CN110398524A - 一种用于测量土壤水分参数的智能桩 - Google Patents

一种用于测量土壤水分参数的智能桩 Download PDF

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Abstract

本发明的一种用于测量土壤水分参数的智能桩涉及土壤水分参数采集装置，目的是为了克服当前“海绵城市”的实施急缺一种对海绵城市建设后和建设中效果量化装置的问题，本装置包括桩体、土壤水分探测传感器和土壤水分测定分析模块；桩体固定于地表上方；土壤水分探测传感器包括主轴水分探测针和多层的水分测定单元，多层的水分测定单元用于测量不同土壤深度中的含水率；主轴水分探测针竖直插入桩体正下方土壤中；多层的水分测定单元分别位于距离桩体底部不同深度的土壤中，且绕主轴水分探测针分布；土壤水分测定分析模块设于桩体内；土壤水分测定分析模块用于接收土壤水分探测传感器所采集的数据，处理后得到土壤的水分含量和渗透率。

Description

一种用于测量土壤水分参数的智能桩
技术领域
本发明涉及土壤水分参数采集装置，具体涉及测量不同土壤深度中水分参数的装置。
背景技术
海绵城市建设中包括土壤水分含量以及雨水计量在内的综合自然水文特征发生10％的变化，就会对当地的生态和环境产生一定影响，若超过30％，就会对当地生态环境造成严重影响，甚至出现生态退化。
目前实施的“海绵城市”建设中缺乏相应量化机制，并且对“海绵城市”的公用及效果不明确。另外，当前“海绵城市”的实施急缺一种对海绵城市建设后和建设中效果量化装置。
发明内容
本发明的目的是为了克服当前“海绵城市”的实施急缺一种对海绵城市建设后和建设中效果量化装置的问题，提供了一种用于测量土壤水分参数的智能桩。
本发明的一种用于测量土壤水分参数的智能桩，包括桩体、土壤水分探测传感器和土壤水分测定分析模块；
桩体固定于地表上方；
土壤水分探测传感器包括主轴水分探测针和多层的水分测定单元，多层的水分测定单元用于测量不同土壤深度中的含水率；
主轴水分探测针竖直插入桩体正下方土壤中；
多层的水分测定单元分别位于距离桩体底部不同深度的土壤中，且绕主轴水分探测针分布；
土壤水分测定分析模块设于桩体内；
土壤水分测定分析模块用于接收土壤水分探测传感器所采集的数据，处理后得到位于桩体下方设定范围内土壤的水分含量和渗透率。
本发明的有益效果是：
本发明的一种用于测量土壤水分参数的智能桩可以测定海绵城市区域内晴天时不同深度土层内的水分含量；同时可测定降雨时土壤各层水分含量及雨水渗透通量。通过对多层级以及多点位的土壤水分测定，可避免多次多点位测定对原位土壤造成扰动伤害，同时水分测定数据具有实效性，测量数据快捷、测量精准度高、操作方便、测量结果查阅迅速。
本智能桩对海绵城市雨水下渗量化统计以及土壤深度利用、高效启用土壤滞纳洪水，形成天然的洪涝水调蓄地，最大限度提升海绵城市效用、保护城市水系以及农业生产起到关键作用。与国家大的智慧水务、智慧城市建设战略相一致。广泛适用于农事指导、园林灌溉、科学研究、地质灾害、墒情监测等领域。
附图说明
图1为实施方式一中的一种用于测量土壤水分参数的智能桩的主视结构示意图；
图2为水分测定单元的结构示意图；
图3为图2中的水分测定单元的俯视结构示意图；其中，方形点为首层水分传感针束，三角形点为中层水分传感针束，圆形点为末层水分传感针束；
图4为本发明的一种用于测量土壤水分参数的智能桩的电气原理图。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式中的一种用于测量土壤水分参数的智能桩，包括桩体1、土壤水分探测传感器和土壤水分测定分析模块2；
