智能化設(shè)施農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)研究模板

智能化設(shè)施農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)研究資料內(nèi)容僅供參考，如有不當(dāng)或者侵權(quán)，請(qǐng)聯(lián)系本人改正或者刪除。智能化設(shè)施農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)研究1緒論 1.1研究背景中國(guó)是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國(guó),建國(guó)50年來(lái),農(nóng)業(yè)得到了很大發(fā)展,取得了以占世界7%的耕地養(yǎng)活了世界22%的人口的舉世矚目的成就。但也付出了巨大代價(jià):地下水位下降、河湖干枯、季節(jié)性缺水、江河污染、水土流失和生態(tài)環(huán)境惡化等。當(dāng)前,制約中國(guó)農(nóng)業(yè)發(fā)展的主要因素是水資源嚴(yán)重不足。中國(guó)水資源總量為2、8萬(wàn)億m3,人均占有量?jī)H2200擴(kuò),不足世界人均水平的1/4,居世界第109位。而且中國(guó)水資源地區(qū)分布極不均衡,81%的水資源集中分布在長(zhǎng)江流域及其以南地區(qū);長(zhǎng)江以北地區(qū)人口和耕地分別占全國(guó)的45.3%和64.1%,而水資源僅占全國(guó)的19%,人均占有量為517m3;,相當(dāng)于全國(guó)人均量的1/5和世界人均量的1/20,水資源擁有量與生產(chǎn)發(fā)展極不適應(yīng)。據(jù)統(tǒng)計(jì),進(jìn)入20世紀(jì)90年代以來(lái),中國(guó)農(nóng)業(yè)干旱受災(zāi)面積達(dá)2300萬(wàn)hmZ以上,每年因缺水造成糧食減產(chǎn)1000億kg左右〔l3j。許多城市供水不足、工農(nóng)業(yè)用水矛盾尖銳。隨著經(jīng)濟(jì)建設(shè)、生態(tài)環(huán)境建設(shè)步伐的加快,人們生活水平的提高,對(duì)水的需求量將更大。中國(guó)農(nóng)業(yè)用水面臨資源短缺的同時(shí),農(nóng)業(yè)用水浪費(fèi)現(xiàn)象卻非常嚴(yán)重。主要表現(xiàn)在:一是水的利用率低,中國(guó)灌溉系統(tǒng)對(duì)水資源的利用當(dāng)前只能達(dá)到0.3~0.4,而發(fā)達(dá)國(guó)家可達(dá)到0.8以上。二是農(nóng)業(yè)水生產(chǎn)率低,灌溉農(nóng)業(yè)糧食作物的水生產(chǎn)率不足Ikg/ma,旱地農(nóng)業(yè)面積占60%左右,降水的生產(chǎn)率只有0.3kg/m3~0.4kg/時(shí)。托普物聯(lián)網(wǎng)針對(duì)水資源的利用率一直在做深入的研究,力求研發(fā)出一種能提高水資源利用率的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。解決中國(guó)農(nóng)業(yè)用水短缺問(wèn)題有兩種方法,一種方法是開(kāi)發(fā)新的水資源以滿足農(nóng)業(yè)用水需求,這種方法在一定程度上能夠緩解中國(guó)農(nóng)業(yè)水資源嚴(yán)重短缺現(xiàn)象,但它同時(shí)也存在三個(gè)比較大的問(wèn)題,一是開(kāi)發(fā)水資源所需的投資非常大,而且見(jiàn)效慢,受地理?xiàng)l件和資金等限制較大,短期內(nèi)不能解決大面積的農(nóng)田灌溉問(wèn)題;二是開(kāi)發(fā)的水資源能解決農(nóng)業(yè)用水短缺問(wèn)題卻解決不了農(nóng)業(yè)用水浪費(fèi)的問(wèn)題,根據(jù)當(dāng)前中國(guó)農(nóng)業(yè)水資源利用率來(lái)看,花費(fèi)了大量資金和人力去開(kāi)發(fā)水資源,結(jié)果利用率只有35%左右,造成大量人力、資金與水資源的浪費(fèi);三是中國(guó)水資源畢竟有限,而農(nóng)業(yè)的發(fā)展是長(zhǎng)期的,靠開(kāi)發(fā)水資源來(lái)解決農(nóng)業(yè)缺水問(wèn)題是不現(xiàn)實(shí)的。另一種解決農(nóng)業(yè)用水短缺問(wèn)題方法是發(fā)展節(jié)水灌溉。節(jié)水灌溉是遵循作物不同生長(zhǎng)發(fā)育階段的需求規(guī)律而進(jìn)行的適時(shí)灌溉,利用盡可能少的水取得盡可能多的農(nóng)作物產(chǎn)出的一種灌溉模式。一般灌溉水從水源到田間要經(jīng)過(guò)幾個(gè)環(huán)節(jié),每個(gè)環(huán)節(jié)中都存在水量無(wú)益損耗。凡是在這些環(huán)節(jié)中能夠減少水量損失、提高灌溉水使用碩士論文智能化設(shè)施農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)研究效率和經(jīng)濟(jì)效益的各種措施,均屬于節(jié)水灌溉范疇。節(jié)水灌溉技術(shù)能大幅提高水資源的利用率,在水資源不變的情況下提高作物產(chǎn)量,能實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)高產(chǎn),具有很好的經(jīng)濟(jì)效益、生態(tài)效益和社會(huì)效益。因此,實(shí)行節(jié)水灌溉,大力普及和應(yīng)用高效節(jié)水灌溉技術(shù)是從根本上解決中國(guó)農(nóng)業(yè)缺水問(wèn)題的重要措施。托普物聯(lián)網(wǎng)研發(fā)的節(jié)水灌溉技術(shù)包括兩方面內(nèi)容:①工程節(jié)水技術(shù):經(jīng)過(guò)對(duì)原有灌溉工程設(shè)施進(jìn)行改造或使用先進(jìn)的灌溉工程設(shè)施以達(dá)到減少輸水損失和減少田間用水損失的方法。如渠道防滲、管道輸水、噴灌、微噴灌、滴灌、滲灌等。②灌溉控制技術(shù):經(jīng)過(guò)采用自動(dòng)控制技術(shù),結(jié)合作物需水特性、地理環(huán)境、土壤特征與節(jié)水灌溉制度等實(shí)行按需的、適時(shí)的自動(dòng)灌溉控制。工程節(jié)水技術(shù)主要是從兩個(gè)方面來(lái)實(shí)現(xiàn)節(jié)水的目的,一是減少水在田間傳輸過(guò)程中的滲漏損失,如渠道防滲和管道輸水技術(shù);二是減少灌溉過(guò)程中的無(wú)效灌溉,即均勻灌水或是只對(duì)作物根部附近的土壤進(jìn)行溉,一般草地采用噴灌,作物采用微灌技術(shù)。利用工程節(jié)水技術(shù)一般可提高水資源利用率到50~70%,相對(duì)傳統(tǒng)的灌溉方式來(lái)說(shuō)已經(jīng)有很大改進(jìn),可是仍存在30%以上的水資源浪費(fèi),且與優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)仍有一段距離。這主要是因?yàn)檫@種灌溉模式依然是靠人工控制,灌溉的多少全憑經(jīng)驗(yàn),不能實(shí)現(xiàn)按作物的需水特性精確、高效灌溉。這就使得人的因素成為影響水資源利用率的主要因素,當(dāng)經(jīng)驗(yàn)較豐富、較準(zhǔn)確時(shí),水的利用率就高,當(dāng)欠缺經(jīng)驗(yàn)時(shí)水的利用率就低。而灌溉控制技術(shù)的發(fā)展正能夠彌補(bǔ)工程節(jié)水技術(shù)的這一缺陷,它采用先進(jìn)的科學(xué)技術(shù),檢測(cè)土壤墑情,根據(jù)地理環(huán)境和作物生長(zhǎng)的需水特性按需、精確灌溉,可大大提高水資源的利用率,實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)。灌溉控制技術(shù)使人們擺脫了傳統(tǒng)的全憑經(jīng)驗(yàn)的灌溉模式,達(dá)到了高效節(jié)水灌溉的目的,對(duì)緩解中國(guó)農(nóng)業(yè)用水短缺現(xiàn)象具有非常重要意義。1.2國(guó)內(nèi)外研究狀況灌溉自動(dòng)化始于20世紀(jì)30年代,二次世界大戰(zhàn)前.法國(guó)研制了一系列用以實(shí)行渠系自動(dòng)化運(yùn)行的水力自動(dòng)閘門,并提出了一套比較完整的自動(dòng)化灌溉控制方法,開(kāi)了自動(dòng)化灌溉的先河。20世紀(jì)50年代以來(lái),隨著電子學(xué)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展,利用電子設(shè)備、計(jì)算機(jī)設(shè)備和程序控制的灌排工程自動(dòng)化技術(shù)也得到了同步發(fā)展,并在法國(guó)、美國(guó)、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家乃至一些發(fā)展中國(guó)家得到了日益廣泛的應(yīng)用和發(fā)展,控制模式也由早期的當(dāng)?shù)乜刂瓢l(fā)展到能夠?qū)崿F(xiàn)遙測(cè)、遙控的集中控制模式。1.3本課題的研究工作綜合農(nóng)作物的生長(zhǎng)過(guò)程對(duì)外部環(huán)境的主要要求,采用科學(xué)控制方法且具備廣泛用途的節(jié)水灌溉系統(tǒng),是節(jié)水灌溉科學(xué)實(shí)施的核心問(wèn)題。基于此,本課題的主要內(nèi)容是研制開(kāi)發(fā)適合中國(guó)國(guó)情的、低成本、易推廣的、主要應(yīng)用于溫室大棚的節(jié)水灌溉自動(dòng)控制系統(tǒng),為實(shí)現(xiàn)中國(guó)農(nóng)業(yè)高效節(jié)水灌溉提供技術(shù)裝備。