基于物联网的非饱和土壤水分入渗自动测量系统和方法技术方案

本发明专利技术公开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，所述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等。本发明专利技术基于物联网技术，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。

Automatic measurement system and method of unsaturated soil water infiltration based on Internet of things

The invention discloses an unsaturated soil water infiltration automatic measurement system and method based on the Internet of things, the soil water infiltration automatic measurement system including the Markov bottle, lift, column, gravity sensor, moisture sensor, counter, data acquisition and transmission device and terminal equipment. Based on the Internet of things technology, the automatic start and stop of the experiment, the automatic recording, transmission and viewing of the experimental data are realized, which greatly reduces the workload of the experiment. The soil water infiltration in the automatic measurement system of complete function, convenient installation and use, can be achieved in different concentration, different initial soil water content, soil bulk density, different infiltration head under water infiltration experiment, with automation, high efficiency, real-time, economy, reliability, is suitable for layered soil and homogeneous soil.

【技术实现步骤摘要】
基于物联网的非饱和土壤水分入渗自动测量系统和方法
本专利技术涉及农业水土工程
，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。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术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，本专利技术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，本专利技术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。本专利技术基于物联网技术，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专利技术实施例的技术方案，下面将对本专利技术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专利技术的一些实施例，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是本专利技术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是本专利技术实施例中马氏瓶的结构示意图；图3是本专利技术实施例中土柱的结构示意图；图4是本专利技术实施例中升降机的结构示意图；图5是本专利技术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是本专利技术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分别是本专利技术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分别是本专利技术实施例中累计入渗量与入渗水头、入渗溶液浓本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于物联网的非饱和土壤水分入渗自动测量系统，其特征在于，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。

【技术特征摘要】
1.一种基于物联网的非饱和土壤水分入渗自动测量系统，其特征在于，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。2.根据权利要求1所述的基于物联网的非饱和土壤水分入渗自动测量系统，其特征在于，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。3.根据权利要求1所述的基于物联网的非饱和土壤水分入渗自动测量系统，其特征在于，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。4.根据权利要求3所述的基于物联网的非饱和土壤水分入渗自动测量系统，其特征在于，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。5.根据权利要求1所述的基于物联网的非饱和土壤水分入渗自动测量系统，其特征在于，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。6.根据权利要求1所述的基于物联网的非饱...

【专利技术属性】
技术研发人员：王建华，任长江，龚家国，王丽珍，朱永楠，
申请(专利权)人：中国水利水电科学研究院，
类型：发明
国别省市：北京,11