CN107340019B - 一种水土保持在线监测装置及监测方法 - Google Patents

一种水土保持在线监测装置及监测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种水土保持在线监测装置及监测方法，包括主杆、测钎传感器及土壤水分传感器；主杆上安装有雨量传感器、风速传感器、视频监控模块、太阳能模块、风向传感器、温湿度传感器、天线模块和数据采集发送电路模块；所述测钎传感器、土壤水分传感器、雨量传感器、风速传感器、视频监控模块、太阳能模块、风向传感器、温湿度传感器的输出端均连接数据采集发送电路模块；数据采集发送电路模块连接天线模块。本发明将水土保持监测工作与现代测试技术和通信技术相结合，将水土流失影响因子、水土流失量等指标监测仪器集成并在项目现场安装，进行定时监测，监测的结果现场显示并远程传输，避免传统监测耗时耗力且测量误差大的问题。

Description

一种水土保持在线监测装置及监测方法
技术领域
本发明技术属于水土保持监测技术领域，具体涉及水土保持影响因子及水土流失量自动监测装置。
背景技术
传统的水土保持监测工作是人工定期将所需监测的各个仪器带至监测点，各仪器独立工作，并将监测结果进行记录的方式。该方法要求测量人员定期到达现场进行监测，同时每次需携带大量仪器设备，而且，人工测量、记录存在较大误差和诸多不确定性因素，严重影响监测的准确性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种集成化水土保持在线监测装置及监测方法，用于水土保持监测工作的水土流失影响因子、水土流失量的自动监测，以解决上述技术问题。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
一种水土保持在线监测装置，包括主杆、测钎传感器及土壤水分传感器；主杆上安装有雨量传感器、风速传感器、视频监控模块、太阳能模块、风向传感器、温湿度传感器、天线模块和数据采集发送电路模块；所述测钎传感器、土壤水分传感器、雨量传感器、风速传感器、视频监控模块、太阳能模块、风向传感器、温湿度传感器的输出端均连接数据采集发送电路模块；数据采集发送电路模块连接天线模块。
进一步的，测钎传感器包括测钎杆；测钎杆顶端固定有超声波收发模块，测钎杆上还设有与超声波收发模块距离固定的标准反射板。
进一步的，超声波收发模块包括超声波收发专用芯片机、超声波发射电路、超声波接收电路和超声波换能器；超声波收发专用芯片机连接超声波发射电路的输入端和超声波接收电路的输出端，超声波发射电路的输出端连接超声波换能器的控制端，超声波换能器的输出端连接超声波接收电路的输入端；标准反射板正对超声波换能器发出超声波的一侧设置。
进一步的，超声波收发专用芯片机作为***的主控芯片，控制超声波的发射与接收，并在每次超声波发射或接收时，控制计时作为超声波的传播时间；同时，单片机预留RS485接口，用于数据传输。
进一步的，超声波收发专用芯片机的型号为TDC1011。
一种水土保持在线监测装置的监测方法包括以下步骤：
主杆上的雨量传感器、风速传感器、视频监控模块、风向传感器和温湿度传感器，以及测钎传感器、土壤水分传感器将各测量实时值送入安装在主杆内的数据采集发送电路模块中，经过数据采集发送电路模块内设置的单片机及多路数据转换、收发采集卡将各路数据处理并转换成3G/4G信号通过天线模块远传到数据中心进行数据存储、备份和分析，实现异地远程监控并累积当地水土流失影响因子及水土流失量信息。
一种水土保持在线监测装置的监测方法，包括以下步骤：
主杆上的雨量传感器、风速传感器、视频监控模块、风向传感器和温湿度传感器，以及测钎传感器、土壤水分传感器将各测量当前值送入安装在主杆内的数据采集发送电路模块中，经过数据采集发送电路模块内设置的单片机及多路数据转换、收发采集卡将各路数据处理并转换成3G/4G信号通过天线模块远传到数据中心进行数据存储、备份和分析，实现异地远程监控并收集当地水土流失影响因子及水土流失量信息；
其中，测钎传感器监测时，包括：测钎杆***待测坡面，超声波收发模块发出超声波，当超声波传播到标准反射板时，超声波一次返回，超声波收发模块接收到一次返回的超声波；未返回的超声波传播到待测坡面二次返回，超声波收发模块接收到二次返回的超声波；通过对两次传播的时间，确定二次传播的距离即测量超声波收发模块与坡面的距离。