由于不同農(nóng)作物有不同的需水特性,灌水時(shí)間、灌水量既影響農(nóng)產(chǎn)品的產(chǎn)量,也影響農(nóng)產(chǎn)品的質(zhì)量,因此,設(shè)施農(nóng)業(yè)的高效節(jié)水灌溉自動(dòng)控制技術(shù)主要是向適時(shí)適量、按需灌溉的方向發(fā)展。因此,本課題的研究主要包括兩個(gè)方面,一是測(cè)即獲取土壤水分信息,并根據(jù)土壤水分信息及作物需水特性來(lái)決定灌溉時(shí)間與灌溉量的多少。這將擺脫以往僅憑經(jīng)驗(yàn)灌溉的灌溉模式,使作物灌溉決策建立在科學(xué)的基礎(chǔ)之上;二是控,要研究如何根據(jù)土壤條件、土壤水分信息及作物需水特性進(jìn)行合理的灌溉決策,即將傳統(tǒng)的憑經(jīng)驗(yàn)由人工手動(dòng)閥門控制灌溉方式改為自動(dòng)進(jìn)行適時(shí)適量、按需精確灌溉控制,從而達(dá)到提高水的利用效率、優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)、節(jié)省大量人力,實(shí)現(xiàn)高效農(nóng)業(yè)的目的。2方案研究與論證2.1研究方案選擇國(guó)外一些先進(jìn)國(guó)家,如美國(guó)、以色列和加拿大等,運(yùn)用先進(jìn)的電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)和控制技術(shù),在節(jié)水灌溉技術(shù)方面起步較早,并日趨成熟。這些國(guó)家從最早的水力控制、機(jī)械控制,到后來(lái)的機(jī)械電子混合協(xié)調(diào)式控制,到當(dāng)前應(yīng)用廣泛的計(jì)算機(jī)控制、模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等,控制精度和智能化程度越來(lái)越高,可靠性也越來(lái)越好〔211。要想在依據(jù)中國(guó)國(guó)情與節(jié)水灌溉現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上,吸收國(guó)外研究成果,研制出一種依據(jù)對(duì)農(nóng)作物生長(zhǎng)土壤水分含量的不間斷的實(shí)時(shí)檢測(cè)的結(jié)果,根據(jù)作物需水特性,實(shí)現(xiàn)適時(shí),按需精確灌溉的自動(dòng)控制設(shè)備,就需要對(duì)各種技術(shù)進(jìn)行研究分析。當(dāng)前,在國(guó)際上技術(shù)比較成熟、應(yīng)用較廣的灌溉控制技術(shù)主要有兩種:專家系統(tǒng)與微機(jī)測(cè)控技術(shù)。下面就對(duì)這兩種方法進(jìn)行比較研究,尋找一個(gè)適合中國(guó)國(guó)情的,應(yīng)用于設(shè)施農(nóng)業(yè)、著眼于未來(lái)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展的自動(dòng)化節(jié)水灌溉研究方案。2.2專家系統(tǒng)專家系統(tǒng)是一個(gè)模擬人腦思維方式,以知識(shí)為基礎(chǔ)的計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)。其特點(diǎn)在于把人(專家)在解決生產(chǎn)實(shí)際問(wèn)題過(guò)程中所使用的啟發(fā)性知識(shí)、判斷性知識(shí)分成事實(shí)和規(guī)則,以一定的知識(shí)表示形式存入計(jì)算機(jī),建立知識(shí)庫(kù),并采用合適的產(chǎn)生式系統(tǒng)(ProductionSystem),按輸入的原始數(shù)據(jù),選擇合適的規(guī)則,進(jìn)行推理、演繹,作出專家級(jí)的智能判斷與決策。而且它的最大特點(diǎn),可代表一個(gè)專門生產(chǎn)領(lǐng)域的專家群體,對(duì)該生產(chǎn)領(lǐng)域內(nèi)的實(shí)際問(wèn)題提供專家們的咨詢、決策意見(jiàn)圈。將專家系統(tǒng)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)就形成了農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)。農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)以農(nóng)業(yè)專家的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)為系統(tǒng)的核心,運(yùn)用計(jì)算機(jī)技術(shù),克服時(shí)空限制,在較短的時(shí)間內(nèi)得以廣泛地應(yīng)用,使專家的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)變?yōu)樯a(chǎn)力工周。能夠說(shuō)農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)是一種擁有高層次、多方面農(nóng)業(yè)專家知識(shí),它并能模仿人類推理過(guò)程,在計(jì)算機(jī)上以形象、直觀的方式向用戶提供各種農(nóng)業(yè)問(wèn)題決策咨詢服務(wù)的實(shí)用軟件,與人類專家相比,擁有綜合性的知識(shí)和高速處理知識(shí)的本事,且不受時(shí)間、空間的限制和人類情感的影響。專家系統(tǒng)應(yīng)用于節(jié)水灌溉也是以豐富的種植經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)的,例如,在已有經(jīng)驗(yàn)上,將已知的作物生長(zhǎng)各階段的需水量,生長(zhǎng)狀態(tài)、各階段可能遇到的氣候與自然條件等決定灌溉的詳細(xì)信息輸入計(jì)算機(jī),按照一定的法則劃分成各項(xiàng)細(xì)則存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)中。當(dāng)進(jìn)行控制時(shí),就將己獲得的作物生長(zhǎng)狀態(tài)、氣候條件等輸入計(jì)算機(jī),計(jì)算機(jī)經(jīng)過(guò)計(jì)算推理,把它劃分歸屬于某一細(xì)則,再按這一細(xì)則的要求,如灌溉量和灌溉時(shí)間,進(jìn)行灌溉。如從荷蘭引進(jìn)的大棚花卉種植專家系統(tǒng),由于多年的種植經(jīng)驗(yàn),對(duì)某種花卉的生長(zhǎng)過(guò)程十分熟悉,將其生長(zhǎng)過(guò)程細(xì)節(jié)輸入計(jì)算機(jī),由計(jì)算機(jī)經(jīng)過(guò)推理計(jì)算來(lái)決定其灌溉與施肥。由此可見(jiàn),專家系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)作物種植灌溉的完全智能化,能夠代替為數(shù)極少的專家群體,走向地頭,進(jìn)入農(nóng)家,在各地具體地指導(dǎo)農(nóng)民科學(xué)種田,節(jié)省大量人力、物力,能實(shí)現(xiàn)高效節(jié)水,優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)。專家系統(tǒng)將是中國(guó)未來(lái)節(jié)水農(nóng)業(yè)發(fā)展熱點(diǎn)之一?？墒?在當(dāng)前情況下專家系統(tǒng)還不能在中國(guó)進(jìn)行推廣,它除了具有上述的優(yōu)外,還存在著下述缺點(diǎn):(1)專家系統(tǒng)模型大,開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng),在中國(guó)當(dāng)前科技水平較低情況下投入大量人力、物力及資金去開(kāi)發(fā)不太可能。(2)當(dāng)前國(guó)內(nèi)大部分專家系統(tǒng)依靠進(jìn)口,這些引進(jìn)的專家系統(tǒng)成本高且不適合中國(guó)國(guó)情,不能充分發(fā)揮其優(yōu)點(diǎn)。(3)專家系統(tǒng)開(kāi)發(fā)完全依賴種植專家的經(jīng)驗(yàn)去控制作物的施肥與灌溉,它并不對(duì)土壤墑情及作物情況進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)。它雖然能代替農(nóng)業(yè)專家,卻并不能擺脫完全憑經(jīng)驗(yàn)灌溉的種植模式。(4)專家系統(tǒng)的操作需要具有一定水平的專業(yè)人員才能完成,而中國(guó)農(nóng)業(yè)科技水平普遍較低,缺乏農(nóng)業(yè)科技人員,這也限制了專家系統(tǒng)的推廣。(5)開(kāi)發(fā)受限制,單一性強(qiáng),投入過(guò)高。一般一個(gè)專家系統(tǒng)是針對(duì)一種作物開(kāi)發(fā)的,它要在農(nóng)業(yè)專家提供有關(guān)這種作物豐富、系統(tǒng)的種植經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上才能進(jìn)行開(kāi)發(fā),一旦沒(méi)有農(nóng)業(yè)專家就無(wú)法進(jìn)行開(kāi)發(fā),而農(nóng)業(yè)專家畢竟人數(shù)很少。同時(shí),當(dāng)需要對(duì)多種作物進(jìn)行監(jiān)測(cè)實(shí)施節(jié)水灌溉時(shí),就需要多個(gè)專家系統(tǒng),這就需要投入很大的資金,也限制了專家系統(tǒng)的推廣。