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

智能化設施農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)研究資料內(nèi)容僅供參考，如有不當或者侵權，請聯(lián)系本人改正或者刪除。智能化設施農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)研究1緒論 1.1研究背景中國是一個農(nóng)業(yè)大國,建國50年來,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: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。當前,制約中國農(nóng)業(yè)發(fā)展的主要因素是水資源嚴重不足。中國水資源總量為2、8萬億m3,人均占有量僅2200擴,不足世界人均水平的1/4,居世界第109位。而且中國水資源地區(qū)分布極不均衡,81%的水資源集中分布在長江流域及其以南地區(qū);長江以北地區(qū)人口和耕地分別占全國的45.3%和64.1%,而水資源僅占全國的19%,人均占有量為517m3;,相當于全國人均量的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。據(jù)統(tǒng)計,進入20世紀90年代以來,中國農(nóng)業(yè)干旱受災面積達2300萬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)濟建設、生態(tài)環(huán)境建設步伐的加快,人們生活水平的提高,對水的需求量將更大。中國農(nóng)業(yè)用水面臨資源短缺的同時,農(nóng)業(yè)用水浪費現(xiàn)象卻非常嚴重。主要表現(xiàn)在:一是水的利用率低,中國灌溉系統(tǒng)對水資源的利用當前只能達到0.3~0.4,而發(fā)達國家可達到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。托普物聯(lián)網(wǎng)針對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)。解決中國農(nóng)業(yè)用水短缺問題有兩種方法,一種方法是開發(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農(nóng)業(yè)水資源嚴重短缺現(xiàn)象,但它同時也存在三個比較大的問題,一是開發(fā)水資源所需的投資非常大,而且見效慢,受地理條件和資金等限制較大,短期內(nèi)不能解決大面積的農(nóng)田灌溉問題;二是開發(fā)的水資源能解決農(nóng)業(yè)用水短缺問題卻解決不了農(nóng)業(yè)用水浪費的問題,根據(jù)當前中國農(nóng)業(yè)水資源利用率來看,花費了大量資金和人力去開發(fā)水資源,結果利用率只有35%左右,造成大量人力、資金與水資源的浪費;三是中國水資源畢竟有限,而農(nóng)業(yè)的發(fā)展是長期的,靠開發(fā)水資源來解決農(nóng)業(yè)缺水問題是不現(xiàn)實的。另一種解決農(nóng)業(yè)用水短缺問題方法是發(fā)展節(jié)水灌溉。節(jié)水灌溉是遵循作物不同生長發(fā)育階段的需求規(guī)律而進行的適時灌溉,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)過幾個環(huán)節(jié),每個環(huán)節(jié)中都存在水量無益損耗。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施農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)研究效率和經(jīng)濟效益的各種措施,均屬于節(jié)水灌溉范疇。節(jié)水灌溉技術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,能實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)高產(chǎn),具有很好的經(jīng)濟效益、生態(tài)效益和社會效益。因此,實行節(jié)水灌溉,大力普及和應用高效節(jié)水灌溉技術是從根本上解決中國農(nóng)業(yè)缺水問題的重要措施。托普物聯(lián)網(wǎng)研發(fā)的節(jié)水灌溉技術包括兩方面內(nèi)容:①工程節(jié)水技術:經(jīng)過對原有灌溉工程設施進行改造或使用先進的灌溉工程設施以達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:經(jīng)過采用自動控制技術,結合作物需水特性、地理環(huán)境、土壤特征與節(jié)水灌溉制度等實行按需的、適時的自動灌溉控制。工程節(jié)水技術主要是從兩個方面來實現(xiàn)節(jié)水的目的,一是減少水在田間傳輸過程中的滲漏損失,如渠道防滲和管道輸水技術;二是減少灌溉過程中的無效灌溉,即均勻灌水或是只對作物根部附近的土壤進行溉,一般草地采用噴灌,作物采用微灌技術。利用工程節(jié)水技術一般可提高水資源利用率到50~70%,相對傳統(tǒng)的灌溉方式來說已經(jīng)有很大改進,可是仍存在30%以上的水資源浪費,且與優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)仍有一段距離。這主要是因為這種灌溉模式依然是靠人工控制,灌溉的多少全憑經(jīng)驗,不能實現(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,當經(jīng)驗較豐富、較準確時,水的利用率就高,當欠缺經(jīng)驗時水的利用率就低。而灌溉控制技術的發(fā)展正能夠彌補工程節(jié)水技術的這一缺陷,它采用先進的科學技術,檢測土壤墑情,根據(jù)地理環(huán)境和作物生長的需水特性按需、精確灌溉,可大大提高水資源的利用率,實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)。灌溉控制技術使人們擺脫了傳統(tǒng)的全憑經(jīng)驗的灌溉模式,達到了高效節(jié)水灌溉的目的,對緩解中國農(nóng)業(yè)用水短缺現(xiàn)象具有非常重要意義。1.2國內(nèi)外研究狀況灌溉自動化始于20世紀30年代,二次世界大戰(zhàn)前.法國研制了一系列用以實行渠系自動化運行的水力自動閘門,并提出了一套比較完整的自動化灌溉控制方法,開了自動化灌溉的先河。20世紀50年代以來,隨著電子學和計算機技術的應用和發(fā)展,利用電子設備、計算機設備和程序控制的灌排工程自動化技術也得到了同步發(fā)展,并在法國、美國、日本等發(fā)達國家乃至一些發(fā)展中國家得到了日益廣泛的應用和發(fā)展,控制模式也由早期的當?shù)乜刂瓢l(fā)展到能夠實現(xiàn)遙測、遙控的集中控制模式。