智能化设施农业节水灌溉控制系统研究

1、. 托普物联网开创智慧农业新时代！：.；智能化设备农业节水灌溉控制系统研讨1绪论 1.1研讨背景 我国是一个农业大国，建国50年来，农业得到了很大开展，获得了以占世界7%的耕地养活了世界22%的人口的举世瞩目的成就。但也付出了宏大代价:地下水位下降、河湖干枯、季节性缺水、江河污染、水土流失和生态环境恶化等。当前，制约我国农业开展的主要要素是水资源严重缺乏。我国水资源总量为2、8万亿m3，人均占有量仅2200扩，缺乏世界人均程度的1/4，居世界第109位。而且我国水资源地域分布极不平衡，81%的水资源集中分布在长江流域及其以南地域;长江以北地域人口和耕地分别占全国的45.3%和64.1%，而水资

2、源仅占全国的19%，人均占有量为517m3;，相当于全国人均量的1/5和世界人均量的1/20，水资源拥有量与消费开展极不顺应。据统计，进入20世纪90年代以来，我国农业干旱受灾面积达2300万hmZ以上，每年因缺水呵斥粮食减产1000亿kg左右l3j。许多城市供水缺乏、工农业用水矛盾锋利。随着经济建立、生态环境建立步伐的加快，人们生活程度的提高，对水的需求量将更大。 我国农业用水面临资源短缺的同时，农业用水浪费景象却非常严重。主要表如今:一是水的利用率低，我国灌溉系统对水资源的利用目前只能到达0.30.4， 而兴隆国家可到达0.8以上。二是农业水消费率低，灌溉农业粮食作物的水消费率缺乏Ikg/

3、ma，旱地农业面积占60%左右，降水的消费率只需0.3kg/m30.4kg/时。托普物联网针对水资源的利用率不断在做深化的研讨，力求研发出一种能提高水资源利用率的物联网系统。 处理我国农业用水短缺问题有两种方法，一种方法是开发新的水资源以满足农业用水需求，这种方法在一定程度上可以缓解我国农业水资源严重短缺景象，但它同时也存在三个比较大的问题，一是开发水资源所需的投资非常大，而且见效慢，受地理条件和资金等限制较大，短期内不能处理大面积的农田灌溉问题;二是开发的水资源能处理农业用水短缺问题却处理不了农业用水浪费的问题，根据目前我国农业水资源利用率来看，破费了大量资金和人力去开发水资源，结果利用率只

4、需35%左右，呵斥大量人力、资金与水资源的浪费;三是我国水资源毕竟有限，而农业的开展是长期的，靠开发水资源来处理农业缺水问题是不现实的。另一种处理农业用水短缺问题方法是开展节水灌溉。节水灌溉是遵照作物不同生长发育阶段的需求规律而进展的适时灌溉，利用尽能够少的水获得尽能够多的农作物产出的一种灌溉方式。普通灌溉水从水源到田间要经过几个环节，每个环节中都存在水量无益损耗。凡是在这些环节中可以减少水量损失、提高灌溉水运用硕士论文智能化设备农业节水灌溉控制系统研讨效率和经济效益的各种措施，均属于节水灌溉范畴。节水灌溉技术能大幅提高水资源的利用率，在水资源不变的情况下提高作物产量，能实现优质高产，具有很好

5、的经济效益、生态效益和社会效益。因此，实行节水灌溉，大力普及和运用高效节水灌溉技术是从根本上处理我国农业缺水问题的重要措施。 托普物联网研发的节水灌溉技术包括两方面内容:工程节水技术:经过对原有灌溉工程设备进展改造或运用先进的灌溉工程设备以到达减少输水损失和减少田间用水损失的方法。如渠道防渗、管道输水、喷灌、微喷灌、滴灌、渗灌等。灌溉控制技术:经过采用自动控制技术，结协作物需水特性、地理环境、土壤特征与节水灌溉制度等实行按需的、适时的自动灌溉控制。工程节水技术主要是从两个方面来实现节水的目的，一是减少水在田间传输过程中的渗漏损失，如渠道防渗和管道输水技术;二是减少灌溉过程中的无效灌溉，即均匀灌

6、水或是只对作物根部附近的土壤进展溉，普通草地采用喷灌，作物采用微灌技术。利用工程节水技术普通可提高水资源利用率到5070%，相对传统的灌溉方式来说曾经有很大改善，但是仍存在30%以上的水资源浪费，且与优质高产仍有一段间隔 。这主要是由于这种灌溉方式依然是靠人工控制，灌溉的多少全凭阅历，不能实现按作物的需水特性准确、高效灌溉。这就使得人的要素成为影响水资源利用率的主要要素，当阅历较丰富、较准确时，水的利用率就高，当欠缺阅历时水的利用率就低。而灌溉控制技术的开展正可以弥补工程节水技术的这一缺陷，它采用先进的科学技术，检测土壤墒情，根据地理环境和作物生长的需水特性按需、准确灌溉，可大大提高水资源的利

7、用率，实现优质高产。灌溉控制技术使人们摆脱了传统的全凭阅历的灌溉方式，到达了高效节水灌溉的目的，对缓解我国农业用水短缺景象具有非常重要意义。 1.2国内外研讨情况 灌溉自动化始于20世纪30年代，二次世界大战前.法国研制了一系列用以实行渠系自动化运转的水力自动闸门，并提出了一套比较完好的自动化灌溉控制方法，开了自动化灌溉的先河。20世纪50年代以来，随着电子学和计算机技术的运用和开展，利用电子设备、计算机设备和程序控制的灌排工程自动化技术也得到了同步开展，并在法国、美国、日本等兴隆国家乃至一些开展中国家得到了日益广泛的运用和开展，控制方式也由早期的当地控制开展到可以实现遥测、遥控的集中控制方式

