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

1、. 托普物聯(lián)網(wǎng)開創(chuàng)智慧農(nóng)業(yè)新時(shí)代?。?；智能化設(shè)備農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)研討1緒論 1.1研討背景 我國是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國，建國50年來，農(nóng)業(yè)得到了很大開展，獲得了以占世界7%的耕地養(yǎng)活了世界22%的人口的舉世矚目的成就。但也付出了宏大代價(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，制約我國農(nóng)業(yè)開展的主要要素是水資源嚴(yán)重缺乏。我國水資源總量為2、8萬億m3，人均占有量僅2200擴(kuò)，缺乏世界人均程度的1/4，居世界第109位。而且我國水資源地域分布極不平衡，81%的水資源集中分布在長江流域及其以南地域;長江以北地域人口和耕地分別占全國的45.3%和64.1%，而水資

2、源僅占全國的19%，人均占有量為517m3;，相當(dāng)于全國人均量的1/5和世界人均量的1/20，水資源擁有量與消費(fèi)開展極不順應(yīng)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，進(jìn)入20世紀(jì)90年代以來，我國農(nóng)業(yè)干旱受災(zāi)面積達(dá)2300萬hmZ以上，每年因缺水呵斥糧食減產(chǎn)1000億kg左右l3j。許多城市供水缺乏、工農(nóng)業(yè)用水矛盾鋒利。隨著經(jīng)濟(jì)建立、生態(tài)環(huán)境建立步伐的加快，人們生活程度的提高，對水的需求量將更大。 我國農(nóng)業(yè)用水面臨資源短缺的同時(shí)，農(nóng)業(yè)用水浪費(fèi)景象卻非常嚴(yán)重。主要表如今:一是水的利用率低，我國灌溉系統(tǒng)對水資源的利用目前只能到達(dá)0.30.4， 而興隆國家可到達(dá)0.8以上。二是農(nóng)業(yè)水消費(fèi)率低，灌溉農(nóng)業(yè)糧食作物的水消費(fèi)率缺乏Ikg/

3、ma，旱地農(nóng)業(yè)面積占60%左右，降水的消費(fèi)率只需0.3kg/m30.4kg/時(shí)。托普物聯(lián)網(wǎng)針對水資源的利用率不斷在做深化的研討，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)。 處理我國農(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可以緩解我國農(nóng)業(yè)水資源嚴(yán)重短缺景象，但它同時(shí)也存在三個(gè)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?xiàng)l件和資金等限制較大，短期內(nèi)不能處理大面積的農(nóng)田灌溉問題;二是開發(fā)的水資源能處理農(nóng)業(yè)用水短缺問題卻處理不了農(nóng)業(yè)用水浪費(fèi)的問題，根據(jù)目前我國農(nóng)業(yè)水資源利用率來看，破費(fèi)了大量資金和人力去開發(fā)水資源，結(jié)果利用率只

4、需35%左右，呵斥大量人力、資金與水資源的浪費(fèi);三是我國水資源畢竟有限，而農(nóng)業(yè)的開展是長期的，靠開發(fā)水資源來處理農(nóng)業(yè)缺水問題是不現(xiàn)實(shí)的。另一種處理農(nóng)業(yè)用水短缺問題方法是開展節(jié)水灌溉。節(jié)水灌溉是遵照作物不同生長發(fā)育階段的需求規(guī)律而進(jìn)展的適時(shí)灌溉，利用盡能夠少的水獲得盡能夠多的農(nóng)作物產(chǎn)出的一種灌溉方式。普通灌溉水從水源到田間要經(jīng)過幾個(gè)環(huán)節(jié)，每個(gè)環(huán)節(jié)中都存在水量無益損耗。凡是在這些環(huán)節(jié)中可以減少水量損失、提高灌溉水運(yùn)用碩士論文智能化設(shè)備農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)研討效率和經(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

5、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，大力普及和運(yùn)用高效節(jié)水灌溉技術(shù)是從根本上處理我國農(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(shù)包括兩方面內(nèi)容:工程節(jié)水技術(shù):經(jīng)過對原有灌溉工程設(shè)備進(jìn)展改造或運(yùn)用先進(jìn)的灌溉工程設(shè)備以到達(dá)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。灌溉控制技術(shù):經(jīng)過采用自動(dòng)控制技術(shù)，結(jié)協(xié)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)方面來實(shí)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(shù);二是減少灌溉過程中的無效灌溉，即均勻灌

6、水或是只對作物根部附近的土壤進(jìn)展溉，普通草地采用噴灌，作物采用微灌技術(shù)。利用工程節(jié)水技術(shù)普通可提高水資源利用率到5070%，相對傳統(tǒng)的灌溉方式來說曾經(jīng)有很大改善，但是仍存在30%以上的水資源浪費(fèi)，且與優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)仍有一段間隔 。這主要是由于這種灌溉方式依然是靠人工控制，灌溉的多少全憑閱歷，不能實(shí)現(xiàn)按作物的需水特性準(zhǔn)確、高效灌溉。這就使得人的要素成為影響水資源利用率的主要要素，當(dāng)閱歷較豐富、較準(zhǔn)確時(shí)，水的利用率就高，當(dāng)欠缺閱歷時(shí)水的利用率就低。而灌溉控制技術(shù)的開展正可以彌補(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)，檢測土壤墑情，根據(jù)地理環(huán)境和作物生長的需水特性按需、準(zhǔn)確灌溉，可大大提高水資源的利

7、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)的全憑閱歷的灌溉方式，到達(dá)了高效節(jié)水灌溉的目的，對緩解我國農(nóng)業(yè)用水短缺景象具有非常重要意義。 1.2國內(nèi)外研討情況 灌溉自動(dòng)化始于20世紀(jì)30年代，二次世界大戰(zhàn)前.法國研制了一系列用以實(shí)行渠系自動(dòng)化運(yùn)轉(zhuǎn)的水力自動(dòng)閘門，并提出了一套比較完好的自動(dòng)化灌溉控制方法，開了自動(dòng)化灌溉的先河。20世紀(jì)50年代以來，隨著電子學(xué)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的運(yùn)用和開展，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)也得到了同步開展，并在法國、美國、日本等興隆國家乃至一些開展中國家得到了日益廣泛的運(yùn)用和開展，控制方式也由早期的當(dāng)?shù)乜刂崎_展到可以實(shí)現(xiàn)遙測、遙控的集中控制方式

