本发明属于农田蒸散设备技术领域，尤其涉及一种大型蒸渗仪智能监测系统。
背景技术
蒸渗仪是一种在限定三维边界条件下测定水体转化的装置，是测定农田蒸散的常用仪器以及灌溉试验站的必备设施。主要用来测定植物总蒸散量、渗漏速度、渗漏量以及土壤中含水量的变化等有关水量平衡系统中的各个分量。
目前，蒸渗仪主要有非称重式蒸渗仪和称重式蒸渗仪等。非称重式蒸渗仪安装简单、造价低，但精度低、分辨率差。大型称重式蒸渗仪是地下水-土壤-植被-大气连续体(soil-plant-atmospherecontinuum,简称spac系统)水分循环研究的重要试验装置，也是当前公认的能直接测定蒸散的标准试验装置，例如中国科学家院禹城试验站即采用了大型称重式蒸渗仪。
称重式蒸渗仪主要由土体容器(钢筒)、称重系统、给排水系统、数据监测系统组成。称重系统采用了利用柔性支撑杆扛原理的位移测量方法，对于主体直径为2m、土体深度为5.0m、称重系统承受重量32.7-35.99吨的蒸渗仪而言，可以使称重系统感量小于60g，相当与能测定0.02mm水深的变化量，具体为，在称重系统中，由二块方钢夹在钢丝绳中部与两块斜铁及平衡臂(相当于吊枰的枰杆)产生工作状态。当平衡臂水平时钢丝绳产生垂直错位(为基准零点)。当土体重量发生变化时(也即蒸降水量的变化)，平衡臂上下摆动形成摆角的变化，通过钢性连杆机构将摆角的变化转为线位移，再利用高分辨率的位移传感器测出位移变化量进而获取土体重量的变化，从而实现精确测量的目的。为了模拟地下水的实际状态，蒸渗仪还包括供排水系统、供排水系统是由供水箱、排水箱、供排水管、调节供水箱升降的机电装置(包括电机、变速箱、钢绳、导轨)构成。每个水箱重量使用称重传感器测量，土体容器内地下水位的控制是由与之相连的供水箱的高程来实现。
但是，目前的蒸渗仪系统精度低，费用高，灵活性差。除此之外，其使用的普适性，以及与许多现代化测量手段的结合也略显不足，在软件方面主要是桌面应用程序，研究人员做实验时需要频繁地进入试验场采集数据和操作开关，一般都是通过人工定时来记录监测数据。另外，软件功能也不够周全，使用者不能按照植物生长情况或周围环境变化控制地下水水位和设置系统参数，软件功能相对比较单一。
技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题是，提供一种大型蒸渗仪智能监测系统，在大型称重式蒸渗仪设备的基础上结合网络通信技术、图像处理技术、数据库技术和自动控制技术能够自动、在线、实时的进行数据采集、显示和存储以便研究人员可以高效的进行数据研究和分析。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种大型蒸渗仪智能监测系统，包括土柱蒸渗箱装置、供排水装置、称重装置、测量装置、数据采集装置；土柱蒸渗箱装置箱体的侧壁设置传感器监测点，土柱蒸渗箱装置中从下到上依次分层埋有各种不同成分的土壤，用以模拟自然环境下土壤情形；供排水装置向土柱蒸渗箱装置的箱底供水及排水，数据采集装置由测量土壤剖面负压计探头、测定土壤含水率的tdr探针以及测量土壤温度的温度传感器构成，设置在传感器监测点中；数据采集装置的数据传输到测量装置进行测量；称重装置用于测量蒸渗仪质量的变化，反映土壤总的水分变化量。
按上述技术方案，土柱蒸渗箱装置的箱体采用空间立方形钢结构容器，在其后侧壁(从上到下依次整齐有序地)设置传感器监测点。钢结构容器高3m，面积2m×2m，底面是14mm厚的钢板，箱体周围使用6mm厚钢板。
按上述技术方案，供排水装置采用圆形储水管柱，通过排水管连接到土柱蒸渗箱装置箱体的底部，排水管上设有相应的阀门，用于手动控制给排水系统。圆形储水管柱内设有可移动的液位计，由可逆电机操纵，地下水供排水自动控制电路对供排水装置的供水、排水进行控制。
按上述技术方案，称重装置由压力传感器、杆扛系统、刀口支点、底座和支架构成底座设置在蒸渗仪的下方，支架连接底座和杠杆系统并由刀口支点支撑，压力传感器连接到杠杆系统，其中杠杆系统采用多级杠杆装置，将总负载多次分解，采用高精度、大感量称重传感器来测定。