进一步的，具体的，超声波收发模块与标准反射板之间的间距为Sn；超声波第一次返回的时间为标准时间Tn；超声波第二次返回的时间为Tx，超声波收发模块距离坡面的距离为
进一步的，按照设定的时间梯度，重复监测超声波收发模块距离坡面的距离，通过两次测量数据之差计算得该位置水土流失量的厚度信息。
本发明可选择温湿度传感器、风速传感器、风向传感器、雨量传感器、土壤水分传感器、自校准超声测钎传感器等所需监测的指标传感器。
本发明采用镀锌钢板折弯成型的六棱柱形主杆，电路部分全部走主杆内部，设计统一接口，满足监测传感器安装的便捷性和通用性，即本***设计的传感器及功能模块，可依据现场情况选择安装与否，如有***未设计的监测因子也可选择合适的传感器安装使用。
本发明全部采用工业级RS485通讯接口的监测传感器，实现数据上传及自动监测。
本发明利用网络无线传输技术，实现异地远程数据传输。
本发明***电源模块采用太阳能板辅助市政供电。
本发明***安装摄像头，现场360度监控，同时远程可操控监控现场水土流失状况及水土保持措施实施状况。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、采用镀锌钢板折弯成型的六棱柱形主杆，电路部分全部走主杆内部，设计统一接口，使***传感器及功能模块可依据现场情况选择安装与否，如有***未设计的监测因子也可选择合适的传感器安装使用。
2、通过***集成，节省传统测量的人工成本，同时避免人工读数记录不准引起监测误差。
3、***定时监测，视频监控，远程传输，全面及时了解项目水土流失状况。
4、***注重低能耗设计，电源接220V市政供电，同时安装太阳能模块，以备停电仪器持续运转。
本发明将水土保持监测工作与现代测试技术和通信技术相结合，将水土流失影响因子、水土流失量等指标监测仪器集成并在项目现场安装，进行定时监测，监测的结果现场显示并远程传输，避免传统监测耗时耗力且测量误差大的问题。
附图说明
图1为水土保持在线监测装置结构示意图；
图2为图1另一视角的示意图；
图3为图1另一视角的示意图；
图4为水土保持在线监测装置***流程图；
图5为自校准超声测钎装置结构图；
图6为自校准超声测钎装置的测量方法流程图。
附图中标记及对应的零部件名称：1为雨量传感器、2为风速传感器、3为视频监控模块、4为太阳能模块、5为风向传感器、6为温湿度传感器、7为天线模块、8为主杆、9为数据采集模块、10为测钎传感器、11为土壤水分传感器。
此处所说明的附图用来提供对发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合附图1对本发明作进一步的详细说明，发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
如图1至图3所示，本发明一种水土保持在线监测装置，包括雨量传感器1、风速传感器2、视频监控模块3、太阳能供电的太阳能模块4、风向传感器5、温湿度传感器6、信号远传的天线模块7、主杆8、数据采集发送电路模块9、自校准超声测钎传感器10及土壤水分传感器11。
主杆8选用钢板折弯成型的六棱柱形的主杆，地埋固定在监测现场。主杆8上均布有六个悬臂，六个悬臂上各安装有传感器，具体为：雨量传感器1安装在主杆8上，信号输出端与安装在主杆8上的数据采集发送电路模块9相连；风速传感器2安装在主杆8上，信号输出端与安装在主杆8上的数据采集发送电路模块9相连；视频监控模块3安装在主杆8上，信号输出端与安装在主杆8上的数据采集发送电路模块9相连；太阳能模块4安装在主杆8上，信号输出端与安装在主杆8上的数据采集发送电路模块9相连，为***供电；风向传感器5安装在主杆8上，信号输出端与安装在主杆8上的数据采集发送电路模块9相连；温湿度传感器6安装在主杆8上，信号输出端与安装在主杆8上的数据采集发送电路模块9相连；信号远传的天线模块7安装在主杆8上，信号输出端与安装在主杆8上的数据采集发送电路模块9相连；数据采集发送电路模块9安装在主杆8上；测钎传感器10就近布置在主杆8附近，信号输出端与安装在主杆8上的数据采集发送电路模块9相连；土壤水分模块11就近布置在主杆8附近，信号输出端与安装在主杆8上的数据采集发送电路模块9相连。
