劉海洋，陳 智，侯占峰，佟 鑫，宗哲英，宣傳忠

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基于GPRS 的土壤風(fēng)蝕實時監(jiān)測系統(tǒng)研制與測試

劉海洋，陳 智，侯占峰※，佟 鑫，宗哲英，宣傳忠

（內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，呼和浩特 010018）

為克服野外觀測和風(fēng)洞測試的缺點與不足，提高觀測數(shù)據(jù)的連續(xù)性、科學(xué)性與可靠性。該文綜合無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、傳感器技術(shù)、電子技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，研制了熱敏式風(fēng)速傳感器、分流對沖式風(fēng)沙分離器和具有無線組網(wǎng)與自動數(shù)據(jù)采集處理功能的近地表風(fēng)速廓線儀和多通道集沙儀，建立了基于GPRS網(wǎng)絡(luò)的土壤風(fēng)蝕監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)了被測區(qū)域環(huán)境溫度、相對濕度、大氣壓力、近地表風(fēng)速廓線和風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)等參數(shù)的同步采集、實時處理和遠(yuǎn)程監(jiān)測等功能。試驗結(jié)果表明：風(fēng)速傳感器輸出電壓在0.3～4.3 V之間，響應(yīng)時間小于3 s，有效測量范圍在0～17 m/s，測量精度隨風(fēng)速增大而降低，在6和17 m/s風(fēng)速下的測量精度分別為0.1和 0.3 m/s；風(fēng)沙分離器的降速效率和風(fēng)沙分離效率分別在96%和99.8%以上，平均等動力性≥92%；稱量系統(tǒng)有效測量范圍在0～170 g，精度達(dá)0.01 g，短期靜態(tài)誤差和長期累積誤差分別不超過±0.02 g和±0.04 g；9、12、15和18 m/s風(fēng)速下的平均集沙效率達(dá)91.98%；無線通信建立時間≤5 s，中心匯聚節(jié)點可在3 s內(nèi)實現(xiàn)一次節(jié)點遍歷和數(shù)據(jù)匯聚，有效傳輸距離達(dá)140 m以上；風(fēng)速廓線節(jié)點和集沙儀節(jié)點單次最大工作時長不低于6和22 h。在野外試驗條件下，系統(tǒng)軟硬件部分均運(yùn)行穩(wěn)定可靠，自組網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膩G包率和錯誤次數(shù)為0，環(huán)境溫度、相對濕度和大氣壓力的偏差分別小于2 ℃、4%和10 hPa；測得的近地表風(fēng)速廓線與風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)均符合指數(shù)分布規(guī)律，滿足大尺度、跨區(qū)域野外土壤風(fēng)蝕同步研究的需求。

無線傳感網(wǎng)絡(luò)；環(huán)境監(jiān)測；風(fēng)速廓線儀；集沙儀；土壤風(fēng)蝕

0 引 言

土壤風(fēng)蝕是導(dǎo)致中國北方寒旱地區(qū)草原和土地退化、沙化的重要因素[1]。特別在內(nèi)蒙古陰山北麓農(nóng)牧交錯區(qū)，由于自然和人為等因素的綜合作用[2]，加速了農(nóng)田和草原的退化程度，大面積天然草地防風(fēng)護(hù)土、涵養(yǎng)水源的綜合生態(tài)功能大幅降低，導(dǎo)致?lián)P沙肆虐、沙塵暴頻發(fā)，風(fēng)蝕進(jìn)程大大加速；不僅超出了環(huán)境的自我承載能力，且嚴(yán)重制約了該地區(qū)經(jīng)濟(jì)和農(nóng)牧業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[1,3]。近年來，土地荒漠化已然成為中國北方地區(qū)較為嚴(yán)峻的環(huán)境問題，利用現(xiàn)代化技術(shù)手段研究土壤風(fēng)蝕形成機(jī)理及其防治措施成為當(dāng)前亟待解決的重要課題。

目前，圍繞土壤風(fēng)蝕進(jìn)行的野外觀測、風(fēng)洞試驗等研究在主要風(fēng)蝕地區(qū)獲得了空前的發(fā)展，研究人員相繼從風(fēng)沙地貌與沙漠化、風(fēng)蝕動力學(xué)、風(fēng)蝕影響因子、風(fēng)蝕測定與評估模型、風(fēng)蝕防治技術(shù)等方面闡述了各因素對風(fēng)蝕過程的影響[4]，提出了不同地區(qū)的風(fēng)蝕防治措施，但由于風(fēng)蝕作用自身物理機(jī)制極其復(fù)雜且在時空上變異巨大，導(dǎo)致風(fēng)蝕監(jiān)測數(shù)據(jù)的誤差較大，各項研究結(jié)果間差異明顯、可比性不夠強(qiáng)。同時，現(xiàn)有土壤風(fēng)蝕測試與監(jiān)測方法存在勞動強(qiáng)度大、風(fēng)蝕監(jiān)測數(shù)據(jù)不穩(wěn)定、無法實現(xiàn)跨區(qū)域?qū)崟r數(shù)據(jù)采集等缺點與不足。