桩体1固定于地表上方；
土壤水分探测传感器包括主轴水分探测针3和多层的水分测定单元，多层的水分测定单元用于测量不同土壤深度中的含水率；
主轴水分探测针3竖直插入桩体1正下方土壤中；
多层的水分测定单元分别位于距离桩体1底部不同深度的土壤中，且绕主轴水分探测针3分布；
土壤水分测定分析模块2设于桩体1内；
土壤水分测定分析模块2用于接收土壤水分探测传感器所采集的数据，处理后得到位于桩体1下方设定范围内土壤的水分含量和渗透率。
具体地，如图1～图4所示，土壤水分测定分析模块2设置在桩体1内部；土壤水分探测传感器包括主轴水分探测针3和多层的水分测定单元，主轴水分探测针3和多层的水分测定单元布设于智能桩底部。
桩体1内的土壤水分测定分析模块2包括：数据采集及传输系统2-1、数据分析运算系统2-2。数据采集及传输系统2-1具有信号抗干扰能力及纠错措施，用于接收土壤水分探测传感器所采集的数据，数据分析运算系统2-2对土壤水分探测传感器采集的数据分析后通过无线通信模式传送至云端的数据平台，同时也可以在桩体1外表面的显示模块中显示。
数据分析运算系统2-2通过对采集的数据进行对比分析，采用现有算法拟合计算出不同土壤类型的参数，通过对测量公式实时修正，使得土壤介电常数变化可准确反应出不同土壤类型下、不同深度的土壤含水率变化。土壤水分测定数据误差小于±3％，远低于农业气象观测规范规定的±5％。
主轴水分探测针3和多层的水分测定单元二者均为插入式装置，直接插入土壤中。主轴水分探测针3和多层的水分测定单元可测定不同土壤深度中的土壤含水率变化，继而分析检测出土壤中的含水率。
桩体1底部装有转换器，转换器的数据输入端与主轴水分探测针3和各层水分测定单元电气连接，首层水分传感针束4-1、中层水分传感针束5-1、末层水分传感针束6-1以及主轴水分探测针3通过总线的方式接入转换器的数据输入端。转换器的数据输出端直接与桩体1内的土壤水分测定分析模块2的数据采集及传输系统2-1电气连接。上述的转换器可将主轴水分探测针3以及各层水分测定单元在土壤中采集的不同土层内水分模拟信号转变为数字信号后继而实时传递给桩体1内设置的土壤水分测定分析模块2，通过土壤水分测定分析模块2里的数据分析运算系统2-2进行数据分析处理，得出所测定各层内土壤水分含量。
主轴智能土壤水分探测针3和多层的水分测定单元将采集到的数据传送至桩体1内的数据采集及传输系统2-1，继而传输至数据分析运算系统2-2。经过数据分析运算系统2-2分析后的数据可以利用无线通讯模块9进行数据传输，无线通讯模块9采用抗干扰能力很强的RS485总线等通信方式与采集器通信，将土壤水分分析数据实时传输至远端数据平台的服务器或者是巡回数据收集设备。采集器可以对数据进一步处理。本系统采用无线通讯模块9，保障数据快速采集并分析后传送至远端控制中心服务器，同时利于装置的野外安装。
至此，本实施方式中的智能桩测定的监测数据可在智能桩上可时查询，并且接入互联网后可在相关网站或手机APP中也可查阅到。
最佳实施例：本实施例是对实施方式一的进一步说明，在本实施例中，主轴水分探测针3的长度为0.5～5m。
最佳实施例：本实施例是对实施方式一的进一步说明，在本实施例中，如图1所示，水分测定单元包括由上至下分布的首层水分测定单元4、中层水分测定单元5和末层水分测定单元6；
首层水分测定单元4包括多个首层水分传感针束4-1，多个首层水分传感针束4-1沿第一平面螺线分布；
中层水分测定单元5包括多个中层水分传感针束5-1，多个中层水分传感针束5-1沿第二平面螺线分布；