8、。 1.3本课题的研讨任务 综合农作物的生长过程对外部环境的主要要求，采用科学控制方法且具备广泛用途的节水灌溉系统，是节水灌溉科学实施的中心问题。基于此，本课题的主要内容是研制开发适宜我国国情的、低本钱、易推行的、主要运用于温室大棚的节水灌溉自动控制系统，为实现我国农业高效节水灌溉提供技术配备。 由于不同农作物有不同的需水特性，灌水时间、灌水量既影响农产品的产量，也影响农产品的质量，因此，设备农业的高效节水灌溉自动控制技术主要是向适时适量、按需灌溉的方向开展。所以，本课题的研讨主要包括两个方面，一是测即获取土壤水分信息，并根据土壤水分信息及作物需水特性来决议灌溉时间与灌溉量的多少。这将摆脱以往

9、仅凭阅历灌溉的灌溉方式，使作物灌溉决策建立在科学的根底之上;二是控，要研讨如何根据土壤条件、土壤水分信息及作物需水特性进展合理的灌溉决策，即将传统的凭阅历由人工手动阀门控制灌溉方式改为自动进展适时适量、按需准确灌溉控制，从而到达提高水的利用效率、优质高产、节省大量人力，实现高效农业的目的。 2方案研讨与论证 2.1研讨方案选择 国外一些先进国家，如美国、以色列和加拿大等，运用先进的电子技术、计算机和控制技术，在节水灌溉技术方面起步较早，并日趋成熟。这些国家从最早的水力控制、机械控制，到后来的机械电子混合协调式控制，到当前运用广泛的计算机控制、模糊控制和神经网络控制等，控制精度和智能化程度越来越

10、高，可靠性也越来越好211。要想在根据我国国情与节水灌溉现状的根底上，吸收国外研讨成果，研制出一种根据对农作物生长土壤水分含量的不延续的实时检测的结果，根据作物需水特性，实现适时，按需准确灌溉的自动控制设备，就需求对各种技术进展研讨分析。目前，在国际上技术比较成熟、运用较广的灌溉控制技术主要有两种:专家系统与微机测控技术。下面就对这两种方法进展比较研讨，寻觅一个适宜我国国情的，运用于设备农业、着眼于未来农业现代化开展的自动化节水灌溉研讨方案。 2.2专家系统 专家系统是一个模拟人脑思想方式，以知识为根底的计算机软件系统。其特点在于把人(专家)在处理消费实践问题过程中所运用的启发性知识、判别性知

11、识分成现实和规那么，以一定的知识表示方式存入计算机，建立知识库，并采用适宜的产生式系统(ProductionSystem)，按输入的原始数据，选择适宜的规那么，进展推理、演绎，作出专家级的智能判别与决策。而且它的最大特点，可代表一个专门消费领域的专家群体，对该消费领域内的实践问题提供专家们的咨询、决策意见圈。将专家系统运用于农业就构成了农业专家系统。农业专家系统以农业专家的知识和阅历为系统的中心，运用计算机技术，抑制时空限制，在较短的时间内得以广泛地运用，使专家的知识和阅历变为消费力工周。可以说农业专家系统是一种拥有高层次、多方面农业专家知识，它并能模拟人类推理过程，在计算机上以笼统、直观的方

12、式向用户提供各种农业问题决策咨询效力的适用软件，与人类专家相比，拥有综合性的知识和高速处置知识的身手，且不受时间、空间的限制和人类情感的影响。 专家系统运用于节水灌溉也是以丰富的种植阅历为根底的，例如，在已有阅历上，将知的作物生长各阶段的需水量，生长形状、各阶段能够遇到的气候与自然条件等决议灌溉的详细信息输入计算机，按照一定的法那么划分成各项细那么存储在计算机中。当进展控制时，就将己获得的作物生长形状、气候条件等输入计算机，计算机经过计算推理，把它划分归属于某一细那么，再按这一细那么的要求，如灌溉量和灌溉时间，进展灌溉。如从荷兰引进的大棚花卉种植专家系统，由于多年的种植阅历，对某种花卉的生长过

13、程非常熟习，将其生长过程细节输入计算机，由计算机经过推理计算来决议其灌溉与施肥。 由此可见，专家系统能实现作物种植灌溉的完全智能化，可以替代为数极少的专家群体，走向地头，进入农家，在各地详细地指点农民科学种田，节省大量人力、物力，能实现高效节水，优质高产。专家系统将是我国未来节水农业开展热点之一。 但是，在目前情况下专家系统还不能在我国进展推行，它除了具有上述的优外，还存在着下述缺陷: (1)专家系统模型大，开发周期长，在我国目前科技程度较低情况下投入大量人力、物力及资金去开发不太能够。 (2)目前国内大部分专家系统依托进口，这些引进的专家系统本钱高且不适宜我国国情，不能充分发扬其优点。 (3

14、)专家系统开发完全依赖种植专家的阅历去控制造物的施肥与灌溉，它并不对土壤墒情及作物情况进展实时检测。它虽然能替代农业专家，却并不能摆脱完全凭阅历灌溉的种植方式。 (4)专家系统的操作需求具有一定程度的专业人员才干完成，而我国农业科技程度普遍较低，缺乏农业科技人员，这也限制了专家系统的推行。 (5)开发受限制，单一性强，投入过高。普通一个专家系统是针对一种作物开发的，它要在农业专家提供有关这种作物丰富、系统的种植阅历的根底上才干进展开发，一旦没有农业专家就无法进展开发，而农业专家毕竟人数很少。同时，当需求对多种作物进展监测实施节水灌溉时，就需求多个专家系统，这就需求投入很大的资金，也限制了专家系

15、统的推行。 从上面的分析可以看出，专家系统虽然具有很多优点，具有很大的开展潜力，但它不能满足本钱低、操作简单、易推行、能按作物需水量适时、精准灌溉的研讨目的，因此本课题的研讨不能朝专家系统的方向走。 2.1.2微机测控技术 另一种节水灌溉自动控制技术是微机测控技术。它将计算机技术、传感与检测技术以及通讯技术结合起来，可以检测土壤墒情、环境特征，并根据检测结果来决议灌溉量与灌溉时间，摆脱了传统的全凭阅历灌溉的灌溉方式。 目前在国外，特别是以色列，大部分田地都是采用的这种节水灌溉控制方式。国外的这种控制系统普通都很大，采取大型分布式控制系统。在田间分布各种传感器检测点，如土壤水分、温度、湿度、光照