因此，本文綜合無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、傳感器技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，研制了熱敏式風(fēng)速傳感器以及具有自組網(wǎng)和自動數(shù)據(jù)采集處理功能的近地表風(fēng)速廓線儀和多通道集沙儀；并在此基礎(chǔ)上研究了具有實時數(shù)據(jù)匯聚與處理功能的土壤風(fēng)蝕監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)了被測區(qū)域內(nèi)多點環(huán)境溫度、相對濕度、大氣壓力、近地表風(fēng)速廓線及風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)等數(shù)據(jù)的同步采集、無線傳輸與實時處理等；提高了觀測數(shù)據(jù)的連續(xù)性、科學(xué)性與可靠性，為實現(xiàn)跨區(qū)域、大尺度的土壤風(fēng)蝕實時監(jiān)測，分析風(fēng)蝕過程的整體動態(tài)和區(qū)域差異提供有效的研究平臺和重要的數(shù)據(jù)支持。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 總體結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)主要由分布在各被測區(qū)域內(nèi)的風(fēng)速廓線采集節(jié)點、風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)采集節(jié)點、中心匯聚與轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點、GPRS遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)及客戶端數(shù)據(jù)處理軟件等組成[5-7]，其總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 系統(tǒng)工作原理

工作過程中，中心匯聚與轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點首先通過發(fā)送“同步數(shù)據(jù)采集”指令，控制網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍內(nèi)的所有風(fēng)速廓線節(jié)點和風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)節(jié)點進(jìn)行同步數(shù)據(jù)采集；然后通過發(fā)送“地址輪詢”指令匯聚各節(jié)點采集的數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)匯聚完成后，對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理打包，并通過GPRS模塊發(fā)送至遠(yuǎn)程服務(wù)器[8-9]；服務(wù)器端的數(shù)據(jù)中心軟件通過TCP協(xié)議與各被測區(qū)域內(nèi)的GPRS模塊建立連接，接收遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)并存儲在本地Access數(shù)據(jù)庫中，同時將數(shù)據(jù)包發(fā)送至遠(yuǎn)程客戶端；客戶端軟件系統(tǒng)通過TCP協(xié)議連接訪問服務(wù)器，接收來自服務(wù)器端的數(shù)據(jù)信息，并對數(shù)據(jù)包進(jìn)行解析、處理，顯示各測點處的環(huán)境信息，繪制其近地表風(fēng)速廓線及風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)曲線，最后將解析后的數(shù)據(jù)信息存儲在本地數(shù)據(jù)庫內(nèi)[9]。

圖1 風(fēng)蝕監(jiān)測系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

2 硬件系統(tǒng)組成

2.1 熱敏式近地表無線風(fēng)速廓線儀

2.1.1 熱敏式風(fēng)速傳感器

在陰山北麓農(nóng)牧交錯區(qū)，土壤風(fēng)蝕常發(fā)生在春秋季節(jié)，且距地表0～70 cm范圍內(nèi)的風(fēng)速變化范圍基本不超過17 m/s；因此，本文以小體積、高精度、低功耗薄膜流量傳感器敏感元件FS5為基礎(chǔ)，設(shè)計了適用于測量近地表風(fēng)速廓線的熱敏式風(fēng)速傳感器。該敏感元件的測量范圍為0～100 m/s，精度達(dá)0.01 m/s，風(fēng)速響應(yīng)時間小于2 s，由鈍化在一塊陶瓷基片上的兩個鉑電阻RH和RS組成。其中，RH（阻值45 Ω）被用作加熱元件，用來測量流體速度；RS（阻值1 200 Ω）為熱敏元件，用來測量環(huán)境溫度，并可對傳感器進(jìn)行一定的溫度補(bǔ)償。為減小熱慣性、提高響應(yīng)速度，采用恒溫式測量方法進(jìn)行傳感器電路設(shè)計[10-13]，風(fēng)速傳感器敏感元件的結(jié)構(gòu)如圖2所示[14]。

測量時需將敏感元件與風(fēng)向保持平行。由于熱敏元件的放熱系數(shù)與氣流速度有關(guān)，氣流速越大，放熱系數(shù)也越大，散熱越快，流過加熱電阻RH的電流越大，傳感器電路輸出的壓差就越大，反之亦然[15-16]；電路輸出的電壓與氣流速度呈一定的數(shù)學(xué)關(guān)系[13]。

風(fēng)洞標(biāo)定時，采用測量范圍0～20 m/s、精度±(0.03 m/s+5%測量值)、分辨率0.01 m/s的testo-425熱線風(fēng)速儀對傳感器探頭前方2 cm處的風(fēng)速進(jìn)行測量，并以20次采樣值的平均值作為試驗風(fēng)速；再用風(fēng)速傳感器對該風(fēng)速進(jìn)行20次連續(xù)采集，并將其輸出電壓的平均值作為標(biāo)定值；采用最小二乘法對數(shù)據(jù)進(jìn)行多項式擬合，獲得風(fēng)速傳感器的標(biāo)定曲線及標(biāo)定方程。

由風(fēng)洞試驗可知[17]：風(fēng)速傳感器組的輸出電壓范圍在0.3～4.3 V；測量精度隨風(fēng)速的增大而降低，6和17 m/s風(fēng)速下的測量精度分別為0.1和0.3 m/s；傳感器自上電至輸出穩(wěn)定所需時長不超過8 s，風(fēng)速響應(yīng)時間2～3 s；輸出電壓與風(fēng)速間的函數(shù)關(guān)系滿足5次多項式擬合，且符合單調(diào)遞增規(guī)律[17]，基本滿足近地表風(fēng)速廓線的測量需求。

圖2 風(fēng)速敏感元件結(jié)構(gòu)圖

2.1.2 熱敏式無線風(fēng)速廓線儀

該風(fēng)速廓線儀分為旋轉(zhuǎn)部分和固定底座兩大部分，主要由楔形外殼、帶底盤旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、導(dǎo)向板、熱敏風(fēng)速傳感器組及無線數(shù)據(jù)采集器等5部分組成，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)及實物如圖3所示[17-19]。

