基于FDR原理的自動灌溉系統(tǒng)設(shè)計*

張瑞卿，戈振揚，單 偉，于英杰，李厚春

（昆明理工大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，云南昆明 650500）

0 引言

水是植物生存的主要環(huán)境因子。土壤水分含量是土壤的重要物理參數(shù)，對于植物的生長、存活、凈生產(chǎn)力等方面具有極其重要的意義［1，2］，對植物的需水規(guī)律研究也具有十分重要的現(xiàn)實意義［3］。

對于土壤水分的測量是生態(tài)、農(nóng)業(yè)、水文和水土保持等研究領(lǐng)域工作中的一項基礎(chǔ)工作［4］。土壤水分的測量有多種方法［5，6］，一是直接測量土壤的容積含水率，如烘干稱重法;二是通過測量土壤的傳導(dǎo)性間接獲得，如時域反射（time domain reflectometry，TDR）法、頻域反射（frequeny domain reflectometry，F(xiàn)DR）法;再就是測量土壤的基質(zhì)勢，如，張力儀法、干濕計法等。烘干法是國際上測量土壤含水量的標(biāo)準(zhǔn)方法，但其存在費時、費力、深層取樣困難等缺點。TDR法具有快速準(zhǔn)確、連續(xù)測定等優(yōu)點，但儀器設(shè)備昂貴;FDR幾乎具有TDR法的所有優(yōu)點，不會擾動土壤，能夠自動監(jiān)測土壤水分及其變化，且價格便宜。

目前，我國大部分土壤水分調(diào)控設(shè)施簡單、自動化程度較低、系統(tǒng)功能不完善［7］，與現(xiàn)代農(nóng)業(yè)要求還不相適應(yīng)，因此，設(shè)計出一種能夠根據(jù)土壤含水情況進行合理灌溉并且價格相對低廉的自動灌溉系統(tǒng)十分有必要。

1 FDR測量原理

FDR的水分探頭被稱為介電傳感器，傳感器主要由一對電極組成一個電容器，其間的土壤充當(dāng)電介質(zhì)，電容器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［8］。FDR法使用掃頻頻率來檢測共振頻率，土壤含水量不同的時候，發(fā)生共振的頻率不同。

前人多年來的研究表明:介電常數(shù)的平方根與土壤容積含水量存在線性關(guān)系，且這種關(guān)系適宜于多種土壤;土壤的介電常數(shù)強烈地依賴體積含水量，土壤中水的介電常數(shù)明顯大于土壤基質(zhì)材料和空氣。在20℃，1個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓狀態(tài)時，純水的介電常數(shù)是80.4，土壤基質(zhì)材料約為3～7，空氣為1。而對土壤類型、密度、溫度（＞0℃），可溶性鹽含量的依賴性很小，所以，測得的土壤介電常數(shù)能靈敏地指示土壤的體積含水量［9］。

2 系統(tǒng)組成與工作原理

系統(tǒng)以AT89S52單片機為核心，由電源模塊、土壤水分信號采集和處理模塊（電壓式土壤水分傳感器）、數(shù)碼管顯示模塊和控制灌溉模塊組成，電源模塊使用開關(guān)電源，如圖1所示。

圖1 自動灌溉系統(tǒng)原理框圖Fig 1 Principle block diagram of automatic irrigation system

工作原理:通過基于FDR法原理的土壤水分傳感器采集植物土壤水分信息，傳感器內(nèi)部的轉(zhuǎn)換電路將土壤水分含量線性轉(zhuǎn)換為0～5 V直流電壓信號，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換送至單片機進行判斷處理，當(dāng)土壤水分含量低于設(shè)定的最小值時，繼電器打開，開啟電磁閥進行噴灌，并且能夠根據(jù)測得數(shù)值的大小控制電磁閥的開閉時間，實現(xiàn)定量灌溉;當(dāng)水分含量高于上限閾值時，繼電器斷開，電磁閥關(guān)閉，停止噴灌。水分含量的實時變化在數(shù)碼管上以電壓的形式顯示出來。