末层水分测定单元6包括多个末层水分传感针束6-1，多个末层水分传感针束6-1沿第三平面螺线分布；
第一平面螺线、第二平面螺线和第三平面螺线分别以主轴水分探测针3或主轴水分探测针延长线上不同高度的点为起点；
第一平面螺线、第二平面螺线和第三平面螺线分别以主轴水分探测针3或主轴水分探测针延长线上不同高度的点为起点；且第一平面螺线、第二平面螺线和第三平面螺线所在平面均与主轴水分探测针3竖直方向垂直。
最佳实施例：本实施例是对实施方式一的进一步说明，在本实施例中，首层水分测定单元4与桩体1底部的距离为1～3m；
中层水分测定单元5与首层水分测定单元4的距离为0.5～3m；
末层水分测定单元6与中层水分测定单元5的距离为0.5～3m。
最佳实施例：本实施例是对实施方式一的进一步说明，在本实施例中，
第一平面螺线半径为0.5～2m；
第二平面螺线半径为1～3m；
第三平面螺线半径为2～4m。
最佳实施例：本实施例是对实施方式一的进一步说明，在本实施例中，
相邻首层水分传感针束4-1之间的距离为沿第一平面螺线长度的0.1～0.3m；
相邻中层水分传感针束5-1之间的距离为沿第二平面螺线长度的0.3～0.6m；
相邻末层水分传感针束6-1之间的距离为沿第三平面螺线长度的0.6～0.9m。
最佳实施例：本实施例是对实施方式一的进一步说明，在本实施例中，
首层水分传感针束4-1的长度为10～20cm；
中层水分传感针束5-1的长度为10～30cm；
末层水分传感针束6-1的长度为10～30cm。
具体地，如图1～图3所示，本实施例的智能桩基于多层的水分测定单元，针对不同土壤深度分三层布设众多水分传感器，可采集可观的土壤水分含量数据，对未来海绵城市建设以及农业生产具有重大意义。围绕主轴水分探测针3同轴分三层布设水分测定单元，可实现不同深度的土壤水分数据同时测量。
首层水分测定单元4距智能桩底约1～3米；各层水分测定单元之间间隔约0.5～3米，且各层水分测定单元围绕主轴水分探测针呈螺线状平面。
首层水分测定单元4呈现半径约0.5～2米的第一螺线平面(第一平面螺线所在平面)，该首层水分测定单元4形成的第一螺线平面上按照0.1～0.3m的间隔布设垂直于第一螺线平面的首层水分传感针束4-1，首层水分传感针束4-1为直插式，长约10～20cm。
中层水分测定单元5呈现半径约1～3米的第二螺线平面(第二平面螺线所在平面)，该中层水分测定单元5形成的第二螺线平面上按照0.3～0.6m的间隔布设垂直于第二螺线平面的中层水分传感针束5-1，中层水分传感针束5-1长约10～30cm，为直插式。
末层水分测定单元6形成的第三螺线平面(第三平面螺线所在平面)上按照0.6～0.9m的间隔布设垂直第三螺线平面的末层水分传感针束6-1。
其中，第一平面螺线、第二平面螺线和第三平面螺线为阿基米德螺线。
利用水分测定单元上的首层、中层和末层水分传感针束采集的不同层次的土壤含水率频率值不同，继而测量出不同层次土壤内的体积含水率。且可以根据不同都土壤图质解构针对性选择不同长度的水分传感针束，水分传感针束材质可以为纤维或针束状等多形态。
最佳实施例：本实施例是对实施方式一的进一步说明，在本实施例中，还包括积水检测装置7，用于检测桩体1设定范围内的积水。
具体地，如图4所示，积水检测装置7可通过压力传感器等精确测量出地面上积水的深度、同时桩体1还可以安装的摄像头朝向地面识别出积水或是降水。并且，桩体1外侧设有量程约为半米的刻度标尺，可以显示地面上的积水深度。
本实施例的智能桩能够根据设定的降雨量开始响应，降雨响应并识别是否有积水，若有积水，智能桩通过积水检测装置7识别出积水。
