自动喷淋防尘施工方案-修改版

西黄村自动喷淋降尘（防尘）系统施工方案编制单位：编制日期：z.目录1工程概述2防尘、降尘现场喷淋系统布置2.1防尘、降尘现场喷淋系统2.1.1水源2.1.2泵房2.1.3管道及管道阀门2.2给水器布置2.2.1喷头2.2.2快速给水阀2.3控制系统2.3.1分散式控制网络系统2.3.2实时监控系统3安装方法及技术要求3.1定位放线3.2管沟开挖3.3管线敷设3.4喷头组合4节能喷淋系统气象站的设计土壤水分土壤含水量重要指标4.1.2土壤水势可细分为重力势、基模势和溶质势4.2自动气象站的设计4.2.1自动气象功能4.2.2自动气象站数据采集性能指标z.4.2.3传感器的选择及工作原理4.3主要传感器电路的设计4.3.1温度测量电路4.3.2湿度测量电路4.3.3气压采集测量4.3.4风速风向测量4.3.5雨量信号采集4.4无线收发模块选择4.4.1串行通信4.4.2电源设计4.5印刷电路板设计5效益分析z.1、工程概述本工程项目位于市西五环西黄村地区，须洒水降尘面积为441167.144，散布在9块不规则的拆迁地块。为了相应国家及市防尘治理总体要求，本工程的喷淋系统确保在任何天气情况下在3〜4个小时内完成一次整场的浇灌任务，使现场裸露土地不起尘、不扬沙，保证现场土地湿润，土地表面含水率30%左右。本工程的喷淋系统采用全自动全覆盖喷淋系统，是一个实时监测施工现场环境的自动气象站（对多组气象要素进行监测温度、湿度、土壤湿度、风向等），通过无线接收模块把数据实时的传输到中央控制电脑进而控制喷头，即达到降尘、防尘又节能节水的目的。2、防尘、降尘现场喷淋系统布置本工程防尘、降尘的面积较大且分布不集中，这也决定了喷淋系统输水距离较长、管径规格较多，这在同等面积的建筑给排水工程中也是少见的，所以在*些情况下需要考虑分区给水或增设加压泵站，这又与高层建筑的给水类似，现场喷淋系统一般要求将全场均匀覆盖其中喷头的布置类似于建筑给排水中的消防喷头的布置，为保证安全供水，现场的给水主管道通常设计成纵深排列管网，其管径确定的过程又与市政管网的计算比较接近。2.1防尘、降尘现场喷淋系统防尘、降尘现场喷淋系统流程如图2-1所示：z.水源对于需防尘、降尘的现场必须要有可靠的水量保证，能作喷淋水源的有：人工湖、池塘、附近水库、井水、溪流、河水、自来水或自建蓄水池。也就是地表水和地下水。（一）地表水作为水源时应考虑：1、干旱期是否会出现断流。2、枯水期水位及流量。3、水质是否满足要求，上游是否有潜在污染源。（二）地下水作为水源时应考虑：1、水质是否满足要求。2、当地政府或相关部门对开采地下水是否有法律法规限制。当一处防尘、降尘现场有较多水源可供选择时，应从长远处着眼，了解相关信息，为现场提供一个真正可持续发展的水源。泵房泵房占地面积通常较小，水泵多选用立式机组以节省空间。泵房通常建在水源充足可持续利用的地方。泵房内通常设有水泵、控制柜、过滤器、逆止阀、水表等设备，设计时应遵循《泵站设计规*》中的相应规定。另外由于现场为拆迁地块，土质差，容易被扰动，喷淋系统通常使用的管材均为UPVC管材具有一定的弹性，在管道充水时会z.有一定的膨胀变形加速管材老化，所以为延缓管材老化延长管道的使用寿命，现管材全部使用SDR11管系的PE管且全线敷镀锌保护管，而且通常会在泵房内设置一台小流量的稳压泵，在主泵不开启时保持管道内的压力，减少管道膨胀变形的次数。同时避免在较小用水量的情况下启动主泵的次数。泵站的位置对整个喷淋系统的造价有着直接的影响。泵站的高程决定了水泵的扬程，在相同的流量下，较高位置的泵站可能会选用扬程较小的水泵，低处的管路和喷头处有着过高的压力而较高的喷头除却没有足够的压力来使其正常工作，这点在防尘、降尘现场中体现的尤为明显。泵房平面位置的确定需要注意为了使整个系统的工作压力均衡，降低管道的尺寸规格，应尽量将泵房布置在场地的中心位置。泵站的压力设定*围为0.4-1.6MPa,管网压力为.56MPa.当流量小于Qmin时，机组将周期地启动和停止，设滞后反映时间为10S,则压力罐容积为V：1.3管道及管道阀门1、主管主管管径一般在110mm3mm之间，管径的计算关键在于确定整个管网的工作状态。防尘、降尘现场面积大，喷头数量多，工作状态复杂多变，因此在确定管径时通常按2〜3处最不利点同时工作考虑；同时，为满现场局部的特殊供水要求，还应考虑一处最远或Z.最高点同时开启局部的喷头时的工作状态。结合以上这两种情况才能最终确定主管各管段的管径。