用于小型灌区的水田灌溉水利用系数测试系统及测试方法

摘要

本发明涉及一种用于小型灌区的水田灌溉水有效利用系数自动测试系统，包括设置在农田的水位传感器、渠道水位传感器、土壤湿度传感器，数据采集分控系统，数据采集总空系统和上位机数据接收系统。本发明同时公开了该系统的测试方法。本发明与现有技术相比，系统拓展性好，稳定性强，操作简单，所采集数据准确度高，适宜于大规模推广。光电一体化水位测定装置依据设定的条件式唤醒测试机制，可大大降低定期测试造成的电量消耗，也更针对农田灌溉时间相对集中的特点，提高系统的可操作性。

说明书

技术领域

本发明属于农业水利工程领域，涉及一种适用于灌区的灌溉水有效利用系数自动化测定系统，本发明同时公开了其测试方法。

背景技术

我国水资源不足，供需矛盾突出，已成为经济社会可持续发展的关键制约因素。加快建设资源节约型、环境友好型社会，实现经济发展与人口、资源、环境相协调，是今后一项长期而紧迫的任务。目前，全国灌溉用水量约占总用水量的60％以上，灌溉面积的98％为地面灌溉，灌溉方式粗放，灌溉水的利用率和利用效益较低，因此，灌溉节水是建设节水型社会的首要内容。

灌溉水有效利用系数是在某次或某一时间内被农作物利用的净灌溉水量与水源渠首处总灌溉引水量的比值，它与灌区自然条件、工程状况、用水管理水平、灌水技术等因素有关，是评价灌溉用水效率的重要指标。跟踪分析灌溉用水有效利用系数变化情况，合理评价节水潜力与节水灌溉发展成效，对于促进灌溉节水健康发展具有重要意义。

目前灌溉水有效利用系数大多采用水利部推荐采用首尾法进行测试，测试选取典型点多、覆盖面大、测试时间长，且不同监测点采集的数据存在时间误差，基本覆盖作物全生育期，以人工测试为主，测试过程中人力成本高，且测试时间受天气、作物、土壤墒情等影响条件多，需配备较多人工冗余量，进一步推高了测试的人力成本，且人工测试过程中受读数误差等人为干扰因素影响，降低了灌溉水有效利用系数的准确性。因此，一种用于小型灌区的水田灌溉水有效利用系数自动测试系统借助于测试自动化、精确度高、无线通讯、数据便于集中处理等优势，具有较好的发展空间。同时，无线通讯技术网络覆盖范围不断增加，灌区也成为无线通讯技术网络覆盖范围，更使得本系统的大面积推广成为可能。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种灌溉水有效利用系数自动化测试系统，本发明同时公开了其测试方法。

技术方案：本发明采用如下技术手段加以实现：一种用于小型灌区的水田灌溉水有效利用系数自动测试系统，包括设置在农田的传感器、数据采集分控系统、数据采集主控系统及PC客户端，传感器与数据采集分控系统相连接，数据采集分控制系将数据通过射频网络传送给数据采集总控系统，数据采集总控系统将数据通过GSM模块传送给PC机客户端。

所述传感器包括田间水位传感器、土壤湿度传感器、渠道水位传感器，水位传感器、土壤湿度传感器均和数据采集分控系统相连。

在数据采集分控系统及数据采集主控系统上设置电源休眠管理电路，数据采集分控系统及数据采集主控系统使用太阳能和可充电锂电池加以供电。

一种用于小型灌区的水田灌溉水有效利用系数自动测试系统的测试方法，包括如下步骤：

1)数据采集主控系统发出巡检命令，将数据采集分控系统进行唤醒；

2)数据分控系统发出数据收集指令，将传感器中的数据加以收集，而后通过射频网络传输至数据采集主控系统；

3)数据主控系统收到数据后，通过GSM模块上传至PC机客户端；

4)PC机客户端收到数据后，发出休眠指令，令数据采集分控系统、数据采集主控系统休眠。

主控点和分控点采用定时唤醒式工作机制，主控点自醒的同时，分控点被同时唤醒，同时进行数据采集。

主控点和分控点同步唤醒，完成一个数据采集周期后，同时休眠，此时定时器清零，重新从零开始计时，可避免多次唤醒，休眠周期的累计误差，提高系统可靠性。

所述PC机客户端软件依据设定的计算参数进行灌溉水利用系数的计算。

系统采集数据时间周期可调。

有益效果：本发明与现有技术相比，系统采用低功耗设计，采用太阳能加可充电锂电池供电，避免田间铺设电缆。超低功耗设计及定时唤醒机制，适用于不方便使用市电的场合。测量周期间隔可调、测量速度快、精度高，避免测量时间间隔误差和人为误差，节省人力物力成本。

