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一体化多节点土壤含水率-倾角计CISS

 

产品概述

 

一体化多节点土壤含水率-倾角计CISS(Cascaded Integrated Soil Sensor)是针对于地灾监测的传感设备,可级联多个节点深埋于土壤中探测不同层土壤水分含量、倾角、温度的变化,实现深层土壤含水率、位移、温度多维一体的传感融合,监测山体滑坡、塌方、泥石流等地质灾害,以及交通、矿山边坡监控


设备全部实现数字化传感、采集、嵌入式处理、无线传输。核心含水率传感器基于频率介电反射 (FDR) 测量原理,根据发出的电磁波在不同介电系数物质中的频率变化,测得各土层的含水率;利用内置高精度数字温度传感器,测量各土层温度;利用高精度重力场加速度计测量地下各节点倾角及位移的变化。


设计本着高集成度一体化杆体(All in one rod)的理念,施工简单,只需一个深层钻孔即可实现多种传感,对山体破坏小,经济实用。根据不同地区边坡稳定性监控需求和实际岩土层情况,每套设备可以灵活级联不同探头数目构成一根多点深度探测杆,如每米配置1-2个探测点。

 

CISS具有如下特点:


- 可拆卸、灵活配置级联、最深支持地下10米检测
- 多种传感数据同时采集,可监测多层土壤含水率、倾角位移及温度变化
- 全集成,供电、数据采集、传输一体
- 杆体管径40mm,对环境破坏小,安装简便
- 低功耗设计,内置电池,免太阳能和其他外供电,使用寿命长


单节点CISS01实物图

 

4米9节点CISS09实物图

 

典型的一体化多节点土壤含水率-倾角计探测深度组合参见下表。

 

不同设备长度配置的探头数及探头位置

 

可配置探头数量

(单位:个)

产品型号

设备长度

(单位:m)

探头在设备处位置

(单位:m)

1

CISS01

0.3

0.15

3

CISS03

1

0.3/0.6/0.9

5

CISS05

2

0.3/0.6/0.9/1.5/1.9

7

CISS07

3

0.3/0.6/0.9/1.5/1.9/2.5/2.9

9

CISS09

4

0.3/0.6/0.9/1.5/1.9/2.5/2.9/3.5/3.9

21

CISS21

10

0.3/0.6/0.9/1.5/1.9/2.5/2.9/....../9.5/9.9

注:设备长度0.3-10米可选,在1米3节点基础上,每增加1米,探测节点数增加2个。

 

一体化多节点土壤含水率-倾角计多传感节点通过RS485总线连接到顶部的采集板卡并通过NBIOT/BLE网关无线传输到云平台,进行长期监测、分析;传感采集及数据上传频率可以根据实际需求动态配置不同土壤参数、采用及无线间隔、设备信息,满足不同地质灾害监测的需求。


典型系统架构如下图所示。 一个山坡可根据山体构造配置多根一体化多节点土壤含水率-倾角计(内置多节点的含水率、倾角、温度传感),一个雨量计、一个报警喇叭等, 若本地无线NBIOT信号弱,可考虑增配4G/蓝牙网关。

 

多参数地质灾害系统构成图

 

产品特点

 

-可拆卸、灵活配置级联、易安装的传感器结构设计
专利技术(实用新型专利号:ZL 202120930308.1)的可拆卸级联结构,通过节数组合构成1-7米长度的连接杆,直接对不同深度、多节点的土层温度、含水量及倾角进行测量。
一体化多节点土壤含水率-倾角计采用钻孔放置的安装方式,与现在常用的标准钻头兼容。地下杆子直径为40mm,无异常突起,安装时不破坏土体剖面,更能真实反映现场实际状况。

 

-高性能传感
通过测量土壤介电频率特性的方式获得土壤水分数据,内置自主研发的高精度传感器信号调理芯片,具有0.1%的水分含量高灵敏度,2%的典型精度。
测量电极使用大面积环状非接触结构,有效感知体积大,可以有效减少砂岩土质及大颗粒物对测量产生的影响。

 

-云数据传输分析系统
每根一体化多节点土壤含水率-倾角计自带NBIOT/蓝牙收发器,数据通过无线信号上传到地灾监控云平台,进行土壤温湿度实时监控及大数据分析。可根据需求,动态更改测量时间间隔,也可监控设备位置异动、电量变化。
嵌入式土壤含水率算法可以通过云平台AI算法在线学习优化,免现场校准。

