本發(fā)明技術(shù)屬于水土保持監(jiān)測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及水土保持影響因子及水土流失量自動(dòng)監(jiān)測(cè)裝置。

背景技術(shù)：

傳統(tǒng)的水土保持監(jiān)測(cè)工作是人工定期將所需監(jiān)測(cè)的各個(gè)儀器帶至監(jiān)測(cè)點(diǎn)，各儀器獨(dú)立工作，并將監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行記錄的方式。該方法要求測(cè)量人員定期到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，同時(shí)每次需攜帶大量?jī)x器設(shè)備，而且，人工測(cè)量、記錄存在較大誤差和諸多不確定性因素，嚴(yán)重影響監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種集成化水土保持在線監(jiān)測(cè)裝置及監(jiān)測(cè)方法，用于水土保持監(jiān)測(cè)工作的水土流失影響因子、水土流失量的自動(dòng)監(jiān)測(cè)，以解決上述技術(shù)問(wèn)題。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)：

一種水土保持在線監(jiān)測(cè)裝置，包括主桿、測(cè)釬傳感器及土壤水分傳感器；主桿上安裝有雨量傳感器、風(fēng)速傳感器、視頻監(jiān)控模塊、太陽(yáng)能模塊、風(fēng)向傳感器、溫濕度傳感器、天線模塊和數(shù)據(jù)采集發(fā)送電路模塊；所述測(cè)釬傳感器、土壤水分傳感器、雨量傳感器、風(fēng)速傳感器、視頻監(jiān)控模塊、太陽(yáng)能模塊、風(fēng)向傳感器、溫濕度傳感器的輸出端均連接數(shù)據(jù)采集發(fā)送電路模塊；數(shù)據(jù)采集發(fā)送電路模塊連接天線模塊。

進(jìn)一步的，測(cè)釬傳感器包括測(cè)釬桿；測(cè)釬桿頂端固定有超聲波收發(fā)模塊，測(cè)釬桿上還設(shè)有與超聲波收發(fā)模塊距離固定的標(biāo)準(zhǔn)反射板。

進(jìn)一步的，超聲波收發(fā)模塊包括超聲波收發(fā)專用芯片機(jī)、超聲波發(fā)射電路、超聲波接收電路和超聲波換能器；超聲波收發(fā)專用芯片機(jī)連接超聲波發(fā)射電路的輸入端和超聲波接收電路的輸出端，超聲波發(fā)射電路的輸出端連接超聲波換能器的控制端，超聲波換能器的輸出端連接超聲波接收電路的輸入端；標(biāo)準(zhǔn)反射板正對(duì)超聲波換能器發(fā)出超聲波的一側(cè)設(shè)置。

進(jìn)一步的，超聲波收發(fā)專用芯片機(jī)作為系統(tǒng)的主控芯片，控制超聲波的發(fā)射與接收，并在每次超聲波發(fā)射或接收時(shí)，控制計(jì)時(shí)作為超聲波的傳播時(shí)間；同時(shí)，單片機(jī)預(yù)留rs485接口，用于數(shù)據(jù)傳輸。

進(jìn)一步的，超聲波收發(fā)專用芯片機(jī)的型號(hào)為tdc1011。

一種水土保持在線監(jiān)測(cè)裝置的監(jiān)測(cè)方法包括以下步驟：

主桿上的雨量傳感器、風(fēng)速傳感器、視頻監(jiān)控模塊、風(fēng)向傳感器和溫濕度傳感器，以及測(cè)釬傳感器、土壤水分傳感器將各測(cè)量實(shí)時(shí)值送入安裝在主桿內(nèi)的數(shù)據(jù)采集發(fā)送電路模塊中，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)采集發(fā)送電路模塊內(nèi)設(shè)置的單片機(jī)及多路數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、收發(fā)采集卡將各路數(shù)據(jù)處理并轉(zhuǎn)換成3g/4g信號(hào)通過(guò)天線模塊遠(yuǎn)傳到數(shù)據(jù)中心進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、備份和分析，實(shí)現(xiàn)異地遠(yuǎn)程監(jiān)控并累積當(dāng)?shù)厮亮魇в绊懸蜃蛹八亮魇Я啃畔ⅰ?/p>