8、。 1.3本課題的研討任務(wù) 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(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)施的中心問題?；诖耍菊n題的主要內(nèi)容是研制開發(fā)適宜我國國情的、低本錢、易推行的、主要運(yùn)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)我國農(nóng)業(yè)高效節(jié)水灌溉提供技術(shù)配備。 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)備農(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、按需灌溉的方向開展。所以，本課題的研討主要包括兩個(gè)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議灌溉時(shí)間與灌溉量的多少。這將擺脫以往

9、僅憑閱歷灌溉的灌溉方式，使作物灌溉決策建立在科學(xué)的根底之上;二是控，要研討如何根據(jù)土壤條件、土壤水分信息及作物需水特性進(jìn)展合理的灌溉決策，即將傳統(tǒng)的憑閱歷由人工手動(dòng)閥門控制灌溉方式改為自動(dòng)進(jìn)展適時(shí)適量、按需準(zhǔn)確灌溉控制，從而到達(dá)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方案研討與論證 2.1研討方案選擇 國外一些先進(jìn)國家，如美國、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。這些國家從最早的水力控制、機(jī)械控制，到后來的機(jī)械電子混合協(xié)調(diào)式控制，到當(dāng)前運(yùn)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越

10、高，可靠性也越來越好211。要想在根據(jù)我國國情與節(jié)水灌溉現(xiàn)狀的根底上，吸收國外研討成果，研制出一種根據(jù)對農(nóng)作物生長土壤水分含量的不延續(xù)的實(shí)時(shí)檢測的結(jié)果，根據(jù)作物需水特性，實(shí)現(xiàn)適時(shí)，按需準(zhǔn)確灌溉的自動(dòng)控制設(shè)備，就需求對各種技術(shù)進(jìn)展研討分析。目前，在國際上技術(shù)比較成熟、運(yùn)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)測控技術(shù)。下面就對這兩種方法進(jìn)展比較研討，尋覓一個(gè)適宜我國國情的，運(yùn)用于設(shè)備農(nóng)業(yè)、著眼于未來農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化開展的自動(dòng)化節(jié)水灌溉研討方案。 2.2專家系統(tǒng) 專家系統(tǒng)是一個(gè)模擬人腦思想方式，以知識為根底的計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)。其特點(diǎn)在于把人(專家)在處理消費(fèi)實(shí)踐問題過程中所運(yùn)用的啟發(fā)性知識、判別性知

11、識分成現(xiàn)實(shí)和規(guī)那么，以一定的知識表示方式存入計(jì)算機(jī)，建立知識庫，并采用適宜的產(chǎn)生式系統(tǒng)(ProductionSystem)，按輸入的原始數(shù)據(jù)，選擇適宜的規(guī)那么，進(jìn)展推理、演繹，作出專家級的智能判別與決策。而且它的最大特點(diǎn)，可代表一個(gè)專門消費(fèi)領(lǐng)域的專家群體，對該消費(fèi)領(lǐng)域內(nèi)的實(shí)踐問題提供專家們的咨詢、決策意見圈。將專家系統(tǒng)運(yùn)用于農(nóng)業(yè)就構(gòu)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)專家的知識和閱歷為系統(tǒng)的中心，運(yùn)用計(jì)算機(jī)技術(shù)，抑制時(shí)空限制，在較短的時(shí)間內(nèi)得以廣泛地運(yùn)用，使專家的知識和閱歷變?yōu)橄M(fèi)力工周?？梢哉f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，它并能模擬人類推理過程，在計(jì)算機(jī)上以籠統(tǒng)、直觀的方

12、式向用戶提供各種農(nóng)業(yè)問題決策咨詢效力的適用軟件，與人類專家相比，擁有綜合性的知識和高速處置知識的身手，且不受時(shí)間、空間的限制和人類情感的影響。 專家系統(tǒng)運(yùn)用于節(jié)水灌溉也是以豐富的種植閱歷為根底的，例如，在已有閱歷上，將知的作物生長各階段的需水量，生長形狀、各階段能夠遇到的氣候與自然條件等決議灌溉的詳細(xì)信息輸入計(jì)算機(jī)，按照一定的法那么劃分成各項(xiàng)細(xì)那么存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)中。當(dāng)進(jìn)展控制時(shí)，就將己獲得的作物生長形狀、氣候條件等輸入計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)經(jīng)過計(jì)算推理，把它劃分歸屬于某一細(xì)那么，再按這一細(xì)那么的要求，如灌溉量和灌溉時(shí)間，進(jìn)展灌溉。如從荷蘭引進(jìn)的大棚花卉種植專家系統(tǒng)，由于多年的種植閱歷，對某種花卉的生長過

13、程非常熟習(xí)，將其生長過程細(xì)節(jié)輸入計(jì)算機(jī)，由計(jì)算機(jī)經(jīng)過推理計(jì)算來決議其灌溉與施肥。 由此可見，專家系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)作物種植灌溉的完全智能化，可以替代為數(shù)極少的專家群體，走向地頭，進(jìn)入農(nóng)家，在各地詳細(xì)地指點(diǎn)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)將是我國未來節(jié)水農(nóng)業(yè)開展熱點(diǎn)之一。 但是，在目前情況下專家系統(tǒng)還不能在我國進(jìn)展推行，它除了具有上述的優(yōu)外，還存在著下述缺陷: (1)專家系統(tǒng)模型大，開發(fā)周期長，在我國目前科技程度較低情況下投入大量人力、物力及資金去開發(fā)不太能夠。 (2)目前國內(nèi)大部分專家系統(tǒng)依托進(jìn)口，這些引進(jìn)的專家系統(tǒng)本錢高且不適宜我國國情，不能充分發(fā)揚(yáng)其優(yōu)點(diǎn)。 (3