16、、作物蒸腾量等，检测结果送至微机，微机对结果进展处置，然后经过通讯技术，将处置结果发送至上位机，即实验室或家里的计算机中，操作者就可以在家里或实验室里察看到作物生长情况和土壤墒情，根据阅历数据判别作物能否缺水及所需灌溉量与灌溉时间，然后发出灌溉命令给微机，微机就可以根据命令控制灌溉量与灌溉时间，实现高效节水灌溉。 这种节水灌溉控制系统本钱高，但它的设计思想却很符合本课题的研讨要求，因此可以将其加以简化，降低其本钱，这样就能设计出符合我国国情的，易推行的，能按作物需水特征实现按需、准确灌溉的节水灌溉控制系统。 首先，不采用上位机通讯控制。由于在我国农业设备普遍简陋的情况下，推行上述计算机控制的灌

17、溉系统还不现实，只需采用单片机在田间进展检测与控制就可以了。这样可以大大减少本钱，而且还可以预留一个通讯接口，在需求或是有条件时也可以实现与上位机的通讯，非常的方便。 其次，运用传感器丈量土壤及作物参数并尽量减少丈量参数的数量，只选择一些常用的灌溉参数进展丈量，这样既能使控制系统具有一定的广泛适用性，同时又可以减少传感器的数量，降低本钱。 设计一个节水灌溉控制系统能否做到因地制宜主要用四条规范加以衡量。其一能否节水，其二能否减轻农民负担，其三能否增效(短期内收回投资，且提高效益)，其四能否推行得开27J。根据这四个规范可以来判别上述拟采用的研讨方案是可行的。 2.3设计方案 节水灌溉自动控制系

18、统的研讨方案是将传感技术与单片机控制相结合，设计一个简单、低本钱、易推行的控制系统，可以实时检测土壤及作物的一些灌溉控制参数，根据检测结果实现按需、精准灌溉，到达高效节水、优质高产的目的。整个控制系统主要应该有四个模块:检测模块、数据处置模块、数字模块及控制模块。 为实现研讨目的，在系统设计时需求思索下面几个问题。 1、丈量参数 不同的作物对水分的需求量是不一样的。按需、精准灌溉就是要根据作物的需水特性来控制灌溉量，使土壤的含水量能刚好到达作物的需求。这样做的目的不仅仅是节水，还能促使作物更好的生长，到达优质高产。由于对作物来说，土壤含水量并不是越多越好，对某些作物来说，水分太多反而会抑制生长

19、，适量的水分对作物的生长才是最有益的。 要实现按需、精准灌溉，土壤水分是必需丈量的最主要的参数。水分是天然土壤的一个重要组成部分，它不仅影响土壤的物理性质，制约着土壤中营养的溶解、转移和微生物的活动，是构成土壤肥力的一个重要要素，而且它本身更是一切植物赖以生存的根本条件。准确及时测定土壤水分含量有利于研讨和了解土壤水分动态变化规律和空间立体分布;同时，掌握不同作物在同一时期对土壤水含量的不同要求，同一作物在不同时期对土壤水分含量的不同要求以及土壤水分含量对作物产量的影响，这在实际和消费上都有着重要的意义，例如，进展耕耘、灌溉、施肥等各种农业措施时，通常都需求思索土壤水分情况，特别是在进展灌溉、

20、排水规划设计时，更需求掌握土壤水分的情况及其动态。可以准确及时地测定出土壤水分含量，对适时适量地进展灌溉和排水有着重要的作用28。此外，土壤中过多的有害物质也靠水的淡化来排除。由以上的分析可以看出，对作物生长来说土壤水分是一切参数中最重要的，是必需丈量的。 除了土壤水分外，土壤温度也是决议能否灌溉的一个重要参数，由于温度过低，灌溉会冻伤作物的根系，因此，必需求监测土壤温度，在土壤温度过低时就停顿浇水。 2、传感器数量 针对土壤情况不同，需求的传感器数量是不一样的。有的土壤一致性好，只需一个传感器丈量土壤墒情就可，但有的土壤一致性差，就需求多支传感器来丈量土壤墒情。同时，土壤的面积有大有小，也决

21、议了需求不同数量的传感器。因此，控制系统在设计时要配备多支传感器。而且，配备多支传感器也能加强控制系统功能，可以同时控制不同作物的灌溉。但是，传感器的数量也不能太多，传感器路数太多也会添加控制系统的本钱。在控制系统设计时要综合思索所需配备的传感器数量。 3、作物缺水判别 不同的作物对水分的需求是不同的;周围环境不同，作物的需水量也会有所不同;即使同一作物，在不同生长阶段对水分的需求也不同。我国的作物有几千种，不同的作物有不同的缺水情况:我国面积宽广，气候条件变化无常。怎样才干使控制系统顺应不同的作物，在不同气候条件和不同季节都能实现按需灌溉，这是控制系统通用性设计最主要要处理的问题。假设处理不

22、好，控制系统也就失去了其推行的意义。 4、灌溉控制方式 目前我国各个设备农业中灌溉系统的水情况不一样，有的采用电机控制水流、有的采用水泵加压后才干进展灌溉，有的采用电磁阀替代手动阀门控制水流灌溉。因此，控制系统在设计时要思索到控制信号的通用性，既能控制电机、水泵，又能控制电磁阀。 我国面积宽广，土壤种类很多，不同的土质渗水才干不一样，比如砂土，渗水才干很强，水分可以很快地渗入作物根部，水分传感器能及时的测出灌溉后的土壤含水量;而粘土渗水才干较弱，灌溉后水分堆积在地表层，要经过一段时间才干渗到土壤根部，水分传感器就不能及时正确测出土壤含水量，就会导致浇水过多，浪费水资源。因此，要提高控制系统的通

23、用性，在设计时就要思索如何使控制系统的灌溉控制满足不同土壤的需求。 3系统设计 3.1土壤水分的丈量 3.1.1丈量方法的选择 土壤水分是土壤的重要组成部分，它是农作物生长所需水分的主要供应源。土壤水分还参与土壤中许多重要的物理、化学和生物过程，同时它又是多种营养元素的溶剂，对作物生长起着非常重要的作用。土壤水分的丈量是实施节水灌溉、按需灌溉的根底。随着科技的不断开展，土壤水分丈量的方法不断开展变化，目前丈量水分的方法大致可分为两类，即直接丈量法和间接丈量法。直接法经过枯燥或化学反响后直接测出绝对含水量，间接法那么经过丈量与水分变化相关的物理量 间接地丈量水分含量。现代适用的土壤水分丈量方法有