一種水土保持在線監(jiān)測(cè)裝置的監(jiān)測(cè)方法，包括以下步驟：

主桿上的雨量傳感器、風(fēng)速傳感器、視頻監(jiān)控模塊、風(fēng)向傳感器和溫濕度傳感器，以及測(cè)釬傳感器、土壤水分傳感器將各測(cè)量當(dāng)前值送入安裝在主桿內(nèi)的數(shù)據(jù)采集發(fā)送電路模塊中，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)采集發(fā)送電路模塊內(nèi)設(shè)置的單片機(jī)及多路數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、收發(fā)采集卡將各路數(shù)據(jù)處理并轉(zhuǎn)換成3g/4g信號(hào)通過(guò)天線模塊遠(yuǎn)傳到數(shù)據(jù)中心進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、備份和分析，實(shí)現(xiàn)異地遠(yuǎn)程監(jiān)控并收集當(dāng)?shù)厮亮魇в绊懸蜃蛹八亮魇Я啃畔ⅲ?/p>

其中，測(cè)釬傳感器監(jiān)測(cè)時(shí)，包括：測(cè)釬桿插入待測(cè)坡面，超聲波收發(fā)模塊發(fā)出超聲波，當(dāng)超聲波傳播到標(biāo)準(zhǔn)反射板時(shí)，超聲波一次返回，超聲波收發(fā)模塊接收到一次返回的超聲波；未返回的超聲波傳播到待測(cè)坡面二次返回，超聲波收發(fā)模塊接收到二次返回的超聲波；通過(guò)對(duì)兩次傳播的時(shí)間，確定二次傳播的距離即測(cè)量超聲波收發(fā)模塊與坡面的距離。

進(jìn)一步的，具體的，超聲波收發(fā)模塊與標(biāo)準(zhǔn)反射板之間的間距為sn；超聲波第一次返回的時(shí)間為標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間tn；超聲波第二次返回的時(shí)間為tx，超聲波收發(fā)模塊距離坡面的距離為

進(jìn)一步的，按照設(shè)定的時(shí)間梯度，重復(fù)監(jiān)測(cè)超聲波收發(fā)模塊距離坡面的距離，通過(guò)兩次測(cè)量數(shù)據(jù)之差計(jì)算得該位置水土流失量的厚度信息。

本發(fā)明可選擇溫濕度傳感器、風(fēng)速傳感器、風(fēng)向傳感器、雨量傳感器、土壤水分傳感器、自校準(zhǔn)超聲測(cè)釬傳感器等所需監(jiān)測(cè)的指標(biāo)傳感器。

本發(fā)明采用鍍鋅鋼板折彎成型的六棱柱形主桿，電路部分全部走主桿內(nèi)部，設(shè)計(jì)統(tǒng)一接口，滿足監(jiān)測(cè)傳感器安裝的便捷性和通用性，即本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的傳感器及功能模塊，可依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況選擇安裝與否，如有系統(tǒng)未設(shè)計(jì)的監(jiān)測(cè)因子也可選擇合適的傳感器安裝使用。

本發(fā)明全部采用工業(yè)級(jí)rs485通訊接口的監(jiān)測(cè)傳感器，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳及自動(dòng)監(jiān)測(cè)。

本發(fā)明利用網(wǎng)絡(luò)無(wú)線傳輸技術(shù)，實(shí)現(xiàn)異地遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸。

本發(fā)明系統(tǒng)電源模塊采用太陽(yáng)能板輔助市政供電。

本發(fā)明系統(tǒng)安裝攝像頭，現(xiàn)場(chǎng)360度監(jiān)控，同時(shí)遠(yuǎn)程可操控監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)水土流失狀況及水土保持措施實(shí)施狀況。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：

1、采用鍍鋅鋼板折彎成型的六棱柱形主桿，電路部分全部走主桿內(nèi)部，設(shè)計(jì)統(tǒng)一接口，使系統(tǒng)傳感器及功能模塊可依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況選擇安裝與否，如有系統(tǒng)未設(shè)計(jì)的監(jiān)測(cè)因子也可選擇合適的傳感器安裝使用。

2、通過(guò)系統(tǒng)集成，節(jié)省傳統(tǒng)測(cè)量的人工成本，同時(shí)避免人工讀數(shù)記錄不準(zhǔn)引起監(jiān)測(cè)誤差。

3、系統(tǒng)定時(shí)監(jiān)測(cè)，視頻監(jiān)控，遠(yuǎn)程傳輸，全面及時(shí)了解項(xiàng)目水土流失狀況。

4、系統(tǒng)注重低能耗設(shè)計(jì)，電源接220v市政供電，同時(shí)安裝太陽(yáng)能模塊，以備停電儀器持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。