附图说明

图1是系统实现原理框图；

图2是数据采集分控系统原理框图；

图3是数据采集主控系统原理框图；

图4是超低功耗硬件电路定时器唤醒休眠电路图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明进行进一步详述：

本发明涉及一种用于小型灌区的水田灌溉水有效利用系数自动测试系统，包括设置在农田的传感器、数据采集分控系统、数据采集主控系统及PC客户端，传感器与数据采集分控系统相连接，数据采集分控制系将数据通过射频网络传送给数据采集总控系统，数据采集总控系统将数据通过GSM模块传送给PC机客户端。如图1所示，所述传感器包括田间水位传感器、土壤湿度传感器、渠道水位传感器，传感器测量得到的水位和土壤湿度数据通过无线数传模块传送给数据采集主控系统，数据采集主控系统把汇总到的数据及本点数据通过GSM模块传送给远程客户端。系统采用MSP430超低功耗单片机，外加硬件定时器唤醒和条件唤醒实现休眠、唤醒状态切换。当水位达到设定阈值时，触发主控系统工作，所有分控系统被同步唤醒，分控系统在主控系统的控制下，进行采样或休眠程序。分控系统和主控系统的原理如图2及图3所示，分控系统包括CPU，在CPU上连接flash芯片、AD转换模块、通讯管理模块及电源模块，AD转换模块连接传感器，通讯管理模块连接射频发射模块，在CPU上还设置电源休眠管理模块，电源模块包括太阳能电池及可充电的锂电池，太阳能电池与锂电池连接在充电管理模块上，平时依靠太阳能为系统供电，同时太阳能电池亦可对锂电池进行充电，在没有太阳光照射的时候，系统依靠锂电池供电。主控系统同样包括CPU，在CPU上连接flash芯片、通讯管理模块及电源模块，不同的是通讯管理模块连接射频发射模块及与PC主机通信的GSM发射模块。主控系统和分控系统的唤醒均采用硬件定时器唤醒，避免了用单片机自身定时程序唤醒易出现程序跑飞的问题。硬件定时器唤醒电路如附图4所示，集成电路U1为CMOS集成电路CD4060，配合32.768KHz的晶振，在分频端Q14输出2Hz脉冲，送到下一个集成电路U2,进一步被分频，在U2的Q9、Q10、Q11、Q12、Q13、Q14端，分别输出周期为64秒、128秒、256秒、1024秒、2048秒的方波。用此方波驱动MOS管V1，V1再驱动MOS管V2,实现上电控制。V2使用低内阻的开关MOS管APM4953，导通时只有0.08Ω，几乎不带来压降损耗。跳线J1用来选择使用的方波频率。如果每天采样频度为两次，则间隔为12小时，使用上述电路最长间隔为2048s的自醒时间，自醒后由单片机程序首先查询并记录自醒次数，当计数达到12h/2048s＝21次时，才启动并采样一次。如果增加采集频度，只要改变程序的计数判定值即可。现场调试时，可以用跳线J1改变唤醒间隔，例如当唤醒间隔64s时，采样周期变成约22分钟，方便现场调试和观测数据采集情况。

当数据采集完成需要休眠时，由单片机控制给出一个高电平送到集成电路U1和U2的RST复位端上，使U1和U2的全部输出都变成低电平，场效应管V1、V2因此全部截止，所有采样电路供电停止。由于复位后U1和U2是从零重新开始计数的，所以计时也从零重新开始，等待下一次的方波的到来，开始一个新的上电周期。U1的Q14脚连接了一个发光二极管，以2Hz的频率闪烁，用来指示振荡器的工作。R1和C1构成的微分电路，使用周期2Hz的信号，在上跳沿点亮，以降低电池的电能消耗。由于CMOS电路具有低功耗的特点，这部分电路在工作时，只有10uA的耗电量。

同步自醒控制，在唤醒后的工作期间，如果因为某些点程序跑飞，或是主点分点之间的自醒时间不同步，都会出现没有应答进而导致主点持续查询或分点收不到休眠命令而一直处于工作状态。出现这种情况，这个系统是可以自愈的，在U1和U2的控制下，工作40分钟后被强行断电而结束各种错误，包括死机错误。这是由U1,U2形成的振荡器输出方波决定的，在40分钟高电平结束时，自然进入低电平状态实现断电。如果是在唤醒后的工作期间出现程序跑飞或者分点没有应答，不须等待定时器的40分钟定时结束，在休眠命令的控制下，由CPU发出命令，使U1、U2复位，实现断电后重新上电。