1.3本課題的研究工作綜合農(nóng)作物的生長過程對外部環(huán)境的主要要求,采用科學控制方法且具備廣泛用途的節(jié)水灌溉系統(tǒng),是節(jié)水灌溉科學實施的核心問題?；诖?本課題的主要內(nèi)容是研制開發(fā)適合中國國情的、低成本、易推廣的、主要應用于溫室大棚的節(jié)水灌溉自動控制系統(tǒng),為實現(xiàn)中國農(nóng)業(yè)高效節(jié)水灌溉提供技術裝備。由于不同農(nóng)作物有不同的需水特性,灌水時間、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,設施農(nóng)業(yè)的高效節(jié)水灌溉自動控制技術主要是向適時適量、按需灌溉的方向發(fā)展。因此,本課題的研究主要包括兩個方面,一是測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決定灌溉時間與灌溉量的多少。這將擺脫以往僅憑經(jīng)驗灌溉的灌溉模式,使作物灌溉決策建立在科學的基礎之上;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行合理的灌溉決策,即將傳統(tǒng)的憑經(jīng)驗由人工手動閥門控制灌溉方式改為自動進行適時適量、按需精確灌溉控制,從而達到提高水的利用效率、優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)、節(jié)省大量人力,實現(xiàn)高效農(nóng)業(yè)的目的。2方案研究與論證2.1研究方案選擇國外一些先進國家,如美國、以色列和加拿大等,運用先進的電子技術、計算機和控制技術,在節(jié)水灌溉技術方面起步較早,并日趨成熟。這些國家從最早的水力控制、機械控制,到后來的機械電子混合協(xié)調(diào)式控制,到當前應用廣泛的計算機控制、模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡控制等,控制精度和智能化程度越來越高,可靠性也越來越好〔211。要想在依據(jù)中國國情與節(jié)水灌溉現(xiàn)狀的基礎上,吸收國外研究成果,研制出一種依據(jù)對農(nóng)作物生長土壤水分含量的不間斷的實時檢測的結果,根據(jù)作物需水特性,實現(xiàn)適時,按需精確灌溉的自動控制設備,就需要對各種技術進行研究分析。當前,在國際上技術比較成熟、應用較廣的灌溉控制技術主要有兩種:專家系統(tǒng)與微機測控技術。下面就對這兩種方法進行比較研究,尋找一個適合中國國情的,應用于設施農(nóng)業(yè)、著眼于未來農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展的自動化節(jié)水灌溉研究方案。2.2專家系統(tǒng)專家系統(tǒng)是一個模擬人腦思維方式,以知識為基礎的計算機軟件系統(tǒng)。其特點在于把人(專家)在解決生產(chǎn)實際問題過程中所使用的啟發(fā)性知識、判斷性知識分成事實和規(guī)則,以一定的知識表示形式存入計算機,建立知識庫,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,進行推理、演繹,作出專家級的智能判斷與決策。而且它的最大特點,可代表一個專門生產(chǎn)領域的專家群體,對該生產(chǎn)領域內(nèi)的實際問題提供專家們的咨詢、決策意見圈。將專家系統(tǒng)應用于農(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)專家的知識和經(jīng)驗為系統(tǒng)的核心,運用計算機技術,克服時空限制,在較短的時間內(nèi)得以廣泛地應用,使專家的知識和經(jīng)驗變?yōu)樯a(chǎn)力工周。能夠說農(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,它并能模仿人類推理過程,在計算機上以形象、直觀的方式向用戶提供各種農(nóng)業(yè)問題決策咨詢服務的實用軟件,與人類專家相比,擁有綜合性的知識和高速處理知識的本事,且不受時間、空間的限制和人類情感的影響。專家系統(tǒng)應用于節(jié)水灌溉也是以豐富的種植經(jīng)驗為基礎的,例如,在已有經(jīng)驗上,將已知的作物生長各階段的需水量,生長狀態(tài)、各階段可能遇到的氣候與自然條件等決定灌溉的詳細信息輸入計算機,按照一定的法則劃分成各項細則存儲在計算機中。當進行控制時,就將己獲得的作物生長狀態(tài)、氣候條件等輸入計算機,計算機經(jīng)過計算推理,把它劃分歸屬于某一細則,再按這一細則的要求,如灌溉量和灌溉時間,進行灌溉。如從荷蘭引進的大棚花卉種植專家系統(tǒng),由于多年的種植經(jīng)驗,對某種花卉的生長過程十分熟悉,將其生長過程細節(jié)輸入計算機,由計算機經(jīng)過推理計算來決定其灌溉與施肥。由此可見,專家系統(tǒng)能實現(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,進入農(nóng)家,在各地具體地指導農(nóng)民科學種田,節(jié)省大量人力、物力,能實現(xiàn)高效節(jié)水,優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)。專家系統(tǒng)將是中國未來節(jié)水農(nóng)業(yè)發(fā)展熱點之一。可是,在當前情況下專家系統(tǒng)還不能在中國進行推廣,它除了具有上述的優(yōu)外,還存在著下述缺點:(1)專家系統(tǒng)模型大,開發(fā)周期長,在中國當前科技水平較低情況下投入大量人力、物力及資金去開發(fā)不太可能。(2)當前國內(nèi)大部分專家系統(tǒng)依靠進口,這些引進的專家系統(tǒng)成本高且不適合中國國情,不能充分發(fā)揮其優(yōu)點。(3)專家系統(tǒng)開發(fā)完全依賴種植專家的經(jīng)驗去控制作物的施肥與灌溉,它并不對土壤墑情及作物情況進行實時檢測。它雖然能代替農(nóng)業(yè)專家,卻并不能擺脫完全憑經(jīng)驗灌溉的種植模式。(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)開發(fā)受限制,單一性強,投入過高。一般一個專家系統(tǒng)是針對一種作物開發(fā)的,它要在農(nóng)業(yè)專家提供有關這種作物豐富、系統(tǒng)的種植經(jīng)驗的基礎上才能進行開發(fā),一旦沒有農(nóng)業(yè)專家就無法進行開發(fā),而農(nóng)業(yè)專家畢竟人數(shù)很少。同時,當需要對多種作物進行監(jiān)測實施節(jié)水灌溉時,就需要多個專家系統(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,具有很大的發(fā)展?jié)摿?