【正文】 行開發(fā)，一旦沒有農(nóng)業(yè)專家就無法進(jìn)行開發(fā)，而農(nóng)業(yè)專家畢竟人數(shù)很少。它將計(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感與檢測技術(shù)以及通訊技術(shù)結(jié)合起來，能夠檢測土壤墑情、環(huán)境特征，并依據(jù)檢測結(jié)果來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。 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，因此可以將其加以簡化，降低其成本，這樣就能設(shè)計(jì)出符合我國國情的，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)。 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，只選擇一些常用的灌溉參數(shù)進(jìn)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(shí)又可以減少傳感器的數(shù)量，降低成本。 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)簡單、低成本、易推廣的控制系統(tǒng)，能夠?qū)崟r(shí)檢測土壤及作物的一些灌溉控制參數(shù)，根據(jù)檢測結(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。按需、精準(zhǔn)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(dá)到作物的需求。水分是天然土壤的一個(gè)重要組成部分，它不僅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。此外，土壤中過多的有害物質(zhì)也靠水的淡化來排除。有的土壤一致性好，只需一個(gè)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。但是，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。即使同一作物，在不同生長階段對水分的需求也不同。 灌溉控制方式 目前我國各個(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，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。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，目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。下面就對常用的幾種測量方法進(jìn)行分析比較，以找到一個(gè)簡單實(shí)用、測量可靠、成本相對較低的土壤水分測量方法。目前微波爐烘烤法，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。受土壤空間變異性影響也比較大。 中子儀法 中子儀法測量結(jié)果非常準(zhǔn)確，是稱重法之外的第二標(biāo)準(zhǔn)方法，測量相對比較簡單、容易，速度也很快。利用中子儀測土壤水分含量，不必采土，不破壞土壤結(jié)構(gòu)，并可定點(diǎn)連續(xù)監(jiān)測，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，無滯后現(xiàn)象。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)。、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。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。任何與土壤水分變化無關(guān)的土壤電導(dǎo)的變化(如施肥)也會(huì)被檢測到，使結(jié)果出現(xiàn)偏差，此法只適合于非鹽堿土。 頻域反射儀法(TDR) 時(shí)域反射儀法，即TDR(TimeDo二inRefleetometry)法是一項(xiàng)高速測量技術(shù)，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(guān)系，自從Topp等人對TDR做出關(guān)鍵性的發(fā)展后，便開始了一個(gè)大量使用TDR測量土壤水分的時(shí)期。用一對平行棒或金屬線作為導(dǎo)體，土壤作為電介質(zhì)，一對棒起波導(dǎo)管的作用，電磁波信號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。導(dǎo)波棒可以單獨(dú)留在土壤中好幾年，需要的時(shí)候再連上TDR測量。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，雖然國內(nèi)目前也有生產(chǎn)，價(jià)格可降至進(jìn)口的一半，但價(jià)格仍然昂貴，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。FDR使用掃頻頻率來檢測共振頻率(此時(shí)振幅最大)，土壤含水量不同，發(fā)生共振的頻率不同。 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，~，細(xì)孔毛瓷杯內(nèi)裝滿無氣水，與土壤緊密接觸，杯內(nèi)自由水通過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)，水和鹽就可以無阻礙地進(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。 與其他的測量方法比起來，用負(fù)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(jié)構(gòu)、價(jià)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(diǎn)。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，集氣管中充滿無氣水。 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。 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(guān)系需要標(biāo)定。 (1)不一致性，這是由于壓阻傳感器具有離散性造成的。 (2)負(fù)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(zhǔn)確性。 (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，在連接處沒有任何保護(hù)裝置，容易折斷。同時(shí)，在充水時(shí)要擰開密封蓋，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)。第三個(gè)四線制導(dǎo)線問題可以改進(jìn)兩線制導(dǎo)線傳輸信號， 市場上兩線制導(dǎo)線的成本要比四線制便宜很多。 變送電路采用24V直流電源供電，24V電源經(jīng)過反相保護(hù)二極管(DI)給運(yùn)放和三極管供電。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(zhuǎn)換，因此變送電路還需要一個(gè)電壓放大電路。A4與三極管Q2的組合將差放的輸出電壓轉(zhuǎn)換為電流。 負(fù)壓式土壤水分傳感器經(jīng)過上述改進(jìn)后，其耐用性與通用性都將得到提高?；谝陨系目紤]，下面就對傳感器的結(jié)構(gòu)改進(jìn)進(jìn)行分析設(shè)計(jì)。 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。 ②充水改進(jìn) 對于傳感器充水過于頻繁的問題，也許很多人會(huì)想只要增加集氣管的長度就可以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)。此外，也要考慮到如何使充水簡單易行的問題。加水時(shí)，無氣水由螺孔加入蓄水盒，再由漏水孔流入傳感器里。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有一定量的水，就可以很長時(shí)間不用往蓄水盒里加水，非常省事。(3)改進(jìn)后的傳感器 。 目前常用的測溫傳感器有熱電偶、熱電阻、熱敏電阻、和半導(dǎo)體集成溫度傳感器等。鉑熱電阻的特點(diǎn)是物理化學(xué)性能穩(wěn)定，尤其是耐氧化能力強(qiáng)、測量精度高、測溫范圍寬，有很好的重現(xiàn)性，但價(jià)格較貴。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。 LM35是電壓輸出，它的外型很小，只有3個(gè)引腳()，Vout是輸出電壓端，VS是電源端。工作電源電壓范圍4一3ov。 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、簡單化、易操作及低成本，實(shí)時(shí)監(jiān)測土壤墑情，按照作物需水特性精確灌溉。至于其他的參數(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，可以不用考慮測量。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。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，不同的生長期以及不同的環(huán)境改變判斷土壤缺水的標(biāo)準(zhǔn)。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(shè)備，這就要找出它們的共同點(diǎn)。對于滲水能力強(qiáng)的土壤，灌溉效果能夠很快的顯現(xiàn)出來，控制儀器能夠通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，可以停止?jié)菜? 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。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。這樣，檢測控制與設(shè)定顯示設(shè)計(jì)成一體就沒有必要。將儀器分開設(shè)計(jì)后，儀器的體積就可以設(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。一般的信號轉(zhuǎn)換都采用A/D轉(zhuǎn)換器，但是A/D轉(zhuǎn)換器比較貴，需要根據(jù)轉(zhuǎn)換精度來選擇且轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)間的關(guān)系計(jì)算比較復(fù)雜。 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。 從上面的公式可以看出，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。由于是測控儀直接控制繼電器開關(guān)的吸合，因此，要選用直流控制的繼電器。這時(shí)，可以再加一個(gè)可通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(shè)備的交流電源，這樣測控儀同樣可以實(shí)現(xiàn)灌溉的控制。因此測控儀設(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。第二種方式，三個(gè)傳感器可以獨(dú)立的控制灌溉。一般花卉和盆景對水分的要求是比較苛刻的，用自動(dòng)化節(jié)水灌溉控制儀來培養(yǎng)花卉或盆景，可以收到不錯(cuò)的經(jīng)濟(jì)效果。測控儀根據(jù)要求設(shè)置了三種灌溉方式以供操作者在面對不同土質(zhì)時(shí)選擇使用。測控儀在檢測土壤水吸力的同時(shí)還要檢測溫度，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。?dāng)澆水時(shí)間達(dá)到延時(shí)時(shí)間t1后，表示澆水足夠，測控儀停止?jié)菜? (3)綜合澆灌方式 在這種澆灌方式下，可以設(shè)定土壤水吸力上限值(Pu)、下限值(Pd)、延時(shí)時(shí)間(tt2)和溫度(T)五個(gè)參數(shù)。同上面兩種灌溉方式一樣，這種灌溉方式也需要檢測溫度， 當(dāng)溫度低于設(shè)定溫度時(shí)立即停止?jié)菜? 一、前面板。方式2:三個(gè)土壤水吸力傳感器獨(dú)立工作)和灌溉方式(上下限、延時(shí)、綜合)也可以通過指示燈指示出來。 后面板上主要是傳感器的檢測信號輸入和電磁閥的控制信號輸出。 土壤水分傳感器和溫度傳感器的檢測結(jié)果信號轉(zhuǎn)換處理采用LM331進(jìn)行V/F轉(zhuǎn)換。 測控儀的灌溉控制部分采用繼電器來控制，繼電器相當(dāng)于一個(gè)開關(guān)，通過這個(gè)開關(guān)控制灌溉，而它的閉合與斷開由測控儀控制。需要存儲的數(shù)據(jù)主要是設(shè)定的控制方式、灌溉方式及其灌溉參數(shù)等。通訊即是與設(shè)顯儀通訊，接受設(shè)定的灌溉參數(shù)并發(fā)送經(jīng)過處理后的土壤水分與溫度數(shù)據(jù)給設(shè)顯儀顯示。43 /