導率傳感器，各監測節點按照設定的時間間隔定時采集管道內地下水的流量、pH值以及電導率等信息，并通過Zigbee節點將信息發送至中心節點。布設的監測節點主要包括位于中心監控室外沿集水井呈東西向均勻分布的5路埋深1.8 m的排水暗管監測節點（節點1～5）和1路埋深1.2 m的排水暗管末端監測節點（節點6），以及位于中心監控室內的2路埋深1.8 m集水管（節點7，8）。其中監測節點1與中心節點直線距離約為70 m，節點1至節點5沿水平方向均勻分布且相鄰節點間距約為120 m，節點6與中心節點間距約為10 m，節點7和8與中心節點間距均在5 m內。室外排水管監測節點均位于管路末端的集水井位置。另外監測節點還包括 1路室內蓄水池實時水位監測（節點 9），將蓄水池的水位信息實時發送給中心節點，為水位的自動控制提供反饋。系統控制節點主要用于管道蓄水池的水位控制，該控制節點連接集水井的進水閥以及水泵驅動器，可以根據遠程控制指令對進水閥的開關和水泵的啟動進行在線控制。中心節點則負責接收各類監測節點信息，通過RS232接口連接本地服務器，同時將控制指令下發給控制節點，實現相應的控制動作。

圖1　改堿暗管排鹽監控系統結構框圖Fig.1　Network structure diagram of subsurface pipe drainage monitoring system

圖2　改堿暗管排鹽監控系統節點分布示意圖Fig.2　Distribution diagram for nodes of subsurface pipe drainage monitoring system

2　監控系統硬件設計

2.1　監測節點設計

每一路水質信息監測節點包括 Zigbee無線采集模塊、pH傳感器、電導率傳感器、管道流量計和水體自動取樣裝置。其現場安裝如圖3所示。

圖3　監測節點現場實物圖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責采集各路傳感器的信息，并通過Zigbee網絡將信息發送到中心節點。考慮到各路變送器輸出信號均選擇4～20 mA標準電流信號，因此采集節點采用上海順舟科技公司SZ-06-05型無線數據采集設備。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，節點具備中繼路由和終端設備功能，支持廣播發送或目標地址發送模式，可以通過RS485總線接口對模塊參數進行配置。

2.1.2pH與電導率變送器選型

每一個監測節點均需連接一路 pH傳感器和電導率傳感器，以便實時獲取管道內的水質信息。選擇PH1110A復合玻璃電極作為管道水體pH值測量電極，其測量范圍為0～14，分辨率為0.01，測量精度為0.05。其根據被測介質的不同酸度產生不同幅值的直流電壓。同時選擇河北科瑞達科技有限公司的PH7500型pH變送控制器實現4～20 mA標準電流信號的輸出。

根據前期水土調查結果，被測地下水的電導率范圍為3.0～7.0 mS/cm。基于此，選擇CON3124-14型不銹鋼電導池進行電導率的在線檢測，其電導池系數為1.0，分辨率為0.01 μS/cm，測量范圍為0～10 mS/cm。由于電導池輸出為微弱 mV電壓信號，同時選擇河北科瑞達科技有限公司生產的CCT8301A型電導率在線變送控制器對電導池輸出信號進行處理，變換后輸出4～20 mA標準電流信號。CCT-8301A自帶溫度補償功能，可有效提高測量精度。所選pH和電導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流量計選型

排水暗管流量計負責實時獲取各管道的滲透水流量，由于管道水中含有一定的鹽分，其電導率通常在mS/cm量級，而電磁流量計僅要求介質電導率大于5 μS/cm，因此針對管道滲透水的流量監測選擇開封百特流量儀表有限公司生產的電磁流量計。在暗管鹽堿改良的工程設計中，所選排水暗管的管徑為110 mm，集水管的管徑為200 mm，根據管道的規格，所選的排水管流量計型號為 BTLD-101161，集水管流量計型號為BTLD-201161，流量計工作電壓為 DC12V，輸出為 4～20 mA電流信號，測量精度為0.5級，管道襯里為聚四氟乙烯。排水管流量計安裝在各排水暗管末端，集水管流量計安裝在集水管路中，均采用法蘭安裝形式。

