基于物联网的非饱和土壤水分入渗自动测量系统和方法与流程

本发明涉及农业水土工程
技术领域：
，尤其涉及一种基于物联网的非饱和土壤水分入渗自动测量系统和方法。
背景技术：
：水分入渗是土壤水分研究的重要内容，其决定了降雨或灌溉水进入土壤的数量，支配着土壤水动态，影响到水分的收支，以及深层贮水。研究土壤水分的入渗过程对“四水”(大气水、地表水、土壤水、地下水)转化关系和农业节水灌溉有重要的意义。影响土壤水分入渗的主要因素为入渗水头、入渗溶液浓度、土壤初始含水率、容重、土壤含盐量、土壤质地等。土壤水分入渗是水分从地表进入到土壤中的过程，是土壤水分补充的重要方式，同时土壤水分入渗率也是进行径流计算和灌溉灌水器选择的基础。因此准确获取土壤水分入渗率对于研究流域水文循环过程和农田水文循环过程具有基础性的作用。2015年，政府工作报告中首次提出“互联网+”行动计划，农业水利行业积极响应国家号召，开展了各种形式的水利互联网+创新活动，计划将传统水利行业研究方法与现代互联网技术相结合，实现水利工程施工及科研领域的信息化、智能化、自动化。目前针对野外土壤水分入渗率的测量方法主要有两种：一种是进行田间测量的双环入渗法，一种是马氏瓶供水土柱法，无论是田间还是室外土壤水分入渗过程实验，目前还没有真正实现从实验方案制定、数据采集、数据处理、数据传输、数据分析、数据存取的无缝连接。技术实现要素：本发明提供了一种基于物联网的非饱和土壤水分入渗自动测量系统和方法，以解决现有技术无法自动记录土壤水分入渗过程，人力物力成本高的技术问题。第一方面，本发明的实施例提供了一种基于物联网的非饱和土壤水分入渗自动测量系统，包括马氏瓶、升降机、土柱、重力传感器、水分传感器、计数器、数据采集传输装置和终端设备；所述马氏瓶放置在所述升降机上，所述升降机用于调节所述马氏瓶的进气口的高度，所述马氏瓶的出水口与所述土柱的入水口相连，用于向所述土柱供水，所述马氏瓶的进气口安装有电磁阀，所述计数器连接在所述电磁阀与所述终端设备之间，所述终端设备用于根据所述计数器预设的时间控制所述电磁阀的开启及关闭；所述重力传感器设置在所述土柱的底部，用于测量所述土柱质量的变化，所述水分传感器包括多个探头，多个所述探头分别插入所述土柱的不同位置，用于测量所述土柱中土壤含水率的变化，所述重力传感器及所述水分传感器均通过信号线将测量得到的数据发送至所述数据采集传输装置，所述数据采集传输装置与所述终端设备相连，用于对接收到的数据进行处理，得到土壤水分入渗率数据，并将所述土壤水分入渗率数据传输至所述终端设备以供查询。优选地，所述马氏瓶的顶部设置有圆孔，所述圆孔中设置有橡皮塞，所述橡皮塞中安装有三角漏斗，所述三角漏斗的管壁上安装有进水阀，所述三角漏斗用于给所述马氏瓶加水，所述马氏瓶的进气口和出水口分别设置在所述马氏瓶的底部的两侧，所述进气口的外部与所述电磁阀之间安装有进气阀，所述出水口的外部安装有出水阀，所述马氏瓶的出水口与所述土柱的入水口之间通过橡皮软管相连。优选地，所述土柱包括用于装填土壤的有机玻璃柱体和透气底板，所述土柱的入水口设置在所述有机玻璃柱体的上部，所述透气底板上设置有多个透气孔，所述有机玻璃柱体的一侧按照预设间距设置有多个通孔，每个所述通孔中均插入一个所述水分传感器的探头。优选地，每个所述通孔中还设置有一个密封圈，所述通孔与所述探头之间通过所述密封圈进行密封，制作所述密封圈的材料包括有机硅酮硅胶。优选地，所述升降机为涡轮丝杆升降机，所述涡轮丝杆升降机的底部设置有固定板，所述涡轮丝杆升降机的顶部设置有升降台，所述升降台用于放置所述马氏瓶，所述涡轮丝杆升降机的涡轮通过蜗杆与手轮相连，并由所述手轮带动旋转。优选地，所述数据采集传输装置包括信号采集器、数据记录仪和信号发送设备，所述信号采集器用于接收所述重力传感器及所述水分传感器测量得到的数据，所述数据记录仪用于对接收到的数据进行处理，得到土壤水分入渗率数据，所述信号发送设备包括无线信号发射器和/或移动存储器，用于将所述土壤水分入渗率数据发送出去。