14、)專家系統(tǒng)開發(fā)完全依賴種植專家的閱歷去控制造物的施肥與灌溉，它并不對土壤墑情及作物情況進(jìn)展實(shí)時(shí)檢測。它雖然能替代農(nóng)業(yè)專家，卻并不能擺脫完全憑閱歷灌溉的種植方式。 (4)專家系統(tǒng)的操作需求具有一定程度的專業(yè)人員才干完成，而我國農(nóng)業(yè)科技程度普遍較低，缺乏農(nóng)業(yè)科技人員，這也限制了專家系統(tǒng)的推行。 (5)開發(fā)受限制，單一性強(qiáng)，投入過高。普通一個(gè)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(guān)這種作物豐富、系統(tǒng)的種植閱歷的根底上才干進(jìn)展開發(fā)，一旦沒有農(nóng)業(yè)專家就無法進(jìn)展開發(fā)，而農(nóng)業(yè)專家畢竟人數(shù)很少。同時(shí)，當(dāng)需求對多種作物進(jìn)展監(jiān)測實(shí)施節(jié)水灌溉時(shí)，就需求多個(gè)專家系統(tǒng)，這就需求投入很大的資金，也限制了專家系

15、統(tǒng)的推行。 從上面的分析可以看出，專家系統(tǒng)雖然具有很多優(yōu)點(diǎn)，具有很大的開展?jié)摿?，但它不能滿足本錢低、操作簡單、易推行、能按作物需水量適時(shí)、精準(zhǔn)灌溉的研討目的，因此本課題的研討不能朝專家系統(tǒng)的方向走。 2.1.2微機(jī)測控技術(shù) 另一種節(jié)水灌溉自動(dòng)控制技術(shù)是微機(jī)測控技術(shù)。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，可以檢測土壤墑情、環(huán)境特征，并根據(jù)檢測結(jié)果來決議灌溉量與灌溉時(shí)間，擺脫了傳統(tǒng)的全憑閱歷灌溉的灌溉方式。 目前在國外，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)普通都很大，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(diǎn)，如土壤水分、溫度、濕度、光照

16、、作物蒸騰量等，檢測結(jié)果送至微機(jī)，微機(jī)對結(jié)果進(jìn)展處置，然后經(jīng)過通訊技術(shù)，將處置結(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，操作者就可以在家里或?qū)嶒?yàn)室里察看到作物生長情況和土壤墑情，根據(jù)閱歷數(shù)據(jù)判別作物能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)就可以根據(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)本錢高，但它的設(shè)計(jì)思想?yún)s很符合本課題的研討要求，因此可以將其加以簡化，降低其本錢，這樣就能設(shè)計(jì)出符合我國國情的，易推行的，能按作物需水特征實(shí)現(xiàn)按需、準(zhǔn)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。由于在我國農(nóng)業(yè)設(shè)備普遍簡陋的情況下，推行上述計(jì)算機(jī)控制的灌

17、溉系統(tǒng)還不現(xiàn)實(shí)，只需采用單片機(jī)在田間進(jìn)展檢測與控制就可以了。這樣可以大大減少本錢，而且還可以預(yù)留一個(gè)通訊接口，在需求或是有條件時(shí)也可以實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的通訊，非常的方便。 其次，運(yùn)用傳感器丈量土壤及作物參數(shù)并盡量減少丈量參數(shù)的數(shù)量，只選擇一些常用的灌溉參數(shù)進(jìn)展丈量，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，降低本錢。 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規(guī)范加以衡量。其一能否節(jié)水，其二能否減輕農(nóng)民負(fù)擔(dān)，其三能否增效(短期內(nèi)收回投資，且提高效益)，其四能否推行得開27J。根據(jù)這四個(gè)規(guī)范可以來判別上述擬采用的研討方案是可行的。 2.3設(shè)計(jì)方案 節(jié)水灌溉自動(dòng)控制系

18、統(tǒng)的研討方案是將傳感技術(shù)與單片機(jī)控制相結(jié)合，設(shè)計(jì)一個(gè)簡單、低本錢、易推行的控制系統(tǒng)，可以實(shí)時(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。整個(gè)控制系統(tǒng)主要應(yīng)該有四個(gè)模塊:檢測模塊、數(shù)據(jù)處置模塊、數(shù)字模塊及控制模塊。 為實(shí)現(xiàn)研討目的，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)需求思索下面幾個(gè)問題。 1、丈量參數(shù) 不同的作物對水分的需求量是不一樣的。按需、精準(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到達(dá)作物的需求。這樣做的目的不僅僅是節(jié)水，還能促使作物更好的生長，到達(dá)優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)。由于對作物來說，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(huì)抑制生長

19、，適量的水分對作物的生長才是最有益的。 要實(shí)現(xiàn)按需、精準(zhǔn)灌溉，土壤水分是必需丈量的最主要的參數(shù)。水分是天然土壤的一個(gè)重要組成部分，它不僅影響土壤的物理性質(zhì)，制約著土壤中營養(yǎng)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)重要要素，而且它本身更是一切植物賴以生存的根本條件。準(zhǔn)確及時(shí)測定土壤水分含量有利于研討和了解土壤水分動(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)期對土壤水含量的不同要求，同一作物在不同時(shí)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，這在實(shí)際和消費(fèi)上都有著重要的意義，例如，進(jìn)展耕耘、灌溉、施肥等各種農(nóng)業(yè)措施時(shí)，通常都需求思索土壤水分情況，特別是在進(jìn)展灌溉、

20、排水規(guī)劃設(shè)計(jì)時(shí)，更需求掌握土壤水分的情況及其動(dòng)態(tài)?？梢詼?zhǔn)確及時(shí)地測定出土壤水分含量，對適時(shí)適量地進(jìn)展灌溉和排水有著重要的作用28。此外，土壤中過多的有害物質(zhì)也靠水的淡化來排除。由以上的分析可以看出，對作物生長來說土壤水分是一切參數(shù)中最重要的，是必需丈量的。 除了土壤水分外，土壤溫度也是決議能否灌溉的一個(gè)重要參數(shù)，由于溫度過低，灌溉會(huì)凍傷作物的根系，因此，必需求監(jiān)測土壤溫度，在土壤溫度過低時(shí)就停頓澆水。 2、傳感器數(shù)量 針對土壤情況不同，需求的傳感器數(shù)量是不一樣的。有的土壤一致性好，只需一個(gè)傳感器丈量土壤墑情就可，但有的土壤一致性差，就需求多支傳感器來丈量土壤墑情。同時(shí)，土壤的面積有大有小，也決

21、議了需求不同數(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加強(qiáng)控制系統(tǒng)功能，可以同時(shí)控制不同作物的灌溉。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)添加控制系統(tǒng)的本錢。在控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)要綜合思索所需配備的傳感器數(shù)量。 3、作物缺水判別 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(huì)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。我國的作物有幾千種，不同的作物有不同的缺水情況:我國面積寬廣，氣候條件變化無常。怎樣才干使控制系統(tǒng)順應(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)最主要要處理的問題。假設(shè)處理不