2.1.4水體自動取樣裝置

受排水管規格影響以及傳感器自身安裝要求，難以直接將電導率傳感器和pH傳感器安裝于排水管管體上。采用水體自動取樣裝置對管道內的水體進行取樣，以便檢測。水體自動取樣裝置包括定時控制器、直流隔膜水泵以及傳感器安裝導流座，結構如圖4所示。

圖4　水體自動取樣裝置及導流座Fig.4　Water automatic sampling device and water diversion module

采用微電腦時控開關KG316T（上海卓一電子有限公司，DC12V）作為定時控制器，控制水泵按照給定時間抽取水樣。KG316T可以設置16組開關時間，其定時范圍可以在1 min～168 h內任意設定。由于管道水質通常變化較為緩慢，從系統節能角度考慮，采用定時取樣方式進行水質信息監測。通過定時控制器設定水泵工作時間為30 min，停止間隔為60 min。水泵選擇河北石家莊普蘭迪機電設備有限公司的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。

傳感器安裝導流座主要為 pH傳感器和電導率傳感器（電導池）的安裝提供支撐條件。電導率傳感器在使用時對安裝形式要求較高，不正確的安裝形式會導致測量數據失真，通常需采取平裝形式。基于此，本文設計了適于傳感器安裝的導流座。導流座采用ABS材料經數控加工而成，由水泵出水口排出的地下水進入導流座進水口，流經pH傳感器和電導池后由上方出水口排出，保證了電導池始終迎向水流方向且深入流動水體，使測量結果不受影響。

2.2　室外供電設計

室外監測節點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設備每天耗電量估算

為合理確定太陽能發電功率及蓄電池容量，需首先估算節點負載的功耗。這里監測節點每天的功耗包括傳感器、無線采集傳輸節點和直流水泵的功耗總和。

式中，Q為節點總功耗，Qsen為傳感器功耗，Qpum為取樣水泵功耗，Qtmr為定時控制器功耗，Wh。

節點傳感器功耗包括pH傳感器、電導率傳感器以及流量計正常工作所消耗的能量，其中pH和電導率傳感器由DC/DC電源模塊供電，模塊電源轉換效率為0.86，pH變送器功率為3.0 W，電導率傳感器功率為5.4 W，電磁流量計功率為15 W。所有傳感器均24 h連續工作。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間，h。

監測節點所用的直流水泵功率為25 W，工作電壓為直流12 V，設定每天取樣16次，每次取樣時間30 min。則水泵每天功耗

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

2.2.2蓄電池容量確定

根據系統設計要求，蓄電池容量應能滿足負載在24 h內連續陰雨天供電需求，根據工程經驗取蓄電池工作容量安全系數為1.2，深度放電系數為80%。則蓄電池容量

據此，選擇免維護膠體蓄電池，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，根據工程經驗取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為負載每天的耗電量，Wh；Tm為當地日平均峰值日照時數，h；Tmin為當地日最小峰值日照時數，η1為蓄電池充電效率；η2為電池板灰塵遮蔽損耗系數。

考慮項目區位于山東東營，通過查詢當地氣象資料確定Tm為4.5 h，根據工程經驗，取η1為0.95，η2為0.95，則計算得到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]；將各參數帶入式中，得到太陽能板輸出功率為283 W。根據太陽能電池板常用的市場規格，確定采用2塊150 W多晶太陽能板并聯。

2.3　控制節點設計

為實現暗管水體的綜合利用，在進行暗管改堿工程設計施工時，排堿暗管內的地下水需經集水管匯聚后進入現場控制室的蓄水池內。當蓄水池內水位達到一定高度時，通過水泵將水排出。控制節點位于現場泵站內。控制節點用于實時獲取蓄水池內水位高度，并根據相應的控制策略，調節水泵工作狀態，保證水位處在合理范圍內。