优选地，所述终端设备包括电脑终端、手机终端和打印机，所述电脑终端及所述手机终端上安装有应用软件，用于将所述土壤水分入渗率数据以列表或曲线的形式展示给用户查询，所述打印机与所述电脑终端及所述手机终端相连，用于以纸质文件的形式输出数据。第二方面，本发明的实施例还提供了一种基于物联网的非饱和土壤水分入渗自动测量方法，包括：根据实验设定的土壤容重向土柱内填土；根据实验设定的浓度配置溶液，装入马氏瓶；将所述马氏瓶放置在升降机上，根据实验设定的水头调节所述升降机的高度；终端设备根据计数器预设的时间控制所述马氏瓶上电磁阀开启，使所述马氏瓶向所述土柱供液；利用重力传感器测量所述土柱质量的变化，利用水分传感器测量所述土柱中土壤含水率的变化，并将测量得到的数据发送至数据采集传输装置；所述数据采集传输装置对接收到的数据进行处理，得到土壤水分入渗率数据，并将所述土壤水分入渗率数据传输至所述终端设备以供查询；测量结束后，终端设备根据计数器预设的时间控制所述马氏瓶上电磁阀关闭。优选地，所述利用重力传感器测量所述土柱质量的变化，利用水分传感器测量所述土柱中土壤含水率的变化的步骤，包括：利用所述重力传感器采集电压信号，并将所述电压信号转换为质量信号；根据所述质量信号计算所述土柱在预设时间的质量变化量；利用所述水分传感器检测所述土柱中不同高度处的电导率信号；根据所述电导率信号计算所述土柱中不同高度处的土壤含水率变化量。优选地，所述数据采集传输装置对接收到的数据进行处理，得到土壤水分入渗率数据的步骤，包括：根据所述土柱在预设时间的质量变化量计算累计入渗量；根据所述土柱中不同高度处的土壤含水率变化量计算湿润锋；建立所述累计入渗量、所述湿润锋与所述土壤容重、所述溶液的浓度、所述水头之间的多元非线性模型；对所述多元非线性模型进行多元回归分析，得到土壤水分入渗率数据。本发明基于物联网技术，实现了实验的自动开始和停止，以及实验数据的自动记录、传输、时时查看，极大减少了实验工作量。所述土壤水分入渗自动测量系统功能齐全，安装使用方便，可以实现不同溶液浓度、不同土壤初始含水率、不同土壤容重、不同入渗水头条件下的水分入渗过程实验，具有自动化、高效率、实时性、经济性、可靠性等优点，对于层状土、均质土均适用。附图说明为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例的描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1是本发明实施例提供的基于物联网的非饱和土壤水分入渗自动测量系统的结构示意图；图2是本发明实施例中马氏瓶的结构示意图；图3是本发明实施例中土柱的结构示意图；图4是本发明实施例中升降机的结构示意图；图5是本发明实施例中数据采集传输装置和终端设备的结构示意图；图6是本发明实施例提供的基于物联网的非饱和土壤水分入渗自动测量方法的流程图；图7a、图7b、图7c分别是本发明实施例中水分入渗湿润锋、累计入渗量、入渗率与时间关系图；图8a、图8b、图8c、图8d分别是本发明实施例中累计入渗量与入渗水头、入渗溶液浓度、土壤初始含水率、土壤容重关系图。具体实施方式下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。本发明的实施例提供了一种基于物联网的非饱和土壤水分入渗自动测量系统，如图1所示，该系统包括马氏瓶1、升降机2、土柱3、重力传感器4、水分传感器5、计数器6、数据采集传输装置7和终端设备8；马氏瓶1放置在升降机2上，升降机2用于调节马氏瓶1的进气口的高度，马氏瓶1的出水口与土柱3的入水口相连，用于向土柱3供水，马氏瓶1的进气口安装有电磁阀101，计数器6连接在电磁阀101与终端设备8之间，终端设备8用于根据计数器6预设的时间控制电磁阀101的开启及关闭；重力传感器4设置在土柱3的底部，用于测量土柱3质量的变化，水分传感器5包括多个探头，多个所述探头分别插入土柱3的不同位置，用于测量土柱3中土壤含水率的变化，重力传感器4及水分传感器5均通过信号线将测量得到的数据发送至数据采集传输装置7，数据采集传输装置7与终端设备8相连，用于对接收到的数据进行处理，得到土壤水分入渗率数据，并将所述土壤水分入渗率数据传输至终端设备8以供查询。