主管在平面布置时应遵循以下原则：尽量沿施工通道布置以利于日常的检修和维护穿越施工通道的地方应加钢套管予以保护。减少转折点，减少不必要的水头损失。主管管道布置时，应尽量缩短长度，减少工程造价。主管尽可能的布置在平缓地带，降低施工难度。主管尽量避免布置在水边，以免出现故障时，增加损失和不必要的工作量。2、支管支管从主管引出，连接洒水器，一般布置为支状管网。为确保每条支管上的喷头压力均匀，任意两个喷水器工作时的压力差不得超过工作压力的20%。支管在平面布置时应遵循以下原则(1)直线布置，便于管沟开挖和运营中的检修。(2)简化支路，减少管沟开挖量，降低造价。Z.(3)尽可能将不同功能的喷头分开在不同的支路里，方便管理操作。3、支管保温管道保温的材料为岩棉材料。其中＞DN1管道应采用保温厚度为40MM材料，DN80—-DN32之间的管道应采用保温厚度为35MM的材料，DN32—-DN15之间的管道应采用的保温厚度为30MM。管道及设备的保温应在防腐及水压试验合格后方可进行，如需先做保温层，应将管道的接及焊缝处留出，待水压试验合格后再将接处保温。其操作方法一般由两人配合，一人将管壳缝剖开对包在管上，两手用力挤住，另外一人缠裹保护壳，缠裹时用力要均匀,压茬要平整，粗细要一致，封要严密。若采用不封边的玻璃丝布作保护壳时，要将毛边摺叠，不得外露。根据设计要求对所有的管道保温层外标识色环、水流指示，以区分管道内流动介质、种类和水流方向。4、阀主管检修阀使发生事故的地点完全断水以保证维修工作的进行，而其它各处不受事故影响或少受其影响，减少事故对系统整体正常工作的影响。主管检修阀应设于：管道交叉处。Z.管径变化处，此处也可不设。施工通道的侧向上游处。（二）支管检修阀应设于任意支管与主管连接处。当支管或喷头出现事故时，使用支管检修阀将事故管段与系统隔离开，避免影响其它管段的工作。（三）进排气阀设于管路中较高的位置，作用主要是避免管路积气，影响管路过水能力。进排气阀与主管连接处应设置阀门，以适应冬季不同的泄水方式。进排气阀也可设于管路末端。（四）泄水阀设于管路中较低处，通向人工湖或指定的泄水地点。泄水阀主要用来排除主管内的余水，支管和喷头内残留的水应在冬季上冻前用空气压缩机吹出。2.2给水器布置喷头为防尘、降尘现场提供均匀一致的浇水强度。通常采用正三角形来取得最大程度的均匀度。但完美的正三角形不是万能的，在*些特殊的位置，变形的三角形和变形的正方形可更适合场地的不规则形状。尽量避免使用四边形以上的多边形。喷头设计间距一般为喷头的工作Z.射程，三角形布置时最大间距不得超过射程的1.6倍，正方形布置时不得超过1.4倍。1、喷头的分类：（一）按品牌分：目前市场占主导地位的是TORO和RAINBIRD（美国雨鸟）两种，两种品牌喷头各有特点具体参数参见TORO产品目录和RAINBIRD产品目录。（二）按喷洒方式分为可调角度喷头和全圆喷头。（三）按安装位置分为地埋式喷头和地上式喷头。（四）按压力分为低压喷头，压力小于0.3MPa,中压喷头，压力为0.3-0.5MPa,高压喷头，压力大于0.5MPao2、喷头的选择：喷头在选择上应注意工作压力和流量，避免选择压力过大，流量过大的，这都会使系统建造费用增加。通常情况下，使用中压喷头，喷头压力过高会导致泵站压力需求升高，也可能导致喷淋系统管路要求压力等级升高。造成整体费用增加。在同等压力条件下，流量大的喷头，则要求水泵流量需求大，则水泵造价增高。3、喷头的布置方式防尘、降尘现场喷头有单行交叉布置、三角带状布置、四方环形布置三种形式，每种方式都有可能使用，而且每种方式都有一定的适Z.用条件和优缺点。快速给水阀快速给水阀覆盖面积较大，用于喷淋喷头不能覆盖的区域或喷头喷淋水量不足的区域。当管段出现事故时，快速给水阀应能够替代喷头为现场提供完整的浇水覆盖面以及出现火灾等需大量给水的地方。快速给水阀分为2种。1、1寸快速给水器：覆盖*围在65m左右布置两两对浇。不易过长，避免人工浪费。2、2寸快速给水器：布置时沿主管2m左右一个，主要用于北方冬季冻期较长的地区冬季补水。2.3控制系统控制系统可根据操作方式分为手动、半自动、全自动三种方式。全自动控制系统是一套完整的全自动控制系统，包括气象站、中央电脑、卫星站和喷头自带的电磁阀。气象站收集各种气象、防尘、降尘现场资料反馈至中央电脑，中央电脑对气象资料进行分析后针对不同的气象条件向卫星站发布指令，从而实现对防尘、降尘现场的自动化和精确控制，同时有利于节水。喷淋程序的修改只需在中央电脑上进行。图2-3为自动控制系统网络。分散式控制网络系统z.