從上面的分析能夠看出,專家系統(tǒng)雖然具有很多優(yōu)點(diǎn),具有很大的發(fā)展?jié)摿?但它不能滿足成本低、操作簡(jiǎn)單、易推廣、能按作物需水量適時(shí)、精準(zhǔn)灌溉的研究目標(biāo),因此本課題的研究不能朝專家系統(tǒng)的方向走。2.1.2微機(jī)測(cè)控技術(shù)另一種節(jié)水灌溉自動(dòng)控制技術(shù)是微機(jī)測(cè)控技術(shù)。它將計(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感與檢測(cè)技術(shù)以及通訊技術(shù)結(jié)合起來(lái),能夠檢測(cè)土壤墑情、環(huán)境特征,并依據(jù)檢測(cè)結(jié)果來(lái)決定灌溉量與灌溉時(shí)間,擺脫了傳統(tǒng)的全憑經(jīng)驗(yàn)灌溉的灌溉模式。當(dāng)前在國(guó)外,特別是以色列,大部分田地都是采用的這種節(jié)水灌溉控制方式。國(guó)外的這種控制系統(tǒng)一般都很大,采取大型分布式控制系統(tǒng)。在田間分布各種傳感器檢測(cè)點(diǎn),如土壤水分、溫度、濕度、光照、作物蒸騰量等,檢測(cè)結(jié)果送至微機(jī),微機(jī)對(duì)結(jié)果進(jìn)行處理,然后經(jīng)過(guò)通訊技術(shù),將處理結(jié)果發(fā)送至上位機(jī),即實(shí)驗(yàn)室或家里的計(jì)算機(jī)中,操作者就能夠在家里或?qū)嶒?yàn)室里觀察到作物生長(zhǎng)狀況和土壤墑情,根據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)判斷作物是否缺水及所需灌溉量與灌溉時(shí)間,然后發(fā)出灌溉命令給微機(jī),微機(jī)就能夠根據(jù)命令控制灌溉量與灌溉時(shí)間,實(shí)現(xiàn)高效節(jié)水灌溉。這種節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)成本高,但它的設(shè)計(jì)思想?yún)s很符合本課題的研究要求,因此能夠?qū)⑵浼右院?jiǎn)化,降低其成本,這樣就能設(shè)計(jì)出符合中國(guó)國(guó)情的,易推廣的,能按作物需水特征實(shí)現(xiàn)按需、精確灌溉的節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)。首先,不采用上位機(jī)通訊控制。因?yàn)樵谥袊?guó)農(nóng)業(yè)設(shè)施普遍簡(jiǎn)陋的情況下,推廣上述計(jì)算機(jī)控制的灌溉系統(tǒng)還不現(xiàn)實(shí),只要采用單片機(jī)在田間進(jìn)行檢測(cè)與控制就能夠了。這樣能夠大大減少成本,而且還能夠預(yù)留一個(gè)通訊接口,在需要或是有條件時(shí)也能夠?qū)崿F(xiàn)與上位機(jī)的通訊,十分的方便。其次,使用傳感器測(cè)量土壤及作物參數(shù)并盡量減少測(cè)量參數(shù)的數(shù)量,只選擇一些常見(jiàn)的灌溉參數(shù)進(jìn)行測(cè)量,這樣既能使控制系統(tǒng)具有一定的廣泛適用性,同時(shí)又能夠減少傳感器的數(shù)量,降低成本。設(shè)計(jì)一個(gè)節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)能否做到因地制宜主要用四條標(biāo)準(zhǔn)加以衡量。其一是否節(jié)水,其二是否減輕農(nóng)民負(fù)擔(dān),其三是否增效(短期內(nèi)收回投資,且提高效益),其四是否推廣得開(kāi)〔27J。根據(jù)這四個(gè)標(biāo)準(zhǔn)能夠來(lái)判斷上述擬采用的研究方案是可行的。2.3設(shè)計(jì)方案節(jié)水灌溉自動(dòng)控制系統(tǒng)的研究方案是將傳感技術(shù)與單片機(jī)控制相結(jié)合,設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)單、低成本、易推廣的控制系統(tǒng),能夠?qū)崟r(shí)檢測(cè)土壤及作物的一些灌溉控制參數(shù),根據(jù)檢測(cè)結(jié)果實(shí)現(xiàn)按需、精準(zhǔn)灌溉,到達(dá)高效節(jié)水、優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)的目的。整個(gè)控制系統(tǒng)主要應(yīng)該有四個(gè)模塊:檢測(cè)模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、數(shù)字模塊及控制模塊。為實(shí)現(xiàn)研究目的,在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮下面幾個(gè)問(wèn)題。1、測(cè)量參數(shù)不同的作物對(duì)水分的需求量是不一樣的。按需、精準(zhǔn)灌溉就是要根據(jù)作物的需水特性來(lái)控制灌溉量,使土壤的含水量能剛好達(dá)到作物的需求。這樣做的目的不但僅是節(jié)水,還能促使作物更好的生長(zhǎng),達(dá)到優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)。因?yàn)閷?duì)作物來(lái)說(shuō),土壤含水量并不是越多越好,對(duì)某些作物來(lái)說(shuō),水分太多反而會(huì)抑制生長(zhǎng),適量的水分對(duì)作物的生長(zhǎng)才是最有益的。要實(shí)現(xiàn)按需、精準(zhǔn)灌溉,土壤水分是必須測(cè)量的最主要的參數(shù)。水分是天然土壤的一個(gè)重要組成部分,它不但影響土壤的物理性質(zhì),制約著土壤中養(yǎng)分的溶解、轉(zhuǎn)移和微生物的活動(dòng),是構(gòu)成土壤肥力的一個(gè)重要因素,而且它本身更是一切植物賴以生存的基本條件。準(zhǔn)確及時(shí)測(cè)定土壤水分含量有利于研究和了解土壤水分動(dòng)態(tài)變化規(guī)律和空間立體分布;同時(shí),掌握不同作物在同一時(shí)期對(duì)土壤水含量的不同要求,同一作物在不同時(shí)期對(duì)土壤水分含量的不同要求以及土壤水分含量對(duì)作物產(chǎn)量的影響,這在理論和生產(chǎn)上都有著重要的意義,例如,進(jìn)行耕耘、灌溉、施肥等各種農(nóng)業(yè)措施時(shí),一般都需要考慮土壤水分狀況,特別是在進(jìn)行灌溉、排水規(guī)劃設(shè)計(jì)時(shí),更需要掌握土壤水分的狀況及其動(dòng)態(tài)。能夠準(zhǔn)確及時(shí)地測(cè)定出土壤水分含量,對(duì)適時(shí)適量地進(jìn)行灌溉和排水有著重要的作用〔28]。另外,土壤中過(guò)多的有害物質(zhì)也靠水的淡化來(lái)排除。由以上的分析能夠看出,對(duì)作物生長(zhǎng)來(lái)說(shuō)土壤水分是所有參數(shù)中最重要的,是必須測(cè)量的。除了土壤水分外,土壤溫度也是決定是否灌溉的一個(gè)重要參數(shù),因?yàn)闇囟冗^(guò)低,灌溉會(huì)凍傷作物的根系,因此,必須要監(jiān)測(cè)土壤溫度,在土壤溫度過(guò)低時(shí)就停止?jié)菜?、傳感器數(shù)量針對(duì)土壤情況不同,需要的傳感器數(shù)量是不一樣的。有的土壤一致性好,只需一個(gè)傳感器測(cè)量土壤墑情就可,但有的土壤一致性差,就需要多支傳感器來(lái)測(cè)量土壤墑情。同時(shí),土壤的面積有大有小,也決定了需要不同數(shù)量的傳感器。因此,控制系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)要配備多支傳感器。而且,配備多支傳感器也能增強(qiáng)控制系統(tǒng)功能,能夠同時(shí)控制不同作物的灌溉?？墒?傳感器的數(shù)量也不能太多,傳感器路數(shù)太多也會(huì)增加控制系統(tǒng)的成本。在控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)要綜合考慮所需配備的傳感器數(shù)量。3、作物缺水判斷不同的作物對(duì)水分的需求是不同的;周圍環(huán)境不同,作物的需水量也會(huì)有所不同;即使同一作物,在不同生長(zhǎng)階段對(duì)水分的需求也不同。中國(guó)的作物有幾千種,不同的作物有不同的缺水狀況:中國(guó)面積廣大,氣候條件變化無(wú)常。怎樣才能使控制系統(tǒng)適應(yīng)不同的作物,在不同氣候條件和不同季節(jié)都能實(shí)現(xiàn)按需灌溉,這是控制系統(tǒng)通用性設(shè)計(jì)最主要要解決的問(wèn)題。如果解決不好,控制系統(tǒng)也就失去了其推廣的意義。4、灌溉控制方式當(dāng)前中國(guó)各個(gè)設(shè)施農(nóng)業(yè)中灌溉系統(tǒng)的水狀況不一樣,有的采用電機(jī)控制水流、有的采用水泵加壓后才能進(jìn)行灌溉,有的采用電磁閥代替手動(dòng)閥門控制水流灌溉。因此,控制系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)要考慮到控制信號(hào)的通用性,既能控制電機(jī)、水泵,又能控制電磁閥。中國(guó)面積廣大,土壤種類很多,不同的土質(zhì)滲水能力不一樣,比如砂土,滲水能力很強(qiáng),水分能夠很快地滲入作物根部,水分傳感器能及時(shí)的測(cè)出灌溉后的土壤含水量;而粘土滲水能力較弱,灌溉后水分堆積在地表層,要經(jīng)過(guò)一段時(shí)間才能滲到土壤根部,水分傳感器就不能及時(shí)正確測(cè)出土壤含水量,就會(huì)導(dǎo)致澆水過(guò)多,浪費(fèi)水資源。