按上述技术方案，还包括辅助装置，辅助装置由防雨棚、建筑基础和自动气象站组成，防雨棚由驱动设备、雨量控制器和雨棚组成，建筑基础由箱体防护群、地下基础构成，地下基础是面积约为50m2的混凝土结构。
按上述技术方案，测量土壤剖面负压计探头、测定土壤含水率的tdr探针以及测量土壤温度的温度传感器(pt100)分别在土壤土表以下按10cm，20cm，30cm，40cm，50cm，60cm，70cm，80cm，100cm，120cm，150cm，180cm，210cm，240cm，270cm的深度进行埋设。
按上述技术方案，测量土壤剖面负压计探头、测定土壤含水率的tdr探针以及测量土壤温度的温度传感器、称重装置分别与cr1000采集卡相连，组成下位机数据采集部分，对土壤参数进行采集、测量。
按上述技术方案，液位计及其视频模块利用图像处理技术，对摄像机采集的视频帧进行分析和处理。建立处理效率高、适应性强的液位读取计算模型，然后实时将识别结果返回显示，并存入数据库，实现液位的在线读取。
按上述技术方案，还包括监测管理平台，监测管理平台由工控机组成，一方面收集硬件终端传回的数据，将其进行实时的显示，实现数据的可视化，另一方面监听远程主机的访问请求，向远程主机发出响应，完成对待测数据的采集、显示、查询与储存。
按上述技术方案，还包括远程监控系统，远程监控系统在试验场本地上位机上搭建服务器环境，通过远程主机的浏览器来访问本地数据库和上位机监测管理平台，实现远程监测控制。
本发明产生的有益效果是：一、解决作物水分蒸腾蒸发量的采集、显示与储存问题，实现数据的实时采集，以及控制水位和远程监控等功能。二、通过网络数据库储存采集的数据，确保系统具有实时性强、性能优异、精度高、方便共享等优点。三、负压液位计在线读取系统能够自动、在线、实时的采集水银式负压液位计的读数，提高了系统的自动化水平。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明实施例大型蒸渗仪智能监测系统的结构示意图；
图2是本发明实施例中数据采集与存储系统结构框图；
图3是本发明实施例中负压液位计在线读取系统组成结构图；
图4是本发明实施例中图像识别流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明实施例中，提供一种大型蒸渗仪智能监测系统，提供一种大型蒸渗仪智能监测系统，包括土柱蒸渗箱装置、供排水装置、称重装置、测量装置、数据采集装置；土柱蒸渗箱装置箱体的侧壁设置传感器监测点，土柱蒸渗箱装置中从下到上依次分层埋有各种不同成分的土壤，用以模拟自然环境下土壤情形；供排水装置向土柱蒸渗箱装置的箱底供水及排水，数据采集装置由测量土壤剖面负压计探头、测定土壤含水率的tdr探针以及测量土壤温度的温度传感器构成，设置在传感器监测点中；数据采集装置的数据传输到测量装置进行测量；称重装置用于测量蒸渗仪质量的变化，反映土壤总的水分变化量。
进一步地，土柱蒸渗箱装置的箱体采用空间立方形钢结构容器，在其后侧壁(从上到下依次整齐有序地)设置传感器监测点。钢结构容器高3m，面积2m×2m，底面是14mm厚的钢板，箱体周围使用6mm厚钢板。
进一步地，供排水装置采用圆形储水管柱，通过排水管连接到土柱蒸渗箱装置箱体的底部，排水管上设有相应的阀门，用于手动控制给排水系统。圆形储水管柱内设有可移动的液位计，由可逆电机操纵，地下水供排水自动控制电路对供排水装置的供水、排水进行控制。
进一步地，称重装置由压力传感器、杆扛系统、刀口支点、底座和支架构成底座设置在蒸渗仪的下方，支架连接底座和杠杆系统并由刀口支点支撑，压力传感器连接到杠杆系统，其中杠杆系统采用多级杠杆装置，将总负载多次分解，采用高精度、大感量称重传感器来测定。