控制節點主要包括液位傳感器、水位無線采集節點、開關量無線輸出節點和潛水泵。水位傳感器用于實時測量蓄水池內水位信息，采用北京昆侖海岸傳感技術有限公司的靜壓式液位變送器，型號為 JYB-K0-LAG。其供電電壓DC12 V，輸出4～20 mA標準電流信號，量程0～5 m，精度為±0.5%。水位采集節點采用SZ-06-05模塊，實時將水位信號發送給中心節點。潛水泵用于排出蓄水池內積水，采用美國 ITT飛力泵業公司的潛水排污泵，型號為Steady 1310。其工作電壓為交流380 V，額定功率為2.4 kW，最大揚程24 m，最大流量為16 L/S。開關量無線控制節點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，通過控制開關量輸出高低電平使繼電器通斷并使交流接觸器動作，實現潛水泵的啟停。

2.4　中心節點設計

中心節點是整個監控系統的核心單元。主要負責接收各個監測節點發送來的無線數據信息，通過RS232接口將接收到的信息上傳給監控中心的計算機，同時將中心計算機對蓄水池水位的控制指令通過該節點發送到下位控制節點，控制節點根據相應的控制信號驅動繼電器執行相應的控制動作。中心節點選擇上海順舟科技有限公司SZ02-232模塊。該模塊作為網絡協調器，能夠完成自組織、管理網絡的功能。

3　監控系統軟件設計

3.1　蓄水池水位控制策略

改堿暗管中的地下水經匯集后進入到蓄水池內，當水位達到一定高度時，監測系統會自動調節蓄水池內潛水泵的啟停，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上下波動，因此會給液位傳感器的測量帶來不利影響。考慮到水位變化緩慢，采用一階慣性濾波算法對實時獲取的水位信息進行處理。經濾波后的水位信號輸出為

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

根據設計要求，蓄水池的水位控制分為上水位和下水位 2檔，當蓄水池水位低于下水位時，需關閉潛水泵停止向外排水；當蓄水池水位高于上水位時，需啟動潛水泵向外排水。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　通訊協議

在整個監測網絡中，包括1個中心節點、9個監測節點和1個控制節點。每個節點均預設1個不同的地址，各節點采用定時主動上報形式向中心節點傳輸，中心節點與各監測節點的地址分配見表1。

設置各節點的頻點為2.425 GHz，定時主動上報時間間隔為15 s，數據包為ASCII碼格式。

表1　各節點地址分配表Table 1　Address allocation for wireless monitoring nodes

3.3　監控中心軟件設計

本地監控中心軟件采用美國國家儀器（NI）公司的LabWindows/CVI 2012開發。該軟件采用交互式編程技術，同時集成強大的函數庫和圖形界面控件，非常適合測控系統的開發[27-30]。監控中心軟件通過調用 VISA RS232函數庫獲取中心節點串口發送的監測數據，對數據進行濾波預處理后將所接收的數據以txt文件格式進行存儲與管理。其主要功能模塊包括參數設置、實時監控、數據處理與回放等。參數設置部分主要對蓄水池液位上下限值、水質參數的上下限值以及通訊參數進行設置；實時監控主要完成實時采集各監測節點的 pH值、電導率、管道流量數據以及蓄水池水位信息，并以動態曲線圖形式將數據進行顯示，同時根據實時水位進行控制決策，適時調整潛水泵的啟停，保證水位處于設定范圍內。數據處理與回放主要完成水位數據的在線濾波處理，各類水質數據預處理，并對歷史數據進行查詢、統計和回放等。圖6為監測系統軟件界面。

圖6　監測系統用戶界面Fig.6　User interface of monitoring system

4　試驗及結果分析

2016年4月至12月，在山東省東營市農業高新區鹽堿地改良綜合試驗基地進行應用試驗。試驗內容主要包括蓄水池水位控制試驗、傳感器檢測精度試驗、節點傳輸距離測試和節點丟包率測試等。