22、好，控制系統(tǒng)也就失去了其推行的意義。 4、灌溉控制方式 目前我國各個(gè)設(shè)備農(nóng)業(yè)中灌溉系統(tǒng)的水情況不一樣，有的采用電機(jī)控制水流、有的采用水泵加壓后才干進(jìn)展灌溉，有的采用電磁閥替代手動(dòng)閥門控制水流灌溉。因此，控制系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)要思索到控制信號的通用性，既能控制電機(jī)、水泵，又能控制電磁閥。 我國面積寬廣，土壤種類很多，不同的土質(zhì)滲水才干不一樣，比如砂土，滲水才干很強(qiáng)，水分可以很快地滲入作物根部，水分傳感器能及時(shí)的測出灌溉后的土壤含水量;而粘土滲水才干較弱，灌溉后水分堆積在地表層，要經(jīng)過一段時(shí)間才干滲到土壤根部，水分傳感器就不能及時(shí)正確測出土壤含水量，就會(huì)導(dǎo)致澆水過多，浪費(fèi)水資源。因此，要提高控制系統(tǒng)的通

23、用性，在設(shè)計(jì)時(shí)就要思索如何使控制系統(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土壤水分的丈量 3.1.1丈量方法的選擇 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應(yīng)源。土壤水分還參與土壤中許多重要的物理、化學(xué)和生物過程，同時(shí)它又是多種營養(yǎng)元素的溶劑，對作物生長起著非常重要的作用。土壤水分的丈量是實(shí)施節(jié)水灌溉、按需灌溉的根底。隨著科技的不斷開展，土壤水分丈量的方法不斷開展變化，目前丈量水分的方法大致可分為兩類，即直接丈量法和間接丈量法。直接法經(jīng)過枯燥或化學(xué)反響后直接測出絕對含水量，間接法那么經(jīng)過丈量與水分變化相關(guān)的物理量 間接地丈量水分含量。現(xiàn)代適用的土壤水分丈量方法有

24、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。土壤水分的丈量方法雖然很多，但必需求選擇一個(gè)簡單適用、丈量準(zhǔn)確、本錢低的丈量方法，才干使節(jié)水灌溉自動(dòng)控制設(shè)備具有實(shí)現(xiàn)性與易推行性。下面就對常用的幾種丈量方法進(jìn)展分析比較，以找到一個(gè)簡單適用、丈量可靠、本錢相對較低的土壤水分丈量方法。 1、采土烘干法 采土烘干法是目前國際上丈量土壤水分的規(guī)范方法。烘干法丈量的是土壤分量含水量，即取土樣放入烘箱，烘至恒重，此時(shí)土壤水分中自在態(tài)水以蒸氣方式全部散失掉，再稱分量，從而獲得土壤水分含量。分量法通常還有所謂的快速測定法，其程序與常規(guī)法一樣，本質(zhì)仍是采用一些手段使土樣烘至恒重的時(shí)間盡能夠縮短，如酒

25、精熄滅法、紅外法、爐烤法等，這些方法普通要求樣品不能太重(59左右)，因此樣品的代表性和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性較差，為了減小誤差，常要求平行測定23次，取其算術(shù)平均值，這樣實(shí)踐上又增大了測定任務(wù)量，延伸了測定時(shí)間。目前微波爐烘烤法，既節(jié)約時(shí)間，又滿足誤差實(shí)踐要求，是烤干法較好的選擇。 烘干法是當(dāng)前測定土壤含水量最常用的一種方法，它簡單易行，對設(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，是土壤水分測定的根本方法，也是檢驗(yàn)其它方法與其對比的根底，但是運(yùn)用此類方法在進(jìn)展延續(xù)土壤水分的測定時(shí)，必需不斷地變動(dòng)取土點(diǎn)，由于土壤本身的變異性，使測定結(jié)果往往發(fā)生很大差別。而且烘干法費(fèi)時(shí)、費(fèi)力，綜合費(fèi)用并不低

26、;取樣會(huì)破壞土壤，深層取樣困難，定點(diǎn)丈量時(shí)不可防止由取樣換位而帶來誤差，在很多情況下不能夠長期定點(diǎn)監(jiān)測;受土壤空間變異性影響也比較大;假設(shè)丈量目的是用于灌溉，還必需知道土壤各層次的容重。對于自動(dòng)節(jié)水灌溉控制來說，烘干法最主要的缺陷就是丈量時(shí)間較長且必需人工在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)展，不能實(shí)現(xiàn)對土壤的墑情進(jìn)展延續(xù)、長期的在線丈量，難以滿足自動(dòng)節(jié)水灌溉控制的丈量要求。因此，采土烘干法是不適宜選擇在自動(dòng)控制節(jié)水灌溉中丈量土壤水分的。 2、中子儀法 中子儀法丈量結(jié)果非常準(zhǔn)確，是稱重法之外的第二規(guī)范方法，丈量相對比較簡單、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(gòu)成，當(dāng)探頭放入測管時(shí)，中子源不斷

27、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(guān)系來確定土壤中的水分含量。利用中子儀測土壤水分含量，不用采土，不破壞土壤構(gòu)造，并可定點(diǎn)延續(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，無滯后景象。但中子儀測定時(shí)，室內(nèi)外曲線差別較大，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)呵斥曲線較大的挪動(dòng)，研討闡明中子儀垂直分辨率較差，且表層丈量困難，同時(shí)中子儀價(jià)錢昂貴，特別是輻射危害安康，

28、操作者必需經(jīng)過培訓(xùn)并持有答應(yīng)證，而且中子儀對于長期大面積動(dòng)態(tài)監(jiān)測土壤水分仍幾乎不能夠，因此不能廣泛運(yùn)用，不適宜在自動(dòng)灌溉控制的土壤水分丈量上運(yùn)用。 3、電阻法 土壤通常是導(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)原理丈量土壤水分的。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)電阻塊中的水勢與土壤水勢平衡后，丈量電阻塊的電阻，然后求出土壤水勢。電阻塊主要是石膏塊，所以此法常稱之為石膏塊法(GyPsulnBloek)。 目前，電阻法普通都是經(jīng)過電阻式土壤水分傳感器丈量土壤水分的。傳感器的