24、采土烘干法、石膏电极法、电阻法、中子探测法及土壤水分传感器法。土壤水分的丈量方法虽然很多，但必需求选择一个简单适用、丈量准确、本钱低的丈量方法，才干使节水灌溉自动控制设备具有实现性与易推行性。下面就对常用的几种丈量方法进展分析比较，以找到一个简单适用、丈量可靠、本钱相对较低的土壤水分丈量方法。 1、采土烘干法 采土烘干法是目前国际上丈量土壤水分的规范方法。烘干法丈量的是土壤分量含水量，即取土样放入烘箱，烘至恒重，此时土壤水分中自在态水以蒸气方式全部散失掉，再称分量，从而获得土壤水分含量。分量法通常还有所谓的快速测定法，其程序与常规法一样，本质仍是采用一些手段使土样烘至恒重的时间尽能够缩短，如酒

25、精熄灭法、红外法、炉烤法等，这些方法普通要求样品不能太重(59左右)，因此样品的代表性和实验结果的准确性较差，为了减小误差，常要求平行测定23次，取其算术平均值，这样实践上又增大了测定任务量，延伸了测定时间。目前微波炉烘烤法，既节约时间，又满足误差实践要求，是烤干法较好的选择。 烘干法是当前测定土壤含水量最常用的一种方法，它简单易行，对设备要求不严，有足够的精度，就样品本身而言结果可靠，是土壤水分测定的根本方法，也是检验其它方法与其对比的根底，但是运用此类方法在进展延续土壤水分的测定时，必需不断地变动取土点，由于土壤本身的变异性，使测定结果往往发生很大差别。而且烘干法费时、费力，综合费用并不低

26、;取样会破坏土壤，深层取样困难，定点丈量时不可防止由取样换位而带来误差，在很多情况下不能够长期定点监测;受土壤空间变异性影响也比较大;假设丈量目的是用于灌溉，还必需知道土壤各层次的容重。对于自动节水灌溉控制来说，烘干法最主要的缺陷就是丈量时间较长且必需人工在实验室进展，不能实现对土壤的墒情进展延续、长期的在线丈量，难以满足自动节水灌溉控制的丈量要求。因此，采土烘干法是不适宜选择在自动控制节水灌溉中丈量土壤水分的。 2、中子仪法 中子仪法丈量结果非常准确，是称重法之外的第二规范方法，丈量相对比较简单、容易，速度也很快。 中子仪的探头是由快中子辐射源和热中子探测器构成，当探头放入测管时，中子源不断

27、地放射出快中子，快中子进入土壤介质与各种原子离子相碰撞，快中子损失能量，从而使其慢化。当快中子与氢原子碰撞时，损失能量最大，更易于慢化，土壤中水分含量越高，氢就越多，从而慢中子云密度就越大。中子仪测定水分就是经过测定慢中子云的密度与水分子间的函数关系来确定土壤中的水分含量。利用中子仪测土壤水分含量，不用采土，不破坏土壤构造，并可定点延续监测，从而得到该样点土壤水分动态运动规律，且快速准确，无滞后景象。但中子仪测定时，室内外曲线差别较大，且田间不同的土壤物理性质，如容重不同、土壤质地不同都会呵斥曲线较大的挪动，研讨阐明中子仪垂直分辨率较差，且表层丈量困难，同时中子仪价钱昂贵，特别是辐射危害安康，

28、操作者必需经过培训并持有答应证，而且中子仪对于长期大面积动态监测土壤水分仍几乎不能够，因此不能广泛运用，不适宜在自动灌溉控制的土壤水分丈量上运用。 3、电阻法 土壤通常是导电的，其电阻率随其含水率的变化而变化。电阻法就是根据这个原理丈量土壤水分的。电阻法是一项比较古老的方法，电阻由多孔渗水介质(如石膏、尼龙、玻璃纤维)制成，它的电阻大小与含水量相关。把里面嵌有电极的电阻块放入土壤中，当电阻块中的水势与土壤水势平衡后，丈量电阻块的电阻，然后求出土壤水势。电阻块主要是石膏块，所以此法常称之为石膏块法(GyPsulnBloek)。 目前，电阻法普通都是经过电阻式土壤水分传感器丈量土壤水分的。传感器的

29、构造如图3.1，其实体是由质地均匀的石膏制成的圆柱体.在实体中部埋置有直径不同、同心安装的两个不锈钢制成的圆筒状电极，其上引出电极引线。传感器电极不与被测土壤直接接触，而是经过多孔性资料石膏为中介与土壤水分联络的。 这样做，是为了防止土壤盐分及丈量电极与土壤接触情况对丈量的影响。图3.1电队式土壤水分传感器电极引线2、内电极3、外电极4、石膏体 丈量时，将传感器埋入被测土壤中(轴线与程度面平行)。土壤水分运动使传感器石膏体的含水量与土壤水构成一定的函数关系。而石膏体含水量的变化将引起置于其中的两电极的介电特性和电阻的变化，即传感器的介电特性和电阻与土壤水分是相互联络的。 电阻法本钱较低，可以作

30、许多反复，可不破坏土壤留在田间延续自动监测，适宜于灌溉。但是电阻法有滞后作用，枯燥后电阻块能够与土壤接触不好，灵敏度也非常低。任何与土壤水分变化无关的土壤电导的变化(如施肥)也会被检测到，使结果出现偏向，此法只适宜于非盐碱土。当运用直流电的时候，极化作用会引起电阻块退化速度加快，长时间后石膏会彻底溶解到土壤溶液中，土壤含水量越高，电阻块寿命越短。电阻法受土壤性质影响，需求标定，而且标定结果会随着时间发生变化。所以，电阻法不适宜用于长期的土壤监测，也不能用在控制系统的水分丈量中。 4、频域反射仪法(TDR) 时域反射仪法，即TDR(TimeDo二inRefleetometry)法是一项高速丈量技