1. 電源開關(guān) 2. 充電口 3. 鋰電池 4. 楔形外殼 5. 電壓轉(zhuǎn)換模塊 6. 無線數(shù)據(jù)采集器 7. 天線 8. 導(dǎo)向板 9. 風(fēng)速傳感器 10. 傳感器探頭 11. 軸承端蓋 12. 集流環(huán) 13. 雙切邊軸承 14. 墊片 15. 旋轉(zhuǎn)軸

為減小機(jī)體對周圍流場穩(wěn)定性和均勻性的影響，旋轉(zhuǎn)部分設(shè)計成楔形細(xì)長體結(jié)構(gòu)，高約70 cm，內(nèi)部安裝有鋰電池、電壓轉(zhuǎn)換模塊、風(fēng)速傳感器組及無線數(shù)據(jù)采集器等，可實現(xiàn)環(huán)境溫度、相對濕度、大氣壓力及近地表風(fēng)速數(shù)據(jù)的采集、處理與無線傳輸?shù)萚20-21]；其中，8個風(fēng)速傳感器探頭安裝在楔形結(jié)構(gòu)面積較小的一側(cè)，沿高度方向按對數(shù)規(guī)律分布，分別采集距地表2、4、8、16、24、32、48和64 cm高度處的風(fēng)速數(shù)據(jù)；固定底座采用不銹鋼材料制作，為直徑40 cm的圓盤，其上固定有旋轉(zhuǎn)軸，用于連接和支撐旋轉(zhuǎn)部分；通過導(dǎo)向機(jī)構(gòu)（導(dǎo)向板和旋轉(zhuǎn)軸等）的氣流導(dǎo)向作用，旋轉(zhuǎn)部分可隨風(fēng)向自由旋轉(zhuǎn)，以保證風(fēng)速傳感器探頭能夠始終正對來風(fēng)方向，提高測量的準(zhǔn)確性。

經(jīng)風(fēng)洞試驗可知[17]：不同風(fēng)洞中心風(fēng)速下，該風(fēng)速廓線儀得到的不同高度上的風(fēng)速數(shù)據(jù)與風(fēng)洞試驗段的風(fēng)速分布規(guī)律相一致，且擬合度均在0.9以上；系統(tǒng)繪制的風(fēng)廓線基本符合指數(shù)分布規(guī)律，能夠準(zhǔn)確地反映近地表風(fēng)速在垂直高度上的分布規(guī)律。

另外，綜合考慮風(fēng)沙測試環(huán)境與風(fēng)速傳感器體積，近地表風(fēng)速廓線常采用體積較小、精度較高的熱膜式風(fēng)速傳感器組來測量近地表不同高度上的風(fēng)速，尚未形成標(biāo)準(zhǔn)測量設(shè)備；本文設(shè)計的風(fēng)速廓線儀在6和17 m/s風(fēng)速下的測量精度分別為0.1和0.3 m/s；不低于由風(fēng)杯式風(fēng)速傳感器、超聲波風(fēng)速傳感器所形成的風(fēng)速廓線儀，且已基本滿足土壤風(fēng)蝕監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計需求。

2.2 分流對沖式無線集沙儀

2.2.1 擴(kuò)容對沖風(fēng)沙分離器

該風(fēng)沙分離器主要由進(jìn)沙管、對沖分流三角架、上排氣口、下排氣口和環(huán)流減速機(jī)構(gòu)等5部分組成[22-23]，其三維結(jié)構(gòu)模型如圖4所示。

1. 進(jìn)沙管 2. 對沖分流三角架 3. 上排氣口 4. 下排氣口 5. 環(huán)流減速機(jī)構(gòu)

攜沙風(fēng)在該分離器內(nèi)部通過多級擴(kuò)容降速和分流對沖降速后，氣流速度逐漸減小，氣固分離效率不斷增強(qiáng)，同時在壁面摩擦力和空氣邊界層的共同作用下，實現(xiàn)旋風(fēng)分離降速，使得氣流速度進(jìn)一步減弱、氣固分離作用進(jìn)一步增強(qiáng)；由于降速后的氣流速度較小，氣固分離作用較好，絕大部分粒徑較大的風(fēng)蝕顆粒在重力作用下經(jīng)下排氣口排出，并進(jìn)入集沙盒；但少部分粒徑較小、質(zhì)量較輕的風(fēng)蝕顆粒隨氣流經(jīng)上排氣口排出，導(dǎo)致無法被收集，成為影響集沙效率的關(guān)鍵因素[22]。

由風(fēng)洞測試可知[23]：當(dāng)入口風(fēng)速在2～16 m/s的條件下，分離器出口平均風(fēng)速均大幅減小，降速效率均在96%以上；在6～16 m/s的入口風(fēng)速下，風(fēng)沙分離效率均在99.8%以上；該風(fēng)沙分離器滿足野外試驗要求。

2.2.2 自動稱量集沙單元

集沙單元整體結(jié)構(gòu)為圓柱體結(jié)構(gòu)，高14.2 cm，直徑7.6 cm，主要由風(fēng)沙分離器、風(fēng)沙分離器底座、集沙盒、集沙盒托盤、稱量傳感器和支撐架等6部分構(gòu)成[24-25]，總體結(jié)構(gòu)如圖5所示。

1. 風(fēng)沙分離器 2. 風(fēng)沙分離器底座 3. 集沙盒 4. 集沙盒托盤 5. 稱量傳感器 6. 支撐架

其中，風(fēng)沙分離器底座內(nèi)部設(shè)計有45°的圓形傾斜面,并與分離器配合約束，避免風(fēng)沙分離器發(fā)生縱向位移；集沙盒被置于托盤上，用來收集由風(fēng)沙分離器排出的沙蝕量；風(fēng)沙分離器下排氣口與集沙盒間保持1～2 cm的間隙，用來釋放出風(fēng)口剩余氣流的能量，進(jìn)一步降低氣流速度，減小出口風(fēng)速對稱量傳感器的干擾；懸臂梁稱量傳感器一端被固定在底座上，另一端固定集沙盒托盤，用來實時測量收集到的沙蝕量；支撐架連接集沙盒底座和集沙儀懸掛架，用來固定集沙單元[25]。