29、構(gòu)造如圖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土壤直接接觸，而是經(jīng)過多孔性資料石膏為中介與土壤水分聯(lián)絡(luò)的。 這樣做，是為了防止土壤鹽分及丈量電極與土壤接觸情況對丈量的影響。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 丈量時(shí)，將傳感器埋入被測土壤中(軸線與程度面平行)。土壤水分運(yùn)動(dòng)使傳感器石膏體的含水量與土壤水構(gòu)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)絡(luò)的。 電阻法本錢較低，可以作

30、許多反復(fù)，可不破壞土壤留在田間延續(xù)自動(dòng)監(jiān)測，適宜于灌溉。但是電阻法有滯后作用，枯燥后電阻塊能夠與土壤接觸不好，靈敏度也非常低。任何與土壤水分變化無關(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)偏向，此法只適宜于非鹽堿土。當(dāng)運(yùn)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，需求標(biāo)定，而且標(biāo)定結(jié)果會(huì)隨著時(shí)間發(fā)生變化。所以，電阻法不適宜用于長期的土壤監(jiān)測，也不能用在控制系統(tǒng)的水分丈量中。 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)高速丈量技

31、術(shù)，最早由HIFellner一Feldegg于1969年開發(fā)，用來丈量液體介電常數(shù)與頻率的關(guān)系，自從Topp等人對TDR做出關(guān)鍵性的開展后，便開場了一個(gè)大量運(yùn)用TDR丈量土壤水分的時(shí)期。由于TDR丈量快速，普通不需標(biāo)定，可以作定位延續(xù)丈量，既可以做成輕巧的便攜式作野外丈量，又可與計(jì)算機(jī)相連，自動(dòng)完成單個(gè)或成批監(jiān)測點(diǎn)的丈量，因此20世紀(jì)90年代后國際上已把TDR作為研討土壤水分的根本儀器設(shè)備。 TDR的根本原理是，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)(50M10GHz)，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(

32、極微弱地依賴于土壤類型、緊實(shí)度、束縛水等)，這樣可以建立土壤容積含水量與土壤介電常數(shù)的閱歷方程。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接納器，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為目前丈量土壤含水量的主流方法。TDR可對土壤樣品快速、延續(xù)、準(zhǔn)確地丈量，平均分辨率0.02O，OO5cma/cma。普通不需標(biāo)定，丈量范圍廣(含水量O一100%)，操作簡便，野外和室內(nèi)都可運(yùn)用，可做成手持式的進(jìn)展田間即時(shí)丈量，也可經(jīng)過導(dǎo)線遠(yuǎn)間隔 多點(diǎn)自動(dòng)監(jiān)測。

33、導(dǎo)波棒可以單獨(dú)留在土壤中好幾年，需求的時(shí)候再連上TDR丈量;導(dǎo)波棒可做成不同外形以順應(yīng)不同情況，長度普通10200cm。TDR可以丈量表層土壤含水量。 TDR丈量結(jié)果受土壤鹽度影響很小，但當(dāng)含鹽量添加后，脈沖信號從導(dǎo)波棒末端的反射會(huì)減弱，在丈量高有機(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)，需求標(biāo)定。TDR最大的缺陷是電路復(fù)雜，導(dǎo)致設(shè)備昂貴，儀器主要依賴進(jìn)口，雖然國內(nèi)目前也有消費(fèi)，價(jià)錢可降至進(jìn)口的一半，但價(jià)錢依然昂貴，在控制系統(tǒng)要求本錢低的條件下也不適宜用TDR法丈量土壤水分。 與TDR方法類似的還有頻域反射法，即FDR(FrequeneyDo陽inRefleet。m

34、etry)，丈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(平行陳列的金屬棒或圓形金屬環(huán))組成一個(gè)電容，其間的土壤充任電介質(zhì)，電容與振蕩器組成一個(gè)調(diào)諧電路，振蕩器任務(wù)頻率隨土壤電容的添加而降低，廁士算后容隨土壤含水量的添加而添加，于是振蕩器頻率與土壤含水量呈非線性反比關(guān)系。FDR運(yùn)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。假設(shè)運(yùn)用固定頻率，經(jīng)過丈量其規(guī)范波的頻率變化來丈量土壤含水量，這類方法嚴(yán)厲地說不是FDR，普通稱為電容法。 FDR法具有比TDR法更多的優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)也具有TDR的缺陷，就是設(shè)備價(jià)錢昂貴，在追求低本錢的自動(dòng)控制節(jié)水灌溉設(shè)備中是

35、不適宜運(yùn)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丈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(guān)鍵部件是細(xì)孔毛瓷杯，即陶土頭，其上的毛細(xì)孔徑約1.01.5pm，細(xì)孔毛瓷杯內(nèi)裝滿無氣水，與土壤嚴(yán)密接觸，杯內(nèi)自在水經(jīng)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)，水和鹽就可以無妨礙地進(jìn)出瓷杯，與土壤到達(dá)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)過丈量土壤水吸力可以知道土壤含水量。負(fù)壓式傳感器法在土壤比較潮濕的情況下丈量土壤水吸力很準(zhǔn)確，受土壤空間變

36、異性的影響比較小，是一種低本錢的直接丈量方法，可以延續(xù)丈量土壤含水量。 與其他的丈量方法比起來，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、不破壞土壤構(gòu)造、價(jià)錢低廉、無放射性物質(zhì)、平安可靠、便于長期觀測和積累田間水勢資料等優(yōu)點(diǎn)。特別是可以利用壓阻傳感器將土壤水吸力轉(zhuǎn)換為電信號輸出，便于進(jìn)展數(shù)字化處置和與計(jì)算機(jī)接口，有利于實(shí)現(xiàn)用計(jì)算機(jī)對土壤水分的自動(dòng)監(jiān)測。因此，在自動(dòng)灌溉控制系統(tǒng)中運(yùn)用負(fù)壓式傳感器法丈量土壤水分是最恰當(dāng)?shù)倪x擇。 3.1.2傳感器的改良 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

37、阻式傳感器聯(lián)接，下端與陶土頭相連，集氣管中充溢無氣水。傳感器構(gòu)造如圖3.2所示。圖3.2土壤水吸力傳感器構(gòu)造表示圖 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，陶土頭被水浸潤后，在孔隙中構(gòu)成一層水膜。當(dāng)傳感器充溢無氣水而且密封后，將陶土頭部分插入水分不飽和土壤時(shí)(留意，陶土頭要與土壤嚴(yán)密接觸，否那么丈量不準(zhǔn)確)，水膜便與土壤水連結(jié)起來，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，二者呈線性關(guān)系，根據(jù)測得的電壓即可轉(zhuǎn)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(guān)鍵部件，所測數(shù)據(jù)的精度主要取決于它的性能。本課題