工业过程控制系统己由集中式控制系统(FCS.Focalcontrolsystem)向DCS方向发展，控制结构也由集中式走向分散式。现场控制系统的特征是分散化、智能化及网络化，是一种分散式智能化控制系统，每1层可以独立工作也可以集中控制。DCS融合了自由拓扑结构见文献［2。现场节点，以分散自治，以点对点的通信方式，并通过各种智能网关、桥路器、路由器等实现两者网络节点的分段成组，而且还实现现场控制，分散式控制网络系统是自动控制走向智能控制的重要基础，大面积的防尘、降尘现场由计算机分散自治、网络信息系统集成控制，计算机网络拓扑结构实施智能化相对要求较低，例如，各分散工作站控制系统有湿度、温度、红外等传感器，可以不需要其它更复杂的传感器。工作站点计算机也可少置或不设置复杂的智能传感器，但是各工作站计算机控制系统必须为其准备和留有这些接，所以要求控制系统结构须建立在合适的“分解”与“集中”策略基础上。因为防尘、降尘现场面积大、工作站点分散，各工作站是一个具有“自治”功能的主体，过程特性主要表现为自治的信息行为为“分散”与“系统化”。1网络系统结构防尘、降尘现场自动化喷淋系统建立在一个4层计算机网络环境中。第1层在PC计算机系统上，系统软件的核心是数据库，该数据库是一个专家系统。它集中了植被、温度、空气湿度、数据处理等专业知识。硬件利用PC计算机的串行接与第2层计算机网络及第3z.层工作站点进行通信。第3层建立在单片计算机的系统上，该层计算机系统可以主动与第1层及第2层通信，通报第1层计算机系统当前工作站点的工作数据情况，第4层是强电力中间继电器控制电路，每个工作站可以分别独立控制8路电磁阀喷灌装置。4层计算机网络系统结构如表2-1所示从表2-1中可以看到第1层与第2层之间是一般通用的串行RS-232接，其数据传输用常规方式。在第2层与第3层之间，由于防尘、降尘现场各工作站点距离几百米左右，必须用调制解调器才能保证传输数据的正确性。基于这种客户机I服务器工作模式的一种网络体系结构，网络技术成了电脑系统中的关键技术。因此，客户枷服务器应用必然涉及到网络环境和网络协议。防尘、降尘现场电脑局域网为v-Net网，是一种非标准的令牌总线型局部网络，不能满足开放系统的要求，但电脑系统提供了一个通信网关ACG接，通过ACG接可以Ethernet实现网与v-Net网的互联。ACG网关具有以下特点。1)Ethernet支持通信接。ACG提供一个TCP,IP协议的Socket通信编程接。通过ACG命令方式访问ACG，可以对V-Net网上的FCS进行过程数据采集和给定质，以实现生产过程的监控和管理。针对DCS系统网络特性，将ACG作为DCS系统V-Net控制局z.域网Ethernet网络的网关将通进PC联接在以太网上形成以工作站为客户机，以DCS系统为服务器的DCS应用模式其网络结构见图2-4。2网络协议网络协议用于实现各种系统的网络联接和数据通信，目前可供选择的网络协议很多，CP/IP协议是当今世界上应用最广而不基于任何特定硬件平台的网络通信协议，是一种用于广泛异机互联的网络协议，已成为事实上的网络互联标准。TCP/IP协议的基本思想是通过网关将种不同的网络联接起来，在网络的底层协议之上构造一个虚拟网络平台，使用户与其它网络通信就像与网上主机通信一样方便。采用TCP/IP协议关键是可以解决异种联网和异种网互联的问题，它具有以下特点。（一）网络技术独立性，支持不同操作系统的计算机网络节点互联，不依赖于任何厂商的硬件，多数公司的产品都支持这种协议。（二）极强的通信能力，支持多种信息传输介质和网络拓扑结构，网际上的任何两台计算机都可以交换信息，实现端到端的透明联接。（三）支持标准应用协议，电子、文件传送和远程登录等。（四）提供较强的应用程序开发接，为开发数据采集程序提供了有效的保证。鉴于DCS、ACG、TCP/IP支持协议以及基于PC的TCP/IP协议应z.用广泛的事实，选用TCP/IP协议作为DCS结构中的网络互联协议。3DCS工作方式为了降低成本，计算机硬件的服务器主机采用一般的PC-四核机，工作站机采用单板机系统，该单板机CPU用16双通道可编程接、Mc1468-CMOS芯片实钟存储、9位数码显示器、8GRAM存储器、8通道3态控制电路。外部接调制解调器接以及三相大功率继电器控制电路，客户机服务器应用技术的主要特点是增强数据共享能力和实现异结构系统间的数据交换与控制。TCP/IP协议是目前最成熟、应用最广泛的互联网技术，拥有完整的体系结构和协议标准，它的互联网络应用程序接（API）主要是Socket。