采用压力传感器的积水深度识别原理，可以基于现有采用压力传感器的积水深度识别装置进行改装，与本实施例的智能桩结合，并且将识别数据通过智能桩中的无线通讯模块9发送至远端数据平台的服务器。
最佳实施例：本实施例是对实施方式一的进一步说明，在本实施例中，桩体1内顶部设有GPS定位系统8，用于得到智能桩的地理位置，通过将智能桩的地理位置映射到地图上进行测量网格划分，单个测量网格对应单个智能桩的工作区域。
具体地，如图4所示，智能桩的桩体1内分层布设了GPS差分定位系统、桩体1顶部设置有高精度卫星定位天线。GPS差分定位系统，作为网格化划分的依据。能够实现海绵城市的网格化和区块化及其的精确定位。通过对“海绵城市”施行范围内进行网格化划分，即可测定每个区块的实际渗透情况和对环境的影响。
本发明的智能桩还包括环境响应和识别传感系统，环境相应和识别传感系统通过内置在桩体的多种环境监测识别传感器(温度传感器、气压传感器、湿度传感器等)对各项环境指标进行精确监测，通过桩体1内置的数据分析运算系统2-2的处理，可对相应的环境行为进行识别，并判断出客户想要获知的环境行为，并传输至远端数据平台。
另外还具有与本智能桩相关联的远端数据处理和云计算平台。能够根据环境变化能及时响应与识别环境的多项信息数据，基于这些条件能够判断土壤中水的渗透率和渗透速度情况，实现对海绵城市建设的量化。
本发明的智能桩的技术参数如下：
土壤湿度测量范围：0～100％，测量精度：±3％；土壤温度测量范围：-30℃～70℃，测量精度：0.1℃；装置响应时间：<1秒。
根据降雨量多少开始相应，降雨相应并带有环境识别，若是积水，本桩自带积水深度识别功能，通过自带的压力传感器的识别以及识别摄像头能识别出积水。
记录间隔：30分～24小时(可调)；输出方式：GPRS；存储容量：无限云端存储；数据查看：智能桩本机读取数据以及Web网页系统平台远程查看；供电方式：风能、太阳能、锂电池等多种能源供电方式；防护外壳：PVC；防护等级：IP68；工作环境：-20℃～85℃；结构外观：集成管式(柱式)；尺寸：外径10-20cm，高80-120cm。
智能桩的具有如下特点：
1)集成一体化：将物联网通讯终端、数据存储和处理计算单元、关键主传感器在一个智能桩体中集成。
2)监测数据速查：通过手机扫描智能桩上的二维码，即可随时随地快速查询及浏览数据。
3)高频探测：本智能桩土壤水分测定系统能穿透地下塑料管网，有效感知土壤环境。
4)监测精准：土壤水分测定系统不会受土壤中盐离子、化肥、农药、灌溉以及农业活动的影响，不会影响测量结果，数据精准。
5)触发式感应：本智能桩的土壤水分测定分析模块2为触发式感应，当被测定区域的土壤水分已经监测过一次后，本系统即进入休眠状态，当区域内水分变化时，水分测定系统触发式相应，进入新一轮测定。
6)环保、便捷：土壤水分测定系统传感器电极避免直接接触土壤，避免电力对土壤及土壤中的植物的干扰、无放射性物质，不造成土壤二次污染、操作方便。
7)自动数据监控：本智能桩可设为无人值守、自动执行土壤水分监控、卫星定位、环境以及气象信息监测任务。
8)性能优越：本智能桩具有高性能数据采集及处理软件，具有数据采集、数据分析处理、数据库存储等功能。
9)采样种类多样、频次多样：智能桩内部系统具有数据采集间隔时间设置、内置时钟校对功能，能根据监测数据种类设定相应的采样频次。
总之，本智能桩的测量数据精度高、系统反应速度快；桩体采用环氧树脂材料、耐腐蚀、不受土壤土质条件限制，适用于各种土质、密封性好、可长期埋入地下使用；频域反射技术分辨率高，线性度好；电气部分主要是采用电路模块，维护简单；设备性能可靠、安装及操作简便，易于维护；无污染，测量的时候不需要破坏土层，方便连续测量。