因此,要提高控制系統(tǒng)的通用性,在設(shè)計(jì)時(shí)就要考慮如何使控制系統(tǒng)的灌溉控制滿足不同土壤的需求。3系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.1土壤水分的測(cè)量3.1.1測(cè)量方法的選擇土壤水分是土壤的重要組成部分,它是農(nóng)作物生長(zhǎng)所需水分的主要供給源。土壤水分還參與土壤中許多重要的物理、化學(xué)和生物過(guò)程,同時(shí)它又是多種營(yíng)養(yǎng)元素的溶劑,對(duì)作物生長(zhǎng)起著十分重要的作用。土壤水分的測(cè)量是實(shí)施節(jié)水灌溉、按需灌溉的基礎(chǔ)。隨著科技的不斷發(fā)展,土壤水分測(cè)量的方法不斷發(fā)展變化,當(dāng)前測(cè)量水分的方法大致可分為兩類,即直接測(cè)量法和間接測(cè)量法。直接法經(jīng)過(guò)干燥或化學(xué)反應(yīng)后直接測(cè)出絕對(duì)含水量,間接法則經(jīng)過(guò)測(cè)量與水分變化相關(guān)的物理量間接地測(cè)量水分含量。現(xiàn)代實(shí)用的土壤水分測(cè)量方法有采土烘干法、石膏電極法、電阻法、中子探測(cè)法及土壤水分傳感器法。土壤水分的測(cè)量方法雖然很多,但必須要選擇一個(gè)簡(jiǎn)單實(shí)用、測(cè)量準(zhǔn)確、成本低的測(cè)量方法,才能使節(jié)水灌溉自動(dòng)控制設(shè)備具有實(shí)現(xiàn)性與易推廣性。下面就對(duì)常見(jiàn)的幾種測(cè)量方法進(jìn)行分析比較,以找到一個(gè)簡(jiǎn)單實(shí)用、測(cè)量可靠、成本相對(duì)較低的土壤水分測(cè)量方法。1、采土烘干法采土烘干法是當(dāng)前國(guó)際上測(cè)量土壤水分的標(biāo)準(zhǔn)方法。烘干法測(cè)量的是土壤重量含水量,即取土樣放入烘箱,烘至恒重,此時(shí)土壤水分中自由態(tài)水以蒸氣形式全部散失掉,再稱重量,從而獲得土壤水分含量。重量法一般還有所謂的快速測(cè)定法,其程序與常規(guī)法相同,實(shí)質(zhì)仍是采用一些手段使土樣烘至恒重的時(shí)間盡可能縮短,如酒精燃燒法、紅外法、爐烤法等,這些方法一般要求樣品不能太重(59左右),因而樣品的代表性和試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性較差,為了減小誤差,常要求平行測(cè)定2~3次,取其算術(shù)平均值,這樣實(shí)際上又增大了測(cè)定工作量,延長(zhǎng)了測(cè)定時(shí)間。當(dāng)前微波爐烘烤法,既節(jié)約時(shí)間,又滿足誤差實(shí)際要求,是烤干法較好的選擇。烘干法是當(dāng)前測(cè)定土壤含水量最常見(jiàn)的一種方法,它簡(jiǎn)單易行,對(duì)設(shè)備要求不嚴(yán),有足夠的精度,就樣品本身而言結(jié)果可靠,是土壤水分測(cè)定的基本方法,也是檢驗(yàn)其它方法與其對(duì)比的基礎(chǔ),可是使用此類方法在進(jìn)行連續(xù)土壤水分的測(cè)定時(shí),必須不斷地變動(dòng)取土點(diǎn),由于土壤本身的變異性,使測(cè)定結(jié)果往往發(fā)生很大差異。而且烘干法費(fèi)時(shí)、費(fèi)力,綜合費(fèi)用并不低;取樣會(huì)破壞土壤,深層取樣困難,定點(diǎn)測(cè)量時(shí)不可避免由取樣換位而帶來(lái)誤差,在很多情況下不可能長(zhǎng)期定點(diǎn)監(jiān)測(cè);受土壤空間變異性影響也比較大;如果測(cè)量目的是用于灌溉,還必須知道土壤各層次的容重。對(duì)于自動(dòng)節(jié)水灌溉控制來(lái)說(shuō),烘干法最主要的缺點(diǎn)就是測(cè)量時(shí)間較長(zhǎng)且必須人工在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行,不能實(shí)現(xiàn)對(duì)土壤的墑情進(jìn)行連續(xù)、長(zhǎng)期的在線測(cè)量,難以滿足自動(dòng)節(jié)水灌溉控制的測(cè)量要求。因此,采土烘干法是不適宜選擇在自動(dòng)控制節(jié)水灌溉中測(cè)量土壤水分的。2、中子儀法中子儀法測(cè)量結(jié)果非常準(zhǔn)確,是稱重法之外的第二標(biāo)準(zhǔn)方法,測(cè)量相對(duì)比較簡(jiǎn)單、容易,速度也很快。中子儀的探頭是由快中子輻射源和熱中子探測(cè)器構(gòu)成,當(dāng)探頭放入測(cè)管時(shí),中子源不斷地放射出快中子,快中子進(jìn)入土壤介質(zhì)與各種原子離子相碰撞,快中子損失能量,從而使其慢化。當(dāng)快中子與氫原子碰撞時(shí),損失能量最大,更易于慢化,土壤中水分含量越高,氫就越多,從而慢中子云密度就越大。中子儀測(cè)定水分就是經(jīng)過(guò)測(cè)定慢中子云的密度與水分子間的函數(shù)關(guān)系來(lái)確定土壤中的水分含量。利用中子儀測(cè)土壤水分含量,不必采土,不破壞土壤結(jié)構(gòu),并可定點(diǎn)連續(xù)監(jiān)測(cè),從而得到該樣點(diǎn)土壤水分動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)規(guī)律,且快速準(zhǔn)確,無(wú)滯后現(xiàn)象。但中子儀測(cè)定時(shí),室內(nèi)外曲線差異較大,且田間不同的土壤物理性質(zhì),如容重不同、土壤質(zhì)地不同都會(huì)造成曲線較大的移動(dòng),研究表明中子儀垂直分辨率較差,且表層測(cè)量困難,同時(shí)中子儀價(jià)格昂貴,特別是輻射危害健康,操作者必須經(jīng)過(guò)培訓(xùn)并持有許可證,而且中子儀對(duì)于長(zhǎng)期大面積動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)土壤水分仍幾乎不可能,因此不能廣泛應(yīng)用,不適宜在自動(dòng)灌溉控制的土壤水分測(cè)量上應(yīng)用。3、電阻法土壤一般是導(dǎo)電的,其電阻率隨其含水率的變化而變化。電阻法就是根據(jù)這個(gè)原理測(cè)量土壤水分的。電阻法是一項(xiàng)比較古老的方法,電阻由多孔滲水介質(zhì)(如石膏、尼龍、玻璃纖維)制成,它的電阻大小與含水量相關(guān)。把里面嵌有電極的電阻塊放入土壤中,當(dāng)電阻塊中的水勢(shì)與土壤水勢(shì)平衡后,測(cè)量電阻塊的電阻,然后求出土壤水勢(shì)。電阻塊主要是石膏塊,因此此法常稱之為石膏塊法(GyPsulnBloek)。當(dāng)前,電阻法一般都是經(jīng)過(guò)電阻式土壤水分傳感器測(cè)量土壤水分的。傳感器的結(jié)構(gòu)如圖3.1,其實(shí)體是由質(zhì)地均勻的石膏制成的圓柱體.在實(shí)體中部埋置有直徑不同、同心安裝的兩個(gè)不銹鋼制成的圓筒狀電極,其上引出電極引線。傳感器電極不與被測(cè)土壤直接接觸,而是經(jīng)過(guò)多孔性材料石膏為中介與土壤水分聯(lián)系的。這樣做,是為了避免土壤鹽分及測(cè)量電極與土壤接觸狀況對(duì)測(cè)量的影響。圖3.1電隊(duì)式土壤水分傳感器電極引線2、內(nèi)電極3、外電極4、石膏體測(cè)量時(shí),將傳感器埋入被測(cè)土壤中(軸線與水平面平行)。土壤水分運(yùn)動(dòng)使傳感器石膏體的含水量與土壤水形成一定的函數(shù)關(guān)系。而石膏體含水量的變化將引起置于其中的兩電極的介電特性和電阻的變化,即傳感器的介電特性和電阻與土壤水分是相互聯(lián)系的。電阻法成本較低,能夠作許多重復(fù),可不破壞土壤留在田間連續(xù)自動(dòng)監(jiān)測(cè),適合于灌溉?？墒请娮璺ㄓ袦笞饔?干燥后電阻塊可能與土壤接觸不好,靈敏度也非常低。任何與土壤水分變化無(wú)關(guān)的土壤電導(dǎo)的變化(如施肥)也會(huì)被檢測(cè)到,使結(jié)果出現(xiàn)偏差,此法只適合于非鹽堿土。當(dāng)使用直流電的時(shí)候,極化作用會(huì)引起電阻塊退化速度加快,長(zhǎng)時(shí)間后石膏會(huì)徹底溶解到土壤溶液中,土壤含水量越高,電阻塊壽命越短。電阻法受土壤性質(zhì)影響,需要標(biāo)定,而且標(biāo)定結(jié)果會(huì)隨著時(shí)間發(fā)生變化。因此,電阻法不適合用于長(zhǎng)期的土壤監(jiān)測(cè),也不能用在控制系統(tǒng)的水分測(cè)量中。4、頻域反射儀法(TDR)時(shí)域反射儀法,即TDR(TimeDo二inRefleetometry)法是一項(xiàng)高速測(cè)量技術(shù),最早由HIFellner一Feldegg于1969年開(kāi)發(fā),用來(lái)測(cè)量液體介電常數(shù)與頻率的關(guān)系,自從Topp等人對(duì)TDR做出關(guān)鍵性的發(fā)展后,便開(kāi)始了一個(gè)大量使用TDR測(cè)量土壤水分的時(shí)期。由于TDR測(cè)量快速,一般不需標(biāo)定,能夠作定位連續(xù)測(cè)量,既能夠做成輕巧的便攜式作野外測(cè)量,又可與計(jì)算機(jī)相連,自動(dòng)完成單個(gè)或成批監(jiān)測(cè)點(diǎn)的測(cè)量,因此20世紀(jì)90年代后國(guó)際上已把TDR作為研究土壤水分的基本儀器設(shè)備。TDR的基本原理是,高頻電磁脈沖沿傳輸線在土壤中傳播的速度依賴于土壤的介電特性。在一定的電磁波頻率范圍內(nèi)(50M~10GHz),礦物質(zhì)、空氣和水的介電特性為常數(shù),因此土體的介電常數(shù)主要依賴于土壤容積含水量(極微弱地依賴于土壤類型、緊實(shí)度、束縛水等),這樣能夠建立土壤容積含水量與土壤介電常數(shù)的經(jīng)驗(yàn)方程。