在TCP/IP网络中主要的进程间通信模型是著名的客户机服务器模型Socket是面向模型设计服务器（ACG）的对客户机和服务器分别提供不同的系统调用，使网络客户机和服务器通过socket实现网络之间的联接和数据交换，我们选用Socket3种主要类型中的streamsocket型PC实现机与通道机及ACG服务器的通信过程.Streamsocket接定义了一种可靠的联接服务，实现无差错无重复的顺序数据传输，它通过内置的流量控制解决了数据的阻塞，将数据当作字节流，可以发送任意长度的数据。实时监控系统在防尘、降尘现场控制系统中，我们开发了第1层的实时控制数据库系统软件。第1层充分利用MS-DOS系统的MODE串行接z.的通信能力，第2层是通道控制计算机，内部为8-16的通道存储器，第1层将各工作站，每个工作站点内为8〜16个喷灌头，数据存储在其中，按时钟分别传输到各站点计算机。各站点内部的计算机系统可以接收到第1层数据库脱机“自治”用户可以在各站点计算机上设置不同喷灌头的工作日期、开机时间、关机时间，最多可存储两个星期，每天可设置两组开l关机工作程序，当设置完成后客户机会申请向第2层及第1层通信，传输客户机内有工作程序，以便第1层服务器统计、决策。1服务器为主机：是一个实时的数据库系统，数据库内的时钟有用户决策系统、控制系统、管理系统，系统最显著的特点就是能双向数据采集与通信，即可以预报，又可以实时显示运输系统当前状态。2数据采集功能：支持各实时网点喷淋过程的数据采集和发送，实现与网络文件服务器和各监控站的信息交换，生成实时数据库和喷淋记录历史数据库，以便进行喷淋过程控制实时数据的动态监控和相应的处理。3动态监控功能：自动喷淋实时监控系统提供清晰完整的喷淋过程动态监测，支持喷淋过程实时数据接收、各工作站点工作情况的动态显示、自动喷淋过程数据统计以及事件故障报替功能。4信息处理功能：自动喷淋系统实时监控系统不仅提供工作状态监控功能，还支持防尘、降尘现场状态的数据库历史记录，对现场维护提供不同季节，不同气候，不同时间等，并产生报表和文件。z.5过程动态功能：控制过程实时监控系统为组态型应用系统，通过组态系统软件操作方便的特点，自动组成维护环境。在充分考虑各功能特点和它们的相互关系，系统设计了以下7个功能模块：实时数据采集模块、实时数据发送模块、实时数据接收模块、过程动态监控模块、系统过程记录加工模块、系统组态和图形编辑模块，逻辑结构见厂系统在使用中可以及时地增删改变监控对象及相应的数据属DCS实时监测系统功能模块实时数据采集模块实时数据发送摸块实时数据接收模块系统过程图2-5。图2-5过程实时控制系统功能结构在设计中应注意：中控系统应布置在管理室、泵房或监控室，方便营运管理。气象站应设于开敞的位置，以便于收集真实的资料，应避开树木、建筑的影响，气象站的环境应与防尘、降尘现场一致或相近。连接时尽量减少支管长度，降低造价。使支管连接方向保持一致，方便管沟开挖。做环路连接时，尽量使每个环路控制的喷淋*围大致相等。注意一条支路上同时开启的喷头数量。控制系统流程图如图2-6所示：3安装方法及技术要求z.3.1定位放线施工前按照预定的施工顺序按图予以放样并由监理工程师确认管沟、喷头、快速取水器、混凝土镇墩建议选用不同的石灰线分别表示。管线的基本布局按设计图纸放线。喷头的间距和布置间距不能变喷头布置采取等边三角形布设的原则。如果防尘、降尘现场的实际布局与原设计中显示的一致，则严格按照设计图纸进行放线。如果防尘、降尘现场的实际布局与原设计中显示的不一致，则根据施工现场的实际情况，在和甲方代表沟通商量，取得甲方代表的同意下，作合理的调整。放样后对原设计的修改应记录在案，与设计师协商、核定无误后进行施工。3.2管沟开挖此项工程根据施工现场的土壤情况的状况，决定主管沟开挖采用挖沟机，支管沟开挖采用人工开挖。1、开挖标准支管沟：①63以内管线管沟：深7mm,宽4mm。干支管沟：①75以外管线管沟：深8mm,宽5mm。在管道相交处采用人工开挖。过路管应使用套管处理，沟底宽以管径两侧各留10cm空隙为准。2、管沟开挖时注意事项及技术要求：当管沟开挖时如遇到不同的土层结构时，必须将每层土单独堆放，z.已备回填管沟时所用，沟槽开挖完成后，沟底要平整，且没有坚硬的土块和石头等杂物。3、沟槽清理：管沟开挖时由专人负责保护现场定线标示物，以免丢失，且不能随意改变标示物位置，力求开挖后标示物位置与放线结果一致，管沟开挖后管道安装前应将沟底坚硬锐利杂物清除。清理原则为人工清理，使沟槽尽量平整，清除一些较大和较硬的土块或石块，如遇松软或易塌陷的土质除按规定处理办法外，堆土应离沟边80cm以上，以减轻侧土压。