38、中選用的壓阻式傳感器的丈量范圍為OIOOKPa，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，對于壓阻式傳感器的吸力值與輸出電壓值之間的關(guān)系需求標(biāo)定。負(fù)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，但是由于多年的運(yùn)用閱歷積累曾經(jīng)得出部分常見作物需灌溉時(shí)的土壤負(fù)壓范圍，所以不需求再將土壤水吸力轉(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傳感器的改良 一、傳感器存在的問題 負(fù)壓式土壤水分傳感器雖然可以實(shí)時(shí)監(jiān)測土壤

39、水分，但實(shí)踐運(yùn)用過程還存在幾個(gè)缺陷，必需求進(jìn)展改良。 (1)不一致性，這是由于壓阻傳感器具有離散性呵斥的。在O一10OKPa丈量范圍內(nèi)，各負(fù)壓式土壤水分傳感器的輸出電壓不盡一樣。這就要求每運(yùn)用一個(gè)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置電路。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)整信號處置電路，這就限制了自動(dòng)灌溉控制系統(tǒng)的適用性，不利于推行。 (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，影響了丈量的準(zhǔn)確性。 (3)負(fù)壓式土壤水分傳感器采用四線制傳輸信號，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(dǎo)線較貴，而自動(dòng)控制系統(tǒng)在田間任

40、務(wù)普通會(huì)離丈量點(diǎn)較遠(yuǎn)，需求很長四線制導(dǎo)線，測試點(diǎn)越多越遠(yuǎn)，需求的四線制導(dǎo)線就越多越長，這無形中添加了自動(dòng)控制節(jié)水灌溉設(shè)備的本錢。而且電壓傳輸信號易受干擾，長線傳輸時(shí)有壓降，會(huì)產(chǎn)生丈量誤差。 (4)負(fù)壓式土壤水分傳感器的陶土頭與塑料管的銜接是采用強(qiáng)力膠粘合，在銜接處沒有任何維護(hù)安裝，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氣水，每隔一段時(shí)間就要網(wǎng)傳感器里充無氣水，在高溫天氣充水會(huì)更加頻繁。假設(shè)種一季莊稼就要充幾十次水就會(huì)顯得很費(fèi)事。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)。陶土頭一旦與周圍土壤略微松

41、動(dòng)就會(huì)影響丈量結(jié)果，有能夠使控制系統(tǒng)灌溉控制不準(zhǔn)確。 二、傳感器的改良 (1)電路的改良 針對負(fù)壓式土壤水分傳感器的第一個(gè)問題，可以采用輸出信號就地處置轉(zhuǎn)換的方法進(jìn)展改良，即將傳感器輸出信號的處置電路放在負(fù)壓式土壤水分傳感器上，這樣只需在運(yùn)用傳感器時(shí)只需調(diào)整傳感器上的信號處置電路，使其輸出信號與壓力值關(guān)系一定，而不需求再去調(diào)理自動(dòng)控制系統(tǒng)的電路，添加了控制系統(tǒng)的可推行性。處理傳感器第二個(gè)問題可以采用將電壓轉(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)線問題可以改良兩線制導(dǎo)線傳輸信號， 市場上兩線制導(dǎo)線的本錢要比四線制廉價(jià)很多。綜合上面三個(gè)問題的改良方法就可以的到一個(gè)改良負(fù)

42、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)換為規(guī)范的兩線制420毗電流信號傳送。這將簡化控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)并加強(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)過反相維護(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輸出。 壓阻傳感器需求1.smA的恒流源供電，因此，在變送電路中需求一個(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.

43、1) 經(jīng)過穩(wěn)壓管Ql與RSI給A1的同相端提供一個(gè)恒定的電壓UAI*，那么輸出電流由鄧3決議，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(zhuǎn)換，因此變送電路還需求一個(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)算放大器對輸出電壓信號進(jìn)展放大。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決議 AI、為參考電壓，它可以抬高輸出電平，RS4可以用來調(diào)理增益。A4與三極管Q2的組合將差放的輸出電壓轉(zhuǎn)換為電

44、流。R9為采樣電阻，將輸出反響到輸入端，以此調(diào)理輸出電流。A4的反向端接到RSZ的滑動(dòng)端，調(diào)理RSZ就可以調(diào)理零壓力時(shí)輸出電流為4mA，調(diào)理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)的益處在于: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，因此對A4共模抑制比的要求可以降低。 負(fù)壓式土壤水分傳感器經(jīng)過上述改良后，其耐用性與通用性都將得到提高。 2)構(gòu)造的改良 針對負(fù)壓式土壤水分傳感器的第四和第五個(gè)缺陷: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)，就要對負(fù)壓式土壤水分傳感器進(jìn)展構(gòu)造

45、上的改良，使其能在構(gòu)造上維護(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嚴(yán)密程度;延伸充水周期，最好能在種完一季莊稼的過程中不用充水?；谝陨系乃妓?，下面就對傳感器的構(gòu)造改良進(jìn)展分析設(shè)計(jì)。 陶土頭維護(hù)構(gòu)造 負(fù)壓式土壤水分傳感器的陶土頭較脆弱，易損壞，其與塑料管的銜接處易折斷，這是由陶土頭本身的資料性質(zhì)所決議的，不能改動(dòng)陶土頭的資料，所以只能在陶土頭的外邊加一個(gè)維護(hù)構(gòu)造，使其能防止被碰撞。在設(shè)計(jì)陶土頭維護(hù)構(gòu)造時(shí)要思索到陶土頭是經(jīng)過與土壤接觸來丈量土壤水吸力的，因此陶土頭維護(hù)構(gòu)造不能妨礙其與土壤之間的嚴(yán)密接觸。陶土頭的維護(hù)構(gòu)造如圖3.4所示。圖3.4陶土頭維護(hù)安裝 如圖，整個(gè)安裝由不銹鋼的