31、术，最早由HIFellner一Feldegg于1969年开发，用来丈量液体介电常数与频率的关系，自从Topp等人对TDR做出关键性的开展后，便开场了一个大量运用TDR丈量土壤水分的时期。由于TDR丈量快速，普通不需标定，可以作定位延续丈量，既可以做成轻巧的便携式作野外丈量，又可与计算机相连，自动完成单个或成批监测点的丈量，因此20世纪90年代后国际上已把TDR作为研讨土壤水分的根本仪器设备。 TDR的根本原理是，高频电磁脉冲沿传输线在土壤中传播的速度依赖于土壤的介电特性。在一定的电磁波频率范围内(50M10GHz)，矿物质、空气和水的介电特性为常数，因此土体的介电常数主要依赖于土壤容积含水量(

32、极微弱地依赖于土壤类型、紧实度、束缚水等)，这样可以建立土壤容积含水量与土壤介电常数的阅历方程。用一对平行棒或金属线作为导体，土壤作为电介质，一对棒起波导管的作用，电磁波信号在土壤中以平面波传导，经传输线一端返到TDR接纳器，分析传导 速度和振幅变化，根据速度与介电常数的关系、介电常数与体积含水量之间的函数关系而得出土壤含水量。 TDR为目前丈量土壤含水量的主流方法。TDR可对土壤样品快速、延续、准确地丈量，平均分辨率0.02O，OO5cma/cma。普通不需标定，丈量范围广(含水量O一100%)，操作简便，野外和室内都可运用，可做成手持式的进展田间即时丈量，也可经过导线远间隔 多点自动监测。

33、导波棒可以单独留在土壤中好几年，需求的时候再连上TDR丈量;导波棒可做成不同外形以顺应不同情况，长度普通10200cm。TDR可以丈量表层土壤含水量。 TDR丈量结果受土壤盐度影响很小，但当含盐量添加后，脉冲信号从导波棒末端的反射会减弱，在丈量高有机质含量土壤、高2:l型粘土矿物含量土壤、容重特别高或特别低的土壤时，需求标定。TDR最大的缺陷是电路复杂，导致设备昂贵，仪器主要依赖进口，虽然国内目前也有消费，价钱可降至进口的一半，但价钱依然昂贵，在控制系统要求本钱低的条件下也不适宜用TDR法丈量土壤水分。 与TDR方法类似的还有频域反射法，即FDR(FrequeneyDo阳inRefleet。m

34、etry)，丈量土壤含水量的原理与TDR类似。FDR的传感器主要由一对电极(平行陈列的金属棒或圆形金属环)组成一个电容，其间的土壤充任电介质，电容与振荡器组成一个调谐电路，振荡器任务频率随土壤电容的添加而降低，厕士算后容随土壤含水量的添加而添加，于是振荡器频率与土壤含水量呈非线性反比关系。FDR运用扫频频率来检测共振频率(此时振幅最大)，土壤含水量不同，发生共振的频率不同。假设运用固定频率，经过丈量其规范波的频率变化来丈量土壤含水量，这类方法严厉地说不是FDR，普通称为电容法。 FDR法具有比TDR法更多的优点，但同时也具有TDR的缺陷，就是设备价钱昂贵，在追求低本钱的自动控制节水灌溉设备中是

35、不适宜运用的。 5、负压式传感器法 负压式传感器法就是利用土壤水吸力传感器丈量土壤水吸力来获知土壤含水量的方法。 土壤水吸力传感器的关键部件是细孔毛瓷杯，即陶土头，其上的毛细孔径约1.01.5pm，细孔毛瓷杯内装满无气水，与土壤严密接触，杯内自在水经过杯壁孔隙与土壤水接触，当土壤水分与瓷杯内水分不平衡时，水和盐就可以无妨碍地进出瓷杯，与土壤到达平衡，而在杯内就会负压，这个负压等于土壤的水吸力。土壤水吸力与土壤含水量是有一定关系的，土壤含水量越小，吸力越大;土壤含水量越多，吸力越小，因此，经过丈量土壤水吸力可以知道土壤含水量。负压式传感器法在土壤比较潮湿的情况下丈量土壤水吸力很准确，受土壤空间变

36、异性的影响比较小，是一种低本钱的直接丈量方法，可以延续丈量土壤含水量。 与其他的丈量方法比起来，用负压式传感器法测定土壤水分具有田间原位测定、快速直读、不破坏土壤构造、价钱低廉、无放射性物质、平安可靠、便于长期观测和积累田间水势资料等优点。特别是可以利用压阻传感器将土壤水吸力转换为电信号输出，便于进展数字化处置和与计算机接口，有利于实现用计算机对土壤水分的自动监测。因此，在自动灌溉控制系统中运用负压式传感器法丈量土壤水分是最恰当的选择。 3.1.2传感器的改良 3.2.1传感器原理负压式土壤水分传感器由集气管、压阻式传感器和陶土头等部件组成。集气管上端为注水口，用密封盖盖紧，旁侧有一个接口与压

37、阻式传感器联接，下端与陶土头相连，集气管中充溢无气水。传感器构造如图3.2所示。图3.2土壤水吸力传感器构造表示图 陶土头是负压式土壤水分传感器的感应部件，具有许多细小的孔隙，陶土头被水浸润后，在孔隙中构成一层水膜。当传感器充溢无气水而且密封后，将陶土头部分插入水分不饱和土壤时(留意，陶土头要与土壤严密接触，否那么丈量不准确)，水膜便与土壤水连结起来，使传感器内部产生负压。压阻式传感器将负压转换成电压信号，二者呈线性关系，根据测得的电压即可转换成土壤水吸力。 集气管的长度要根据不同作物根系分布深度的不同来选择。 压阻式传感器是土壤水吸力传感器的关键部件，所测数据的精度主要取决于它的性能。本课题

38、中选用的压阻式传感器的丈量范围为OIOOKPa，精度为功.05%，采用1.smA恒流供电(电缆短时也可采用恒压供电方式)。传感器的输入输出阻抗均为3K。 由于压阻式传感器的性能有一定的离散性，因此，对于压阻式传感器的吸力值与输出电压值之间的关系需求标定。负压式土壤水分传感器直接测出的是土壤水吸力而不是土壤含水率，但是由于多年的运用阅历积累曾经得出部分常见作物需灌溉时的土壤负压范围，所以不需求再将土壤水吸力转换为土壤水分。部分植物需灌溉时对应的土壤负压值范围如表1所示。表1部分植物需灌溉时的土壤负压值范围 3.1.2.2传感器的改良 一、传感器存在的问题 负压式土壤水分传感器虽然可以实时监测土壤