3.3管线敷设敷设原则基本上按图纸施工，局部可做一些变动与调整。在管线安装时，必须按照设计图中标注的尺寸及位置，在施工现场配以相应的管件进行连接。并且在每天工作结束或一段管线施工告一段落时及时将管堵上，并且标明位置，以防异物进入管内和管子移动。主管与支管均采用承插接、胶圈密封的接管方式。支管管件采用胶粘连接方式。主管转弯地方采用22.5°、45°和90。弯头，均为钢塑弯头。支管采用的45°和90。弯头及其他配件均为PE配件。管道连接前要进行外观检查，发现有破损、裂痕、明显变形、颜色不统一等异常现象的管道必须立即更换，并加以标记另行保管。支管上的弯头配件，均采用胶接接形式，要求在其部位务必垫z.实，以保护管道及配件。主管与支管的连接采用分水鞍分水，支管与千秋架的接采用变径三通，通过千秋架调节喷头高度。穿过施工通道的管道均需采用适合管径的套管及其它有效措施，使穿路部分的管道的抗压强度增强达到设计要求。主管上的隔离闸阀及检修阀均设置在钢制配件附近。1主管线安装主管线安装均采用承插连接，管件采用钢塑管件。连接程序清理工作面T刷润滑剂T对插入^塞检查。a）安装前，首先检查管材、管件及胶圈的质量，并把承和插工作面擦拭干净。b）将胶圈按规定的方向放入承凹槽内，不得扭曲。c）胶圈和插入部分涂刷润滑剂。d）承插对并保持管线轴线平直。e）在插上标记插入深度的线。3.4喷头组合喷头的组合形式也称喷头的布置形式，指在喷灌系统中的喷头之间的相对位置而言。在全圆喷洒情况下，有正方形、正三角形、矩形和等腰三角形等4种组合形式，如图3-1。喷头组合的原则是：保证喷洒不留空白，并有较高的均匀度。喷Z.头布置的间距过大，造成喷洒不均匀，或留下空白处喷头布置过密，喷头和管道用量加大，增加了投资，且组合喷灌强度大。正确的选择组合间距是喷灌系统设计中的重要问题。根据图3-1，能够算出喷头的间距l、支管的间距b以及喷头的有效控制面积（图中的阴影部分），如表3-1所示：4节能喷淋系统气象站的设计喷淋是弥补自然降水在数量上的不足与时空上的不均、保证适时适量地满足防尘、降尘现场所需水分的重要措施。现代化的自动喷淋系统采用的是较为新进的技术，其关键技术就是土壤水分含量信号的来源和信号的采集。传感器的分布位置可以检测整个地区的平均土壤含水量的情况。一般是采用一组上限和下限湿度传感器分别控制喷淋系统触点开关，对等数量的上限传感器和下限传感器分别埋入防尘、降尘现场的各个湿度控制点。当达到上限指标时，表示防尘、降尘现场的土壤含水量已达到不积水且富有的标准。由于湿度传感器在制造过程中有一定的离散性，不可能对湿度响应时间完全一致。另一方面,一块防尘、降尘现场的土壤质地分布也略有不同喷头喷水的分布也部可能完全均匀，所以，一组上限和下限传感器部可能再同一时间内到定位的标准值。差异时间，时由传感器的本身和测试点分布情况决定的，因此一组上限传感器和下限传感器要根据喷水的均匀程度，合理地选择测试点。使差异时间越小越好。如果通过选择分布点后，最先与最后达到定位标准值的传感器，其时间差异不要过长，最好的方法Z.就是调节各个传感器的定位标准值，但误差不要太大，使达到定位标准值的差异，时间控制在短时间内。还可以采用延长保持采样时间案的方法，将保持时间延长，但不能过长，否则各个测试点水分湿度分布差异将会明显增大。湿度感应器的设计及工作原理的依据是来源于土壤水分的表示方式和重要指标。4.1土壤水分土壤水存在于土壤孔隙中，尤其是中小孔隙中，大孔隙常被空气所占据。蒸腾和蒸发的水加起来叫做蒸散，是土壤水进入大气的两条途径。表层的土壤水受到重力会向下渗漏，在地表有足够水量补充的情况下，土壤水可以一直入渗到地下水位，继而可能进入江、河、湖、海等地表水。土壤中水分的多少有两种表示方法：一种是以土壤含水量表示，分重量含水量和容积含水量两种，二者之间的关系由土壤容重来换算。另一种是以土壤水势表示，土壤水势的负值是土壤水吸力。1、土壤水的类型划分及有效性，水分含量表示方法，水分含量测定方法2、土水势及其分势，土壤水吸力，土壤水能态的定量表示，土水势测定，水分特征曲线3、饱和土壤中的水流，非饱和土壤中的水流，土壤中的水汽运z.动。入渗、土壤水的再分布和土面蒸发4、土壤中的溶质运移，包括对流、分子扩散、机械弥散、水动力弥散掌握土壤水含量的表示方法：重量百分数，容积百分数，土壤水贮量，壤水含量的测定方法，土壤水类型。着重掌握土水势及其定量表示，土壤水吸力，土壤水吸力与土壤当量孔径，土壤水分特征曲线滞后现象等概念。掌握土壤水的饱和流动（达西定律），饱和导水率。