进一步地，还包括辅助装置，辅助装置由防雨棚、建筑基础和自动气象站组成，防雨棚由驱动设备、雨量控制器和雨棚组成，建筑基础由箱体防护群、地下基础构成，地下基础是面积约为50m2的混凝土结构。
进一步地，测量土壤剖面负压计探头、测定土壤含水率的tdr探针以及测量土壤温度的温度传感器(pt100)分别在土壤土表以下按10cm，20cm，30cm，40cm，50cm，60cm，70cm，80cm，100cm，120cm，150cm，180cm，210cm，240cm，270cm的深度进行埋设。
进一步地，测量土壤剖面负压计探头、测定土壤含水率的tdr探针以及测量土壤温度的温度传感器、称重装置分别与cr1000采集卡相连，组成下位机数据采集部分，对土壤参数进行采集、测量。
进一步地，液位计及其视频模块利用图像处理技术，对摄像机采集的视频帧进行分析和处理。建立处理效率高、适应性强的液位读取计算模型，然后实时将识别结果返回显示，并存入数据库，实现液位的在线读取。
进一步地，还包括监测管理平台，监测管理平台由工控机组成，一方面收集硬件终端传回的数据，将其进行实时的显示，实现数据的可视化，另一方面监听远程主机的访问请求，向远程主机发出响应，完成对待测数据的采集、显示、查询与储存。
进一步地，还包括远程监控系统，远程监控系统在试验场本地上位机上搭建服务器环境，通过远程主机的浏览器来访问本地数据库和上位机监测管理平台，实现远程监测控制。
本发明的一个较佳实施例中，如图1所示为本发明的系统组成结构图，图中该大型蒸渗仪智能监测系统，包括：供排水装置、称重装置、土柱蒸渗箱、测量装置和数据采集系统。供排水装置4通过输出水管把水注入土柱蒸渗箱1，另外供排水系统4中的供排水的控制电路与控制与数据采集计算机5通过rs232转usb相连，以便于按照需求控制蒸渗仪箱体内的土壤水。
土柱蒸渗箱1为一个箱体高3m，底面积2m×2m的长方体钢结构箱体。长方体钢结构箱体内填充有土壤层，每层都是不同沙土和石子的混合物，欲达到不同的试验效果，可以放置不同类型的土壤，借以模拟不同的自然环境，满足多种实验需求。
测量装置由测量土壤剖面负压的负压计探头2和测定土壤含水率的tdr探针3组成。为了更好的观测土柱蒸渗箱中土壤水的运动情况，因此在土壤中从土表以下按10cm，20cm，30cm，40cm，50cm，60cm，70cm，80cm，100cm，120cm，150cm,180cm,210cm,240cm,270cm的深度，分别埋设测量土壤剖面负压的负压计探头2和测定土壤含水率的tdr探针3。测定土壤含水率的tdr探针3的数据线与工业数据采集卡cr1000相连，cr1000通过rs232转usb把数据传到上位机端。而测量土壤剖面负压的负压计2一般都是水银式负压计读数只能人工读取，因此为了提高自动化操作。采用如图3，由工业相机32对水银负压计测盘31获取图片通过usb传给上位机做图像处理和液位定位。其具体处理流程如图4。
数据采集装置如图2所示，其主体是cr1000模块，它通过u型导轨固定在土柱蒸渗箱槽壁上。它们分别收集土壤的基质势数据、土壤负压数据、阀门的开关等。再通过rs232转rs485通信与上位机监测管理平台相连接，而远程控制系统通过互联网与上位机相同，从而实现数据管理监测的智能化。
软件系统通过微软net开发软件开发，包括程序界面和软件功能模块，程序界面实现绘图和图形化界面的显示功能：当程序运行时，cr1000将收集到的数据暂时存储起来，再通过通过rs232转rs485通信与上位机监测管理平台相连接将数据发送到数据库，便于界面系统的调用与显示。
具体实验步骤如下：
(1)根据实验需要在容器内放置好相应的土壤层；
(2)控制圆形储水管进行供水，模拟土壤地下水；
(3)开启数据采集与展示系统，对箱体内，不同层、同层的不同深度处的相关数据进行收集，并对相应点处的水样本进行收集与检测；
(4)整理、存储数据，并将相应数据进行分析，得出相应结论。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。