但它不能滿足成本低、操作簡單、易推廣、能按作物需水量適時、精準灌溉的研究目標,因此本課題的研究不能朝專家系統(tǒng)的方向走。2.1.2微機測控技術另一種節(jié)水灌溉自動控制技術是微機測控技術。它將計算機技術、傳感與檢測技術以及通訊技術結合起來,能夠檢測土壤墑情、環(huán)境特征,并依據(jù)檢測結果來決定灌溉量與灌溉時間,擺脫了傳統(tǒng)的全憑經(jīng)驗灌溉的灌溉模式。當前在國外,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點,如土壤水分、溫度、濕度、光照、作物蒸騰量等,檢測結果送至微機,微機對結果進行處理,然后經(jīng)過通訊技術,將處理結果發(fā)送至上位機,即實驗室或家里的計算機中,操作者就能夠在家里或實驗室里觀察到作物生長狀況和土壤墑情,根據(jù)經(jīng)驗數(shù)據(jù)判斷作物是否缺水及所需灌溉量與灌溉時間,然后發(fā)出灌溉命令給微機,微機就能夠根據(jù)命令控制灌溉量與灌溉時間,實現(xiàn)高效節(jié)水灌溉。這種節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)成本高,但它的設計思想?yún)s很符合本課題的研究要求,因此能夠將其加以簡化,降低其成本,這樣就能設計出符合中國國情的,易推廣的,能按作物需水特征實現(xiàn)按需、精確灌溉的節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)。首先,不采用上位機通訊控制。因為在中國農(nóng)業(yè)設施普遍簡陋的情況下,推廣上述計算機控制的灌溉系統(tǒng)還不現(xiàn)實,只要采用單片機在田間進行檢測與控制就能夠了。這樣能夠大大減少成本,而且還能夠預留一個通訊接口,在需要或是有條件時也能夠實現(xiàn)與上位機的通訊,十分的方便。其次,使用傳感器測量土壤及作物參數(shù)并盡量減少測量參數(shù)的數(shù)量,只選擇一些常見的灌溉參數(shù)進行測量,這樣既能使控制系統(tǒng)具有一定的廣泛適用性,同時又能夠減少傳感器的數(shù)量,降低成本。設計一個節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)能否做到因地制宜主要用四條標準加以衡量。其一是否節(jié)水,其二是否減輕農(nóng)民負擔,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〔27J。根據(jù)這四個標準能夠來判斷上述擬采用的研究方案是可行的。2.3設計方案節(jié)水灌溉自動控制系統(tǒng)的研究方案是將傳感技術與單片機控制相結合,設計一個簡單、低成本、易推廣的控制系統(tǒng),能夠實時檢測土壤及作物的一些灌溉控制參數(shù),根據(jù)檢測結果實現(xiàn)按需、精準灌溉,到達高效節(jié)水、優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)的目的。整個控制系統(tǒng)主要應該有四個模塊:檢測模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、數(shù)字模塊及控制模塊。為實現(xiàn)研究目的,在系統(tǒng)設計時需要考慮下面幾個問題。1、測量參數(shù)不同的作物對水分的需求量是不一樣的。按需、精準灌溉就是要根據(jù)作物的需水特性來控制灌溉量,使土壤的含水量能剛好達到作物的需求。這樣做的目的不但僅是節(jié)水,還能促使作物更好的生長,達到優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)。因為對作物來說,土壤含水量并不是越多越好,對某些作物來說,水分太多反而會抑制生長,適量的水分對作物的生長才是最有益的。要實現(xiàn)按需、精準灌溉,土壤水分是必須測量的最主要的參數(shù)。水分是天然土壤的一個重要組成部分,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、轉移和微生物的活動,是構成土壤肥力的一個重要因素,而且它本身更是一切植物賴以生存的基本條件。準確及時測定土壤水分含量有利于研究和了解土壤水分動態(tài)變化規(guī)律和空間立體分布;同時,掌握不同作物在同一時期對土壤水含量的不同要求,同一作物在不同時期對土壤水分含量的不同要求以及土壤水分含量對作物產(chǎn)量的影響,這在理論和生產(chǎn)上都有著重要的意義,例如,進行耕耘、灌溉、施肥等各種農(nóng)業(yè)措施時,一般都需要考慮土壤水分狀況,特別是在進行灌溉、排水規(guī)劃設計時,更需要掌握土壤水分的狀況及其動態(tài)。能夠準確及時地測定出土壤水分含量,對適時適量地進行灌溉和排水有著重要的作用〔28]。另外,土壤中過多的有害物質(zhì)也靠水的淡化來排除。由以上的分析能夠看出,對作物生長來說土壤水分是所有參數(shù)中最重要的,是必須測量的。除了土壤水分外,土壤溫度也是決定是否灌溉的一個重要參數(shù),因為溫度過低,灌溉會凍傷作物的根系,因此,必須要監(jiān)測土壤溫度,在土壤溫度過低時就停止?jié)菜?、傳感器數(shù)量針對土壤情況不同,需要的傳感器數(shù)量是不一樣的。有的土壤一致性好,只需一個傳感器測量土壤墑情就可,但有的土壤一致性差,就需要多支傳感器來測量土壤墑情。同時,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)在設計時要配備多支傳感器。而且,配備多支傳感器也能增強控制系統(tǒng)功能,能夠同時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)太多也會增加控制系統(tǒng)的成本。在控制系統(tǒng)設計時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水分的需求是不同的;周圍環(huán)境不同,作物的需水量也會有所不同;即使同一作物,在不同生長階段對水分的需求也不同。中國的作物有幾千種,不同的作物有不同的缺水狀況:中國面積廣大,氣候條件變化無常。怎樣才能使控制系統(tǒng)適應不同的作物,在不同氣候條件和不同季節(jié)都能實現(xiàn)按需灌溉,這是控制系統(tǒng)通用性設計最主要要解決的問題。如果解決不好,控制系統(tǒng)也就失去了其推廣的意義。4、灌溉控制方式當前中國各個設施農(nóng)業(yè)中灌溉系統(tǒng)的水狀況不一樣,有的采用電機控制水流、有的采用水泵加壓后才能進行灌溉,有的采用電磁閥代替手動閥門控制水流灌溉。因此,控制系統(tǒng)在設計時要考慮到控制信號的通用性,既能控制電機、水泵,又能控制電磁閥。中國面積廣大,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,水分能夠很快地滲入作物根部,水分傳感器能及時的測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)過一段時間才能滲到土壤根部,水分傳感器就不能及時正確測出土壤含水量,就會導致澆水過多,浪費水資源。