懸臂梁稱量傳感器的量程0～300 g、精度0.01 g；采用國標(biāo)F2級標(biāo)準(zhǔn)砝碼，選取砝碼質(zhì)量為0、0.02、0.04、0.09、0.10、0.15、0.20 … 150、160和170 g等38個標(biāo)定點，對8路稱量傳感器的輸出信號進(jìn)行標(biāo)定，并對傳感器的測量精度及工作穩(wěn)定性進(jìn)行試驗測試。

測試結(jié)果表明[24]：稱量傳感器組具有極好的線性度，測量精度可達(dá)0.01 g；當(dāng)稱量質(zhì)量小于10 g時，傳感器的短期（5 min）靜態(tài)誤差基本為0，長期（10 h）靜態(tài)累積誤差小于±0.02 g；當(dāng)稱量質(zhì)量大于10 g時，隨著質(zhì)量的增加，傳感器的短期靜態(tài)誤差和累積誤差均略有增加；當(dāng)稱量質(zhì)量為100 g時，傳感器的短期靜態(tài)誤差為±0.02 g，長期累積誤差不超過±0.04 g；當(dāng)下排氣口與托盤間距大于4 cm時，出口風(fēng)速對傳感器的影響可忽略不計。

2.2.3 雙筒式多通道集沙儀

該集沙儀主要由導(dǎo)向板、保護(hù)外殼、旋轉(zhuǎn)底座、固定底盤、支撐桿、集沙單元組、懸掛架、鋰電池和無線數(shù)據(jù)采集器等組成[23,25]，總體結(jié)構(gòu)如圖6所示。

為減小機(jī)體對周圍流場穩(wěn)定性和均勻性的影響，該集沙儀設(shè)計成雙柱體結(jié)構(gòu)，筒體直徑10 cm，高96 cm（導(dǎo)向板除外），下部旋轉(zhuǎn)底座高16 cm，上部集沙部分高80 cm。其中，導(dǎo)向板和支撐桿構(gòu)成旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，集沙儀上半部分可隨風(fēng)向自由旋轉(zhuǎn)，使各分離器進(jìn)風(fēng)口始終正對來風(fēng)方向；8個集沙單元分成雙列安裝，通過支撐架固定于懸掛架上，間距5 cm；兩列分離器進(jìn)風(fēng)口中心點間距12.5 cm，8個進(jìn)風(fēng)口分別距離旋轉(zhuǎn)底盤18、24、35、48、52、65、69和82 cm高。試驗時，將集沙儀固定底盤置于地面下16 cm深度處，以實現(xiàn)對距地表2、8、19、32、36、49、53和66 cm高度位置處的沙蝕量采集。無線數(shù)據(jù)采集器集成了單片機(jī)控制系統(tǒng)、無線傳輸模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊和電源模塊[6,18-19]，完成8通道集沙量數(shù)據(jù)的自動采集、處理與短距離無線傳輸[24]。

1. 導(dǎo)向板 2. 保護(hù)外殼 3. 旋轉(zhuǎn)底座 4. 固定底盤 5. 支撐桿 6. 集沙單元 7. 懸掛架 8. 無線數(shù)據(jù)采集器 9. 鋰電池

風(fēng)洞測試時，將集沙儀置于風(fēng)蝕風(fēng)洞試驗段橫截面（寬1 m，高1.2 m）中間位置，保持風(fēng)沙分離器進(jìn)風(fēng)口正對風(fēng)洞來風(fēng)方向，且最下方的進(jìn)風(fēng)口中心點距風(fēng)洞底面2 cm高；然后，通過變頻器調(diào)節(jié)風(fēng)洞中心風(fēng)速，在不同中心風(fēng)速下通過排沙器將粒徑小于2 mm、質(zhì)量10 kg、含水率1.41%的干燥沙粒以17 g/s的速度均勻注入風(fēng)洞，并記錄集沙儀8個高度上的集沙量；由于近地表的風(fēng)沙流主要分布在70 cm以下且符合冪函數(shù)分布規(guī)律，故按照冪函數(shù)分布規(guī)律對集沙量進(jìn)行積分，進(jìn)而獲得1～66 cm高度上的總集沙量（即實測集沙量）[23-25]。集沙效率是單位寬度上的實測集沙量與單位寬度上的實際輸沙量之比，由于風(fēng)沙分離器的進(jìn)沙口寬度為6 mm，則在該寬度上的實際輸沙量為60 g[25]。

風(fēng)洞試驗顯示：該多通道集沙儀的平均等動力性不低于92%[24]；在9、12、15和18 m/s風(fēng)速條件下，集沙效率分別為91.72%、91.96%、92.05%和92.2%，平均集沙效率達(dá)91.98%[25]；風(fēng)洞中測得的風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)分布符合指數(shù)分布規(guī)律，滿足設(shè)計與野外實驗需求。

目前，對應(yīng)用在土壤風(fēng)蝕方面的集沙儀的研究相對較少，且由于風(fēng)沙分離器的氣流降速能力的限制，無法消除分離器出口風(fēng)速對稱量傳感器的擾動，致使大部分自動化測試設(shè)備的精度為0.1 g，少部分可達(dá)到0.01 g；本文所設(shè)計的全自動集沙儀的實測精度可達(dá)0.01 g，在準(zhǔn)確性和測量精度上均滿足土壤風(fēng)蝕監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計需求。