46、細(xì)鋼條做成，三根細(xì)鋼條圍成陶土頭的外形，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銜接處之上。安裝時(shí)，維護(hù)安裝從下往上套住陶土頭，并用三個(gè)螺釘夾住塑料管以固定維護(hù)安裝。 陶土頭裝上這個(gè)維護(hù)安裝后，它與銜接處就處于不銹鋼條的維護(hù)之下，假設(shè)是與其他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。此外，由于維護(hù)構(gòu)造采用的是細(xì)細(xì)的不銹鋼條做成，陶土頭裝上維護(hù)構(gòu)造后，它的絕大部分還是露在外邊，依然可以與土壤嚴(yán)密接觸，維護(hù)構(gòu)造并不影響土壤水吸力的丈量。 充水改良 對于傳感器充水過于頻繁的問題，也許很多人會(huì)想只需添加集氣管的長度就可

47、以增大傳感器的蓄水量，自然也就延伸了充水周期，減少了充水次數(shù)。但是，對于負(fù)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丈量的壓力值和輸出都有關(guān)系的，是不能恣意加長的。因此不能用增長集氣管的方法來處理充水頻繁的問題。既然不能靠增長集氣管來添加傳感器的蓄水量，那么可以在集氣管之外安裝一個(gè)蓄水安裝，儲(chǔ)蓄種一季莊稼所需的水量，就可以解決充水頻繁的問題。此外，也要思索到如何使充水簡單易行的問題。設(shè)計(jì)的傳感器加水安裝如圖3.5所示。圖3.5加水安裝 如下圖，加水安裝由兩部分組成，蓄水盒與密封螺栓。蓄水盒上的傳感器套筒替代了密封蓋，套在傳感器的頭部，并用膠密封以保證感器不漏氣。蓄水盒

48、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)，無氣水由螺孔參與蓄水盒，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(yīng)，密封螺栓頭部的橡皮塞圍圓錐狀，與漏水孔對應(yīng)。當(dāng)傳感器加滿水并且蓄水盒存儲(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)傳感器需求加水時(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，就可以很長時(shí)間不用往蓄水盒里加水，非常省事。這樣就可以處理加水頻繁的問題。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(dòng)。 整

49、個(gè)加水安裝與密封螺栓都用有機(jī)玻璃制成，這樣就可以察看到蓄水盒中水量的變化，及時(shí)補(bǔ)充水分。(3)改良后的傳感器圖3.6改良后的土壤水吸力傳感器 改良后的傳感器構(gòu)造如圖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良的420mA電流變送電路，只留出兩根導(dǎo)線提供電壓及保送輸出電流。 土壤水吸力傳感器在經(jīng)過這些改良之后，其耐用性與適用性都將得到很大的提高。 3.2土壤溫度丈量 3.2.1傳感器的選擇 丈量溫度的傳感器有很多，而控制系統(tǒng)中對于土壤溫度的丈量要求又不是很高，測溫范圍普通在0一100，測溫精度要求也不高，許多傳感器都可以用來丈量土壤溫度，因此要綜

50、合系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求選擇一個(gè)價(jià)錢低、性能好、電路簡單、具有一定精度的溫度傳感器。 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。 熱電偶是根據(jù)熱電勢效應(yīng)原理測溫的，它是目前運(yùn)用最廣泛的熱電式傳感器，具有構(gòu)造簡單、制造方便、測溫范圍寬、熱慣性小、準(zhǔn)確度高等特點(diǎn)，但是它需求進(jìn)展溫度補(bǔ)償，比較費(fèi)事。 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。常用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，尤其是耐氧化才干強(qiáng)、丈量精度高、測溫范圍寬，有很好的重現(xiàn)性，但價(jià)錢較貴。而銅熱電阻雖然價(jià)錢廉價(jià)，但測溫范圍小，測溫精度不高，電路設(shè)計(jì)也比較復(fù)雜。 熱敏

51、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溫的，它的體積小、靈敏度高、穩(wěn)定性好，但是它的互換性差，而且價(jià)錢昂貴。 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、反復(fù)性好，互換性好，低本錢，易于電路設(shè)計(jì)或控制電路接口。 從以上分析可以看出，半導(dǎo)體溫度傳感器由于具有小型化、線性好，低本錢，易于電路設(shè)計(jì)或控制電路接口的優(yōu)點(diǎn)是最適宜用在控制系統(tǒng)中丈量土壤溫度的。 LM35是集成的半導(dǎo)體精細(xì)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)錢低等特點(diǎn)，非常

52、適宜于常溫丈量任務(wù)。因此，在控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中選用LM35來丈量土壤溫度。 3.2.2溫度丈量電路設(shè)計(jì) LM35是電壓輸出，它的外型很小，只需3個(gè)引腳(如圖3.7所示)，Vout是輸出電壓端，VS是電源端。在一定的任務(wù)條件下，傳感器的輸出電壓V。與被測溫度成線性關(guān)系。運(yùn)用中無須作O或20校準(zhǔn)，其任務(wù)靈敏度為10mV/，任務(wù)電流56一80pA，本身精度為0.4(25時(shí))，傳感器輸出電阻為0.1。，任務(wù)電源電壓范圍4一3ov。 LM35的根本電路非常簡單，遙測環(huán)境溫度電路如圖3.7所示，其測溫范圍為2150。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決議: V。=10mV/oC*(T環(huán)

53、境+loC)(3.4)由于遙測的間隔 較長，從傳感器到并聯(lián)的電阻見的導(dǎo)線應(yīng)絞合。圖3.7LM35及其遙測電路 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、簡單化、易操作及低本錢，實(shí)時(shí)監(jiān)測土壤墑情，按照作物需水特性準(zhǔn)確灌溉。 一、土壤墑情監(jiān)測與判別 自動(dòng)化節(jié)水灌溉控制設(shè)備研討的主要目的是為處理我國水資源緊缺問題，即節(jié)碩士論文智能化設(shè)備農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)研討水，實(shí)現(xiàn)作物按需準(zhǔn)確灌溉，因此，土壤水分是自動(dòng)化設(shè)備主要監(jiān)測的土壤參數(shù)。同時(shí)，思索到土壤溫度對作物生長及灌溉都有影響，因此也需求對土壤溫度進(jìn)展監(jiān)測。土壤水分經(jīng)過負(fù)壓式土壤水分傳感器丈量土壤