4.1　水位控制試驗

試驗所用蓄水池深度為4 m，設定蓄水池高水位限值為2.5 m，低水位限值為0.5 m。監控系統處于正常工作狀態，保持集水管向蓄水池供水，同時記錄蓄水池實時的水位變化。圖7為某一工作時段的蓄水池水位變化曲線。

由圖 7可知，由于集水管的持續供水，蓄水池水位緩慢上升，當水位達到2.5 m時，潛水泵開啟，排水量顯著大于進水量，水位開始急劇下降；當水位下降到0.5 m時，由于潛水泵關閉，不再向外排水，此時集水管仍然進水，水位會再次緩慢上升，進入下1次排水循環。

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

4.2　傳感器檢測精度試驗

在每個水質監測節點處進行人工水樣采集，將采集的水樣進行實驗室化驗分析得到真實電導率和pH值。同時，記錄監控中心軟件所顯示的各個監測位置點的電導率和pH值，作為當前的測量值。結果如表2所示。

表2　pH和電導率傳感器測試結果Table 2　Test results of pH sensor and conductivity sensor

由表 2可知，本系統中各路傳感器的測量值與試驗室標準值較為接近，pH值和電導率的平均測量誤差均小于5%，能夠滿足實際生產需要。

4.3　節點傳輸距離測試

傳輸距離對節點的正確部署具有重要指導作用。由于現場建筑物、林木以及天線部署情況都會對傳輸距離產生影響。本系統的中心節點位于本地監控中心，天線與地面距離為1.5 m，中心節點的數據由上位機接收。以中心節點為基準點，同時徑向移動監測節點，改變監測節點與中心節點之間的距離，確認數據傳輸的丟包率，以測試無線傳輸的性能，為節點部署提供參考依據。節點間距與丟包率曲線如圖8所示。

從圖 8中可知，當測試用監測節點與中心節點距離在120 m以內時，丟包率低于2%。而超過125 m后，數據丟失明顯，在達到150 m時丟包率高達43%。其主要原因是中心節點位于監控室內，受周圍混凝土墻體遮擋影響無線信號發生衰減導致傳輸距離變小。

圖8　監測節點通訊距離與丟包率關系Fig.8　Relationship between communication distance and packet loss rate for monitoring nodes

4.4　丟包率測試

節點丟包率是衡量無線傳感節點數據傳輸性能的關鍵指標之一。這里根據系統各節點的分布情況，分別測試監測節點向中心節點發送以及中心節點向控制節點發送的數據傳輸性能。試驗時，監控系統所有節點均處于工作狀態，各監測節點在完成數據采集任務的同時，還作為中繼器負責數據的轉發任務。由每一個監測節點按設定時間發送1 000組數據包，在中心節點接口統計接收到的數據包數量并計算監測丟包率；另外，由中心節點向控制節點下發 500組控制數據包，通過人工確定繼電器觸點動作次數來確認控制節點收到的數據包數量并計算丟包率。測試結果如表3所示。

表3　各節點丟包率測試結果Table 3　Test result of packet loss rate

由表 3的測試結果，結合各節點的距離分布可知，室外監測節點3、4、5號與中心節點的距離均超過200 m，但節點的數據丟包率并不高，由此表明這 3個節點的數據經過其他節點的中繼轉發順利傳輸至中心節點。整體而言，系統各節點的丟包率均小于3%，通訊較為穩定。

5　結　論

本文采用無線傳感網絡及多傳感探測等技術設計了改堿暗管水質無線測控系統。該系統利用監測節點獲取暗管水質及流量信息，并通過Zigbee網絡發送至中心節點，本地計算機由中心節點將數據通過RS232接口上傳到，實現暗管排水信息的在線測控。借助于濾波算法有效消除液位波動對水位監測的影響，結合無線通訊技術，實現了蓄水池水位的遠程自動控制。

通過開展改堿暗管排鹽監控系統性能試驗，得到以下結論：該系統運行穩定、水位控制準確、數據傳輸可靠，pH值和電導率的相對測量誤差分別為1.81%、1.89%，各節點的最大丟包率為2.6%，能夠滿足實際生產需要。

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