39、水分，但实践运用过程还存在几个缺陷，必需求进展改良。 (1)不一致性，这是由于压阻传感器具有离散性呵斥的。在O一10OKPa丈量范围内，各负压式土壤水分传感器的输出电压不尽一样。这就要求每运用一个传感器都要调整控制系统中对传感器输出电压信号的处置电路。当一个传感器坏掉要换新的传感器时，就要重新调整信号处置电路，这就限制了自动灌溉控制系统的适用性，不利于推行。 (2)负压式土壤水分传感器的输出信号是电压，而电压在长线传输过程中易损耗且易受干扰，影响了丈量的准确性。 (3)负压式土壤水分传感器采用四线制传输信号，其中两线传送电源信号，另外两线传送电压输出信号。四线制导线较贵，而自动控制系统在田间任

40、务普通会离丈量点较远，需求很长四线制导线，测试点越多越远，需求的四线制导线就越多越长，这无形中添加了自动控制节水灌溉设备的本钱。而且电压传输信号易受干扰，长线传输时有压降，会产生丈量误差。 (4)负压式土壤水分传感器的陶土头与塑料管的衔接是采用强力胶粘合，在衔接处没有任何维护安装，容易折断。陶土头本身也比较脆弱，强度不够，也易折断。 (5)负压式土壤水分传感器的集气管与塑料管里充的是无气水，每隔一段时间就要网传感器里充无气水，在高温天气充水会更加频繁。假设种一季庄稼就要充几十次水就会显得很费事。同时，在充水时要拧开密封盖，在拧松密封盖时容易使陶土头与周围土壤产生松动。陶土头一旦与周围土壤略微松

41、动就会影响丈量结果，有能够使控制系统灌溉控制不准确。 二、传感器的改良 (1)电路的改良 针对负压式土壤水分传感器的第一个问题，可以采用输出信号就地处置转换的方法进展改良，即将传感器输出信号的处置电路放在负压式土壤水分传感器上，这样只需在运用传感器时只需调整传感器上的信号处置电路，使其输出信号与压力值关系一定，而不需求再去调理自动控制系统的电路，添加了控制系统的可推行性。处理传感器第二个问题可以采用将电压转换为电流传输的方法，电流传输不易受干扰，比电压可靠。第三个四线制导线问题可以改良两线制导线传输信号， 市场上两线制导线的本钱要比四线制廉价很多。综合上面三个问题的改良方法就可以的到一个改良负

42、压式土壤水分传感器性能的方案，即将传感器的四线制电压传输就地转换为规范的两线制420毗电流信号传送。这将简化控制系统的设计并加强它的通用性。两线制的压力变送电路如图3.3所示。图3.3两线制压力变送电路 变送电路采用24V直流电源供电，24V电源经过反相维护二极管(DI)给运放和三极管供电。电路中的电桥为模拟的压阻传感器的电源输入与信号输出。 压阻传感器需求1.smA的恒流源供电，因此，在变送电路中需求一个恒流源电路给压阻传感器供电。运放Al与可变电阻RS3组成了一个恒流源，A1的同相端接到可变电阻RSI的可调端，输出电流与A1同相端输入电压的的关系如式3.1所示: I=UA一+/RS3(3.

43、1) 经过稳压管Ql与RSI给A1的同相端提供一个恒定的电压UAI*，那么输出电流由邓3决议，调整RS3就可调整输出电流为1.5mA。压阻传感器输出的电压信号是未经放大的，电压值非常小，不便于电流转换，因此变送电路还需求一个电压放大电路。同相串联差动运算放大器具有抑制共模压效果好、输入阻抗高的优点，因此变送电路采用了同相串联差动运算放大器对输出电压信号进展放大。变送电路中A2和A3、R2、R3、R4、R5、RS4共同组成了同相串联差动运算放大器。差放的输入与输出电压的关系由式3.3决议 AI、为参考电压，它可以抬高输出电平，RS4可以用来调理增益。A4与三极管Q2的组合将差放的输出电压转换为电

44、流。R9为采样电阻，将输出反响到输入端，以此调理输出电流。A4的反向端接到RSZ的滑动端，调理RSZ就可以调理零压力时输出电流为4mA，调理RS4就可使压力与输出电流满足一定的关系。 这样设计的益处在于:变送器调零电位器的滑臂位置不会影响放大器和电压/电流变换相应电阻的匹配性，同时在零位校准后，A4两输入端的共模电压即是某确定值，而不会随压力变化，因此对A4共模抑制比的要求可以降低。 负压式土壤水分传感器经过上述改良后，其耐用性与通用性都将得到提高。 2)构造的改良 针对负压式土壤水分传感器的第四和第五个缺陷:陶土头易损坏，加水频繁易导致陶土头与土壤产生松动，就要对负压式土壤水分传感器进展构造

45、上的改良，使其能在构造上维护陶土头不受损坏;使充水变得容易，不破坏陶土头与土壤的严密程度;延伸充水周期，最好能在种完一季庄稼的过程中不用充水。基于以上的思索，下面就对传感器的构造改良进展分析设计。 陶土头维护构造 负压式土壤水分传感器的陶土头较脆弱，易损坏，其与塑料管的衔接处易折断，这是由陶土头本身的资料性质所决议的，不能改动陶土头的资料，所以只能在陶土头的外边加一个维护构造，使其能防止被碰撞。在设计陶土头维护构造时要思索到陶土头是经过与土壤接触来丈量土壤水吸力的，因此陶土头维护构造不能妨碍其与土壤之间的严密接触。陶土头的维护构造如图3.4所示。图3.4陶土头维护安装 如图，整个安装由不锈钢的