Claims (9)

1.一种用于测量土壤水分参数的智能桩，其特征在于，包括桩体(1)、土壤水分探测传感器和土壤水分测定分析模块(2)；
所述桩体(1)固定于地表上方；
所述土壤水分探测传感器包括主轴水分探测针(3)和多层的水分测定单元，多层的水分测定单元用于测量不同土壤深度中的含水率；
所述主轴水分探测针(3)竖直插入桩体(1)正下方土壤中；
所述多层的水分测定单元分别位于距离桩体(1)底部不同深度的土壤中，且绕主轴水分探测针(3)分布；
土壤水分测定分析模块(2)设于所述桩体(1)内；
所述土壤水分测定分析模块(2)用于接收土壤水分探测传感器所采集的数据，处理后得到位于所述桩体(1)下方设定范围内土壤的水分含量和渗透率。
2.根据权利要求1所述的一种用于测量土壤水分参数的智能桩，其特征在于，主轴水分探测针(3)的长度为0.5～5m。
3.根据权利要求1或2所述的一种用于测量土壤水分参数的智能桩，其特征在于，
所述多层的水分测定单元包括由上至下分布的首层水分测定单元(4)、中层水分测定单元(5)和末层水分测定单元(6)；
所述首层水分测定单元(4)包括多个首层水分传感针束(4-1)，所述多个首层水分传感针束(4-1)沿第一平面螺线分布；
所述中层水分测定单元(5)包括多个中层水分传感针束(5-1)，所述多个中层水分传感针束(5-1)沿第二平面螺线分布；
所述末层水分测定单元(6)包括多个末层水分传感针束(6-1)，所述多个末层水分传感针束(6-1)沿第三平面螺线分布；
所述第一平面螺线、第二平面螺线和第三平面螺线分别以主轴水分探测针(3)或主轴水分探测针延长线上不同高度的点为起点；且所述第一平面螺线、第二平面螺线和第三平面螺线所在平面均与主轴水分探测针(3)竖直方向垂直。
4.根据权利要求3所述的一种用于测量土壤水分参数的智能桩，其特征在于，
所述首层水分测定单元(4)与桩体(1)底部的距离为1～3m；
所述中层水分测定单元(5)与首层水分测定单元(4)的距离为0.5～3m；
所述末层水分测定单元(6)与中层水分测定单元(5)的距离为0.5～3m。
5.根据权利要求4所述的一种用于测量土壤水分参数的智能桩，其特征在于，
所述第一平面螺线半径为0.5～2m；
所述第二平面螺线半径为1～3m；
所述第三平面螺线半径为2～4m。
6.根据权利要求4或5所述的一种用于测量土壤水分参数的智能桩，其特征在于，
相邻首层水分传感针束(4-1)之间的距离为沿第一平面螺线长度的0.1～0.3m；
相邻中层水分传感针束(5-1)之间的距离为沿第二平面螺线长度的0.3～0.6m；
相邻末层水分传感针束(6-1)之间的距离为沿第三平面螺线长度的0.6～0.9m。
7.根据权利要求6所述的一种用于测量土壤水分参数的智能桩，其特征在于，
首层水分传感针束(4-1)的长度为10～20cm；
中层水分传感针束(5-1)的长度为10～30cm；
末层水分传感针束(6-1)的长度为10～30cm。
8.根据权利要求1所述的一种用于测量土壤水分参数的智能桩，其特征在于，还包括积水检测装置(7)，用于检测桩体(1)设定范围内的积水。
9.根据权利要求1所述的一种用于测量土壤水分参数的智能桩，其特征在于，桩体(1)内顶部设有GPS定位系统(8)，用于得到智能桩的地理位置，通过将智能桩的地理位置映射到地图上进行测量网格划分，所述单个测量网格对应单个智能桩的工作区域。
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