掌握土壤水的不饱和流动，水汽运动规律。了解水进入土壤的入渗过程，防尘、降尘现场持水量，土面蒸发等的概念。4.1.1土壤含水量重要指标1、一个是土壤饱和含水量，表明该土壤最多能含多少水，此时土壤水势为0。土壤水势可细分为重力势、基模势和溶质势1、土壤水分重力势以土壤水面与土表面相平时为0。水面高于土表面时为正值此时也称为压力势。水面低于土表面时为负值，土壤水吸力为正值。2、土壤基模势指土壤中矿质颗粒表面和有机质颗粒表面对水所产生的*力。它的值永远是负值，即总是将土壤表面的水分向土体内吸进来。3、土壤水分溶质势与土壤溶液中所含溶质数量有关，溶质越z.多，溶质势越小，即越负。点水源入渗时，水沿湿度梯度从高水势处向低水势处流动，逐渐形成一个干湿交界分明的椭球体形状，称为湿润球，球面各处土壤水势相等。该球面称为入渗锋，在水头固定不变时入渗锋的前进速度随着时间的延长而减慢。4.2自动气象站的设计本自动气象站是基于zigBee技术而设计的zigBee技术作为新一代无线通讯技术的称。zigBee是基于的无线通信协议，专用于小型设备如温度调节装置、照明控制器、环境检测传感器与医疗设备等,其低功耗可使设备电池使用寿命达到6个月至2年。基于ZigBee的自动气象站系统要实现对气象各要素的数据采集包括温度、湿度、风速、雨量和气压等信息，则其各个传感器节点根据需求使用不同的传感器。传感器节点和网关节点之间利用zigBeee协议实现通信网关节点负责收集各传感器节点的数据，并可以通RS-232连接到PC的串，或通过GSM/GPRS将数据传输到Internet自动气象站的硬件设计包括传感器的选择和数据采集模块的设计根据传感器输出信号类型设计硬件电路，包括模拟信号处理电路、数字信号处理电路、电源电路、无线通信电路以及印刷电路板设计。系统的硬件结构图如图4-1所示。4.2.1自动气象功能自动气象站要完成常规地面气象观测任务应具备的主要基本功能：Z.⑴数据采集自动气象站的数据采集功能就是采集要观测的气象要素值，通常是由传感器将气象要素量感应转换成一种电参考信号(电压、电流等)，再由采集器按一定的采集速度获得代表这个采集时刻气象要素量的电量信号值。⑵数据处理这个功能就是将采集到的代表气象要素量的电量信号值经运算处理转换成要观测的气象要素值，一般包括测量、计数、累加、平均、公式运算、线性处理、选极值等，这些运算处理都是由自动气象站的采集器来完成。数据存储数据传输数据质量控制(6运行监控自动气象站数据采集性能指标根据我国气象部门制定的《地面气象观测规*》对于地面气象观测站使用的自动气象站基本技术性能应符合表4-1的要求。z.表41我国门动气盖站技术性能要求表测量要素测量范闱分辨力准确度平均时间自动采样速率气温-5015"QJ'vlmiTi6相对湿度04%1%4%(<80%)K%080%)Imin6次/min气压5~llMhPa(任怠2hPa)0.1hPa"3hPaImin6次/min风向01360’一33&2ininlOmin1次/ihiri风速O-lrnAi05-KJL03Vtn/s03+0.03Vm/fi(基准站)降水量雨强O.ltnm0.4rmn(<1Omm)4%(>1Omm)Imin累计1次/rnin2.3传感器的选择及工作原理自动气象站对各个气象要素的采集，是通过传感器获取的，传感器是接收信号或刺激并反应的器件，以测量为目的，以一定精度把被测量信号转换为与之有确定关系的、易于处理的电量信号输出的装置。因此传感器选择的恰当与否，决定了采集到的气象信息数据是否准确。本文选择传感器的标准主要有以下三点：一、能否达到既定的测量精度要求俱体要求见表4-1);二、在满足测量精度的情况下尽量使用低功耗的传感器，这是由于本系统的设计电源是采用电池供电；三、传感器要能满足被测介质和使用环境的特殊要求，例如在高温、低温下的工作情况以及防腐等。根据以上的传感器选择标准本系统对各气象要素进行采集的传感器选择如下：1温度测量Z.采用钳电阻温度传感器PT1,其是根据钳电阻的电阻值随温度变化的原理来测定温度的铂电阻丝烧制在细小的玻璃棒或磁板上，外面有金属保护管。目前，国内主要生产的两种型号的铂电阻Ro=(46±0.046)0和Ro=(1±0.10)Q，适用的温度*围是-2C~+650°C。当温度t=0C~650C时，铂电阻的电阻Rt与温度t的关系接近于线性并有2湿度测量选择美国Honeywell公司生产的相对湿度传感器HIH-3610，利用高分子材料制成的湿敏元件，主要是利用它的吸湿性和澎润性，常用的有电容式和电阻式两类。