54、水吸力獲得，土壤溫度那么由半導(dǎo)體集成精細(xì)溫度傳感器LM35丈量。至于其他的參數(shù)，如土壤鹽分、作物葉面蒸騰量等，在丈量參數(shù)己足夠和簡化系統(tǒng)降低本錢的前提下，可以不用思索丈量。 因此，自動(dòng)化節(jié)水灌溉控制儀器的主要任務(wù)就是對土壤水分和溫度進(jìn)展監(jiān)測，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)展判別，在適宜澆水的溫度范圍內(nèi)，假設(shè)土壤處于缺水形狀，就給出控制信號，控制灌溉設(shè)備進(jìn)展?jié)补?，假設(shè)是土壤不缺水就不澆灌或是給出停頓澆灌的控制信號。 在控制儀器的任務(wù)中，判別土壤能否缺水是一個(gè)難點(diǎn)。負(fù)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(guān)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。由于負(fù)壓式土壤水分傳感器經(jīng)過多年運(yùn)用累積閱歷，曾經(jīng)掌握了大部分作物需水形狀對應(yīng)的土壤水吸力范圍，因此，可以直接用土壤水吸力來判別作物的缺水情況。 但是，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(shí)期對分的需求也是不一樣的，就算是同一作物在同一時(shí)期它對水分的需求也是會(huì)隨著環(huán)境的不同而變化的，判別土壤缺水沒有一致的規(guī)范。為實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制、按需灌溉，控制儀器就必需可以根據(jù)不同的作物，不同的生長期以及不同的環(huán)境改動(dòng)判別土壤缺水的規(guī)范。因此，控制儀器在設(shè)計(jì)時(shí)就必需具有允許操作者經(jīng)過鍵盤設(shè)定判別土壤缺水規(guī)范的功能，對不同作物農(nóng)業(yè)專家就可以憑閱歷設(shè)定不同的判別值來

56、實(shí)現(xiàn)作物按需灌溉，這樣，不僅能充分利用農(nóng)業(yè)專家的閱歷，還可以使自動(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 目前我國設(shè)備農(nóng)業(yè)中裝配的灌溉系統(tǒng)設(shè)備差別很大，這主要使由于各地方的條件和資金差別呵斥的。有的運(yùn)用電機(jī)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可以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)過察看不難發(fā)現(xiàn)，這些輸水設(shè)備都是經(jīng)過接通電源任務(wù)的，假設(shè)給這些輸水設(shè)備的電源線上加一個(gè)開關(guān)，由控制系統(tǒng)來控制開關(guān)的閉合，那么控制系統(tǒng)就可以控制這些設(shè)備任務(wù)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)

57、給出的控制信號也就具有了通用性。 2 灌溉方式 不同的土壤滲水才干是不一樣的，比如砂土滲水才干很強(qiáng)，水分能很快的滲入土壤深層，而粘土滲水才干就較弱，需求經(jīng)過一段時(shí)間水才干滲入土壤深層。對于滲水才干強(qiáng)的土壤，灌溉效果可以很快的顯現(xiàn)出來，控制儀器可以經(jīng)過土壤水吸力傳感器很快的檢測到土壤缺水形狀己得到緩解，可以停頓澆水。而對于滲水才干弱的土壤，就會(huì)出現(xiàn)這種情況:實(shí)踐澆水量曾經(jīng)足夠，只是由于土壤滲水才干弱，水分不能及時(shí)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(shè)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頓澆水后，這時(shí)的澆水量已遠(yuǎn)超越作物的需求量。這不僅沒有實(shí)現(xiàn)節(jié)水反而浪費(fèi)

58、了水，同時(shí)對需水量敏感的作物生長也不利。因此，為使控制系統(tǒng)能順應(yīng)不同土壤的灌溉要求，就需求設(shè)計(jì)幾種不同的灌溉方式，針對不同的土壤選擇不同的與之相順應(yīng)的灌溉方式，以保證可以到達(dá)節(jié)水的目的。 三、控制儀整體低本錢設(shè)計(jì) 低本錢是自動(dòng)化節(jié)水灌溉控制儀設(shè)計(jì)的一個(gè)重要要求，它也是決議節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)能否推行的一個(gè)重要要素。 控制儀的設(shè)計(jì)普通包括四個(gè)部分:檢測部分、控制部分、功能設(shè)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(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)展處置;控制部分判別作物缺水情況并給出灌溉控制信號;功能設(shè)定部分設(shè)定判別作物缺水參數(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(jié)果及當(dāng)前控制儀任務(wù)形狀。 普通

59、控制儀的設(shè)計(jì)都會(huì)將這四部分合在一同做成一臺儀器，但是這樣做會(huì)添加單臺儀器的體積和本錢，而對于在田間任務(wù)的節(jié)水灌溉控制儀來說，檢測控制和設(shè)定顯示是可以分開設(shè)計(jì)的。這是由于節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)是整天整夜不延續(xù)地在田間任務(wù)的，如無特殊要求是不要需求操作者守在儀器旁邊監(jiān)視其任務(wù)的，特別是晚上，控制儀可以本人自開任務(wù)，因此在控制儀任務(wù)的大部分時(shí)間里工況顯示是沒有必要的，而土壤缺水判別規(guī)范和灌溉方式在一開場設(shè)定好后，在一段長間內(nèi)也不需求改動(dòng)。這樣，檢測控制與設(shè)定顯示設(shè)計(jì)成一體就沒有必要。假設(shè)將檢測控制和設(shè)定顯示分開設(shè)計(jì)成兩臺儀器，不僅可以減小單臺儀器的體積，還可以降低單臺儀器的本錢。同時(shí)，一臺功能為設(shè)定顯示的

60、儀器可以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(shí)，就可以買許多臺的檢測控制的儀器，而只買一臺或是少量的設(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)控制的本錢，有利于節(jié)水灌溉自動(dòng)控制系統(tǒng)的推行。 檢測控制與設(shè)定顯示分開的儀器可以分別叫做測控儀和設(shè)顯儀，在需求察看當(dāng)前土壤情況或進(jìn)展參數(shù)設(shè)定時(shí)，可以經(jīng)過一個(gè)通訊接口將設(shè)顯儀與測控儀銜接起來，經(jīng)過設(shè)顯儀顯示測控儀所測當(dāng)前土壤情況，或設(shè)定新的參數(shù)。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。這樣，種植人員可以隨身攜帶一個(gè)設(shè)顯儀去巡查一切作物的種植生長情況，非常方便。 以上是控制儀設(shè)計(jì)方案的總體構(gòu)思，