因此,要提高控制系統(tǒng)的通用性,在設計時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)設計3.1土壤水分的測量3.1.1測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、化學和生物過程,同時它又是多種營養(yǎng)元素的溶劑,對作物生長起著十分重要的作用。土壤水分的測量是實施節(jié)水灌溉、按需灌溉的基礎。隨著科技的不斷發(fā)展,土壤水分測量的方法不斷發(fā)展變化,當前測量水分的方法大致可分為兩類,即直接測量法和間接測量法。直接法經(jīng)過干燥或化學反應后直接測出絕對含水量,間接法則經(jīng)過測量與水分變化相關的物理量間接地測量水分含量。現(xiàn)代實用的土壤水分測量方法有采土烘干法、石膏電極法、電阻法、中子探測法及土壤水分傳感器法。土壤水分的測量方法雖然很多,但必須要選擇一個簡單實用、測量準確、成本低的測量方法,才能使節(jié)水灌溉自動控制設備具有實現(xiàn)性與易推廣性。下面就對常見的幾種測量方法進行分析比較,以找到一個簡單實用、測量可靠、成本相對較低的土壤水分測量方法。1、采土烘干法采土烘干法是當前國際上測量土壤水分的標準方法。烘干法測量的是土壤重量含水量,即取土樣放入烘箱,烘至恒重,此時土壤水分中自由態(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定法,其程序與常規(guī)法相同,實質(zhì)仍是采用一些手段使土樣烘至恒重的時間盡可能縮短,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結果的準確性較差,為了減小誤差,常要求平行測定2~3次,取其算術平均值,這樣實際上又增大了測定工作量,延長了測定時間。當前微波爐烘烤法,既節(jié)約時間,又滿足誤差實際要求,是烤干法較好的選擇。烘干法是當前測定土壤含水量最常見的一種方法,它簡單易行,對設備要求不嚴,有足夠的精度,就樣品本身而言結果可靠,是土壤水分測定的基本方法,也是檢驗其它方法與其對比的基礎,可是使用此類方法在進行連續(xù)土壤水分的測定時,必須不斷地變動取土點,由于土壤本身的變異性,使測定結果往往發(fā)生很大差異。而且烘干法費時、費力,綜合費用并不低;取樣會破壞土壤,深層取樣困難,定點測量時不可避免由取樣換位而帶來誤差,在很多情況下不可能長期定點監(jiān)測;受土壤空間變異性影響也比較大;如果測量目的是用于灌溉,還必須知道土壤各層次的容重。對于自動節(jié)水灌溉控制來說,烘干法最主要的缺點就是測量時間較長且必須人工在實驗室進行,不能實現(xiàn)對土壤的墑情進行連續(xù)、長期的在線測量,難以滿足自動節(jié)水灌溉控制的測量要求。因此,采土烘干法是不適宜選擇在自動控制節(jié)水灌溉中測量土壤水分的。2、中子儀法中子儀法測量結果非常準確,是稱重法之外的第二標準方法,測量相對比較簡單、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器構成,當探頭放入測管時,中子源不斷地放射出快中子,快中子進入土壤介質(zhì)與各種原子離子相碰撞,快中子損失能量,從而使其慢化。當快中子與氫原子碰撞時,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。中子儀測定水分就是經(jīng)過測定慢中子云的密度與水分子間的函數(shù)關系來確定土壤中的水分含量。利用中子儀測土壤水分含量,不必采土,不破壞土壤結構,并可定點連續(xù)監(jiān)測,從而得到該樣點土壤水分動態(tài)運動規(guī)律,且快速準確,無滯后現(xiàn)象。但中子儀測定時,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)地不同都會造成曲線較大的移動,研究表明中子儀垂直分辨率較差,且表層測量困難,同時中子儀價格昂貴,特別是輻射危害健康,操作者必須經(jīng)過培訓并持有許可證,而且中子儀對于長期大面積動態(tài)監(jiān)測土壤水分仍幾乎不可能,因此不能廣泛應用,不適宜在自動灌溉控制的土壤水分測量上應用。3、電阻法土壤一般是導電的,其電阻率隨其含水率的變化而變化。電阻法就是根據(jù)這個原理測量土壤水分的。電阻法是一項比較古老的方法,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。把里面嵌有電極的電阻塊放入土壤中,當電阻塊中的水勢與土壤水勢平衡后,測量電阻塊的電阻,然后求出土壤水勢。電阻塊主要是石膏塊,因此此法常稱之為石膏塊法(GyPsulnBloek)。當前,電阻法一般都是經(jīng)過電阻式土壤水分傳感器測量土壤水分的。傳感器的結構如圖3.1,其實體是由質(zhì)地均勻的石膏制成的圓柱體.在實體中部埋置有直徑不同、同心安裝的兩個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土壤直接接觸,而是經(jīng)過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量電極與土壤接觸狀況對測量的影響。圖3.1電隊式土壤水分傳感器電極引線2、內(nèi)電極3、外電極4、石膏體測量時,將傳感器埋入被測土壤中(軸線與水平面平行)。土壤水分運動使傳感器石膏體的含水量與土壤水形成一定的函數(shù)關系。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,可不破壞土壤留在田間連續(xù)自動監(jiān)測,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關的土壤電導的變化(如施肥)也會被檢測到,使結果出現(xiàn)偏差,此法只適合于非鹽堿土。當使用直流電的時候,極化作用會引起電阻塊退化速度加快,長時間后石膏會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,需要標定,而且標定結果會隨著時間發(fā)生變化。因此,電阻法不適合用于長期的土壤監(jiān)測,也不能用在控制系統(tǒng)的水分測量中。4、頻域反射儀法(TDR)時域反射儀法,即TDR(TimeDo二inRefleetometry)法是一項高速測量技術,最早由HIFellner一Feldegg于1969年開發(fā),用來測量液體介電常數(shù)與頻率的關系,自從Topp等人對TDR做出關鍵性的發(fā)展后,便開始了一個大量使用TDR測量土壤水分的時期。由于TDR測量快速,一般不需標定,能夠作定位連續(xù)測量,既能夠做成輕巧的便攜式作野外測量,又可與計算機相連,自動完成單個或成批監(jiān)測點的測量,因此20世紀90年代后國際上已把TDR作為研究土壤水分的基本儀器設備。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)驗方程。