本系统采用电容式湿敏元件，原理是高分子薄膜在吸湿后，介电常数发生变化从而导致电容发生改变的特点，由于高分子薄膜可以做得极薄，所以元件可以很快的吸湿和脱湿，这就决定了其滞后误差小和响应速度快的特点，且易于实现小型化和轻量化。3气压测量采用美国ICS公司的扩散硅压力传感器，是在单晶硅的基片上扩散出？型或N型电阻条，接成电桥，在压力作用下根据半导体的压一阻效应，把压力的变化转换成电阻变化，经过测量电路的输出电压值来反应出压力的大小。4风速、风向测量Z.目前用于地面气象观测的风速、风向传感器主要有以下几种类型:一、小型风杯配轻型单尾风标；二、机身型旋桨式风向风速传感器;三、二维超声风速传感器。根据本文涉及到的业务类型和性质选择第一种类型的三杯式风传感器。风速信号为一个脉冲信号,其频率与风速成正比，通过单位时间内计数器的值,即可完成风速测量。风向传感器输出为7位格雷码，通过程序计算可以得到相应的风向。5雨量测量采用翻斗雨量传感器,主要由承水器、过滤漏斗、翻斗、干簧管和底座等组成。降水通过承水器，再通过一个过滤斗流入翻斗里，当翻斗流入一定量的雨水后，翻斗翻转，倒空斗里的水，翻斗的另一个斗又开始接水，翻斗的每次翻转动作通过干簧管转成脉冲信号（1脉冲为0.1mm）传输到采集系统。4.3主要传感器电路的设计温度测量电路利用上文选用的铂电阻PT1进行温度测量，一般有两线、三线和四线制的接线方式。线制的引线电阻可能产生较大的误差，所以为了提高测量的精度，减少引线的误差，本统采用四线制恒压源的接法，这种电路在测量电压时，漏电流很小，可用于温度的精确量。z.利用ADs1218,这样一个具有24位分辨率的A心转换芯片进行温度数据的采集并转成数字信号。其Vrefou端提供标准输出的电压用来激励PT1,PT1的阻值在0C时大为1为确保得到高的分辨率和灵敏度，R4和R5应尽量大于Rt,且R4=R5。ADslZ18是一种精密的、宽动态*围的A心转换器，具有24位分辨率，可工作在电压下，8个输入通道多路复用，其PGA（可编程增益放大器）提供1-128的可选增益，当增益为128时，有效分辨率为19位,片内基准电压可选为1.25V或2.5V,通过SETUP寄存器的（REFHI）位来选择，该位为0时，内部参考电压=l.25V该位为1时，内部参考电压2.5V默认），芯片的功耗＜lmw。主要应用于工业过程控制、便携式仪器、智能变送器、压力传感器、热电偶及热电阻信号的测量。ADS1218的串行接包括四个信号：CS,SCLK,Din,Dout。Din用于用于将数据传送到片内寄存器Dout用于访问片内寄存器的数据。SCLK是器件的串行时钟输入，且所有的数据传送都与SCLK有关。湿度测量电路湿度测量采用HIH-3610传感器，其采用热固聚酷电容式传感头，同时内部集成了信号处理电路，可将由湿度变化引起的电容值的变化转换成线性的电压输出。这是一款具有高精度、高稳定性、低温漂、响应时间短等特点的传感器，对应用环境的不利因素，诸如潮湿、灰尘、污垢、油类和环境中常见的化学品具有很好的抗力。可完全适合z.野外自动气象站湿度检测的任务。其性能指标如表4-2所示，输出电压和相对湿度的关系曲线如图4-4所示。表4THIIH61。件俵指标ft指标TRH精度±2%RH,0-1%RH非暖堵，25L匕或RH互换性±5%RHt0-60%RH,±8%@90%RHRH埃性典型值±0.5%RHRH滞后性±1.2的RH最大量程RH重复性±0.5%RHRH反应时间在25、爨慢菰动的空气中为15$RH稳定性5年内±1%RH的典型值供电电压4壬8匕，传感器在5七下标经消耗电流2欧』在5匕下测量范围O-IOO^RH,无冷擞传感器输出电压*二々*（°加6*^ensorRH＞。』6为供电电压，即输出电压在输入电压源固定的情况下与相对湿度成正比，同时HIH-3610测量的湿度值还与环境温度有关，所以为了精确测量应做温度补偿，温度补偿公式：E蚪伽皿朝）牌逐46_。.皿戚）,温度T单位是I。使用时要注意的情况是，传感器属于光敏感设备，为获得最佳性能，应屏蔽传感器以避免强光直射，暴露在＞90%RH的环境中会造成3%RH的可逆漂移。气压采集测量气压测量利用扩散硅压力传感器来设计电路，气压传感器为四个压敏元件组成的桥式电路，采用恒流源激励气压传感器，输出的差分Z.电压经放大电路后实现A心转换。如图4-5所示，基准电压通过放大器和电阻组成的电路产生恒定Jill_7214电流，其中电阻关系京=而，通过公式推导以及试验得到，进过J31=竺的电流一依，J3是压力传感器的接端，在恒流源激励下，输出信号通过2个IkQ电阻接入ADS1218的AIN3和AIN4端。