46、细钢条做成，三根细钢条围成陶土头的外形，围成的圆的直径要比陶土头的直径略大，长度也要比陶土头的稍长，使螺孔的位置在陶土头与塑料管的衔接处之上。安装时，维护安装从下往上套住陶土头，并用三个螺钉夹住塑料管以固定维护安装。 陶土头装上这个维护安装后，它与衔接处就处于不锈钢条的维护之下，假设是与其他物体碰撞就不容易碰撞到陶土头，首先碰撞到的是不锈钢条，而不锈钢是很耐碰撞的。此外，由于维护构造采用的是细细的不锈钢条做成，陶土头装上维护构造后，它的绝大部分还是露在外边，依然可以与土壤严密接触，维护构造并不影响土壤水吸力的丈量。 充水改良 对于传感器充水过于频繁的问题，也许很多人会想只需添加集气管的长度就可

47、以增大传感器的蓄水量，自然也就延伸了充水周期，减少了充水次数。但是，对于负压式土壤水分传感器来说，集气管、塑料管的长度及压阻传感器的位置是与其丈量的压力值和输出都有关系的，是不能恣意加长的。因此不能用增长集气管的方法来处理充水频繁的问题。既然不能靠增长集气管来添加传感器的蓄水量，那么可以在集气管之外安装一个蓄水安装，储蓄种一季庄稼所需的水量，就可以解决充水频繁的问题。此外，也要思索到如何使充水简单易行的问题。设计的传感器加水安装如图3.5所示。图3.5加水安装 如下图，加水安装由两部分组成，蓄水盒与密封螺栓。蓄水盒上的传感器套筒替代了密封盖，套在传感器的头部，并用胶密封以保证感器不漏气。蓄水盒

48、上有一个较大的螺孔和一个圆锥状的漏水孔。加水时，无气水由螺孔参与蓄水盒，再由漏水孔流入传感器里。密封螺栓的螺纹与蓄水盒上的螺孔对应，密封螺栓头部的橡皮塞围圆锥状，与漏水孔对应。当传感器加满水并且蓄水盒存储了一定体积的水后，将密封螺栓拧入蓄水盒里。橡皮塞恰好堵住漏水孔，由于漏水孔是圆 锥状，橡皮塞就能较好的密封住传感器，使其不漏气。当传感器需求加水时只需拧松密封螺栓，水就会流入传感器，加水便变得非常方便，而且由于蓄水盒里存储有一定量的水，就可以很长时间不用往蓄水盒里加水，非常省事。这样就可以处理加水频繁的问题。而拧开密封螺栓比直接拧开传感器上的密封盖要容易得多，也不易使陶土头与土壤产生松动。 整

49、个加水安装与密封螺栓都用有机玻璃制成，这样就可以察看到蓄水盒中水量的变化，及时补充水分。(3)改良后的传感器图3.6改良后的土壤水吸力传感器 改良后的传感器构造如图3.6所示。电路盒用密封胶粘在水分传感器放置压阻传感器的地方，电路盒里面密封了压阻传感器及改良的420mA电流变送电路，只留出两根导线提供电压及保送输出电流。 土壤水吸力传感器在经过这些改良之后，其耐用性与适用性都将得到很大的提高。 3.2土壤温度丈量 3.2.1传感器的选择 丈量温度的传感器有很多，而控制系统中对于土壤温度的丈量要求又不是很高，测温范围普通在0一100，测温精度要求也不高，许多传感器都可以用来丈量土壤温度，因此要综

50、合系统设计要求选择一个价钱低、性能好、电路简单、具有一定精度的温度传感器。 目前常用的测温传感器有热电偶、热电阻、热敏电阻、和半导体集成温度传感器等。 热电偶是根据热电势效应原理测温的，它是目前运用最广泛的热电式传感器，具有构造简单、制造方便、测温范围宽、热惯性小、准确度高等特点，但是它需求进展温度补偿，比较费事。 热电阻式传感器是利用导体的电阻率随温度而变化的效应制成的传感器。常用的热电阻有铂热电阻和铜热电阻。铂热电阻的特点是物理化学性能稳定，尤其是耐氧化才干强、丈量精度高、测温范围宽，有很好的重现性，但价钱较贵。而铜热电阻虽然价钱廉价，但测温范围小，测温精度不高，电路设计也比较复杂。 热敏

51、电阻传感器是利用半导体的电阻随温度显著变化这一特性测温的，它的体积小、灵敏度高、稳定性好，但是它的互换性差，而且价钱昂贵。 半导体温度传感器是利用半导体PN结的温度特性制成的。这种传感器的优点是小型化、线性好、高灵敏度、稳定性好、反复性好，互换性好，低本钱，易于电路设计或控制电路接口。 从以上分析可以看出，半导体温度传感器由于具有小型化、线性好，低本钱，易于电路设计或控制电路接口的优点是最适宜用在控制系统中丈量土壤温度的。 LM35是集成的半导体精细温度传感器，与传统的热敏电阻、热电阻、热电偶等相比较，与热敏电阻、热电偶等传统传感器相比，具有线性好、精度高、体积小、校准方便、价钱低等特点，非常

52、适宜于常温丈量任务。因此，在控制系统设计中选用LM35来丈量土壤温度。 3.2.2温度丈量电路设计 LM35是电压输出，它的外型很小，只需3个引脚(如图3.7所示)，Vout是输出电压端，VS是电源端。在一定的任务条件下，传感器的输出电压V。与被测温度成线性关系。运用中无须作O或20校准，其任务灵敏度为10mV/，任务电流56一80pA，本身精度为0.4(25时)，传感器输出电阻为0.1。，任务电源电压范围4一3ov。 LM35的根本电路非常简单，遥测环境温度电路如图3.7所示，其测温范围为2150。输出电压从并联的电阻上获得，输出电压与温度的关系有式3.4决议: V。=10mV/oC*(T环

53、境+loC)(3.4)由于遥测的间隔 较长，从传感器到并联的电阻见的导线应绞合。图3.7LM35及其遥测电路 3.3控制仪器设计 3.3.1仪器设计方案 控制仪器的设计方向是具有广泛的适用性，同时尽量小型化、简单化、易操作及低本钱，实时监测土壤墒情，按照作物需水特性准确灌溉。 一、土壤墒情监测与判别 自动化节水灌溉控制设备研讨的主要目的是为处理我国水资源紧缺问题，即节硕士论文智能化设备农业节水灌溉控制系统研讨水，实现作物按需准确灌溉，因此，土壤水分是自动化设备主要监测的土壤参数。同时，思索到土壤温度对作物生长及灌溉都有影响，因此也需求对土壤温度进展监测。土壤水分经过负压式土壤水分传感器丈量土壤