这里的水分传感器5也可以采用溶质传感器。在本发明实施例中，终端设备8根据设定的实验开始和结束时间向电磁阀101发送指令，以此实现实验的自动开始和停止；重力传感器4以及水分传感器5通过信号线连接到数据采集传输装置7上，将原始测量数据转换成与土壤水分入渗相关的数据，然后通过传输网络发送到终端设备8，最终实现土壤水分入渗过程的自动记录和数据传输。本发明基于物联网技术，实现了实验的自动开始和停止，以及实验数据的自动记录、传输、时时查看，极大减少了实验工作量。所述土壤水分入渗自动测量系统功能齐全，安装使用方便，可以实现不同溶液浓度、不同土壤初始含水率、不同土壤容重、不同入渗水头条件下的水分入渗过程实验，具有自动化、高效率、实时性、经济性、可靠性等优点，对于层状土、均质土均适用。优选地，如图2所示，马氏瓶1的顶部设置有圆孔，所述圆孔中设置有橡皮塞102，橡皮塞102中安装有三角漏斗103，三角漏斗103的管壁上安装有进水阀104，三角漏斗103用于给马氏瓶1加水，马氏瓶1的进气口和出水口分别设置在马氏瓶1的底部的两侧，所述进气口的外部与电磁阀101之间安装有进气阀105，所述出水口的外部安装有出水阀106，马氏瓶1的出水口与土柱3的入水口之间通过橡皮软管107相连。作为本发明实施例的一种具体实现方式，所述马氏瓶高1m，直径25cm，顶部开一直径25mm的圆孔插入橡皮塞102，马氏瓶1的底部左侧开一直径2mm进气孔，进气孔外接进气阀105和电磁阀101，马氏瓶1的底部右侧开一直径5mm出水口，出水口外部安装出水阀106。实验开始前，关闭进气阀105和出水阀106，打开进水阀104，通过三角漏斗103向马氏瓶1加水；加满水后关闭进水阀104，打开出水阀106，这时有少量水从出水口流出，等到出水口不再有水流出，说明马氏瓶1内外压强相同，关闭进气阀105；实验开始后打开进水阀104和进气阀105，终端设备8根据计数器6设定的开启、关闭时间，向电磁阀101发送指令，以此实现入渗试验的自动开始和结束。优选地，如图3所示，土柱3包括用于装填土壤的有机玻璃柱体301和透气底板302，土柱3的入水口设置在有机玻璃柱体301的上部，透气底板302上设置有多个透气孔，有机玻璃柱体301的一侧按照预设间距设置有多个通孔，每个所述通孔中均插入一个水分传感器5的探头。进一步地，每个所述通孔中还设置有一个密封圈303，所述通孔与所述探头之间通过密封圈303进行密封，制作密封圈303的材料包括有机硅酮硅胶。优选地，图1中的重力传感器4为盘式重力传感器，其上放置一托盘(防止渗漏的水分对传感器造成损坏)，托盘上面放置装填好的土柱3。作为本发明实施例的一种具体实现方式，有机玻璃柱体301高120cm，直径25cm，柱体一侧每间隔5cm开一直径1cm圆形通孔，用于插入水分传感器5的探头，柱体底部的透气底板是为了减少水分下渗过程中空气阻力对水分入渗的影响。根据实验设定的土壤容重每5cm填土压实作为非饱和带,土壤表面距离有机玻璃柱体301上沿预留20cm作为入渗积水层。所述有机硅酮硅胶密封圈用于防止入渗水分流出。优选地，如图4所示，所述升降机为涡轮丝杆升降机，所述涡轮丝杆升降机的底部设置有固定板201，所述涡轮丝杆升降机的顶部设置有升降台202，升降台202用于放置所述马氏瓶，所述涡轮丝杆升降机的涡轮203通过蜗杆204与手轮205相连，并由手轮205带动旋转。具体地，所述涡轮丝杆升降机还包括蜗轮轴206、齿轮207、齿轮轴208、升降轴209、支座210等，通过转动手轮205调整马氏瓶的进气口高度，当马氏瓶高出土壤界面至设定水头时，此时马氏瓶进气口与土壤表面之间的高度差即为入渗水头。这里水头的单位是m，水头即为任意断面处单位重量水的能量，等于比能(单位质量水的能量)除以重力加速度。优选地，如图5所示，数据采集传输装置7包括信号采集器701、数据记录仪702和信号发送设备，信号采集器701用于接收重力传感器及水分传感器测量得到的数据，数据记录仪702用于对接收到的数据进行处理，得到土壤水分入渗率数据，所述信号发送设备包括无线信号发射器703和/或移动存储器704(例如u盘)，用于将所述土壤水分入渗率数据发送出去。