土壤濕度檢測與PLC技術(shù)在大棚節(jié)水灌溉中的應用

戴欣平

(金華職業(yè)技術(shù)學院，浙江 金華 321017)

大棚是一種采用圍護結(jié)構(gòu)，將棚內(nèi)的環(huán)境與外部相對隔離的半封閉作物栽培設施。與大田種植相比較，大棚具有內(nèi)部溫濕度高，風速低，土壤、空氣、水分等作物生長環(huán)境相對獨立的特點。這種特點為人工控制作物生長的溫度、光照、空氣濕度、土壤濕度等因素提供條件。在作物的灌溉管理上，快速、準確地測定大棚土壤水分，并依據(jù)不同作物生長過程中的需水墑情，適時作出灌溉、施肥決策及排水措施，不僅有利于作物產(chǎn)量與品質(zhì)的提高，減少病蟲害，縮短成熟期，而且可以節(jié)約寶貴的淡水資源。

現(xiàn)介紹一種監(jiān)測土壤濕度實施自動灌溉的節(jié)水灌溉控制器，該控制器采用負壓式土壤濕度計為土壤濕度傳感器，以LOGO!12/24RC型可編程控制器(PLC)為控制單元，實現(xiàn)土壤濕度控制灌溉、時間控制灌溉、頻繁間歇灌溉等多種灌溉模式，滿足不同作物及外部氣候條件下的灌溉管理。

1 土壤濕度檢測技術(shù)

目前土壤濕度測定的主要方法有張力法、石膏塊電阻法、中子儀法、時域反射儀(TDR)法［1］等。土壤水分受土壤孔隙的毛管引力和土粒的分子引力的作用，使土壤孔隙中的水分處于負壓狀態(tài)，土壤吸力愈大，土壤孔隙中的水分愈少，土壤含水量也就愈低;反之，土壤吸力愈小，土壤孔隙中的水分愈多，則土壤含水量愈高，張力法正是利用土壤的這種特性測量土壤的基質(zhì)水勢［2］。與其他方法相比，張力法原理簡單，測量設備造價低，應用較廣。利用張力法制作的土壤濕度傳感器叫負壓式土壤濕度計(也稱負壓計或張力計)，其頭部的陶土頭與土壤緊密貼合，當土壤濕度發(fā)生變化時，水分子在土壤與密封管之間產(chǎn)生擴散運動，使管內(nèi)產(chǎn)生負壓，由壓阻傳感器測定并輸出負壓信號，該信號能大致反應出土壤的含水量狀況，其測定精度滿足一般蔬菜等大棚作物生長的灌溉要求［3］。

2 灌溉控制器組成

灌溉控制器由負壓式土壤濕度傳感器、變送器和LOGO!12/24RC型PLC組成。

2.1 土壤濕度傳感器與變送器

選擇由中國科學院南京土壤研究所生產(chǎn)的FJA-10型負壓式土壤濕度計為土壤濕度測定傳感器。FJA-10型負壓式土壤濕度計由土壤濕度計和變送器組成，土壤濕度計由多孔陶土頭、密封管、集氣室、壓力傳感器組成。壓力傳感器采用擴散硅壓力傳感器，在硅膜片上制成一個惠斯登電橋，當硅片受到壓力時，電橋失去平衡，產(chǎn)生一個電位差，將壓力轉(zhuǎn)換為電信號。在土壤水吸力為零至一個大氣壓時，壓力傳感器輸出電壓值為0～100 mV，而且土壤水吸力值與輸出電壓值之間呈良好的線性關(guān)系［4］。變送器由恒流源、測量放大器和電源等組成，既能對壓電傳感器提供恒流源，又把壓電傳感器產(chǎn)生的小電壓信號加以放大，輸出0～5 V電壓作為后續(xù)控制或顯示儀器的輸入信號。

FJA-10型負壓式土壤濕度計工作參數(shù):測量范圍為0～100 kPa，測量精度為 ±2.5 kPa;輸出電壓信號為0～5 V，供電電源為交流220 V。