本發(fā)明將水土保持監(jiān)測(cè)工作與現(xiàn)代測(cè)試技術(shù)和通信技術(shù)相結(jié)合，將水土流失影響因子、水土流失量等指標(biāo)監(jiān)測(cè)儀器集成并在項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)安裝，進(jìn)行定時(shí)監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)的結(jié)果現(xiàn)場(chǎng)顯示并遠(yuǎn)程傳輸，避免傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)耗時(shí)耗力且測(cè)量誤差大的問(wèn)題。

附圖說(shuō)明

圖1為水土保持在線監(jiān)測(cè)裝置結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為圖1另一視角的示意圖；

圖3為圖1另一視角的示意圖；

圖4為水土保持在線監(jiān)測(cè)裝置系統(tǒng)流程圖；

圖5為自校準(zhǔn)超聲測(cè)釬裝置結(jié)構(gòu)圖；

圖6為自校準(zhǔn)超聲測(cè)釬裝置的測(cè)量方法流程圖。

附圖中標(biāo)記及對(duì)應(yīng)的零部件名稱：1為雨量傳感器、2為風(fēng)速傳感器、3為視頻監(jiān)控模塊、4為太陽(yáng)能模塊、5為風(fēng)向傳感器、6為溫濕度傳感器、7為天線模塊、8為主桿、9為數(shù)據(jù)采集模塊、10為測(cè)釬傳感器、11為土壤水分傳感器。

此處所說(shuō)明的附圖用來(lái)提供對(duì)發(fā)明實(shí)施例的進(jìn)一步理解，構(gòu)成本申請(qǐng)的一部分，并不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明實(shí)施例的限定。

具體實(shí)施方式

為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，下面結(jié)合附圖1對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明，發(fā)明的示意性實(shí)施方式及其說(shuō)明僅用于解釋本發(fā)明，并不作為對(duì)本發(fā)明的限定。

如圖1至圖3所示，本發(fā)明一種水土保持在線監(jiān)測(cè)裝置，包括雨量傳感器1、風(fēng)速傳感器2、視頻監(jiān)控模塊3、太陽(yáng)能供電的太陽(yáng)能模塊4、風(fēng)向傳感器5、溫濕度傳感器6、信號(hào)遠(yuǎn)傳的天線模塊7、主桿8、數(shù)據(jù)采集發(fā)送電路模塊9、自校準(zhǔn)超聲測(cè)釬傳感器10及土壤水分傳感器11。

主桿8選用鋼板折彎成型的六棱柱形的主桿，地埋固定在監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)。主桿8上均布有六個(gè)懸臂，六個(gè)懸臂上各安裝有傳感器，具體為：雨量傳感器1安裝在主桿8上，信號(hào)輸出端與安裝在主桿8上的數(shù)據(jù)采集發(fā)送電路模塊9相連；風(fēng)速傳感器2安裝在主桿8上，信號(hào)輸出端與安裝在主桿8上的數(shù)據(jù)采集發(fā)送電路模塊9相連；視頻監(jiān)控模塊3安裝在主桿8上，信號(hào)輸出端與安裝在主桿8上的數(shù)據(jù)采集發(fā)送電路模塊9相連；太陽(yáng)能模塊4安裝在主桿8上，信號(hào)輸出端與安裝在主桿8上的數(shù)據(jù)采集發(fā)送電路模塊9相連，為系統(tǒng)供電；風(fēng)向傳感器5安裝在主桿8上，信號(hào)輸出端與安裝在主桿8上的數(shù)據(jù)采集發(fā)送電路模塊9相連；溫濕度傳感器6安裝在主桿8上，信號(hào)輸出端與安裝在主桿8上的數(shù)據(jù)采集發(fā)送電路模塊9相連；信號(hào)遠(yuǎn)傳的天線模塊7安裝在主桿8上，信號(hào)輸出端與安裝在主桿8上的數(shù)據(jù)采集發(fā)送電路模塊9相連；數(shù)據(jù)采集發(fā)送電路模塊9安裝在主桿8上；測(cè)釬傳感器10就近布置在主桿8附近，信號(hào)輸出端與安裝在主桿8上的數(shù)據(jù)采集發(fā)送電路模塊9相連；土壤水分模塊11就近布置在主桿8附近，信號(hào)輸出端與安裝在主桿8上的數(shù)據(jù)采集發(fā)送電路模塊9相連。