具体地，重力传感器和水分/溶质传感器通过信号线与各自的信号采集器701相连，所采集的电压信号或者电导率信号通过信号线传输到信号采集器701，信号采集器701可根据实验要求设定不同采样间隔(2秒-1小时不等)；信号采集器701与数据记录仪702通过信号线相连接，数据记录仪702将接受到的电压数据、电导率数据转换成累计入渗量、湿润锋、入渗率等数据，通过无线信号发射器703或移动存储器704(在不具备无线信号或无线信号故障的情况下)两种方式发送出去。优选地，如图5所示，终端设备8包括电脑终端801、手机终端802和打印机803，电脑终端801及手机终端802上安装有应用软件，用于将所述土壤水分入渗率数据以列表或曲线的形式展示给用户查询，打印机803与电脑终端801及手机终端802相连，用于以纸质文件的形式输出数据。所产生的数据文件可以根据时间自动命名或者用户自定义命名，并以excel或txt格式导出。综上所述，本发明实施例所提供的土壤水分入渗自动测量系统功能齐全，安装使用方便，适用范围广，具有自动化、高效率、实时性、经济性、可靠性等优点。本发明的实施例还提供了一种基于物联网的非饱和土壤水分入渗自动测量方法，该方法基于本发明实施例所提供的土壤水分入渗自动测量系统，如图6所示，所述方法包括以下步骤：根据实验设定的土壤容重向土柱内填土；根据实验设定的浓度配置溶液，装入马氏瓶；将所述马氏瓶放置在升降机上，根据实验设定的水头调节所述升降机的高度；终端设备根据计数器预设的时间控制所述马氏瓶上电磁阀开启，使所述马氏瓶向所述土柱供液；利用重力传感器测量所述土柱质量的变化，利用水分传感器测量所述土柱中土壤含水率的变化，并将测量得到的数据发送至数据采集传输装置；所述数据采集传输装置对接收到的数据进行处理，得到土壤水分入渗率数据，并将所述土壤水分入渗率数据传输至所述终端设备以供查询；测量结束后，终端设备根据计数器预设的时间控制所述马氏瓶上电磁阀关闭。本发明所提供的土壤水分入渗自动测量方法能够模拟不同溶液浓度、不同土壤初始含水率、不同土壤容重、不同入渗水头等条件对水分入渗过程的影响，基于物联网技术，再结合混合均匀设计实验方案，能够实现实验的自动开始和停止，以及实验数据的自动记录、传输、时时查看，极大减少了实验工作量，对于层状土、均质土均适用。优选地，所述利用重力传感器测量所述土柱质量的变化，利用水分传感器测量所述土柱中土壤含水率的变化的步骤，包括：利用所述重力传感器采集电压信号，并将所述电压信号转换为质量信号；根据所述质量信号计算所述土柱在预设时间的质量变化量；利用所述水分传感器检测所述土柱中不同高度处的电导率信号；根据所述电导率信号计算所述土柱中不同高度处的土壤含水率变化量。优选地，所述数据采集传输装置对接收到的数据进行处理，得到土壤水分入渗率数据的步骤，包括：根据所述土柱在预设时间的质量变化量计算累计入渗量；根据所述土柱中不同高度处的土壤含水率变化量计算湿润锋；建立所述累计入渗量、所述湿润锋与所述土壤容重、所述溶液的浓度、所述水头之间的多元非线性模型；对所述多元非线性模型进行多元回归分析，得到土壤水分入渗率数据。下面以一个具体的实施例对本发明方法进行详细的阐述。首先，采用uniformdesign5.0均匀设计软件安排实验方案，在本发明一个实施方案中，影响水分入渗率的因素为土壤容重、初始含水率、入渗水头、入渗溶液浓度4个因素，由均匀设计表1选择1、3、4、5列作为四个因素的实验方案，在本发明的另一种实验方案中，土壤容重、入渗水头取5个水平，初始含水率以及溶液浓度取10个水平，由于两组因素水平不相同，为此可根据混合均匀设计思想，将两个相邻水平合并为一个水平，则最终的实验方案如表2所示。表1u10*(108)使用表表2混合均匀设计表具体地，土壤水分入渗过程中湿润锋、累计入渗量、入渗率的具体计算过程如下：第一步：将重力传感器采集的电压数据转换成土柱质量变化数据，即数据记录仪根据以下公式将采集的电压信号u转换成质量信号m(k、α为设定参数)。