2.1 土壤水分傳感器的選擇和標(biāo)定

選用上海搜博公司生產(chǎn)的SM2801V電壓型土壤水分傳感器，電源工作電壓范圍為直流12～24 V，本系統(tǒng)中傳感器的電源電壓選作12V，測量頻率100MHz，測量范圍0%～100%，輸出為0～5 V直流電壓信號，測量區(qū)域為以中央探針為中心，周圍30 mm，高為70 mm的區(qū)域。

為了能夠準(zhǔn)確測量土壤的含水情況，并實現(xiàn)定量灌溉，需對土壤水分傳感器進行標(biāo)定［10］。與此同時，對每個土樣用烘干法計算其土壤體積含水率。

對2種測量方法的結(jié)果加以對照，描繪出相應(yīng)的曲線，如圖2所示，可以看出:傳感器輸出電壓與土壤體積含水率是呈線性相關(guān)的。將物理量線性轉(zhuǎn)換成電壓量，后續(xù)的控制單元模塊可以方便地讀取信號。標(biāo)定時發(fā)現(xiàn):傳感器在插入純水中時最大電壓值在4.5 V左右。因此，在軟件設(shè)計時，根據(jù)傳感器此時的量程范圍（0～4.5 V）進行灌溉范圍的劃分。根據(jù)實際情況，劃分為3個灌溉階段:0～1，1～2，2～3 V，當(dāng)測量值達(dá)到3 V或以上時，系統(tǒng)會自動停止工作。

圖2 土壤體積含水率與傳感器輸出電壓的關(guān)系Fig 2 Relationship between soil volumetric water content and sensor output voltage

2.2 繼電器和電磁閥的選擇

采用松樂1路繼電器模塊，輸出驅(qū)動能力滿足系統(tǒng)要求。輸入IN1口可直接與單片機I/O口連接，輸入高電平時繼電器吸合，輸入低電平時繼電器釋放。工作電壓為5 V，吸合電流約為70 mA，帶狀態(tài)指示燈，采用三極管驅(qū)動繼電器動作。

選用2W160—15型直動式電磁閥，工作電壓為交流220 V，公稱通徑為2 mm，壓力范圍為1～8 MPa。

2.3 開關(guān)電源

整個系統(tǒng)中多個電子器件需要供電，且供電電壓不完全相同，因此，需選用開關(guān)電源，以保證系統(tǒng)能夠正常工作，依據(jù)系統(tǒng)設(shè)計，開關(guān)電源應(yīng)具備5，12，24 V三種電壓選擇。

3 控制單元電路原理圖設(shè)計

控制單元首先測量土壤水分傳感器轉(zhuǎn)換得到的電壓信號。核心部件AT89S52單片機對數(shù)據(jù)進行處理，根據(jù)測得的不同電壓數(shù)值，通過控制電磁閥的打開時間進行定量灌溉的控制?？刂茊卧娐吩O(shè)計如圖3所示。

ADC0809的引腳26與土壤水分傳感器的輸出電壓測量輸入端相連，引腳16與傳感器的接地端相連。數(shù)碼管采用共陰極接法，7只發(fā)光管加上小數(shù)點分別由字母a，b，c，d，e，f，g，dp 表示，與 AT89S52 單片機 P1 口的8 個引腳依次相連;位選引腳s1～s4依次與AT89S52單片機的P2.0～P2.3相連。AT89S52單片機的引腳25與繼電器的輸入端IN1口相連，通過引腳的高低電平控制繼電器的通斷，繼而控制電磁閥的開閉。

4 軟件設(shè)計調(diào)試

在Keil uvision4編程環(huán)境中，使用C語言進行編程，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的讀取、轉(zhuǎn)換、顯示以及繼電器的開關(guān)時間控制。完成程序的編寫以實現(xiàn)上述功能后，進行編譯，調(diào)試無誤后，將其下載到單片機里。使用USB ISP下載線，它具有支持Windows操作系統(tǒng)，支持AT89S51，52及AVR全系列芯片燒錄，方便筆記本電腦用戶使用等優(yōu)點，并且使用Atmel公司推薦的標(biāo)準(zhǔn)IDC10PIN接口。