 

-使用寿命长
采样节点外部为化工级PVC-U管材,强度高,抗老化,耐土壤中酸碱盐腐蚀。
超低功耗设计、内置高效锂亚电池,无需外部供电,即可保证长达3年的工作时间。

 

本多节点节状传感器(简称“节状”)与市面上现有管式传感器(简称“管式”)、传统针式传感器(简称“针状”)性能对比如下。

 

     类别

项目

管式

针状

节状(本产品)

对比优势

探测范围

最大约5cm

最大约5cm

立体柱形,水平30cm,垂直25cm

有效感知

范围大

测量精度

3%

2%

2%

高稳定度电路

灵敏度

(分辨率)

0.5%

0.1%

0.1%

感知含水率微变化过程

电池续航

单个传感器,工作三月

单个传感器,工作一年

自主研发低功耗芯片,7个传感器,可连续工作三年

无需太阳能充电

数据采集频率

固定频率10分钟/次

固定频率

依据含水量变化,自动调节采样频率,最高1分钟/次

自适应调节采样

传感器

单杆

多个并联

一杆多个传感器串联

便于深孔安装

自适应含水率算法

支持在线自动调节和校准

云后台AI学习算法

通信

4G/GPRS

4G、GPRS

NB-IoT/蓝牙/4G/lora/RS485

可根据网络情况选择

多点探测

管式延伸,检测点数固定

设备只支持单一点

灵活组装,多节点级联

可灵活组合

安装

插管

需挖坑安装

插50mm管

简单

 

由表可见,管式传感器只解决了针式传感器无法监测多岩土层含水率的问题,在各项监测指标上和针式传感器基本相同。本一体化多节点土壤含水率-倾角计产品各项指标均优于上述两种传感器。


技术参数


1、测量范围:深度1-9米多节点深土层
                      含水率:0~100%
                      温度:-40℃~85℃          
                      倾角计:-90°~+90°,
X/Y/Z 三轴
2、典型精度:含水率:±2%,分辨率 0.1%
                      温度:±0.5℃,分辨率 0.004℃
                      倾角计:±0.1°,分辨率:0.002º,线性:±0.1%           
3、输出参数:各层深度的含水率、温度、降雨强度、倾斜角度,设备电量、位置变化信息
4、
现场标定支持传感参数、算法远程升级
5、传感采样间隔:1min~1h(可配置);无线上传间隔:5min~24h(可配置)
6、输出信号: RS485/NB-IOT/蓝牙/Cat-1
7、定位防盗功能:支持追踪设备位置发送到后台服务器,并通知设备管理人
8、工作温度范围:-20℃~85℃
9、防护等级:IP68防水,化工级PVC-U外壳
10、供电方式:CISS-NB通信产品为网关内置电池供电,包含过压或欠压保护,满足连续工作3年,支持电压5V~7.5V。
                        CISS-RS485通信产品支持7V-28V供电。
11、外形尺寸:地下部分长1-9米,直径40mm杆状多节点级联
                        地上通信部分长0.30米,直径63mm 圆柱状无线收发器


结构介绍

 

一体化多节点土壤含水率-倾角计采用节状多级级联结构,包括无线采集传输头、若干可级联的1m的探头组杆体。

 

下图以3米7节点杆为例, 三组探头组杆包含了1-7号传感探头。


其中,探头组1包含1-3号探头,分别测量0.3m、0.6m和0.9m处深度的土壤温湿度;
          探头组2包含4号和5号探头,分别测量1.5m和1.9m处深度的土壤温湿度;
          探头组3包含6号和7号探头,分别测量2.5m和2.9m深度的土壤温湿度。


完整一体化多节点土壤含水率-倾角计拼装完成后,总长度约为3.1m。

 

                                        

 

                              3米7节点杆体结构                                                            现场安装

 

实测数据如下图所示, 结果可在网上导出excel 报表。
    


含水率现场应用数据

 

 

 

资料下载

 

一体化多节点土壤含水率-倾角计CISS产品手册

CISS-Cat1施工指南

传感器Modbus接口协议

CISS-485数据查询软件