2.3 基于GPRS的遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)

遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)由中心匯聚節(jié)點（包括433 MHz無線節(jié)點和單片機(jī)控制器）、GPRS無線模塊、GPRS網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器和運(yùn)行在服務(wù)器端軟件系統(tǒng)（包括數(shù)據(jù)中心軟件和access數(shù)據(jù)庫）等5部分組成[8,26-27]。

中心匯聚節(jié)點負(fù)責(zé)與網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍內(nèi)的所有采集節(jié)點建立星型通信網(wǎng)絡(luò)[8,25]，采用“同步采集，異步傳輸”策略對各采集節(jié)點進(jìn)行控制，匯聚各節(jié)點返回的數(shù)據(jù)包；GPRS無線模塊通過串口與中心匯聚節(jié)點進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，將匯聚后的數(shù)據(jù)包發(fā)送至網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器[7]。服務(wù)器端軟件系統(tǒng)包括GPRS數(shù)據(jù)中心和Access數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)與遠(yuǎn)程GPRS無線模塊的連接、數(shù)據(jù)包的接收與轉(zhuǎn)發(fā)及數(shù)據(jù)信息的存儲等功能。中心匯聚節(jié)點和GPRS無線模塊的硬件電路如圖7所示[14,21]。

圖7 中心匯聚節(jié)點與GPRS無線模塊實物圖

其中，中心匯聚節(jié)點以雙串口單片機(jī)為核心控制器，串口1和串口2分別與無線傳輸模塊和GPRS無線模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)通信；該節(jié)點首先以“廣播通信模式”向所有采集節(jié)點發(fā)送同步采集指令“FF FF+信道+指令碼”（例如：FF FF 17 00）；等待5 s后，再以“定點通信模式”通過“地址輪詢”的方式依次發(fā)送帶有節(jié)點地址的數(shù)據(jù)請求指令“目標(biāo)地址+信道+指令碼”（例如：00 02 17 01）[27]；采集節(jié)點接收到同步采集指令后立即進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、處理與打包，在接收到與本機(jī)地址相匹配的數(shù)據(jù)請求指令后立即返回數(shù)據(jù)信息。GPRS無線模塊采用M3528GSM無線數(shù)據(jù)透傳模塊與遠(yuǎn)程服務(wù)器建立連接，并通過RS232串行接口與中心匯聚節(jié)點進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，實現(xiàn)本地數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程無線傳輸功能。

3 軟件系統(tǒng)組成與設(shè)計

軟件部分主要包括服務(wù)器端的數(shù)據(jù)中心軟件和Access數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)以及遠(yuǎn)程客戶端的數(shù)據(jù)處理軟件。

3.1 服務(wù)器端數(shù)據(jù)中心軟件

該軟件采用SQL語句與Access數(shù)據(jù)庫進(jìn)行連接與數(shù)據(jù)傳遞；同時通過TCP協(xié)議，一方面與各被測區(qū)域內(nèi)的GPRS無線模塊進(jìn)行連接，并實時顯示各模塊的運(yùn)行狀態(tài)及接收到的數(shù)據(jù)信息，另一方面調(diào)用數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)程序?qū)⒔邮盏降臄?shù)據(jù)發(fā)送至遠(yuǎn)程客戶端[24,26]。服務(wù)器端軟件系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果如圖8所示。

圖8 服務(wù)器端軟件系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果圖

由圖8可知，GPRS數(shù)據(jù)中心與遠(yuǎn)程GPRS無線模塊成功建立了TCP連接，并接收到該節(jié)點返回的77字節(jié)數(shù)據(jù)信息（包括節(jié)點SIM卡號和一個風(fēng)速廓線采集節(jié)點或一個風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)節(jié)點的數(shù)據(jù)包），并對數(shù)據(jù)信息進(jìn)行了解析，提取了節(jié)點SIM卡號；Access數(shù)據(jù)庫將節(jié)點的SIM卡號、數(shù)據(jù)包接收時間和解析后的風(fēng)蝕環(huán)境信息（長二進(jìn)制形式）存儲在服務(wù)器端。試驗測試發(fā)現(xiàn)，當(dāng)GPRS無線模塊每1 min發(fā)送一次數(shù)據(jù)包時，GPRS數(shù)據(jù)中心均可成功接收，丟包率幾乎為零，但由于網(wǎng)絡(luò)延時，使各數(shù)據(jù)包的接收時間存在5～10 s的滯后。

3.2 客戶端數(shù)據(jù)處理軟件設(shè)計

客戶端數(shù)據(jù)處理軟件采用LabVIEW編寫[5,24,28]，由主函數(shù)和分別負(fù)責(zé)串口通信、參數(shù)配置、服務(wù)器連接、數(shù)據(jù)包解析、數(shù)據(jù)庫操作、數(shù)據(jù)處理與分析、集沙量處理、風(fēng)速校準(zhǔn)和曲線擬合等功能的26個子函數(shù)組成[28]；可選擇“互聯(lián)網(wǎng)傳輸”和“局域網(wǎng)傳輸”兩種工作模式，實現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)監(jiān)測和現(xiàn)場數(shù)據(jù)監(jiān)測等功能。

軟件界面主要由5個面板組成，分別用來實現(xiàn)參數(shù)設(shè)置、風(fēng)速廓線顯示、風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)曲線顯示、風(fēng)蝕信息顯示及方程擬合等功能[5,23,26]，主要界面如圖9所示。