2.2 土壤濕度傳感器的標定

不同基質(zhì)土壤具有各自的水分特性曲線，土壤濕度傳感器的輸出信號值與土壤實際的含水率的對應關(guān)系也不一樣，因此，要針對不同基質(zhì)的土壤對濕度傳感器進行標定［5］。標定的目的有三，一是明確不同基質(zhì)土壤實際含水率與傳感器輸出值之間的函數(shù)關(guān)系，以表征該傳感器在確定基質(zhì)土壤中的適用性，這種關(guān)系應具備一定規(guī)律，能建立數(shù)學模型，最好為線性;二是確定符合這個數(shù)學模型所適用的測量范圍;三是根據(jù)測定的參數(shù)設定PLC控制程序的參量值。

試驗的大棚土壤為浙江省中部常見的紅壤土，采用田間標定方法完成對FJA-10型負壓式土壤濕度計的標定。先在實驗室里用標準水銀壓力表或標準真空表對土壤濕度計進行校正，調(diào)節(jié)傳感器的靈敏度，使土壤濕度計負壓在0～100 kPa時變送器輸出電壓為0～5 000 mV，土壤負壓值Pi與輸出電壓值Ui關(guān)系為:Pi/100=Ui/5 000，這樣可根據(jù)輸出電壓值計算出土壤負壓值。再將濕度計埋入到試驗大棚中，根據(jù)一般大棚蔬菜根系深度，設定傳感器頭部的埋入深度為20 cm。在不同土壤水吸力時，用萬用表測量并記錄輸出電壓值。在土壤濕度計附近的同樣深度，用環(huán)刀采取土壤試樣，每個輸出值下采集土壤試樣6個，采用烘干法測定土壤的平均質(zhì)量含水率。在潮濕、濕潤、干爽、干燥的狀態(tài)下記錄土壤的干燥過程輸出電壓值和質(zhì)量含水率數(shù)據(jù)。實驗數(shù)據(jù)點陣如圖1。

圖1 FJA-10型負壓式土壤濕度計標定圖線

圖1 圖形接近為一條直線，線性擬合的數(shù)學模型為:

式中:ωi為土壤的質(zhì)量含水率;Pi為傳感器的負壓值;a、b為該函數(shù)參數(shù)。

采用最小二乘法進行直線擬合可得:

則負壓值與含水率的線性函數(shù)關(guān)系式為:

在試驗中，傳感器負壓值超過85 kPa時，所得到的數(shù)值明顯偏離現(xiàn)在的直線，呈現(xiàn)非線性，因此，該儀器的土壤負壓值理想使用范圍為0～85 kPa。

2.3 控制器

控制器選用 LOGO!12/24RC型 PLC，是由SIEMENS公司生產(chǎn)的一種小型PLC，有編程簡單、參數(shù)設置方便、體積小、價格便宜等特點，并具有較好的邏輯功能、鐘控功能和數(shù)字/模擬量輸入輸出功能。該型號PLC，具有8點數(shù)字量輸入，4點繼電器輸出，而且輸入點17和18可輸入模擬量，可連接土壤濕度傳感器。PLC使用電源電壓為DC 12 V或24 V，每個輸出點電流可達10 A，可直接驅(qū)動水泵接觸器。該型PLC具備LCD顯示功能，在編程和運行時顯示程序、參數(shù)和輸入點的信息，便于觀察修改。程序輸入和參數(shù)修改可直接由面板輸入或聯(lián)接計算機通過軟件編寫輸入，操作較為方便。

LOGO!12/24RC型PLC控制聯(lián)接圖如圖2。

3 灌溉控制器的功能設計

3.1 功能設計

在分析土壤含水量、氣候條件、植物需水量等灌溉因素基礎(chǔ)上，考慮灌溉的實際需要提出了灌溉控制器設計方案。該控制器以陶土頭土壤濕度傳感器輸出為信號源，設置按土壤墑情控制、時鐘控制、頻繁間歇控制與手動控制4種灌溉模式。