雨量傳感器1選用脈沖輸出的雨量傳感器，雨量傳感器1獨(dú)立安裝在主桿8上，信號(hào)線獨(dú)立走線，模塊化安裝。

風(fēng)速傳感器2選用rs485接口的風(fēng)速傳感器，風(fēng)速傳感器2獨(dú)立安裝在主桿8上，信號(hào)線獨(dú)立走線，模塊化安裝.。

視頻監(jiān)控模塊3選用帶云臺(tái)的網(wǎng)絡(luò)數(shù)字監(jiān)控云臺(tái)攝像頭，視頻監(jiān)控模塊3獨(dú)立安裝在主桿8上，信號(hào)線獨(dú)立走線，模塊化安裝。遠(yuǎn)距離360度無(wú)死角監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)情況及各傳感器運(yùn)行狀態(tài)及人、動(dòng)物對(duì)各設(shè)備的破壞。

太陽(yáng)能模塊4選用50w單晶太陽(yáng)能組件，太陽(yáng)能模塊4獨(dú)立安裝在主桿8上，信號(hào)線獨(dú)立走線，模塊化安裝。

風(fēng)向傳感器5選用rs485接口風(fēng)向傳感器，風(fēng)向傳感器2獨(dú)立安裝在主桿8上，信號(hào)線獨(dú)立走線，模塊化安裝。

溫濕度傳感器6選rs485接口的溫濕度傳感器，溫濕度傳感器2獨(dú)立安裝在主桿8上，監(jiān)測(cè)當(dāng)?shù)卮髿鉁貪穸?，信?hào)線獨(dú)立走線，模塊化安裝。

信號(hào)遠(yuǎn)傳的天線模塊7選用無(wú)線路由3g/4g的天線模塊，天線模塊7獨(dú)立安裝在主桿8上，遠(yuǎn)傳實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)采集發(fā)送電路模塊9選用集接收與發(fā)送與一體的數(shù)據(jù)采集發(fā)送電路模塊，數(shù)據(jù)采集發(fā)送電路模塊9獨(dú)立安裝在主桿8上，接收各傳感器信號(hào)，并通過(guò)天線模塊7發(fā)送相關(guān)數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)中心。

測(cè)釬傳感器10采用自校準(zhǔn)超聲測(cè)釬傳感器，就近安裝在主桿8附近，信號(hào)線獨(dú)立走線進(jìn)入主桿8上安裝的數(shù)據(jù)采集發(fā)送電路模塊9內(nèi)，監(jiān)測(cè)當(dāng)?shù)赝寥懒魇Я俊?/p>

請(qǐng)參閱圖5和圖6所示，測(cè)釬傳感器10，包括一根測(cè)釬桿101、超聲波收發(fā)模塊102和標(biāo)準(zhǔn)反射板103。超聲波收發(fā)模塊102與標(biāo)準(zhǔn)反射板103連接于測(cè)釬桿101上，超聲波收發(fā)模塊102與標(biāo)準(zhǔn)反射板103距離固定。其中，超聲波收發(fā)模塊102內(nèi)設(shè)置有單片機(jī)及tdc1011超聲波收發(fā)專用芯片104、超聲波發(fā)射電路105、超聲波接收電路106和超聲波換能器107。單片機(jī)及tdc1011超聲波收發(fā)專用芯片104連接超聲波發(fā)射電路105的輸入端和超聲波接收電路106的輸出端，超聲波發(fā)射電路105的輸出端連接超聲波換能器107的控制端，超聲波換能器107的輸出端連接超聲波接收電路106的輸入端；標(biāo)準(zhǔn)反射板103正對(duì)超聲波換能器107發(fā)出超聲波的一側(cè)設(shè)置。

標(biāo)準(zhǔn)反射板103與超聲波收發(fā)模塊102組合構(gòu)建超聲發(fā)射、接收測(cè)距平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)測(cè)試參數(shù)自動(dòng)校準(zhǔn)功能，避免測(cè)試環(huán)境干擾對(duì)超聲波的影響。

當(dāng)自校準(zhǔn)超聲測(cè)釬裝置用于水土流失量監(jiān)測(cè)時(shí)，先將測(cè)釬桿101插入待測(cè)坡面108，依據(jù)土壤類型與現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的不同，確定本裝置插入地面的深度，以保證裝置在監(jiān)測(cè)期間的穩(wěn)定性。