參數(shù)配置界面主要用來配置工作模式、擬合方法、節(jié)點數(shù)量、各采集節(jié)點的地址和傳感器組高度等信息；在“局域網(wǎng)傳輸”模式下，軟件運(yùn)行星型自組網(wǎng)通信協(xié)議，與所有采集節(jié)點建立無線通信；在“互聯(lián)網(wǎng)傳輸”模式下，軟件運(yùn)行TCP協(xié)議與遠(yuǎn)程服務(wù)器連接，監(jiān)聽并接收來自服務(wù)器端的數(shù)據(jù)信息[28-30]；該軟件系統(tǒng)可同時對6個風(fēng)速廓線采集節(jié)點和6個風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)采集節(jié)點返回的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與顯示[5,24,30]，然后通過“指數(shù)擬合”或“多項式擬合”的方法對各測點處的風(fēng)速和集沙量進(jìn)行處理，并將擬合后的曲線以單圖和多圖顯示的方式實時顯示在相應(yīng)的區(qū)域內(nèi)，同時給出擬合方程，以便于觀察和分析各測點處風(fēng)速廓線和風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律；最后將處理后的數(shù)據(jù)存儲在本地數(shù)據(jù)庫中[24,31]。

測試結(jié)果表明：該軟件系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，在“互聯(lián)網(wǎng)傳輸”模式下，通過同時打開多個軟件，并配置不同的節(jié)點參數(shù)，可實現(xiàn)對多個被測區(qū)域的同步監(jiān)測。

4 系統(tǒng)綜合測試與結(jié)果分析

4.1 系統(tǒng)性能測試

4.1.1 無線通信距離與續(xù)航能力測試

在實驗室條件下，采用“局域網(wǎng)傳輸”模式搭建由一個集沙儀節(jié)點、一個風(fēng)速廓線節(jié)點和中心匯聚節(jié)點組成測試網(wǎng)絡(luò)，無線模塊工作在470 MHz頻帶下，收發(fā)功率均設(shè)置為+20 dBm；所有采集節(jié)點均采用電壓12 V、電量1.3 A×h的蓄電池供電（電量充足），且始終處在正常工作模式下。測試過程中，保持采集節(jié)點位置不變，改變中心節(jié)點位置，采集節(jié)點每10 s返回1個固定內(nèi)容的數(shù)據(jù)包，設(shè)置無線模塊空中傳輸速率為2、10、25和50 kbps，并分別在相距10、20、30、40 m等處連續(xù)采集100次，記錄接收到的完整數(shù)據(jù)包個數(shù)；另外，系統(tǒng)運(yùn)行后，所有采集節(jié)點保持運(yùn)行狀態(tài)，直至自動停止數(shù)據(jù)傳輸。試驗測試結(jié)果如圖10和表1所示。

圖10 無線通信距離測試

表1 采集節(jié)點工作時長測試

由圖10和表1可知：在4種不同空中傳輸速率下，隨著距離的增加，無線模塊的丟包率不斷增大，零丟包率的最大通信距離分別為220、170、160和140 m；風(fēng)速廓線節(jié)點和集沙儀節(jié)點可分別連續(xù)工作6.3 和22.6 h，具有較強(qiáng)的續(xù)航能力，滿足土壤風(fēng)蝕監(jiān)測的需求。在需要進(jìn)行長期野外觀測時，可采用風(fēng)光互補(bǔ)的方式來提高節(jié)點的續(xù)航能力。

4.1.2 局域網(wǎng)數(shù)據(jù)采集測試

測試時，環(huán)境溫度為18.9 ℃，最大風(fēng)速6.5 m/s，中心匯聚節(jié)點與采集節(jié)點間距100 m左右。在實驗室內(nèi)通過USB接口將中心匯聚節(jié)點連接至PC機(jī)，并將風(fēng)速廓線節(jié)點和風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)節(jié)點置于室外，客戶端數(shù)據(jù)處理軟件運(yùn)行在局域網(wǎng)傳輸模式下。由于測試環(huán)境無風(fēng)蝕作用，試驗時將20、10、5、3、2、1、0.5和0.2 g 8種質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)砝碼分別置于8個集沙盒內(nèi)，保持系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行3 h，對系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性進(jìn)行測試。

結(jié)果表明：網(wǎng)絡(luò)初始化與通信建立時長不超過5 s，中心節(jié)點完成一次節(jié)點控制和數(shù)據(jù)匯聚所需時間小于3 s；系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)良好，能夠穩(wěn)定實現(xiàn)節(jié)點數(shù)據(jù)的同步采集、異步傳輸和實時處理等功能；繪制的風(fēng)速廓線和風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)曲線基本符合實際分布規(guī)律。

4.2 野外試驗測試

選擇植被覆蓋度分別為80%～90%、30%～40%、15%～20%和<5%的4種草原地表作為試驗對象，研究植被覆蓋度對近地表風(fēng)速廓線的影響，并驗證風(fēng)速廓線儀的工作性能。另外，選擇無保護(hù)的深耕農(nóng)田地表作為試驗對象，對近地表的風(fēng)速廓線和風(fēng)蝕量分布狀況進(jìn)行實時監(jiān)測，并對系統(tǒng)進(jìn)行綜合測試。試驗時，保持各采集節(jié)點與中心節(jié)點間距<100 m，不同地表下的野外試驗測試過程如圖11所示。

圖11 不同地表下的野外試驗測試

4.2.1 草原地表測試結(jié)果

試驗時，被測區(qū)域環(huán)境溫度13.7 ℃，相對濕度23.6%，大氣壓力852 hPa，最大風(fēng)速9.39 m/s，最小風(fēng)速1.14 m/s；保持風(fēng)速廓線儀最下方風(fēng)速傳感器距離地表高度2 cm，在每種地表狀況下連續(xù)測量6 h，試驗數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 草原地表風(fēng)速的試驗數(shù)據(jù)