用一對(duì)平行棒或金屬線作為導(dǎo)體,土壤作為電介質(zhì),一對(duì)棒起波導(dǎo)管的作用,電磁波信號(hào)在土壤中以平面波傳導(dǎo),經(jīng)傳輸線一端返到TDR接收器,分析傳導(dǎo)速度和振幅變化,根據(jù)速度與介電常數(shù)的關(guān)系、介電常數(shù)與體積含水量之間的函數(shù)關(guān)系而得出土壤含水量。TDR為當(dāng)前測(cè)量土壤含水量的主流方法。TDR可對(duì)土壤樣品快速、連續(xù)、準(zhǔn)確地測(cè)量,平均分辨率0.02~O,OO5cma/cma。一般不需標(biāo)定,測(cè)量范圍廣(含水量O一100%),操作簡(jiǎn)便,野外和室內(nèi)都可使用,可做成手持式的進(jìn)行田間即時(shí)測(cè)量,也可經(jīng)過(guò)導(dǎo)線遠(yuǎn)距離多點(diǎn)自動(dòng)監(jiān)測(cè)。導(dǎo)波棒能夠單獨(dú)留在土壤中好幾年,需要的時(shí)候再連上TDR測(cè)量;導(dǎo)波棒可做成不同形狀以適應(yīng)不同情況,長(zhǎng)度一般10~200cm。TDR能夠測(cè)量表層土壤含水量。TDR測(cè)量結(jié)果受土壤鹽度影響很小,但當(dāng)含鹽量增加后,脈沖信號(hào)從導(dǎo)波棒末端的反射會(huì)減弱,在測(cè)量高有機(jī)質(zhì)含量土壤、高2:l型粘土礦物含量土壤、容重特別高或特別低的土壤時(shí),需要標(biāo)定。TDR最大的缺點(diǎn)是電路復(fù)雜,導(dǎo)致設(shè)備昂貴,儀器主要依賴進(jìn)口,雖然國(guó)內(nèi)當(dāng)前也有生產(chǎn),價(jià)格可降至進(jìn)口的一半,但價(jià)格依然昂貴,在控制系統(tǒng)要求成本低的條件下也不適宜用TDR法測(cè)量土壤水分。與TDR方法類似的還有頻域反射法,即FDR(FrequeneyDo陽(yáng)inRefleet。metry),測(cè)量土壤含水量的原理與TDR類似。FDR的傳感器主要由一對(duì)電極(平行排列的金屬棒或圓形金屬環(huán))組成一個(gè)電容,其間的土壤充當(dāng)電介質(zhì),電容與振蕩器組成一個(gè)調(diào)諧電路,振蕩器工作頻率隨土壤電容的增加而降低,廁士算后容隨土壤含水量的增加而增加,于是振蕩器頻率與土壤含水量呈非線性反比關(guān)系。FDR使用掃頻頻率來(lái)檢測(cè)共振頻率(此時(shí)振幅最大),土壤含水量不同,發(fā)生共振的頻率不同。如果使用固定頻率,經(jīng)過(guò)測(cè)量其標(biāo)準(zhǔn)波的頻率變化來(lái)測(cè)量土壤含水量,這類方法嚴(yán)格地說(shuō)不是FDR,一般稱為電容法。FDR法具有比TDR法更多的優(yōu)點(diǎn),但同時(shí)也具有TDR的缺點(diǎn),就是設(shè)備價(jià)格昂貴,在追求低成本的自動(dòng)控制節(jié)水灌溉設(shè)備中是不適宜使用的。5、負(fù)壓式傳感器法負(fù)壓式傳感器法就是利用土壤水吸力傳感器測(cè)量土壤水吸力來(lái)獲知土壤含水量的方法。土壤水吸力傳感器的關(guān)鍵部件是細(xì)孔毛瓷杯,即陶土頭,其上的毛細(xì)孔徑約1.0~1.5pm,細(xì)孔毛瓷杯內(nèi)裝滿無(wú)氣水,與土壤緊密接觸,杯內(nèi)自由水經(jīng)過(guò)杯壁孔隙與土壤水接觸,當(dāng)土壤水分與瓷杯內(nèi)水分不平衡時(shí),水和鹽就能夠無(wú)阻礙地進(jìn)出瓷杯,與土壤達(dá)到平衡,而在杯內(nèi)就會(huì)負(fù)壓,這個(gè)負(fù)壓等于土壤的水吸力。土壤水吸力與土壤含水量是有一定關(guān)系的,土壤含水量越小,吸力越大;土壤含水量越多,吸力越小,因此,經(jīng)過(guò)測(cè)量土壤水吸力能夠知道土壤含水量。負(fù)壓式傳感器法在土壤比較濕潤(rùn)的情況下測(cè)量土壤水吸力很準(zhǔn)確,受土壤空間變異性的影響比較小,是一種低成本的直接測(cè)量方法,能夠連續(xù)測(cè)量土壤含水量。與其它的測(cè)量方法比起來(lái),用負(fù)壓式傳感器法測(cè)定土壤水分具有田間原位測(cè)定、快速直讀、不破壞土壤結(jié)構(gòu)、價(jià)格低廉、無(wú)放射性物質(zhì)、安全可靠、便于長(zhǎng)期觀測(cè)和積累田間水勢(shì)資料等優(yōu)點(diǎn)。特別是能夠利用壓阻傳感器將土壤水吸力轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出,便于進(jìn)行數(shù)字化處理和與計(jì)算機(jī)接口,有利于實(shí)現(xiàn)用計(jì)算機(jī)對(duì)土壤水分的自動(dòng)監(jiān)測(cè)。因此,在自動(dòng)灌溉控制系統(tǒng)中使用負(fù)壓式傳感器法測(cè)量土壤水分是最恰當(dāng)?shù)倪x擇。3.1.2傳感器的改進(jìn)3.2.1傳感器原理負(fù)壓式土壤水分傳感器由集氣管、壓阻式傳感器和陶土頭等部件組成。集氣管上端為注水口,用密封蓋蓋緊,旁側(cè)有一個(gè)接口與壓阻式傳感器聯(lián)接,下端與陶土頭相連,集氣管中充滿無(wú)氣水。傳感器結(jié)構(gòu)如圖3.2所示。圖3.2土壤水吸力傳感器結(jié)構(gòu)示意圖陶土頭是負(fù)壓式土壤水分傳感器的感應(yīng)部件,具有許多細(xì)小的孔隙,陶土頭被水浸潤(rùn)后,在孔隙中形成一層水膜。當(dāng)傳感器充滿無(wú)氣水而且密封后,將陶土頭部分插入水分不飽和土壤時(shí)(注意,陶土頭要與土壤緊密接觸,否則測(cè)量不準(zhǔn)確),水膜便與土壤水連結(jié)起來(lái),使傳感器內(nèi)部產(chǎn)生負(fù)壓。壓阻式傳感器將負(fù)壓轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào),二者呈線性關(guān)系,根據(jù)測(cè)得的電壓即可轉(zhuǎn)換成土壤水吸力。集氣管的長(zhǎng)度要根據(jù)不同作物根系分布深度的不同來(lái)選擇。壓阻式傳感器是土壤水吸力傳感器的關(guān)鍵部件,所測(cè)數(shù)據(jù)的精度主要取決于它的性能。本課題中選用的壓阻式傳感器的測(cè)量范圍為O~IOOKPa,精度為功.05%,采用1.smA恒流供電(電纜短時(shí)也可采用恒壓供電方式)。傳感器的輸入輸出阻抗均為3K。由于壓阻式傳感器的性能有一定的離散性,因此,對(duì)于壓阻式傳感器的吸力值與輸出電壓值之間的關(guān)系需要標(biāo)定。負(fù)壓式土壤水分傳感器直接測(cè)出的是土壤水吸力而不是土壤含水率,可是由于多年的使用經(jīng)驗(yàn)積累已經(jīng)得出部分常見(jiàn)作物需灌溉時(shí)的土壤負(fù)壓范圍,因此不需要再將土壤水吸力轉(zhuǎn)換為土壤水分。部分植物需灌溉時(shí)對(duì)應(yīng)的土壤負(fù)壓值范圍如表1所示。表1部分植物需灌溉時(shí)的土壤負(fù)壓值范圍3.1.2.2傳感器的改進(jìn)一、傳感器存在的問(wèn)題負(fù)壓式土壤水分傳感器雖然能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)土壤水分,但實(shí)際使用過(guò)程還存在幾個(gè)缺點(diǎn),必須要進(jìn)行改進(jìn)。(1)不一致性,這是由于壓阻傳感器具有離散性造成的。在O一10OKPa測(cè)量范圍內(nèi),各負(fù)壓式土壤水分傳感器的輸出電壓不盡相同。這就要求每使用一個(gè)傳感器都要調(diào)整控制系統(tǒng)中對(duì)傳感器輸出電壓信號(hào)的處理電路。當(dāng)一個(gè)傳感器壞掉要換新的傳感器時(shí),就要重新調(diào)整信號(hào)處理電路,這就限制了自動(dòng)灌溉控制系統(tǒng)的適用性,不利于推廣。(2)負(fù)壓式土壤水分傳感器的輸出信號(hào)是電壓,而電壓在長(zhǎng)線傳輸過(guò)程中易損耗且易受干擾,影響了測(cè)量的準(zhǔn)確性。(3)負(fù)壓式土壤水分傳感器采用四線制傳輸信號(hào),其中兩線傳送電源信號(hào),另外兩線傳送電壓輸出信號(hào)。四線制導(dǎo)線較貴,而自動(dòng)控制系統(tǒng)在田間工作一般會(huì)離測(cè)量點(diǎn)較遠(yuǎn),需要很長(zhǎng)四線制導(dǎo)線,測(cè)試點(diǎn)越多越遠(yuǎn),需要的四線制導(dǎo)線就越多越長(zhǎng),這無(wú)形中增加了自動(dòng)控制節(jié)水灌溉設(shè)備的成本。而且電壓傳輸信號(hào)易受干擾,長(zhǎng)線傳輸時(shí)有壓降,會(huì)產(chǎn)生測(cè)量誤差。(4)負(fù)壓式土壤水分傳感器的陶土頭與塑料管的連接是采用強(qiáng)力膠粘合,在連接處沒(méi)有任何保護(hù)裝置,容易折斷。陶土頭本身也比較脆弱,強(qiáng)度不夠,也易折斷。(5)負(fù)壓式土壤水分傳感器的集氣管與塑料管里充的是無(wú)氣水,每隔一段時(shí)間就要網(wǎng)傳感器里充無(wú)氣水,在高溫天氣充水會(huì)更加頻繁。如果種一季莊稼就要充幾十次水就會(huì)顯得很麻煩。同時(shí),在充水時(shí)要擰開(kāi)密封蓋,在擰松密封蓋時(shí)容易使陶土頭與周圍土壤產(chǎn)生松動(dòng)。陶土頭一旦與周圍土壤稍微松動(dòng)就會(huì)影響測(cè)量結(jié)果,有可能使控制系統(tǒng)灌溉控制不準(zhǔn)確。