雨量传感器1选用脉冲输出的雨量传感器，雨量传感器1独立安装在主杆8上，信号线独立走线，模块化安装。
风速传感器2选用RS485接口的风速传感器，风速传感器2独立安装在主杆8上，信号线独立走线，模块化安装.。
视频监控模块3选用带云台的网络数字监控云台摄像头，视频监控模块3独立安装在主杆8上，信号线独立走线，模块化安装。远距离360度无死角监控现场情况及各传感器运行状态及人、动物对各设备的破坏。
太阳能模块4选用50W单晶太阳能组件，太阳能模块4独立安装在主杆8上，信号线独立走线，模块化安装。
风向传感器5选用RS485接口风向传感器，风向传感器2独立安装在主杆8上，信号线独立走线，模块化安装。
温湿度传感器6选RS485接口的温湿度传感器，温湿度传感器2独立安装在主杆8上，监测当地大气温湿度，信号线独立走线，模块化安装。
信号远传的天线模块7选用无线路由3G/4G的天线模块，天线模块7独立安装在主杆8上，远传实时数据。
数据采集发送电路模块9选用集接收与发送与一体的数据采集发送电路模块，数据采集发送电路模块9独立安装在主杆8上，接收各传感器信号，并通过天线模块7发送相关数据到数据中心。
测钎传感器10采用自校准超声测钎传感器，就近安装在主杆8附近，信号线独立走线进入主杆8上安装的数据采集发送电路模块9内，监测当地土壤流失量。
请参阅图5和图6所示，测钎传感器10，包括一根测钎杆101、超声波收发模块102和标准反射板103。超声波收发模块102与标准反射板103连接于测钎杆101上，超声波收发模块102与标准反射板103距离固定。其中，超声波收发模块102内设置有单片机及TDC1011超声波收发专用芯片104、超声波发射电路105、超声波接收电路106和超声波换能器107。单片机及TDC1011超声波收发专用芯片104连接超声波发射电路105的输入端和超声波接收电路106的输出端，超声波发射电路105的输出端连接超声波换能器107的控制端，超声波换能器107的输出端连接超声波接收电路106的输入端；标准反射板103正对超声波换能器107发出超声波的一侧设置。
标准反射板103与超声波收发模块102组合构建超声发射、接收测距平台，实现测试参数自动校准功能，避免测试环境干扰对超声波的影响。
当自校准超声测钎装置用于水土流失量监测时，先将测钎杆101***待测坡面108，依据土壤类型与现场环境的不同，确定本装置***地面的深度，以保证装置在监测期间的稳定性。
首先，进行一次测量，单片机及TDC1011超声波收发专用芯片104控制发射电路105通过超声波换能器107发出超声波109，当超声波109传播到标准反射板103，超声波109一次返回，超声波换能器107接收到一次返回超声波109，通过超声波接收电路106传回给单片机及TDC1011超声波收发专用芯片104；
未返回的超声波109传播到待测坡面108后二次返回，超声波换能器107接收到二次返回超声波109，再通过超声波接收电路106传回给单片机及TDC1011超声波收发专用芯片104。由于标准反射板103与超声波收发模块102的距离一定，两次传播的超声波波速相同，则通过对两次传播时间的确定，可得到二次传播的距离即测量超声波收发模块102与样地坡面的距离。
在水土流失量监测工作中，通过确定的时间梯度后再次测量超声波收发模块102与样地坡面的距离。通过RS485通讯将数据传至上位机，可通过两次测量数据之差计算得该位置水土流失量的厚度等信息。
本发明利用超声测距原理监测水土流失量相关数据，再通过RS485通讯实现数据传输，***自动计算得到水土流失量等相关数据。本装置是将超声波收发装置置于测钎的顶部，在钎的中间距离超声波收发装置Sn距离处放置一块标准反射板，当超声波发射装置发射超声波时，超声波传播到标准反射板第一次返回，测得标准时间Tn；未返回的超声波传播到测量坡面后二次返回，测得往返时间Tx，那么超声波收发装置距离坡面的距离为
这样实现了测钎法监测水土流失量的自动监测，避免了传统测钎法耗时耗力且易破坏坡面稳定性的弊端；通过二次反射原理的实现，在保证精度的情况下避免了对温度、湿度、气压等环境值的计算，保证超声测钎结构简单，成本低廉。