由表2可知：對于4種植被覆蓋度的地表，距離地表2 cm處的風(fēng)速相較64 cm處的風(fēng)速降幅分別為88.9%、87.8%、86.1%和74.3%；當(dāng)?shù)乇砀采w度<5%時，風(fēng)速變化最緩慢，降速幅度最小，抗風(fēng)蝕能力最弱；當(dāng)?shù)乇砀采w度為80%～90%時，風(fēng)速變化最明顯，降速幅度最大，抗風(fēng)蝕能力最強(qiáng)；當(dāng)植被覆蓋度>15%后，近地表風(fēng)速變化規(guī)律比較穩(wěn)定，降速作用明顯，抗風(fēng)蝕能力不斷增強(qiáng)。

4.2.2 深耕農(nóng)田地表測試結(jié)果

試驗時，被測區(qū)域環(huán)境溫度15.3 ℃，相對濕度21.4%，大氣壓力875 hPa，最大風(fēng)速11.5 m/s，最小風(fēng)速1.8 m/s；測試過程中，保持風(fēng)速廓線儀最下方風(fēng)速傳感器探頭和多通道集沙儀最下方進(jìn)風(fēng)口中心均距地表2 cm高，儀器間距0.5 m，以避免儀器對周圍風(fēng)場品質(zhì)的影響，提高測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。

為使試驗數(shù)據(jù)具有可比性，將距離地面2 m高處的瞬時風(fēng)速作為參考風(fēng)速，測量不同參考風(fēng)速下的近地表風(fēng)速廓線，并對其進(jìn)行對比分析，研究深耕地表的抗風(fēng)蝕能力；由于短時間內(nèi)的土壤風(fēng)蝕量較小，為驗證集沙儀能否正確測試近地表風(fēng)沙流分布情況，保持系統(tǒng)連續(xù)工作5.5 h，分別繪制出集沙儀連續(xù)工作1、2、3、4和5 h時測得的集沙量變化曲線。深耕地表下的近地表風(fēng)速廓線和風(fēng)沙流分布曲線如圖12所示。

圖12 深耕地表下的近地表風(fēng)速廓線和風(fēng)沙流分布曲線

試驗結(jié)果表明：1）在野外試驗條件下，系統(tǒng)實現(xiàn)了自組網(wǎng)測量及數(shù)據(jù)的實時處理等功能，軟硬件部分均運(yùn)行穩(wěn)定可靠；無線自組網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膩G包率和錯誤次數(shù)為0，環(huán)境溫度、相對濕度和大氣壓力的測量偏差分別小于2 ℃、4%和10 hPa，得到的近地表風(fēng)速和集沙量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠，基本能夠正確反映近地表風(fēng)速廓線和風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律；2）由圖12 a可知，由于地表對風(fēng)速的影響，使得距地表8 cm以下的風(fēng)速變化較為顯著；隨著風(fēng)速的增大，近地表風(fēng)速隨之大幅增加，地表的抗風(fēng)蝕能力較弱；3）由圖12 b可知，近地表風(fēng)沙流主要分布在距離地表60 cm以內(nèi)的高度上，在5個時間段內(nèi)各高度處的集沙量不斷增加，距離地表越近，集沙量變化比較明顯，5條曲線的變化趨勢基本一致；風(fēng)速越大，風(fēng)蝕顆粒越多，集沙量增速也越快。

目前，在土壤風(fēng)蝕研究過程中，近地表風(fēng)速廓線儀和多通道集沙儀的研究相對較少，尚未形成標(biāo)準(zhǔn)的測試設(shè)備；同時現(xiàn)有的不同測試設(shè)備，因其測試方法、機(jī)械結(jié)構(gòu)、適用環(huán)境、傳感器精度等多方面的綜合原因，雖然在土壤風(fēng)蝕監(jiān)測方面均能夠正確反映出近地表風(fēng)速廓線和風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)分布的基本變化規(guī)律，但均不能作為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備來使用。相較陳世超[32]研制的風(fēng)速傳感器、自動集沙儀及風(fēng)蝕監(jiān)測系統(tǒng)，本文所研究的熱敏式風(fēng)速傳感器將測量范圍由0～5 m/s擴(kuò)大到0～17 m/s，并增加了溫度補(bǔ)償電路；采用分流對沖擴(kuò)容降速原理研制的集沙儀也大幅提高了抗強(qiáng)風(fēng)干擾的能力，可同時對8個不同高度上的沙蝕量進(jìn)行連續(xù)采集；系統(tǒng)監(jiān)測能力也由單點測量改進(jìn)為跨區(qū)域、多測點的自組網(wǎng)同步數(shù)據(jù)采集；上位機(jī)軟件功能得到了優(yōu)化與完善，由單一測點的數(shù)據(jù)顯示與存儲擴(kuò)展到可同時滿足12個測點所采集的132個數(shù)據(jù)的實時顯示，并實現(xiàn)了6路近地表風(fēng)速廓線和6路風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)變化曲線的實時在線處理與動態(tài)繪制等。在土壤風(fēng)蝕研究方面，本文所研制的相關(guān)設(shè)備在準(zhǔn)確性和測量精度上已基本滿足野外試驗要求。

5 結(jié) 論

1）本文借助于現(xiàn)代化監(jiān)測方法，建立了基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的土壤風(fēng)蝕監(jiān)測系統(tǒng)，研制了相配套的風(fēng)蝕信息監(jiān)測設(shè)備，實現(xiàn)了被測區(qū)域內(nèi)各采集節(jié)點處的環(huán)境溫度、相對濕度、大氣壓力、風(fēng)速及集沙量等數(shù)據(jù)的組網(wǎng)采集、無線傳輸與實時處理，得到了較為理想的近地表風(fēng)速廓線和風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)。