用一對平行棒或金屬線作為導體,土壤作為電介質(zhì),一對棒起波導管的作用,電磁波信號在土壤中以平面波傳導,經(jīng)傳輸線一端返到TDR接收器,分析傳導速度和振幅變化,根據(jù)速度與介電常數(shù)的關系、介電常數(shù)與體積含水量之間的函數(shù)關系而得出土壤含水量。TDR為當前測量土壤含水量的主流方法。TDR可對土壤樣品快速、連續(xù)、準確地測量,平均分辨率0.02~O,OO5cma/cma。一般不需標定,測量范圍廣(含水量O一100%),操作簡便,野外和室內(nèi)都可使用,可做成手持式的進行田間即時測量,也可經(jīng)過導線遠距離多點自動監(jiān)測。導波棒能夠單獨留在土壤中好幾年,需要的時候再連上TDR測量;導波棒可做成不同形狀以適應不同情況,長度一般10~200cm。TDR能夠測量表層土壤含水量。TDR測量結果受土壤鹽度影響很小,但當含鹽量增加后,脈沖信號從導波棒末端的反射會減弱,在測量高有機質(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,需要標定。TDR最大的缺點是電路復雜,導致設備昂貴,儀器主要依賴進口,雖然國內(nèi)當前也有生產(chǎn),價格可降至進口的一半,但價格依然昂貴,在控制系統(tǒng)要求成本低的條件下也不適宜用TDR法測量土壤水分。與TDR方法類似的還有頻域反射法,即FDR(FrequeneyDo陽inRefleet。metry),測量土壤含水量的原理與TDR類似。FDR的傳感器主要由一對電極(平行排列的金屬棒或圓形金屬環(huán))組成一個電容,其間的土壤充當電介質(zhì),電容與振蕩器組成一個調(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系。FDR使用掃頻頻率來檢測共振頻率(此時振幅最大),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)過測量其標準波的頻率變化來測量土壤含水量,這類方法嚴格地說不是FDR,一般稱為電容法。FDR法具有比TDR法更多的優(yōu)點,但同時也具有TDR的缺點,就是設備價格昂貴,在追求低成本的自動控制節(jié)水灌溉設備中是不適宜使用的。5、負壓式傳感器法負壓式傳感器法就是利用土壤水吸力傳感器測量土壤水吸力來獲知土壤含水量的方法。土壤水吸力傳感器的關鍵部件是細孔毛瓷杯,即陶土頭,其上的毛細孔徑約1.0~1.5pm,細孔毛瓷杯內(nèi)裝滿無氣水,與土壤緊密接觸,杯內(nèi)自由水經(jīng)過杯壁孔隙與土壤水接觸,當土壤水分與瓷杯內(nèi)水分不平衡時,水和鹽就能夠無阻礙地進出瓷杯,與土壤達到平衡,而在杯內(nèi)就會負壓,這個負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)過測量土壤水吸力能夠知道土壤含水量。負壓式傳感器法在土壤比較濕潤的情況下測量土壤水吸力很準確,受土壤空間變異性的影響比較小,是一種低成本的直接測量方法,能夠連續(xù)測量土壤含水量。與其它的測量方法比起來,用負壓式傳感器法測定土壤水分具有田間原位測定、快速直讀、不破壞土壤結構、價格低廉、無放射性物質(zhì)、安全可靠、便于長期觀測和積累田間水勢資料等優(yōu)點。特別是能夠利用壓阻傳感器將土壤水吸力轉換為電信號輸出,便于進行數(shù)字化處理和與計算機接口,有利于實現(xiàn)用計算機對土壤水分的自動監(jiān)測。因此,在自動灌溉控制系統(tǒng)中使用負壓式傳感器法測量土壤水分是最恰當?shù)倪x擇。3.1.2傳感器的改進3.2.1傳感器原理負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,旁側有一個接口與壓阻式傳感器聯(lián)接,下端與陶土頭相連,集氣管中充滿無氣水。傳感器結構如圖3.2所示。圖3.2土壤水吸力傳感器結構示意圖陶土頭是負壓式土壤水分傳感器的感應部件,具有許多細小的孔隙,陶土頭被水浸潤后,在孔隙中形成一層水膜。當傳感器充滿無氣水而且密封后,將陶土頭部分插入水分不飽和土壤時(注意,陶土頭要與土壤緊密接觸,否則測量不準確),水膜便與土壤水連結起來,使傳感器內(nèi)部產(chǎn)生負壓。壓阻式傳感器將負壓轉換成電壓信號,二者呈線性關系,根據(jù)測得的電壓即可轉換成土壤水吸力。集氣管的長度要根據(jù)不同作物根系分布深度的不同來選擇。壓阻式傳感器是土壤水吸力傳感器的關鍵部件,所測數(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量范圍為O~IOOKPa,精度為功.05%,采用1.smA恒流供電(電纜短時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,對于壓阻式傳感器的吸力值與輸出電壓值之間的關系需要標定。負壓式土壤水分傳感器直接測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)驗積累已經(jīng)得出部分常見作物需灌溉時的土壤負壓范圍,因此不需要再將土壤水吸力轉換為土壤水分。部分植物需灌溉時對應的土壤負壓值范圍如表1所示。表1部分植物需灌溉時的土壤負壓值范圍3.1.2.2傳感器的改進一、傳感器存在的問題負壓式土壤水分傳感器雖然能夠實時監(jiān)測土壤水分,但實際使用過程還存在幾個缺點,必須要進行改進。(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測量范圍內(nèi),各負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傳感器都要調(diào)整控制系統(tǒng)中對傳感器輸出電壓信號的處理電路。當一個傳感器壞掉要換新的傳感器時,就要重新調(diào)整信號處理電路,這就限制了自動灌溉控制系統(tǒng)的適用性,不利于推廣。(2)負壓式土壤水分傳感器的輸出信號是電壓,而電壓在長線傳輸過程中易損耗且易受干擾,影響了測量的準確性。(3)負壓式土壤水分傳感器采用四線制傳輸信號,其中兩線傳送電源信號,另外兩線傳送電壓輸出信號。四線制導線較貴,而自動控制系統(tǒng)在田間工作一般會離測量點較遠,需要很長四線制導線,測試點越多越遠,需要的四線制導線就越多越長,這無形中增加了自動控制節(jié)水灌溉設備的成本。而且電壓傳輸信號易受干擾,長線傳輸時有壓降,會產(chǎn)生測量誤差。(4)負壓式土壤水分傳感器的陶土頭與塑料管的連接是采用強力膠粘合,在連接處沒有任何保護裝置,容易折斷。陶土頭本身也比較脆弱,強度不夠,也易折斷。(5)負壓式土壤水分傳感器的集氣管與塑料管里充的是無氣水,每隔一段時間就要網(wǎng)傳感器里充無氣水,在高溫天氣充水會更加頻繁。如果種一季莊稼就要充幾十次水就會顯得很麻煩。同時,在充水時要擰開密封蓋,在擰松密封蓋時容易使陶土頭與周圍土壤產(chǎn)生松動。陶土頭一旦與周圍土壤稍微松動就會影響測量結果,有可能使控制系統(tǒng)灌溉控制不準確。二、傳感器的改進(1)電路的改進針對負壓式土壤水分傳感器的第一個問題,能夠采用輸出信號就地處理轉換的方法進行改進,即將傳感器輸出信號的處理電路放在負壓式土壤水分傳感器上,這樣只要在使用傳感器時只要調(diào)整傳感器上的信號處理電路,使其輸出信號與壓力值關系一定,而不需要再去調(diào)節(jié)自動控制系統(tǒng)的電路,增加了控制系統(tǒng)的可推廣性。