二、傳感器的改進(jìn)(1)電路的改進(jìn)針對(duì)負(fù)壓式土壤水分傳感器的第一個(gè)問(wèn)題,能夠采用輸出信號(hào)就地處理轉(zhuǎn)換的方法進(jìn)行改進(jìn),即將傳感器輸出信號(hào)的處理電路放在負(fù)壓式土壤水分傳感器上,這樣只要在使用傳感器時(shí)只要調(diào)整傳感器上的信號(hào)處理電路,使其輸出信號(hào)與壓力值關(guān)系一定,而不需要再去調(diào)節(jié)自動(dòng)控制系統(tǒng)的電路,增加了控制系統(tǒng)的可推廣性。解決傳感器第二個(gè)問(wèn)題能夠采用將電壓轉(zhuǎn)換為電流傳輸?shù)姆椒?電流傳輸不易受干擾,比電壓可靠。第三個(gè)四線制導(dǎo)線問(wèn)題能夠改進(jìn)兩線制導(dǎo)線傳輸信號(hào),市場(chǎng)上兩線制導(dǎo)線的成本要比四線制便宜很多。綜合上面三個(gè)問(wèn)題的改進(jìn)方法就能夠的到一個(gè)改進(jìn)負(fù)壓式土壤水分傳感器性能的方案,即將傳感器的四線制電壓傳輸就地轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的兩線制4~20毗電流信號(hào)傳送。這將簡(jiǎn)化控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)并增強(qiáng)它的通用性。兩線制的壓力變送電路如圖3.3所示。圖3.3兩線制壓力變送電路變送電路采用24V直流電源供電,24V電源經(jīng)過(guò)反相保護(hù)二極管(DI)給運(yùn)放和三極管供電。電路中的電橋?yàn)槟M的壓阻傳感器的電源輸入與信號(hào)輸出。壓阻傳感器需要1.smA的恒流源供電,因此,在變送電路中需要一個(gè)恒流源電路給壓阻傳感器供電。運(yùn)放Al與可變電阻RS3組成了一個(gè)恒流源,A1的同相端接到可變電阻RSI的可調(diào)端,輸出電流與A1同相端輸入電壓的的關(guān)系如式3.1所示:I=UA一+/RS3(3.1)經(jīng)過(guò)穩(wěn)壓管Ql與RSI給A1的同相端提供一個(gè)恒定的電壓UAI*,則輸出電流由鄧3決定,調(diào)整RS3就可調(diào)整輸出電流為1.5mA。壓阻傳感器輸出的電壓信號(hào)是未經(jīng)放大的,電壓值非常小,不便于電流轉(zhuǎn)換,因此變送電路還需要一個(gè)電壓放大電路。同相串聯(lián)差動(dòng)運(yùn)算放大器具有抑制共模壓效果好、輸入阻抗高的優(yōu)點(diǎn),因此變送電路采用了同相串聯(lián)差動(dòng)運(yùn)算放大器對(duì)輸出電壓信號(hào)進(jìn)行放大。變送電路中A2和A3、R2、R3、R4、R5、RS4共同組成了同相串聯(lián)差動(dòng)運(yùn)算放大器。差放的輸入與輸出電壓的關(guān)系由式3.3決定AI、為參考電壓,它能夠抬高輸出電平,RS4能夠用來(lái)調(diào)節(jié)增益。A4與三極管Q2的組合將差放的輸出電壓轉(zhuǎn)換為電流。R9為采樣電阻,將輸出反饋到輸入端,以此調(diào)節(jié)輸出電流。A4的反向端接到RSZ的滑動(dòng)端,調(diào)節(jié)RSZ就能夠調(diào)節(jié)零壓力時(shí)輸出電流為4mA,調(diào)節(jié)RS4就可使壓力與輸出電流滿足一定的關(guān)系。這樣設(shè)計(jì)的好處在于:變送器調(diào)零電位器的滑臂位置不會(huì)影響放大器和電壓/電流變換相應(yīng)電阻的匹配性,同時(shí)在零位校準(zhǔn)后,A4兩輸入端的共模電壓即是某確定值,而不會(huì)隨壓力變化,因而對(duì)A4共模抑制比的要求能夠降低。負(fù)壓式土壤水分傳感器經(jīng)過(guò)上述改進(jìn)后,其耐用性與通用性都將得到提高。2)結(jié)構(gòu)的改進(jìn)針對(duì)負(fù)壓式土壤水分傳感器的第四和第五個(gè)缺點(diǎn):陶土頭易損壞,加水頻繁易導(dǎo)致陶土頭與土壤產(chǎn)生松動(dòng),就要對(duì)負(fù)壓式土壤水分傳感器進(jìn)行結(jié)構(gòu)上的改進(jìn),使其能在結(jié)構(gòu)上保護(hù)陶土頭不受損壞;使充水變得容易,不破壞陶土頭與土壤的緊密程度;延長(zhǎng)充水周期,最好能在種完一季莊稼的過(guò)程中不用充水。基于以上的考慮,下面就對(duì)傳感器的結(jié)構(gòu)改進(jìn)進(jìn)行分析設(shè)計(jì)。①陶土頭保護(hù)結(jié)構(gòu)負(fù)壓式土壤水分傳感器的陶土頭較脆弱,易損壞,其與塑料管的連接處易折斷,這是由陶土頭本身的材料性質(zhì)所決定的,不能改變陶土頭的材料,因此只能在陶土頭的外邊加一個(gè)保護(hù)結(jié)構(gòu),使其能避免被碰撞。在設(shè)計(jì)陶土頭保護(hù)結(jié)構(gòu)時(shí)要考慮到陶土頭是經(jīng)過(guò)與土壤接觸來(lái)測(cè)量土壤水吸力的,因此陶土頭保護(hù)結(jié)構(gòu)不能阻礙其與土壤之間的緊密接觸。陶土頭的保護(hù)結(jié)構(gòu)如圖3.4所示。圖3.4陶土頭保護(hù)裝置如圖,整個(gè)裝置由不銹鋼的細(xì)鋼條做成,三根細(xì)鋼條圍成陶土頭的形狀,圍成的圓的直徑要比陶土頭的直徑略大,長(zhǎng)度也要比陶土頭的稍長(zhǎng),使螺孔的位置在陶土頭與塑料管的連接處之上。安裝時(shí),保護(hù)裝置從下往上套住陶土頭,并用三個(gè)螺釘夾住塑料管以固定保護(hù)裝置。陶土頭裝上這個(gè)保護(hù)裝置后,它與連接處就處于不銹鋼條的保護(hù)之下,若是與其它物體碰撞就不容易碰撞到陶土頭,首先碰撞到的是不銹鋼條,而不銹鋼是很耐碰撞的。另外,由于保護(hù)結(jié)構(gòu)采用的是細(xì)細(xì)的不銹鋼條做成,陶土頭裝上保護(hù)結(jié)構(gòu)后,它的絕大部分還是露在外邊,依然能夠與土壤緊密接觸,保護(hù)結(jié)構(gòu)并不影響土壤水吸力的測(cè)量。②充水改進(jìn)對(duì)于傳感器充水過(guò)于頻繁的問(wèn)題,可能很多人會(huì)想只要增加集氣管的長(zhǎng)度就能夠增大傳感器的蓄水量,自然也就延長(zhǎng)了充水周期,減少了充水次數(shù)?？墒?對(duì)于負(fù)壓式土壤水分傳感器來(lái)說(shuō),集氣管、塑料管的長(zhǎng)度及壓阻傳感器的位置是與其測(cè)量的壓力值和輸出都有關(guān)系的,是不能任意加長(zhǎng)的。因此不能用增長(zhǎng)集氣管的方法來(lái)解決充水頻繁的問(wèn)題。既然不能靠增長(zhǎng)集氣管來(lái)增加傳感器的蓄水量,那么能夠在集氣管之外安裝一個(gè)蓄水裝置,儲(chǔ)蓄種一季莊稼所需的水量,就能夠解決充水頻繁的問(wèn)題。另外,也要考慮到如何使充水簡(jiǎn)單易行的問(wèn)題。設(shè)計(jì)的傳感器加水裝置如圖3.5所示。圖3.5加水裝置如圖所示,加水裝置由兩部分組成,蓄水盒與密封螺栓。蓄水盒上的傳感器套筒代替了密封蓋,套在傳感器的頭部,并用膠密封以保證感器不漏氣。蓄水盒上有一個(gè)較大的螺孔和一個(gè)圓錐狀的漏水孔。加水時(shí),無(wú)氣水由螺孔加入蓄水盒,再由漏水孔流入傳感器里。密封螺栓的螺紋與蓄水盒上的螺孔對(duì)應(yīng),密封螺栓頭部的橡皮塞圍圓錐狀,與漏水孔對(duì)應(yīng)。當(dāng)傳感器加滿水而且蓄水盒存儲(chǔ)了一定體積的水后,將密封螺栓擰入蓄水盒里。橡皮塞恰好堵住漏水孔,由于漏水孔是圓錐狀,橡皮塞就能較好的密封住傳感器,使其不漏氣。當(dāng)傳感器需要加水時(shí)只需擰松密封螺栓,水就會(huì)流入傳感器,加水便變得非常方便,而且由于蓄水盒里存儲(chǔ)有一定量的水,就能夠很長(zhǎng)時(shí)間不用往蓄水盒里加水,非常省事。這樣就能夠解決加水頻繁的問(wèn)題。而擰開(kāi)密封螺栓比直接擰開(kāi)傳感器上的密封蓋要容易得多,也不易使陶土頭與土壤產(chǎn)生松動(dòng)。整個(gè)加水裝置與密封螺栓都用有機(jī)玻璃制成,這樣就能夠觀察到蓄水盒中水量的變化,及時(shí)補(bǔ)充水分。(3)改進(jìn)后的傳感器圖3.6改進(jìn)后的土壤水吸力傳感器改進(jìn)后的傳感器結(jié)構(gòu)如圖3.6所示。電路盒用密封膠粘在水分傳感器放置壓阻傳感器的地方,電路盒里面密封了壓阻傳感器及改進(jìn)的4~20mA電流變送電路,只留出兩根導(dǎo)線提供電壓及輸送輸出電流。土壤水吸力傳感器在經(jīng)過(guò)這些改進(jìn)之后,其耐用性與適用性都將得到很大的提高。3.2土壤溫度測(cè)量3.2.1傳感器的選擇測(cè)量溫度的傳感器有很多,而控制系統(tǒng)中對(duì)于土壤溫度的測(cè)量要求又不是很高,測(cè)溫范圍一般在0一100℃,測(cè)溫精度要求也不高,許多傳感器都能夠用來(lái)測(cè)量土壤溫度,因此要綜合系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求選擇一個(gè)價(jià)格低、性能好、電路簡(jiǎn)單、具有一定精度的溫度傳感器。當(dāng)前常見(jiàn)的測(cè)溫傳感器有熱電偶、熱電阻、熱敏電阻、和半導(dǎo)體集成溫度傳感器等。熱電偶是根據(jù)熱電勢(shì)效應(yīng)原理測(cè)溫的,它是當(dāng)前使用最廣泛的熱電式傳感器,具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造方便、測(cè)溫范圍寬、熱慣性小、準(zhǔn)確度高等特點(diǎn),可是它需要進(jìn)行溫度補(bǔ)償,比較麻煩。熱電阻式傳感器是利用導(dǎo)體的電阻率隨溫度而變化的效應(yīng)制成的傳感器。常見(jiàn)的熱電阻有鉑熱電阻和銅熱電阻。鉑熱電阻的特點(diǎn)是物理化學(xué)性能穩(wěn)定,特別是耐氧化能力強(qiáng)、測(cè)量精度高、測(cè)溫范圍寬,有很好的重現(xiàn)性,但價(jià)格較貴。而銅熱電阻雖然價(jià)格便宜,但測(cè)溫范圍小,測(cè)溫精度不高,電路設(shè)計(jì)也比較復(fù)雜。