在焊接电路的时候，RllR12,R13,R14需要使用精密电阻，因为电阻的误差会导致正负反馈的不平衡，最终会使得电流随负载变化而变化。风速风向测量使用单翼风向传感器和风杯风速传感器用来测量风向和风速。风向感应器为单翼风标，当风标转动时，带动格雷码盘（常用七位，分辨率为2.80）按照码盘切槽的设计，码盘每转动2.80光电管组就会产生新的七位并行格雷码数字信号输出。虽然数字信号具有测量精度高、抗千扰能力强等优点，但是为了防止数字信号接触抖动、瞬时高压的现象，必须将整形处理成逻辑电平信号，所以采用具有施密特触发的反相器74HC14进行整形，获得上下沿陡直、顶部平缓的方波。如图4-6所示，本系统将风向的7位格雷码通过RC滤波电路抑制高频噪声的干扰后，用施密特触发器74HC14芯片整形，整形后信号接到JN5121的DIO0-DIO6端。风速传感器采用三杯式感应器，风杯由碳纤维增强塑料制成，当z.风杯转动时，带动同轴的多齿截光盘转动，使下面的光敏三极管有时接收到上面发光二极管发射的光线而导通，有时接收不到上面发光二极管照射来的光线而截止。这样就能得到与风杯转速成正比的脉冲信号，该脉冲信号由MCU的定时/计数器端对其进行计数，经换算后就能得出实际风速值。4.3.5雨量信号采集雨量传感器的输出信号是开关信号，翻斗式雨量传感器，在降水时由承水承接的降水，经过翻斗的翻转，吸合干簧管，产生通断信号，经过计数器电路进行计数处理，换算降雨量。雨量信号的采集中使用光隔离器，如图4-7所示实现输入信号和输出信号之间的隔离，有效地抑制尖峰脉冲及各种噪声干扰，从而使传输通道上的信噪比大大提高，R21为负载电阻，R22为限流电阻。4.4无线收发模块选择经过比较目前市场上的几款无线zigBee模块，根据价格、功耗、性能等标准最终选定采用博科公司的JNS121-201-M，这是一款表面贴片安装的模块，人们可以利用该模块以最快的产品上市速度和较低的开发成本创建兼容的系统。采用该系统可以免去射频设计环节阶段复杂的，高成本的开发和测试过程。该模块采用Jenn。的JNS121无线控制微型器，集成了所有的射频组件。对于开发设计一个无线控制器或者无线传感器的产品而言，用户需要做的就是连接电源和外部Z.设备比如拨码器，动作器或者传感器等等，可以显著的减小开发的工作量。目前己经有三种不同型号的模块:JNS121-0-M内置天线JNS121-0-M01内置一个天线连接器，N5121-0-M02有一个电源放大器可以加大通讯距离。这三款模块都可以通过对网络协议栈预编程设定通讯距离，具体的价格取决于应用程序。1技术优势(1缩微的模块化解决方案；可以在客户的产品中直接使用；(3雄短产品的开发时间；(4)对于系统而言不需要做射频测试；(5廉容于FCCPartl5,ETSIETS3-328和日本的A即BSTD-T16标准；(6腺供批量的预编程和应用软件。2技术特点：(D2.4GH濒段兼容于；(2)模块板载天线增益ldBm,传输距离大于1米，功耗小于7uA;(3腰收灵敏度：-90dBm；(4发送电流小于45InA；Z.(5次寸18*30nmi;(6腰收电流:小于6omA;(7)2.7V~3.6＜作电压；(8林眠电流小于7uA(休眠定时器处于活动状态)。3微型控制器的特性：16MHz32位的RISC处理器；96KRAM,64KROM;四路12位模拟量输入，2路11位模拟量输出，2路比较器,一路温度传感；2个应用程序定时器；3个系统定时器；2个UART(其中一路用于系统调试)；SP腰，可以访问5个设备；2线的串行接；21个通用的拍接；(10开发套件提供完全的，不受限制的软件开发包；(11工业的温度*围(-40°C~+85°C);Z.(12)无铅设计，符合欧盟RoHS指令规*。本系统采用的JN5121-201-M模块能很好的满足自动气象站数据采集的要求。典型的应用电路图如图4-8所示。4.4.1串行通信为了实现计算机与网关节点之间的通信，完成数据的传输，可以采用RS-232接和GPRS两种通信传输方式。RS-232C是美国电子工业协会正式公布的串行总线标准，也是目前最常用的串行接标准，用于计算机和计算机之间，计算机与外设之间的数据通信，最大传输速率为20KB/S,最大传输距离为15mo本系统选用9针D型插座和3线的连接方式完成网关节点与上位PC机的硬件连接。其主要端功能如表4-3所示。由于RS-232电路电平与TTL电平不同，因此两者之间必须采用电平转换。网关节点通过JNS121的通用异步接收传输接UART