解決傳感器第二個問題能夠采用將電壓轉換為電流傳輸?shù)姆椒?電流傳輸不易受干擾,比電壓可靠。第三個四線制導線問題能夠改進兩線制導線傳輸信號,市場上兩線制導線的成本要比四線制便宜很多。綜合上面三個問題的改進方法就能夠的到一個改進負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換為標準的兩線制4~20毗電流信號傳送。這將簡化控制系統(tǒng)的設計并增強它的通用性。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)過反相保護二極管(DI)給運放和三極管供電。電路中的電橋為模擬的壓阻傳感器的電源輸入與信號輸出。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恒流源電路給壓阻傳感器供電。運放Al與可變電阻RS3組成了一個恒流源,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系如式3.1所示:I=UA一+/RS3(3.1)經(jīng)過穩(wěn)壓管Ql與RSI給A1的同相端提供一個恒定的電壓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是未經(jīng)放大的,電壓值非常小,不便于電流轉換,因此變送電路還需要一個電壓放大電路。同相串聯(lián)差動運算放大器具有抑制共模壓效果好、輸入阻抗高的優(yōu)點,因此變送電路采用了同相串聯(lián)差動運算放大器對輸出電壓信號進行放大。變送電路中A2和A3、R2、R3、R4、R5、RS4共同組成了同相串聯(lián)差動運算放大器。差放的輸入與輸出電壓的關系由式3.3決定AI、為參考電壓,它能夠抬高輸出電平,RS4能夠用來調(diào)節(jié)增益。A4與三極管Q2的組合將差放的輸出電壓轉換為電流。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的滑動端,調(diào)節(jié)RSZ就能夠調(diào)節(jié)零壓力時輸出電流為4mA,調(diào)節(jié)RS4就可使壓力與輸出電流滿足一定的關系。這樣設計的好處在于:變送器調(diào)零電位器的滑臂位置不會影響放大器和電壓/電流變換相應電阻的匹配性,同時在零位校準后,A4兩輸入端的共模電壓即是某確定值,而不會隨壓力變化,因而對A4共模抑制比的要求能夠降低。負壓式土壤水分傳感器經(jīng)過上述改進后,其耐用性與通用性都將得到提高。2)結構的改進針對負壓式土壤水分傳感器的第四和第五個缺點:陶土頭易損壞,加水頻繁易導致陶土頭與土壤產(chǎn)生松動,就要對負壓式土壤水分傳感器進行結構上的改進,使其能在結構上保護陶土頭不受損壞;使充水變得容易,不破壞陶土頭與土壤的緊密程度;延長充水周期,最好能在種完一季莊稼的過程中不用充水?；谝陨系目紤],下面就對傳感器的結構改進進行分析設計。①陶土頭保護結構負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保護結構,使其能避免被碰撞。在設計陶土頭保護結構時要考慮到陶土頭是經(jīng)過與土壤接觸來測量土壤水吸力的,因此陶土頭保護結構不能阻礙其與土壤之間的緊密接觸。陶土頭的保護結構如圖3.4所示。圖3.4陶土頭保護裝置如圖,整個裝置由不銹鋼的細鋼條做成,三根細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,長度也要比陶土頭的稍長,使螺孔的位置在陶土頭與塑料管的連接處之上。安裝時,保護裝置從下往上套住陶土頭,并用三個螺釘夾住塑料管以固定保護裝置。陶土頭裝上這個保護裝置后,它與連接處就處于不銹鋼條的保護之下,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,由于保護結構采用的是細細的不銹鋼條做成,陶土頭裝上保護結構后,它的絕大部分還是露在外邊,依然能夠與土壤緊密接觸,保護結構并不影響土壤水吸力的測量。②充水改進對于傳感器充水過于頻繁的問題,可能很多人會想只要增加集氣管的長度就能夠增大傳感器的蓄水量,自然也就延長了充水周期,減少了充水次數(shù)?？墒?對于負壓式土壤水分傳感器來說,集氣管、塑料管的長度及壓阻傳感器的位置是與其測量的壓力值和輸出都有關系的,是不能任意加長的。因此不能用增長集氣管的方法來解決充水頻繁的問題。既然不能靠增長集氣管來增加傳感器的蓄水量,那么能夠在集氣管之外安裝一個蓄水裝置,儲蓄種一季莊稼所需的水量,就能夠解決充水頻繁的問題。另外,也要考慮到如何使充水簡單易行的問題。設計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。蓄水盒上有一個較大的螺孔和一個圓錐狀的漏水孔。加水時,無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應,密封螺栓頭部的橡皮塞圍圓錐狀,與漏水孔對應。當傳感器加滿水而且蓄水盒存儲了一定體積的水后,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。當傳感器需要加水時只需擰松密封螺栓,水就會流入傳感器,加水便變得非常方便,而且由于蓄水盒里存儲有一定量的水,就能夠很長時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題。而擰開密封螺栓比直接擰開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。整個加水裝置與密封螺栓都用有機玻璃制成,這樣就能夠觀察到蓄水盒中水量的變化,及時補充水分。(3)改進后的傳感器圖3.6改進后的土壤水吸力傳感器改進后的傳感器結構如圖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的4~20mA電流變送電路,只留出兩根導線提供電壓及輸送輸出電流。土壤水吸力傳感器在經(jīng)過這些改進之后,其耐用性與適用性都將得到很大的提高。3.2土壤溫度測量3.2.1傳感器的選擇測量溫度的傳感器有很多,而控制系統(tǒng)中對于土壤溫度的測量要求又不是很高,測溫范圍一般在0一100℃,測溫精度要求也不高,許多傳感器都能夠用來測量土壤溫度,因此要綜合系統(tǒng)設計要求選擇一個價格低、性能好、電路簡單、具有一定精度的溫度傳感器。當前常見的測溫傳感器有熱電偶、熱電阻、熱敏電阻、和半導體集成溫度傳感器等。熱電偶是根據(jù)熱電勢效應原理測溫的,它是當前使用最廣泛的熱電式傳感器,具有結構簡單、制造方便、測溫范圍寬、熱慣性小、準確度高等特點,可是它需要進行溫度補償,比較麻煩。熱電阻式傳感器是利用導體的電阻率隨溫度而變化的效應制成的傳感器。常見的熱電阻有鉑熱電阻和銅熱電阻。鉑熱電阻的特點是物理化學性能穩(wěn)定,特別是耐氧化能力強、測量精度高、測溫范圍寬,有很好的重現(xiàn)性,但價格較貴。而銅熱電阻雖然價格便宜,但測溫范圍小,測溫精度不高,電路設計也比較復雜。