熱敏電阻傳感器是利用半導(dǎo)體的電阻隨溫度顯著變化這一特性測(cè)溫的,它的體積小、靈敏度高、穩(wěn)定性好,可是它的互換性差,而且價(jià)格昂貴。半導(dǎo)體溫度傳感器是利用半導(dǎo)體PN結(jié)的溫度特性制成的。這種傳感器的優(yōu)點(diǎn)是小型化、線性好、高靈敏度、穩(wěn)定性好、重復(fù)性好,互換性好,低成本,易于電路設(shè)計(jì)或控制電路接口。從以上分析能夠看出,半導(dǎo)體溫度傳感器由于具有小型化、線性好,低成本,易于電路設(shè)計(jì)或控制電路接口的優(yōu)點(diǎn)是最適合用在控制系統(tǒng)中測(cè)量土壤溫度的。LM35是集成的半導(dǎo)體精密溫度傳感器,與傳統(tǒng)的熱敏電阻、熱電阻、熱電偶等相比較,與熱敏電阻、熱電偶等傳統(tǒng)傳感器相比,具有線性好、精度高、體積小、校準(zhǔn)方便、價(jià)格低等特點(diǎn),非常適合于常溫測(cè)量工作。因此,在控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中選用LM35來(lái)測(cè)量土壤溫度。3.2.2溫度測(cè)量電路設(shè)計(jì)LM35是電壓輸出,它的外型很小,只有3個(gè)引腳(如圖3.7所示),Vout是輸出電壓端,VS是電源端。在一定的工作條件下,傳感器的輸出電壓V。與被測(cè)溫度成線性關(guān)系。使用中無(wú)須作O℃或20℃校準(zhǔn),其工作靈敏度為10mV/℃,工作電流56一80pA,自身精度為0.4℃(25℃時(shí)),傳感器輸出電阻為0.1。,工作電源電壓范圍4一3ov。LM35的基本電路十分簡(jiǎn)單,遙測(cè)環(huán)境溫度電路如圖3.7所示,其測(cè)溫范圍為2℃~150℃。輸出電壓從并聯(lián)的電阻上獲得,輸出電壓與溫度的關(guān)系有式3.4決定:V。=10mV/oC*(T環(huán)境+loC)(3.4)由于遙測(cè)的距離較長(zhǎng),從傳感器到并聯(lián)的電阻見(jiàn)的導(dǎo)線應(yīng)絞合。圖3.7LM35及其遙測(cè)電路3.3控制儀器設(shè)計(jì)3.3.1儀器設(shè)計(jì)方案控制儀器的設(shè)計(jì)方向是具有廣泛的適用性,同時(shí)盡量小型化、簡(jiǎn)單化、易操作及低成本,實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)土壤墑情,按照作物需水特性精確灌溉。一、土壤墑情監(jiān)測(cè)與判斷自動(dòng)化節(jié)水灌溉控制設(shè)備研究的主要目的是為解決中國(guó)水資源緊缺問(wèn)題,即節(jié)碩士論文智能化設(shè)施農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)研究水,實(shí)現(xiàn)作物按需精確灌溉,因此,土壤水分是自動(dòng)化設(shè)備主要監(jiān)測(cè)的土壤參數(shù)。同時(shí),考慮到土壤溫度對(duì)作物生長(zhǎng)及灌溉都有影響,因此也需要對(duì)土壤溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)。土壤水分經(jīng)過(guò)負(fù)壓式土壤水分傳感器測(cè)量土壤水吸力獲得,土壤溫度則由半導(dǎo)體集成精密溫度傳感器LM35測(cè)量。至于其它的參數(shù),如土壤鹽分、作物葉面蒸騰量等,在測(cè)量參數(shù)己足夠和簡(jiǎn)化系統(tǒng)降低成本的前提下,能夠不用考慮測(cè)量。因此,自動(dòng)化節(jié)水灌溉控制儀器的主要工作就是對(duì)土壤水分和溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè),并根據(jù)土壤水分傳感器與溫度傳感器傳送的當(dāng)前土壤水分與溫度信息進(jìn)行判斷,在適宜澆水的溫度范圍內(nèi),若土壤處于缺水狀態(tài),就給出控制信號(hào),控制灌溉設(shè)備進(jìn)行澆灌,若是土壤不缺水就不澆灌或是給出停止?jié)补嗟目刂菩盘?hào)。在控制儀器的工作中,判斷土壤是否缺水是一個(gè)難點(diǎn)。負(fù)壓式土壤水分傳感器測(cè)出來(lái)的是土壤的水吸力。土壤水吸力與土壤水分具有一定的關(guān)系,土壤吸力越大,土壤含水量越小;土壤吸力越小,土壤含水量越多。由于負(fù)壓式土壤水分傳感器經(jīng)過(guò)多年使用累積經(jīng)驗(yàn),已經(jīng)掌握了大部分作物需水狀態(tài)對(duì)應(yīng)的土壤水吸力范圍,因此,能夠直接用土壤水吸力來(lái)判斷作物的缺水狀況?？墒?不同的作物對(duì)水分的需求是不一樣的,同一作物在不同的時(shí)期對(duì)分的需求也是不一樣的,就算是同一作物在同一時(shí)期它對(duì)水分的需求也是會(huì)隨著環(huán)境的不同而變化的,判斷土壤缺水沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。為實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制、按需灌溉,控制儀器就必須能夠根據(jù)不同的作物,不同的生長(zhǎng)期以及不同的環(huán)境改變判斷土壤缺水的標(biāo)準(zhǔn)。因此,控制儀器在設(shè)計(jì)時(shí)就必須具有允許操作者經(jīng)過(guò)鍵盤設(shè)定判斷土壤缺水標(biāo)準(zhǔn)的功能,對(duì)不同作物農(nóng)業(yè)專家就能夠憑經(jīng)驗(yàn)設(shè)定不同的判斷值來(lái)實(shí)現(xiàn)作物按需灌溉,這樣,不但能充分利用農(nóng)業(yè)專家的經(jīng)驗(yàn),還能夠使自動(dòng)化節(jié)水灌溉控制儀器適用于許多不同作物,提高了儀器的通用性。二、灌溉控制1控制方式當(dāng)前中國(guó)設(shè)施農(nóng)業(yè)中裝配的灌溉系統(tǒng)設(shè)備差異很大,這主要使由于各地方的條件和資金差異造成的。有的使用電機(jī)輸水,有的經(jīng)過(guò)水泵加壓,有的是電磁閥控制等等。要使控制系統(tǒng)具有通用性,就要使其給出的控制信號(hào)能夠控制這些不同的輸水設(shè)備,這就要找出它們的共同點(diǎn)。經(jīng)過(guò)觀察不難發(fā)現(xiàn),這些輸水設(shè)備都是經(jīng)過(guò)接通電源工作的,如果給這些輸水設(shè)備的電源線上加一個(gè)開(kāi)關(guān),由控制系統(tǒng)來(lái)控制開(kāi)關(guān)的閉合,那么控制系統(tǒng)就能夠控制這些設(shè)備工作了,也即控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了灌溉的控制。這樣,控制系統(tǒng)給出的控制信號(hào)也就具有了通用性。2灌溉方式不同的土壤滲水能力是不一樣的,比如砂土滲水能力很強(qiáng),水分能很快的滲入土壤深層,而粘土滲水能力就較弱,需要經(jīng)過(guò)一段時(shí)間水才能滲入土壤深層。對(duì)于滲水能力強(qiáng)的土壤,灌溉效果能夠很快的顯現(xiàn)出來(lái),控制儀器能夠經(jīng)過(guò)土壤水吸力傳感器很快的檢測(cè)到土壤缺水狀態(tài)己得到緩解,能夠停止?jié)菜?。而?duì)于滲水能力弱的土壤,就會(huì)出現(xiàn)這種情況:實(shí)際澆水量已經(jīng)足夠,只是由于土壤滲水能力弱,水分不能及時(shí)滲入土壤深層,土壤水吸力傳感器測(cè)出土壤依然缺水,控制儀控制灌溉設(shè)備繼續(xù)澆水,等到土壤水吸力傳感器測(cè)出土壤已不缺水并停止?jié)菜?這時(shí)的澆水量已遠(yuǎn)超過(guò)作物的需求量。這不但沒(méi)有實(shí)現(xiàn)節(jié)水反而浪費(fèi)了水,同時(shí)對(duì)需水量敏感的作物生長(zhǎng)也不利。因此,為使控制系統(tǒng)能適應(yīng)不同土壤的灌溉要求,就需要設(shè)計(jì)幾種不同的灌溉方式,針對(duì)不同的土壤選擇不同的與之相適應(yīng)的灌溉方式,以保證能夠達(dá)到節(jié)水的目的。三、控制儀整體低成本設(shè)計(jì)低成本是自動(dòng)化節(jié)水灌溉控制儀設(shè)計(jì)的一個(gè)重要要求,它也是決定節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)能否推廣的一個(gè)重要因素?？刂苾x的設(shè)計(jì)一般包括四個(gè)部分:檢測(cè)部分、控制部分、功能設(shè)定部分、工況顯示部分。檢測(cè)部分檢測(cè)土壤水分與溫度并對(duì)檢測(cè)結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行處理;控制部分判斷作物缺水狀況并給出灌溉控制信號(hào);功能設(shè)定部分設(shè)定判斷作物缺水參數(shù)值和灌溉方式;工況顯示部分顯示土壤水分和溫度檢測(cè)結(jié)果及當(dāng)前控制儀工作狀態(tài)。一般控制儀的設(shè)計(jì)都會(huì)將這四部分合在一起做成一臺(tái)儀器,可是這樣做會(huì)增加單臺(tái)儀器的體積和成本,而對(duì)于在田間工作的節(jié)水灌溉控制儀來(lái)說(shuō),檢測(cè)控制和設(shè)定顯示是能夠分開(kāi)設(shè)計(jì)的。這是因?yàn)楣?jié)水灌溉控制系統(tǒng)是整天整夜不間斷地在田間工作的,如無(wú)特殊要求是不要需要操作者守在儀器旁邊監(jiān)視其工作的,特別是晚上,控制儀能夠自己自動(dòng)工作,因此在控制儀工作的大部分時(shí)間里工況顯示是沒(méi)有必要的,而土壤缺水判斷標(biāo)準(zhǔn)和灌溉方式在一開(kāi)始設(shè)定好后,在一段長(zhǎng)間內(nèi)也不需要改變。這樣,檢測(cè)控制與設(shè)定顯示設(shè)計(jì)成一體就沒(méi)有必要。