m＝ku+α(1.1)第二步：计算t时刻土柱质量变化量。δm＝mt-m0(1.2)式中：δm为土柱质量变化量(kg)；mt为t时刻土柱质量(kg)；m0为土柱初始质量(kg)。第三步：计算t时刻累计入渗量和湿润锋。累计入渗量为测量时间段内土柱单位面积上的入渗水量(cm)，其计算公式如下：式中：it为t时段内土壤累计入渗量(cm)；vt为t时段内进入土壤中的水量(从马氏瓶流出水的体积，cm3)；a为土柱的内截面积(cm2)；ρ为马氏瓶溶液密度。当水分到达探头位置，水分传感器探头周边的土壤含水率会发生变化，含水率开始变化的时间即为该点湿润锋对应的时间。假定累计入渗量、湿润锋与时间满足式幂函数关系：i＝ktω+b(1.4)z＝ktν+b(1.5)式中：i为累计入渗量；z为湿润锋；k和k分别为累计入渗量和湿润锋模型的系数，ω和ν为时间的指数，b和b为常数。根据重力传感器获得的n个时间点t1,t2,t3,...tn-1,tn以及对应的累计入渗量i1,i2,i3,...in-1,in，采用matla参数拟合工具箱cftool对其进行拟合，便可获得累计入渗量与时间关系模型。同样将n个水分传感器含水率开始变化的时间t1,t2,t3,...tn-1,tn以及水分传感器在土柱所对应的位置(从上到下)，采用matlab参数拟合工具箱cftool对其进行拟合，便可获得式中湿润锋与时间关系模型。第四步：建立湿润锋、累计入渗量多元非线性模型。假定湿润锋、累计入渗量与溶液浓度、水头、初始含水率、土壤容重满足如下关系：z＝kcαhβθφγμtω(1.7)式中，z为湿润锋，c为溶液浓度(g/l)，h为水头(cm)；θ为含水率；γ为容重(g/cm3)；t为入渗时间(min)；k为湿润锋模型系数，k为累计入渗量模型系数；α,β,φ,μ,ω分别为湿润锋模型影响因素所对应的指数；分别为累计入渗量模型影响因素所对应的指数。由于入渗率是累计入渗量(对时间t)的导数，对式(1.8)进行求导，可得入渗率公式：第五步：多元回归分析.对式(1.7)和式(1.8)两边取对数得：logz＝logk+αlogc+βlogh+φlogθ+μlogγ+ωlogt(1.10)实例1：10组实验所对应的入渗溶液浓度、入渗水头、土壤初始含水率、土壤容重如表3所示，将表2数据与10组重力传感器实测的累计入渗量，水分传感器测得的湿润锋数据分别代入式(1.7)、式(1.8)，对其按照式(1.10)和式(1.11)进行多元回归分析，得式(1.12)、式(1.13)所示湿润锋、累计入渗量与溶液浓度、水头、初始含水率、土壤容重关系函数关系式，将参数代入式(1.9)得入渗率公式(1.14)。z＝1.868c-0.326h0.261θ-0.0365γ-0.0182t0.569(1.12)i＝1.107c-0.302h0.224θ-0.0205γ-0.0126t0.503(1.13)i＝1.107c-0.302h0.224θ-0.0205γ-0.0126t-0.493(1.14)表3与10水平混合均匀设计表实验编号浓度/g/l含水率/％水头/cm容重/g.cm-31253.01.352486.01.4536111.51.34834.51.4551067.51.361291.51.4714124.51.2581647.51.491873.01.251020106.01.35使用上述系统测量出的水分入渗湿润锋、累计入渗量、入渗率与时间关系如图7a、图7b、图7c所示，累计入渗量与入渗水头、入渗溶液浓度、土壤初始含水率、土壤容重关系如图8a、图8b、图8c、图8d所示。综上所述，本发明所提供的土壤水分入渗自动测量方法能够模拟不同溶液浓度、不同土壤初始含水率、不同土壤容重、不同入渗水头等条件对水分入渗过程的影响，基于物联网技术，再结合混合均匀设计实验方案，能够实现实验的自动开始和停止，以及实验数据的自动记录、传输、时时查看，极大减少了实验工作量，对于层状土、均质土均适用。以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。当前第1页12