3.1.1 土壤墑情控制灌溉功能

能根據(jù)不同作物需水特性預設灌溉負壓值，采集土壤濕度信號，按土壤墑情和作物需水特性實施自動灌溉，并設置灌溉時間間隔與時長。土壤墑情控制灌溉原理框圖如圖3。

為了便于灌溉參數(shù)的設定，使PLC的顯示值為實際的負壓值P，需要對輸入的濕度模擬量進行增益調(diào)整。針對0～100 kPa負壓值，變送器輸出的電壓為0～5 V，而PLC模擬量接口輸入信號為0～10 V，對應內(nèi)部值為0～1 000，如設定灌水開啟負壓值為20 kPa，則接通閥值SW↑內(nèi)部值為:

增益值取20，則LCD顯示值為:

這樣，顯示值與實測值一致。

3.1.2 時鐘控制灌溉功能

PLC內(nèi)設有鐘控電路，可預設每天的灌溉時間與時長，實現(xiàn)自動灌溉。原理框圖如圖4。

圖2 控制器的系統(tǒng)聯(lián)接

圖3 土壤墑情控制灌溉的原理

3.1.3 頻繁間歇灌溉功能

將灌水時長分成若干時段，以便提供足夠時長使水滲入土壤，減少坡地或粘性土地地面徑流損失，達到節(jié)水的效果。如每灌溉5 min后，停歇5 min，保證水滲入土壤的時間。原理框圖如圖5。

3.1.4 手動控制灌溉功能

根據(jù)需要，進行實時手動灌溉?？芍苯虞敵鲵?qū)動電磁閥或水泵電機控制接觸器。

圖4 時鐘控制灌溉的原理

3.2 注意事項

圖5 頻繁間歇灌溉的原理

要注意濕度傳感器的維護，及時添水，保持其水管的水面在壓阻傳感器的上方，以保證測量的準確性。采用小孔皮管灌溉時，注意小孔水流的落點，調(diào)節(jié)水壓，使水流落在作物根部;對于葉面蒸發(fā)量大的作物，也可采用頂部和根部同時噴灌的灌溉方式，既可保證其根部需水，也可保障其莖葉需水的要求。注意觀察作物生長與土壤濕度情況，及時修正灌水負壓值。

4 灌溉控制器試用效果

該灌溉控制器在大棚蔬菜種植上進行試用，對芹菜、番茄、青菜3種蔬菜種植在控制器灌溉和人工灌溉2種灌溉管理方式下進行對比試驗。采用2只傳感器，設置不同的埋設深度、灌溉負壓值和灌水時長。參數(shù)設置如表1。

表1 灌溉控制器灌溉試驗參數(shù)設計

通過試驗，作物的產(chǎn)量與用水量如表2所示。

從表2可知，1號傳感器控制灌溉的作物產(chǎn)量明顯比人工澆灌的高，芹菜增加9.19%，番茄產(chǎn)量增加4.26%，青菜產(chǎn)量增加2.85%;但2號傳感器比人工澆灌的產(chǎn)量低，芹菜減產(chǎn)2.7%，番茄減產(chǎn)1.41%，青菜5.5%。說明自動控制灌溉負壓灌溉值設置合理與否，決定灌溉控制的成敗。

表2 3種作物產(chǎn)量與用水量對比試驗結(jié)果

在節(jié)水效果方面，1號傳感器控制灌溉的用水量是人工灌溉的69.64%，有明顯的節(jié)水效果。在病蟲害發(fā)生率上，采用灌溉控制器后，用水量少，作物病害發(fā)生率明顯減少，蟲害數(shù)量少，發(fā)生次數(shù)少，而且作物品質(zhì)有一定的提高。

采用灌溉控制器實施自動灌溉，種植人員只需巡視，不需要人工澆灌，大大減少了勞動強度。

5 小結(jié)

該灌溉控制器采用陶土頭土壤濕度傳感器，能實時檢測土壤濕度，采用小型PLC為控制單元，設置土壤墑情控制、時鐘控制、頻繁間歇、3種灌溉模式，并可人工手動控制。經(jīng)實際應用，該控制器在節(jié)水效果、作物增產(chǎn)及品質(zhì)改善、病蟲害減少等方面有明顯作用，并可減少灌溉的勞動強度，具工作可靠，操作方便，價格便宜等特點，方便推廣應用。

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