如果將檢測(cè)控制和設(shè)定顯示分開(kāi)設(shè)計(jì)成兩臺(tái)儀器,不但能夠減小單臺(tái)儀器的體積,還能夠降低單臺(tái)儀器的成本。同時(shí),一臺(tái)功能為設(shè)定顯示的儀器能夠搭配許多臺(tái)檢測(cè)控制的儀器,在購(gòu)買節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)時(shí),就能夠買許多臺(tái)的檢測(cè)控制的儀器,而只買一臺(tái)或是少量的設(shè)定顯示的儀器,這樣就會(huì)大大降低實(shí)現(xiàn)節(jié)水灌溉自動(dòng)控制的成本,有利于節(jié)水灌溉自動(dòng)控制系統(tǒng)的推廣。檢測(cè)控制與設(shè)定顯示分開(kāi)的儀器能夠分別叫做測(cè)控儀和設(shè)顯儀,在需要觀察當(dāng)前土壤情況或進(jìn)行參數(shù)設(shè)定時(shí),能夠經(jīng)過(guò)一個(gè)通訊接口將設(shè)顯儀與測(cè)控儀連接起來(lái),經(jīng)過(guò)設(shè)顯儀顯示測(cè)控儀所測(cè)當(dāng)前土壤狀況,或設(shè)定新的參數(shù)。將儀器分開(kāi)設(shè)計(jì)后,儀器的體積就能夠設(shè)計(jì)得很小,特別是設(shè)顯儀的體積很小,隨身攜帶很方便。這樣,種植人員能夠隨身攜帶一個(gè)設(shè)顯儀去巡查所有作物的種植生長(zhǎng)狀況,十分方便。以上是控制儀設(shè)計(jì)方案的總體構(gòu)思,下面就對(duì)自動(dòng)節(jié)水灌溉控制儀設(shè)計(jì)進(jìn)行具體介紹。3.3.2.1測(cè)控儀功能設(shè)計(jì)一、檢測(cè)結(jié)果處理測(cè)控儀的首要工作就是要將土壤水分傳感器和溫度傳感器傳送來(lái)的信號(hào)進(jìn)行處理,轉(zhuǎn)換為單片機(jī)能夠識(shí)別的數(shù)字信號(hào)。一般的信號(hào)轉(zhuǎn)換都采用A/D轉(zhuǎn)換器,可是A/D轉(zhuǎn)換器比較貴,需要根據(jù)轉(zhuǎn)換精度來(lái)選擇且轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)間的關(guān)系計(jì)算比較復(fù)雜。除A/D轉(zhuǎn)換器外,V/F轉(zhuǎn)換也是近年來(lái)使用得較多的信號(hào)轉(zhuǎn)換方法。LM331是用得較多的一種V/F轉(zhuǎn)換芯片,它的體積小,成本低,精度高,所需外圍元件少且輸入與輸出即V、F成線性關(guān)系,轉(zhuǎn)換關(guān)系簡(jiǎn)單?；贚M331的上述優(yōu)點(diǎn),在測(cè)控儀檢測(cè)結(jié)果的處理中使用LM331進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)換。LM331與溫度傳感器LM35只需使用少量元器件就能構(gòu)成線性關(guān)系很好的V/F轉(zhuǎn)換。土壤水分傳感器傳送過(guò)來(lái)的是標(biāo)準(zhǔn)的4~20mA電流,只要經(jīng)過(guò)250歐姆的標(biāo)準(zhǔn)電阻取樣就能轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電壓,與LM331也能夠成線性關(guān)系很好的V/F轉(zhuǎn)換。LM331的線性轉(zhuǎn)換電路如圖3.8所示。圖3.8LM331V/F轉(zhuǎn)換電路輸入電壓與輸出頻率的關(guān)系如式3.5所示:式中,RS是RSI和RsZ的電阻之和,Vin的單位為伏特,輸出頻率Fout的單位是HZ。從上面的公式能夠看出,只要選擇好Rs、RL、Rt、Ct的參數(shù)值,輸入和輸出就會(huì)有很好的線性關(guān)系。二、灌溉的控制在3.3.1節(jié)中提到過(guò),當(dāng)前中國(guó)各設(shè)施農(nóng)業(yè)中灌溉輸水控制設(shè)備很不統(tǒng)一,有電機(jī)、水泵、電磁閥等,要使測(cè)控儀的控制信號(hào)具有通用性就要用測(cè)控儀的控制信號(hào)去控制一個(gè)開(kāi)關(guān),而這個(gè)開(kāi)關(guān)去控制灌溉輸水控制設(shè)備的電源的通斷,從而達(dá)到測(cè)控儀控制灌溉的目的。繼電器是當(dāng)前使用得最廣泛的可控開(kāi)關(guān),性能也比較可靠,因此在測(cè)控儀設(shè)計(jì)時(shí)就選用繼電器來(lái)作控制灌溉輸水控制設(shè)備電源的開(kāi)關(guān)。繼電器有大有小,有交流控制也有直流控制,它的觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)既能經(jīng)過(guò)直流也能經(jīng)過(guò)交流。由于是測(cè)控儀直接控制繼電器開(kāi)關(guān)的吸合,因此,要選用直流控制的繼電器。這種直流控制的繼電器功率一般較小,不能承受大電流交流電流過(guò)。對(duì)于交、直流供電且電流較小的灌溉輸水控制設(shè)備來(lái)說(shuō),能夠直接用這種繼電器來(lái)控制?？墒菍?duì)于交流供電且電流較大的灌溉輸水控制設(shè)備來(lái)說(shuō),就不能直接用這種繼電器來(lái)控制電源。這時(shí),能夠再加一個(gè)可經(jīng)過(guò)較大電流的交流繼電器,用直流小功率繼電器去控制大功率交流繼電器,大功率交流繼電器又去控制灌溉輸水控制設(shè)備的交流電源,這樣測(cè)控儀同樣能夠?qū)崿F(xiàn)灌溉的控制。也就是說(shuō),測(cè)控儀給出的控制信號(hào)具有通用性。三、傳感器的數(shù)量與工作方式土壤水分是灌溉控制的最重要參數(shù),可是一個(gè)土壤水吸力傳感器只能測(cè)一個(gè)小范圍內(nèi)的土壤水分,這一小范圍往往不能代表一大片土壤的含水情況,而一片大田里往往種有很多株作物,要在每一株作物附近插一個(gè)傳感器測(cè)土壤水分又是不現(xiàn)實(shí)的。由于設(shè)施農(nóng)業(yè)中土壤比較平整均勻,具有一定的一致性,能夠在一定面積范圍的土壤內(nèi)設(shè)置幾個(gè)測(cè)試點(diǎn),取幾個(gè)測(cè)試點(diǎn)的平均值來(lái)代表這一面積范圍土壤的含水狀況,這樣既能夠不需要太多的成本去購(gòu)置傳感器又能夠使土壤水分的測(cè)量比較平均準(zhǔn)確。因此測(cè)控儀設(shè)計(jì)連接了三個(gè)負(fù)壓式土壤水分傳感器,用四個(gè)傳感器稍嫌太多,而兩個(gè)又太少,三個(gè)比較合適。對(duì)于溫度傳感器數(shù)量的選擇,考慮到一塊地的溫度不會(huì)有太大的差別,且土壤溫度只是起參考的作用,因此在簡(jiǎn)化系統(tǒng)、減少成本的前提下只需用一個(gè)溫度傳感器測(cè)土壤溫度就能夠了。另外,對(duì)于三個(gè)土壤水分傳感器測(cè)控儀能夠有兩種不同的控制方式。第一種方式,當(dāng)測(cè)控儀用來(lái)控制較大一片土壤的灌溉時(shí),能夠?qū)⑷齻€(gè)傳感器均勻分布埋設(shè)在這片土壤里,再取三個(gè)傳感器測(cè)量的平均值來(lái)表示整片土壤的含水狀況,根據(jù)這個(gè)平均值來(lái)控制灌溉。第二種方式,三個(gè)傳感器能夠獨(dú)立的控制灌溉。測(cè)控儀設(shè)置了三組獨(dú)立的繼電器,在第二種控制方式下,每一組繼電器對(duì)應(yīng)一個(gè)傳感器,每組繼電器能夠獨(dú)立的設(shè)定不同的灌溉方式,根據(jù)對(duì)應(yīng)的傳感器所測(cè)的土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)獨(dú)立的控制灌溉。這樣,在控制土壤面積不大的情況下,測(cè)控儀就能夠獨(dú)立控制三塊地,這也就增大了測(cè)控儀的工作量,從分發(fā)揮的測(cè)控儀的潛力。同時(shí)第二種控制方式還能夠用于花卉、盆景等經(jīng)濟(jì)植物的栽培中,分別將三個(gè)傳感器插在不同種類的花卉盆或盆景中,根據(jù)不同種類花卉或盆景對(duì)水分的不同要求設(shè)置不同的土壤缺水判斷標(biāo)準(zhǔn)和灌溉方式。一般花卉和盆景對(duì)水分的要求是比較苛刻的,用自動(dòng)化節(jié)水灌溉控制儀來(lái)培養(yǎng)花卉或盆景,能夠收到不錯(cuò)的經(jīng)濟(jì)效果。當(dāng)前,國(guó)外也有一些專門針對(duì)花卉培養(yǎng)的自動(dòng)控制灌溉設(shè)備,也都收到了不錯(cuò)的經(jīng)濟(jì)效果。四、灌溉方式在3.3.1節(jié)中提到,針對(duì)不同的作物和不同的土壤測(cè)控儀需要有不同的土壤缺水判斷標(biāo)準(zhǔn)和灌溉方式。這里所說(shuō)的土壤缺水判斷標(biāo)準(zhǔn)指的就是作物缺水或是不缺水狀態(tài)下土壤水吸力的界限值。測(cè)控儀根據(jù)要求設(shè)置了三種灌溉方式以供操作者在面對(duì)不同土質(zhì)時(shí)選擇使用。(1)上下限澆灌方式在這種澆灌方式下,能夠設(shè)定土壤水吸力上限值(Pu)、下限值(Pd)和溫度(T)三個(gè)參數(shù)。當(dāng)測(cè)控儀檢測(cè)到土壤水吸力大于上限值時(shí),表示作物缺水,控制儀給出控制信號(hào),控制澆水。當(dāng)測(cè)控儀檢測(cè)到土壤水吸力低于下限值時(shí),表示澆水足夠,停止?jié)菜?。測(cè)控儀在檢測(cè)土壤水吸力的同時(shí)還要檢測(cè)溫度,當(dāng)發(fā)現(xiàn)溫度低于設(shè)定溫度時(shí)立即停止?jié)菜?以免在低溫下澆水凍傷作物。這種灌溉方式是針對(duì)那些滲水快的土壤設(shè)計(jì)的,當(dāng)灌溉后水