熱敏電阻傳感器是利用半導體的電阻隨溫度顯著變化這一特性測溫的,它的體積小、靈敏度高、穩(wěn)定性好,可是它的互換性差,而且價格昂貴。半導體溫度傳感器是利用半導體PN結的溫度特性制成的。這種傳感器的優(yōu)點是小型化、線性好、高靈敏度、穩(wěn)定性好、重復性好,互換性好,低成本,易于電路設計或控制電路接口。從以上分析能夠看出,半導體溫度傳感器由于具有小型化、線性好,低成本,易于電路設計或控制電路接口的優(yōu)點是最適合用在控制系統(tǒng)中測量土壤溫度的。LM35是集成的半導體精密溫度傳感器,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、校準方便、價格低等特點,非常適合于常溫測量工作。因此,在控制系統(tǒng)設計中選用LM35來測量土壤溫度。3.2.2溫度測量電路設計LM35是電壓輸出,它的外型很小,只有3個引腳(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。與被測溫度成線性關系。使用中無須作O℃或20℃校準,其工作靈敏度為10mV/℃,工作電流56一80pA,自身精度為0.4℃(25℃時),傳感器輸出電阻為0.1。,工作電源電壓范圍4一3ov。LM35的基本電路十分簡單,遙測環(huán)境溫度電路如圖3.7所示,其測溫范圍為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系有式3.4決定:V。=10mV/oC*(T環(huán)境+loC)(3.4)由于遙測的距離較長,從傳感器到并聯(lián)的電阻見的導線應絞合。圖3.7LM35及其遙測電路3.3控制儀器設計3.3.1儀器設計方案控制儀器的設計方向是具有廣泛的適用性,同時盡量小型化、簡單化、易操作及低成本,實時監(jiān)測土壤墑情,按照作物需水特性精確灌溉。一、土壤墑情監(jiān)測與判斷自動化節(jié)水灌溉控制設備研究的主要目的是為解決中國水資源緊缺問題,即節(jié)碩士論文智能化設施農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)研究水,實現(xiàn)作物按需精確灌溉,因此,土壤水分是自動化設備主要監(jiān)測的土壤參數(shù)。同時,考慮到土壤溫度對作物生長及灌溉都有影響,因此也需要對土壤溫度進行監(jiān)測。土壤水分經(jīng)過負壓式土壤水分傳感器測量土壤水吸力獲得,土壤溫度則由半導體集成精密溫度傳感器LM35測量。至于其它的參數(shù),如土壤鹽分、作物葉面蒸騰量等,在測量參數(shù)己足夠和簡化系統(tǒng)降低成本的前提下,能夠不用考慮測量。因此,自動化節(jié)水灌溉控制儀器的主要工作就是對土壤水分和溫度進行監(jiān)測,并根據(jù)土壤水分傳感器與溫度傳感器傳送的當前土壤水分與溫度信息進行判斷,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,控制灌溉設備進行澆灌,若是土壤不缺水就不澆灌或是給出停止?jié)补嗟目刂菩盘?。在控制儀器的工作中,判斷土壤是否缺水是一個難點。負壓式土壤水分傳感器測出來的是土壤的水吸力。土壤水吸力與土壤水分具有一定的關系,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。由于負壓式土壤水分傳感器經(jīng)過多年使用累積經(jīng)驗,已經(jīng)掌握了大部分作物需水狀態(tài)對應的土壤水吸力范圍,因此,能夠直接用土壤水吸力來判斷作物的缺水狀況?？墒?不同的作物對水分的需求是不一樣的,同一作物在不同的時期對分的需求也是不一樣的,就算是同一作物在同一時期它對水分的需求也是會隨著環(huán)境的不同而變化的,判斷土壤缺水沒有統(tǒng)一的標準。為實現(xiàn)自動控制、按需灌溉,控制儀器就必須能夠根據(jù)不同的作物,不同的生長期以及不同的環(huán)境改變判斷土壤缺水的標準。因此,控制儀器在設計時就必須具有允許操作者經(jīng)過鍵盤設定判斷土壤缺水標準的功能,對不同作物農(nóng)業(yè)專家就能夠憑經(jīng)驗設定不同的判斷值來實現(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,還能夠使自動化節(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控制方式當前中國設施農(nóng)業(yè)中裝配的灌溉系統(tǒng)設備差異很大,這主要使由于各地方的條件和資金差異造成的。有的使用電機輸水,有的經(jīng)過水泵加壓,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能夠控制這些不同的輸水設備,這就要找出它們的共同點。經(jīng)過觀察不難發(fā)現(xiàn),這些輸水設備都是經(jīng)過接通電源工作的,如果給這些輸水設備的電源線上加一個開關,由控制系統(tǒng)來控制開關的閉合,那么控制系統(tǒng)就能夠控制這些設備工作了,也即控制系統(tǒng)實現(xiàn)了灌溉的控制。這樣,控制系統(tǒng)給出的控制信號也就具有了通用性。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,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)過一段時間水才能滲入土壤深層。對于滲水能力強的土壤,灌溉效果能夠很快的顯現(xiàn)出來,控制儀器能夠經(jīng)過土壤水吸力傳感器很快的檢測到土壤缺水狀態(tài)己得到緩解,能夠停止?jié)菜６鴮τ跐B水能力弱的土壤,就會出現(xiàn)這種情況:實際澆水量已經(jīng)足夠,只是由于土壤滲水能力弱,水分不能及時滲入土壤深層,土壤水吸力傳感器測出土壤依然缺水,控制儀控制灌溉設備繼續(xù)澆水,等到土壤水吸力傳感器測出土壤已不缺水并停止?jié)菜?這時的澆水量已遠超過作物的需求量。這不但沒有實現(xiàn)節(jié)水反而浪費了水,同時對需水量敏感的作物生長也不利。因此,為使控制系統(tǒng)能適應不同土壤的灌溉要求,就需要設計幾種不同的灌溉方式,針對不同的土壤選擇不同的與之相適應的灌溉方式,以保證能夠達到節(jié)水的目的。三、控制儀整體低成本設計低成本是自動化節(jié)水灌溉控制儀設計的一個重要要求,它也是決定節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)能否推廣的一個重要因素?？刂苾x的設計一般包括四個部分:檢測部分、控制部分、功能設定部分、工況顯示部分。檢測部分檢測土壤水分與溫度并對檢測結果數(shù)據(jù)進行處理;控制部分判斷作物缺水狀況并給出灌溉控制信號;功能設定部分設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結果及當前控制儀工作狀態(tài)。一般控制儀的設計都會將這四部分合在一起做成一臺儀器,可是這樣做會增加單臺儀器的體積和成本,而對于在田間工作的節(jié)水灌溉控制儀來說,檢測控制和設定顯示是能夠分開設計的。