54、水吸力获得，土壤温度那么由半导体集成精细温度传感器LM35丈量。至于其他的参数，如土壤盐分、作物叶面蒸腾量等，在丈量参数己足够和简化系统降低本钱的前提下，可以不用思索丈量。 因此，自动化节水灌溉控制仪器的主要任务就是对土壤水分和温度进展监测，并根据土壤水分传感器与温度传感器传送的当前土壤水分与温度信息进展判别，在适宜浇水的温度范围内，假设土壤处于缺水形状，就给出控制信号，控制灌溉设备进展浇灌，假设是土壤不缺水就不浇灌或是给出停顿浇灌的控制信号。 在控制仪器的任务中，判别土壤能否缺水是一个难点。负压式土壤水分传感器测出来的是土壤的水吸力。土壤水吸力与土壤水分具有一定的关系，土壤吸力越大，土壤含水

55、量越小;土壤吸力越小，土壤含水量越多。由于负压式土壤水分传感器经过多年运用累积阅历，曾经掌握了大部分作物需水形状对应的土壤水吸力范围，因此，可以直接用土壤水吸力来判别作物的缺水情况。 但是，不同的作物对水分的需求是不一样的，同一作物在不同的时期对分的需求也是不一样的，就算是同一作物在同一时期它对水分的需求也是会随着环境的不同而变化的，判别土壤缺水没有一致的规范。为实现自动控制、按需灌溉，控制仪器就必需可以根据不同的作物，不同的生长期以及不同的环境改动判别土壤缺水的规范。因此，控制仪器在设计时就必需具有允许操作者经过键盘设定判别土壤缺水规范的功能，对不同作物农业专家就可以凭阅历设定不同的判别值来

56、实现作物按需灌溉，这样，不仅能充分利用农业专家的阅历，还可以使自动化节水灌溉控制仪器适用于许多不同作物，提高了仪器的通用性。 二、灌溉控制 1控制方式 目前我国设备农业中装配的灌溉系统设备差别很大，这主要使由于各地方的条件和资金差别呵斥的。有的运用电机输水，有的经过水泵加压，有的是电磁阀控制等等。要使控制系统具有通用性，就要使其给出的控制信号可以控制这些不同的输水设备，这就要找出它们的共同点。经过察看不难发现，这些输水设备都是经过接通电源任务的，假设给这些输水设备的电源线上加一个开关，由控制系统来控制开关的闭合，那么控制系统就可以控制这些设备任务了，也即控制系统实现了灌溉的控制。这样，控制系统

57、给出的控制信号也就具有了通用性。 2 灌溉方式 不同的土壤渗水才干是不一样的，比如砂土渗水才干很强，水分能很快的渗入土壤深层，而粘土渗水才干就较弱，需求经过一段时间水才干渗入土壤深层。对于渗水才干强的土壤，灌溉效果可以很快的显现出来，控制仪器可以经过土壤水吸力传感器很快的检测到土壤缺水形状己得到缓解，可以停顿浇水。而对于渗水才干弱的土壤，就会出现这种情况:实践浇水量曾经足够，只是由于土壤渗水才干弱，水分不能及时渗入土壤深层，土壤水吸力传感器测出土壤依然缺水，控制仪控制灌溉设备继续浇水，等到土壤水吸力传感器测出土壤已不缺水并停顿浇水后，这时的浇水量已远超越作物的需求量。这不仅没有实现节水反而浪费

58、了水，同时对需水量敏感的作物生长也不利。因此，为使控制系统能顺应不同土壤的灌溉要求，就需求设计几种不同的灌溉方式，针对不同的土壤选择不同的与之相顺应的灌溉方式，以保证可以到达节水的目的。 三、控制仪整体低本钱设计 低本钱是自动化节水灌溉控制仪设计的一个重要要求，它也是决议节水灌溉控制系统能否推行的一个重要要素。 控制仪的设计普通包括四个部分:检测部分、控制部分、功能设定部分、工况显示部分。检测部分检测土壤水分与温度并对检测结果数据进展处置;控制部分判别作物缺水情况并给出灌溉控制信号;功能设定部分设定判别作物缺水参数值和灌溉方式;工况显示部分显示土壤水分和温度检测结果及当前控制仪任务形状。 普通

59、控制仪的设计都会将这四部分合在一同做成一台仪器，但是这样做会添加单台仪器的体积和本钱，而对于在田间任务的节水灌溉控制仪来说，检测控制和设定显示是可以分开设计的。这是由于节水灌溉控制系统是整天整夜不延续地在田间任务的，如无特殊要求是不要需求操作者守在仪器旁边监视其任务的，特别是晚上，控制仪可以本人自开任务，因此在控制仪任务的大部分时间里工况显示是没有必要的，而土壤缺水判别规范和灌溉方式在一开场设定好后，在一段长间内也不需求改动。这样，检测控制与设定显示设计成一体就没有必要。假设将检测控制和设定显示分开设计成两台仪器，不仅可以减小单台仪器的体积，还可以降低单台仪器的本钱。同时，一台功能为设定显示的

60、仪器可以搭配许多台检测控制的仪器，在购买节水灌溉控制系统时，就可以买许多台的检测控制的仪器，而只买一台或是少量的设定显示的仪器，这样就会大大降低实现节水灌溉自动控制的本钱，有利于节水灌溉自动控制系统的推行。 检测控制与设定显示分开的仪器可以分别叫做测控仪和设显仪，在需求察看当前土壤情况或进展参数设定时，可以经过一个通讯接口将设显仪与测控仪衔接起来，经过设显仪显示测控仪所测当前土壤情况，或设定新的参数。将仪器分开设计后，仪器的体积就可以设计得很小，特别是设显仪的体积很小，随身携带很方便。这样，种植人员可以随身携带一个设显仪去巡查一切作物的种植生长情况，非常方便。 以上是控制仪设计方案的总体构思，