圖3 控制單元電路原理圖設(shè)計Fig 3 Design of control unit circuit principle diagram

4.1 主程序

主程序流程如圖4所示。系統(tǒng)上電，首先進行單片機的初始化，然后單片機向傳感器發(fā)送測量命令，對測量數(shù)據(jù)進行采集處理，查詢轉(zhuǎn)換結(jié)束后，數(shù)碼管實時顯示測量數(shù)據(jù)，再根據(jù)不同的測量值進行定時開閉繼電器的動作，測量數(shù)值在灌溉范圍內(nèi)，循環(huán)過程一直進行，直至達(dá)到灌溉的上限閾值時，停止灌溉。

圖4 主程序流程圖Fig 4 Main program flowchart

4.2 USB驅(qū)動安裝與程序下載

將USB ISP下載線插入到電腦USB接口，然后按照安裝說明進行驅(qū)動程序軟件安裝。在下載程序前，要完成下載線與AT89S52單片機對應(yīng)引腳的連接。

完成以上工作后，用智峰Progisp1.72軟件下載程序，將程序下載到單片機中。將整個系統(tǒng)的硬件部分進行組裝，完成整個裝配工作，之后檢查各供電線路，確保電路處于通路且無短路、斷路情況后，分別給傳感器、繼電器、電磁閥、單片機供電，在實驗室完成系統(tǒng)的初步調(diào)試。整個自動灌溉裝置如圖5所示。

圖5 自動灌溉裝置實物圖Fig 5 Photo of automatic irrigation device

初步調(diào)試的結(jié)果顯示，當(dāng)傳感器測量電壓在0～1 V時，繼電器平均動作時間為22.81 s;當(dāng)傳感器測量電壓在1～2 V時，繼電器平均動作時間為13.73 s;當(dāng)傳感器測量電壓在2～3 V時，繼電器平均動作時間為4.56 s;三者的灌溉時間比符合預(yù)先設(shè)定5︰3︰1的比例，時間誤差控制在0.37%以內(nèi)。

5 系統(tǒng)性能測試試驗

系統(tǒng)性能測試試驗在學(xué)院科研溫室內(nèi)進行。以龜背竹為試驗對象，試驗前，試驗植物已處于缺水狀態(tài)，系統(tǒng)測量初值為0.72 V，控制單元根據(jù)內(nèi)置的判斷語句，執(zhí)行閉合繼電器的動作，同時電磁閥工作，執(zhí)行灌溉命令，隨著灌溉的進行，測量值不斷增大，一次性澆灌的時間變短，當(dāng)測量值達(dá)到灌溉的上限閾值3 V時，停止灌溉。系統(tǒng)工作過程中測量值隨灌溉次數(shù)的變化情況如圖6所示。

圖6 測量值隨灌溉次數(shù)變化圖Fig 6 Diagram of measured values change with irrigation times

通過多次試驗發(fā)現(xiàn)，控制單元感知信號的靈敏度較高，能在較短的時間內(nèi)完成灌溉工作，效果良好，均勻度較高。上述試驗中整個灌溉過程用時4分15秒。

6 結(jié)論

1）基于FDR法原理設(shè)計出了一種自動灌溉系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過開關(guān)電源，分別給傳感器、單片機、繼電器、電磁閥供電，供電電壓分別為 12，5，5，220 V;

2）將傳感器的工作電壓選作12V，并進行標(biāo)定試驗，測量結(jié)果與烘干法對比，完成對傳感器的線性標(biāo)定;

3）在Keil uvision4編程軟件下，使用C語言進行編程，功能實現(xiàn)，編譯無誤后，用智峰Progisp1.72軟件下載程序，將程序下載到單片機中。

4）通過系統(tǒng)測試試驗發(fā)現(xiàn)，整個系統(tǒng)工作正常，反應(yīng)靈敏，能夠較好地實現(xiàn)自動灌溉功能，具有可行性。

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