土壤水分模块11选用RS485接口的土壤水分传感器，土壤水分模块11就近安装在主杆8附近，信号线独立走线进入主杆8上安装的数据采集发送电路模块9内，监测当地土壤水分情况。
为了对本发明进一步了解，现对本发明一种水土保持在线监测装置的监测方法做进一步说明。
请参阅图2所示，主杆8上安装的雨量传感器1、风速传感器2、视频监控模块3、风向传感器5、温湿度传感器6、自校准超声测钎传感器10、土壤水分传感器11将各自采集到的数据信息经过信号线传输到数据采集发送电路模块9内，数据采集发送电路模块9对各输入信号进行分析对比后转换成无线信号，经过信号远传天线模块7远传到数据接收中心，对采集到的数据进行存储、分析、归档，装置运行所需的电源由市政供电、太阳能模块4备用供电。
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。

Claims (5)

1.一种水土保持在线监测装置的监测方法，其特征在于，所述水土保持在线监测装置，包括主杆(8)、测钎传感器(10)及土壤水分传感器(11)；主杆(8)上安装有雨量传感器(1)、风速传感器(2)、视频监控模块(3)、太阳能模块(4)、风向传感器(5)、温湿度传感器(6)、天线模块(7)和数据采集发送电路模块(9)；所述测钎传感器(10)、土壤水分传感器(11)、雨量传感器(1)、风速传感器(2)、视频监控模块(3)、太阳能模块(4)、风向传感器(5)、温湿度传感器(6)的输出端均连接数据采集发送电路模块(9)；数据采集发送电路模块(9)连接天线模块(7)；测钎传感器(10)包括测钎杆(101)；测钎杆(101)顶端固定有超声波收发模块(102)，测钎杆(101)上还设有与超声波收发模块(102)距离固定的标准反射板(103)；超声波收发模块(102)包括超声波收发专用芯片机(104)、超声波发射电路(105)、超声波接收电路(106)和超声波换能器(107)；超声波收发专用芯片机(104)连接超声波发射电路(105)的输入端和超声波接收电路(106)的输出端，超声波发射电路(105)的输出端连接超声波换能器(107)的控制端，超声波换能器(107)的输出端连接超声波接收电路(106)的输入端；标准反射板(103)正对超声波换能器(107)发出超声波的一侧设置；
所述监测方法，包括以下步骤：
主杆(8)上的雨量传感器(1)、风速传感器(2)、视频监控模块(3)、风向传感器(5)和温湿度传感器(6)，以及测钎传感器(10)、土壤水分传感器(11)将各测量当前值送入安装在主杆(8)内的数据采集发送电路模块(9)中，经过数据采集发送电路模块(9)内设置的单片机及多路数据转换、收发采集卡将各路数据处理并转换成3G/4G信号通过天线模块(7)远传到数据中心进行数据存储、备份和分析，实现异地远程监控并收集当地水土流失影响因子及水土流失量信息；
其中，测钎传感器(10)监测时，包括：测钎杆(101)***待测坡面，超声波收发模块(102)发出超声波(109)，当超声波(109)传播到标准反射板(103)时，超声波(109)一次返回，超声波收发模块(102)接收到一次返回的超声波；未返回的超声波传播到待测坡面二次返回，超声波收发模块(102)接收到二次返回的超声波；通过对两次传播的时间，确定二次传播的距离即测量超声波收发模块(102)与坡面(108)的距离。
2.权利要求1所述的监测方法，其特征在于，具体的，超声波收发模块(102)与标准反射板(103)之间的间距为Sn；超声波第一次返回的时间为标准时间Tn；超声波第二次返回的时间为Tx，超声波收发模块(102)距离坡面的距离为
3.权利要求2所述的监测方法，其特征在于，按照设定的时间梯度，重复监测超声波收发模块(102)距离坡面的距离，通过两次测量数据之差计算得该位置水土流失量的厚度信息。
4.权利要求1所述的监测方法，其特征在于，超声波收发专用芯片机(104)作为***的主控芯片，控制超声波的发射与接收，并在每次超声波发射或接收时，控制计时作为超声波的传播时间；同时，单片机预留RS485接口，用于数据传输。
5.权利要求1所述的监测方法，其特征在于，超声波收发专用芯片机(104)的型号为TDC1011。
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