2）研制了低功耗熱敏風(fēng)速傳感器和具有自動風(fēng)向校準(zhǔn)的近地表風(fēng)速廓線儀；研制了具有分流對沖與多級擴(kuò)容降速功能的風(fēng)沙分析器及具有自動稱量功能的多通道集沙儀；實現(xiàn)了近地表風(fēng)速廓線儀和風(fēng)沙流分布曲線的實時監(jiān)測；風(fēng)速傳感器響應(yīng)時間為2～3 s，在6和17 m/s風(fēng)速時的測量精度分別為0.1 m/s和0.3 m/s；風(fēng)沙分離器降速比達(dá)96%以上，平均等動力性不低于92%；稱量系統(tǒng)有效量程為0～170 g，精度達(dá)0.01 g，連續(xù)10 h的累積誤差小于±0.04 g；9～18 m/s風(fēng)速范圍內(nèi)的集沙效率均不低于91%。

3）底層無線傳感網(wǎng)絡(luò)采用“同步采集、異步傳輸”的方式對被測區(qū)域內(nèi)各采集節(jié)點進(jìn)行控制，無線通信建立時間不超過5 s，中心匯聚節(jié)點可在3 s內(nèi)實現(xiàn)一次節(jié)點遍歷和數(shù)據(jù)匯聚，零丟包率數(shù)據(jù)傳輸距離達(dá)140 m以上；風(fēng)速廓線節(jié)點和集沙儀節(jié)點單次最大工作時長不低于6和22 h，滿足了大尺度、跨區(qū)域土壤風(fēng)蝕同步研究的需求。

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Development and test of real-time monitoring system for soil wind erosion based on GPRS network

Liu Haiyang, Chen Zhi, Hou Zhanfeng※, Tong Xin, Zong Zheying, Xuan Chuanzhong

(010018,)

In order to overcome the shortcomings and deficiencies of field observation and wind tunnel test, it needs to be improved for the continuity, scientificity and reliability of observation data to meet the demand of wind erosion monitoring in the field. In this paper, the wireless sensor network technology, sensor technology, electronic technology and network communication technology were used together to develop the wind speed profiler and the multi-channel sand sampler that had functions of wireless ad-hoc networks and automatic data acquisition and processing. Meanwhile, LabVIEW was used to design the client data processing software which could monitor six wind speed profile points and six wind sand flow structure points simultaneously. On this basis, a soil wind-erosion monitoring system using C/S framework was established, which realized the functions of automatic collecting, real-time processing and remote monitoring of the environment temperature, humidity, atmospheric pressure, wind speed profile and wind-sand distribution by means of GPRS wireless module and remote server. The test results showed that the time from power up to output stability would not exceed 8 s, and the wind speed response time was 2 to 3 s. The output voltage and wind speed satisfied polynomial fitting and monotonically increase. The measurement range was 0~17 m/s, and its measurement accuracy decreased with the increase of wind speed. The accuracy could reach 0.1 m/s at 6 m/s and 0.3 m/s at 17 m/s. The wind speed profiler realized the automatic acquisition, processing and wireless transmission of the environment temperature, humidity, atmospheric pressure and wind speeds at 2, 4, 8, 16, 24, 32, 48 and 64 cm heights. Besides, the speed-reduction efficiency and the wind-sand separation efficiency of the wind-sand separator were above 96% and 99.8%, respectively, and the average equidynamic performance was not less than 92%. The weighing system was in the range of 0 to 170 g with accuracy of 0.01 g. The short-term static error and long-term cumulative error were no more than ±0.02 g and ±0.04 g, respectively. The average sand collecting efficiency of the sand collector was 91.98%. The setup time of wireless communication was not more than 5 s, and the central node could achieve 1 time nodes traversal and data aggregation within 3 s. The effective transmission distance was more than 140 m. The maximum working time of the wind speed profiler node and the sand sampler node was not less than 6 h and 22 h, respectively. Under field tests, the stability and reliability of the system can be verified, data packet loss rate of the ad-hoc network and error packet number were also zero. The measured wind profiles and wind-sand distribution curves were in accordance with the exponential distribution law. The deviation of environmental temperature, relative humidity and atmospheric pressure were less than 2 ℃, 4% and 10 hPa, respectively. Therefore, the results could provide an effective research platform and important data support to meet the needs of large scale and cross-regional field synchronous study of soil wind erosion.

wireless sensor networks; environmental monitoring; wind speed profiler; sand sampler; soil wind erosion

2018-07-09

2019-01-11

國家自然科學(xué)基金資助項目（41361058，41661058）

劉海洋，河南南陽人，講師，博士，2014年赴美國堪薩斯州立大學(xué)聯(lián)合培養(yǎng)，主要從事測試控制技術(shù)與裝備智能化研究。Email：haiyang0615@163.com

侯占峰，內(nèi)蒙古呼和浩特人，副教授，2017年赴新西蘭梅西大學(xué)進(jìn)修，主要從事測試控制技術(shù)與裝備智能化研究。Email：nmndhzf@imau.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.05.020

TP274+.5；S237

A

1002-6819(2019)-05-0163-10

劉海洋，陳 智，侯占峰，佟 鑫，宗哲英，宣傳忠. 基于GPRS的土壤風(fēng)蝕實時監(jiān)測系統(tǒng)研制與測試[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2019，35(5)：163－172.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.05.020 http://www.tcsae.org

Liu Haiyang, Chen Zhi, Hou Zhanfeng, Tong Xin, Zong Zheying, Xuan Chuanzhong Development and test of real-time monitoring system for soil wind erosion based on GPRS network [J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(5): 163－172. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.05.020 http://www.tcsae.org