這是因為節(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工作,因此在控制儀工作的大部分時間里工況顯示是沒有必要的,而土壤缺水判斷標準和灌溉方式在一開始設定好后,在一段長間內(nèi)也不需要改變。這樣,檢測控制與設定顯示設計成一體就沒有必要。如果將檢測控制和設定顯示分開設計成兩臺儀器,不但能夠減小單臺儀器的體積,還能夠降低單臺儀器的成本。同時,一臺功能為設定顯示的儀器能夠搭配許多臺檢測控制的儀器,在購買節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)時,就能夠買許多臺的檢測控制的儀器,而只買一臺或是少量的設定顯示的儀器,這樣就會大大降低實現(xiàn)節(jié)水灌溉自動控制的成本,有利于節(jié)水灌溉自動控制系統(tǒng)的推廣。檢測控制與設定顯示分開的儀器能夠分別叫做測控儀和設顯儀,在需要觀察當前土壤情況或進行參數(shù)設定時,能夠經(jīng)過一個通訊接口將設顯儀與測控儀連接起來,經(jīng)過設顯儀顯示測控儀所測當前土壤狀況,或設定新的參數(shù)。將儀器分開設計后,儀器的體積就能夠設計得很小,特別是設顯儀的體積很小,隨身攜帶很方便。這樣,種植人員能夠隨身攜帶一個設顯儀去巡查所有作物的種植生長狀況,十分方便。以上是控制儀設計方案的總體構思,下面就對自動節(jié)水灌溉控制儀設計進行具體介紹。3.3.2.1測控儀功能設計一、檢測結果處理測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的信號進行處理,轉換為單片機能夠識別的數(shù)字信號。一般的信號轉換都采用A/D轉換器,可是A/D轉換器比較貴,需要根據(jù)轉換精度來選擇且轉換數(shù)據(jù)間的關系計算比較復雜。除A/D轉換器外,V/F轉換也是近年來使用得較多的信號轉換方法。LM331是用得較多的一種V/F轉換芯片,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成線性關系,轉換關系簡單?；贚M331的上述優(yōu)點,在測控儀檢測結果的處理中使用LM331進行信號轉換。LM331與溫度傳感器LM35只需使用少量元器件就能構成線性關系很好的V/F轉換。土壤水分傳感器傳送過來的是標準的4~20mA電流,只要經(jīng)過250歐姆的標準電阻取樣就能轉換為相應的電壓,與LM331也能夠成線性關系很好的V/F轉換。LM331的線性轉換電路如圖3.8所示。圖3.8LM331V/F轉換電路輸入電壓與輸出頻率的關系如式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,輸入和輸出就會有很好的線性關系。二、灌溉的控制在3.3.1節(jié)中提到過,當前中國各設施農(nóng)業(yè)中灌溉輸水控制設備很不統(tǒng)一,有電機、水泵、電磁閥等,要使測控儀的控制信號具有通用性就要用測控儀的控制信號去控制一個開關,而這個開關去控制灌溉輸水控制設備的電源的通斷,從而達到測控儀控制灌溉的目的。繼電器是當前使用得最廣泛的可控開關,性能也比較可靠,因此在測控儀設計時就選用繼電器來作控制灌溉輸水控制設備電源的開關。繼電器有大有小,有交流控制也有直流控制,它的觸點開關既能經(jīng)過直流也能經(jīng)過交流。由于是測控儀直接控制繼電器開關的吸合,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。對于交、直流供電且電流較小的灌溉輸水控制設備來說,能夠直接用這種繼電器來控制。可是對于交流供電且電流較大的灌溉輸水控制設備來說,就不能直接用這種繼電器來控制電源。這時,能夠再加一個可經(jīng)過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備的交流電源,這樣測控儀同樣能夠實現(xiàn)灌溉的控制。也就是說,測控儀給出的控制信號具有通用性。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),可是一個土壤水吸力傳感器只能測一個小范圍內(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傳感器測土壤水分又是不現(xiàn)實的。由于設施農(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)設置幾個測試點,取幾個測試點的平均值來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置傳感器又能夠使土壤水分的測量比較平均準確。因此測控儀設計連接了三個負壓式土壤水分傳感器,用四個傳感器稍嫌太多,而兩個又太少,三個比較合適。對于溫度傳感器數(shù)量的選擇,考慮到一塊地的溫度不會有太大的差別,且土壤溫度只是起參考的作用,因此在簡化系統(tǒng)、減少成本的前提下只需用一個溫度傳感器測土壤溫度就能夠了。另外,對于三個土壤水分傳感器測控儀能夠有兩種不同的控制方式。第一種方式,當測控儀用來控制較大一片土壤的灌溉時,能夠將三個傳感器均勻分布埋設在這片土壤里,再取三個傳感器測量的平均值來表示整片土壤的含水狀況,根據(jù)這個平均值來控制灌溉。第二種方式,三個傳感器能夠獨立的控制灌溉。測控儀設置了三組獨立的繼電器,在第二種控制方式下,每一組繼電器對應一個傳感器,每組繼電器能夠獨立的設定不同的灌溉方式,根據(jù)對應的傳感器所測的土壤水分數(shù)據(jù)獨立的控制灌溉。這樣,在控制土壤面積不大的情況下,測控儀就能夠獨立控制三塊地,這也就增大了測控儀的工作量,從分發(fā)揮的測控儀的潛力。同時第二種控制方式還能夠用于花卉、盆景等經(jīng)濟植物的栽培中,分別將三個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水分的不同要求設置不同的土壤缺水判斷標準和灌溉方式。一般花卉和盆景對水分的要求是比較苛刻的,用自動化節(jié)水灌溉控制儀來培養(yǎng)花卉或盆景,能夠收到不錯的經(jīng)濟效果。當前,國外也有一些專門針對花卉培養(yǎng)的自動控制灌溉設備,也都收到了不錯的經(jīng)濟效果。四、灌溉方式在3.3.1節(jié)中提到,針對不同的作物和不同的土壤測控儀需要有不同的土壤缺水判斷標準和灌溉方式。這里所說的土壤缺水判斷標準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。測控儀根據(jù)要求設置了三種灌溉方式以供操作者在面對不同土質(zhì)時選擇使用。(1)上下限澆灌方式在這種澆灌方式下,能夠設定土壤水吸力上限值(Pu)、下限值(Pd)和溫度(T)三個參數(shù)。當測控儀檢測到土壤水吸力大于上限值時,表示作物缺水,控制儀給出控制信號,控制澆水。當測控儀檢測到土壤水吸力低于下限值時,表示澆水足夠,停止?jié)菜?。測控儀在檢測土壤水吸力的同時還要檢測溫度,當發(fā)現(xiàn)溫度低于設定溫度時立即停止?jié)菜?以免在低溫下澆水凍傷作物。這種灌溉方式是針對那些滲水快的土壤設計的,當灌溉后水