首先，進(jìn)行一次測(cè)量，單片機(jī)及tdc1011超聲波收發(fā)專用芯片104控制發(fā)射電路105通過(guò)超聲波換能器107發(fā)出超聲波109，當(dāng)超聲波109傳播到標(biāo)準(zhǔn)反射板103，超聲波109一次返回，超聲波換能器107接收到一次返回超聲波109，通過(guò)超聲波接收電路106傳回給單片機(jī)及tdc1011超聲波收發(fā)專用芯片104；

未返回的超聲波109傳播到待測(cè)坡面108后二次返回，超聲波換能器107接收到二次返回超聲波109，再通過(guò)超聲波接收電路106傳回給單片機(jī)及tdc1011超聲波收發(fā)專用芯片104。由于標(biāo)準(zhǔn)反射板103與超聲波收發(fā)模塊102的距離一定，兩次傳播的超聲波波速相同，則通過(guò)對(duì)兩次傳播時(shí)間的確定，可得到二次傳播的距離即測(cè)量超聲波收發(fā)模塊102與樣地坡面的距離。

在水土流失量監(jiān)測(cè)工作中，通過(guò)確定的時(shí)間梯度后再次測(cè)量超聲波收發(fā)模塊102與樣地坡面的距離。通過(guò)rs485通訊將數(shù)據(jù)傳至上位機(jī)，可通過(guò)兩次測(cè)量數(shù)據(jù)之差計(jì)算得該位置水土流失量的厚度等信息。

本發(fā)明利用超聲測(cè)距原理監(jiān)測(cè)水土流失量相關(guān)數(shù)據(jù)，再通過(guò)rs485通訊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，系統(tǒng)自動(dòng)計(jì)算得到水土流失量等相關(guān)數(shù)據(jù)。本裝置是將超聲波收發(fā)裝置置于測(cè)釬的頂部，在釬的中間距離超聲波收發(fā)裝置sn距離處放置一塊標(biāo)準(zhǔn)反射板，當(dāng)超聲波發(fā)射裝置發(fā)射超聲波時(shí)，超聲波傳播到標(biāo)準(zhǔn)反射板第一次返回，測(cè)得標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間tn；未返回的超聲波傳播到測(cè)量坡面后二次返回，測(cè)得往返時(shí)間tx，那么超聲波收發(fā)裝置距離坡面的距離為

這樣實(shí)現(xiàn)了測(cè)釬法監(jiān)測(cè)水土流失量的自動(dòng)監(jiān)測(cè)，避免了傳統(tǒng)測(cè)釬法耗時(shí)耗力且易破壞坡面穩(wěn)定性的弊端；通過(guò)二次反射原理的實(shí)現(xiàn)，在保證精度的情況下避免了對(duì)溫度、濕度、氣壓等環(huán)境值的計(jì)算，保證超聲測(cè)釬結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉。

土壤水分模塊11選用rs485接口的土壤水分傳感器，土壤水分模塊11就近安裝在主桿8附近，信號(hào)線獨(dú)立走線進(jìn)入主桿8上安裝的數(shù)據(jù)采集發(fā)送電路模塊9內(nèi)，監(jiān)測(cè)當(dāng)?shù)赝寥浪智闆r。

為了對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步了解，現(xiàn)對(duì)本發(fā)明一種水土保持在線監(jiān)測(cè)裝置的監(jiān)測(cè)方法做進(jìn)一步說(shuō)明。

請(qǐng)參閱圖2所示，主桿8上安裝的雨量傳感器1、風(fēng)速傳感器2、視頻監(jiān)控模塊3、風(fēng)向傳感器5、溫濕度傳感器6、自校準(zhǔn)超聲測(cè)釬傳感器10、土壤水分傳感器11將各自采集到的數(shù)據(jù)信息經(jīng)過(guò)信號(hào)線傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集發(fā)送電路模塊9內(nèi)，數(shù)據(jù)采集發(fā)送電路模塊9對(duì)各輸入信號(hào)進(jìn)行分析對(duì)比后轉(zhuǎn)換成無(wú)線信號(hào)，經(jīng)過(guò)信號(hào)遠(yuǎn)傳天線模塊7遠(yuǎn)傳到數(shù)據(jù)接收中心，對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、分析、歸檔，裝置運(yùn)行所需的電源由市政供電、太陽(yáng)能模塊4備用供電。

以上所述的具體實(shí)施方式，對(duì)本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施方式而已，并不用于限定本發(fā)明的保護(hù)范圍，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。