農(nóng)田地下滴灌管道堵塞快速檢測裝置的設(shè)計

劉艷秋,武　佩,張永安,于奎單,蘇　赫

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 機電工程學(xué)院，呼和浩特　010018)

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農(nóng)田地下滴灌管道堵塞快速檢測裝置的設(shè)計

劉艷秋,武佩,張永安,于奎單,蘇赫

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 機電工程學(xué)院，呼和浩特010018)

摘要：農(nóng)業(yè)在我國國民經(jīng)濟發(fā)展中起到重要作用，而在當(dāng)今水資源匱乏的背景下，農(nóng)田節(jié)水灌溉勢在必行。滴灌是農(nóng)田節(jié)水灌溉的有效方法之一，特別是在水資源匱乏的地區(qū)應(yīng)用更為廣泛。由于農(nóng)田地下滴灌管深埋于土壤下，導(dǎo)致滴灌管堵塞時不易被發(fā)現(xiàn)，如不及時采取措施將會影響農(nóng)作物的生長并造成損失。為此，研制了一種快速檢測農(nóng)田地下滴灌管道堵塞的裝置。該裝置以STC90C58AD為主控芯片，采用PHTS-5V-V2土壤濕度傳感器對農(nóng)作物根部的土壤濕度進行檢測，對檢測到的不同位置上的土壤濕度值進行比較，來判斷滴灌管是否堵塞。試驗表明：該裝置能夠快速測定指定點的土壤濕度，判斷地下滴管管道堵塞情況，同時具有實時顯示、存儲、報警等功能，可以滿足農(nóng)田地下滴灌管道堵塞快速檢測的需求。

關(guān)鍵詞：農(nóng)田節(jié)水灌溉；地下滴灌；堵塞；STC90C58AD；快速檢測；土壤濕度

0引言

我國是一個水資源總量豐富的國家，為2 7957.9億m3，占全球水資源的 6%，但人均占有量僅為2 100 m3，不到全球人均水平的1/4[1]。我國平均年缺水量達到 400 億m3多，有近 2/3 的城市存在不同程度的缺水。水資源短缺形勢嚴峻，而與其相矛盾的是，我國水資源開發(fā)過度、利用粗放等現(xiàn)象特別凸顯，尤其是占用水總量 63.4%的農(nóng)業(yè)用水使用率較低[2]。在農(nóng)業(yè)用水中，農(nóng)田灌溉是最大用水項，年用水量3 304 億m3，占到農(nóng)業(yè)用水量的 90.2%[3]；傳統(tǒng)的大水漫灌方式使得我國農(nóng)田灌溉有效水利用系數(shù)僅為0.523，而發(fā)達國家已經(jīng)達到0.7甚至0.9[4-5]?，F(xiàn)代化節(jié)水灌溉技術(shù)將是提高農(nóng)業(yè)灌溉水有效利用系數(shù)及節(jié)約水資源的有效途徑和發(fā)展趨勢。

微灌技術(shù)是一種新型的農(nóng)田節(jié)水灌溉技術(shù),包括滴灌、微噴灌、脈沖微噴灌、小管出流灌和滲灌等[4]。地下滴灌是在微灌技術(shù)日益完善的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的一種高效節(jié)水灌溉技術(shù)[6]。其工作過程為：水經(jīng)過地下毛管上的灌水器慢慢流出，滲入到鄰近的土壤當(dāng)中，憑借毛細作用將水分輸送至農(nóng)作物根部供其吸收并加以利用[7]。與其他節(jié)水技術(shù)相比，農(nóng)田地下滴灌能夠把灌溉水的深層滲漏和地表蒸發(fā)減少到最低程度，且可以隨水施肥，增產(chǎn)效果顯著[8]。研究表明：地下滴灌技術(shù)對農(nóng)田灌溉水的利用效率高達90%[9-11]，同時具有節(jié)約能源、節(jié)省人力、澆灌均勻且能夠適應(yīng)不同土壤條件和地形變化等優(yōu)點，在農(nóng)田灌溉中應(yīng)用越來越廣泛[12-14]。

但迄今為止，農(nóng)田地下滴灌的堵塞問題依然是制約滴灌技術(shù)發(fā)展的主要因素。引起農(nóng)田地下滴灌管道堵塞的原因很復(fù)雜，除了地表滴灌常見的物理、化學(xué)和生物堵塞外，負壓吸泥和根系入侵也可能引發(fā)滴灌管道堵塞[15]。滴灌管堵塞會降低整個滴灌系統(tǒng)的灌水質(zhì)量，嚴重影響滴灌系統(tǒng)運行效果和穩(wěn)定性。為此,設(shè)計研究了一種能夠快速、實時檢測農(nóng)田地下滴灌管堵塞情況的裝置。該裝置以單片機為控制核心，采用PHTS-5V-V2濕度傳感器采集農(nóng)作物根部土壤濕度，并根據(jù)所測土壤濕度值判斷滴灌管道堵塞情況，為農(nóng)田地下滴灌系統(tǒng)的運行管理提供技術(shù)支持。

1系統(tǒng)總體設(shè)計

本文設(shè)計的基于植物根部土壤濕度檢測的滴管堵塞巡檢裝置可實現(xiàn)土壤濕度采集、數(shù)據(jù)處理、顯示、傳送及存儲等功能，并且能夠進行濕度報警。該裝置主要由數(shù)據(jù)采集模塊、時鐘模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、報警功能模塊、輸入輸出模塊和數(shù)據(jù)傳送功能模塊組成，系統(tǒng)功能如圖1所示。

系統(tǒng)工作原理：土壤濕度傳感器將采集到的土壤濕度信號傳送至單片機內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換器進行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號由單片機進行處理，單片機通過控制內(nèi)部存儲器將采集到的濕度值與時間同時存儲下來，并將結(jié)果發(fā)送至顯示器進行顯示。當(dāng)檢測到的濕度值低于系統(tǒng)設(shè)定閾值時，系統(tǒng)會報警。存儲后的數(shù)據(jù)可通過串口傳至上位機，并可以在計算機內(nèi)進行分析與統(tǒng)計，為指導(dǎo)滴灌生產(chǎn)提供依據(jù)。

圖1　系統(tǒng)功能框圖

2系統(tǒng)硬件設(shè)計

該裝置以STC90C58AD為主控芯片。前端的數(shù)據(jù)采集模塊將濕度傳感器采集到的模擬信號傳輸至單片機，由STC90C58AD的AD轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號并存儲在單片機內(nèi)，存儲的同時讀取時鐘芯片的時間值一并存儲，即可記錄采集時間。測試所得土壤濕度值經(jīng)公式換算后(見表3)在LCD上實時顯示。采集到的數(shù)據(jù)需要與預(yù)存的報警閾值進行比較，如超過閾值，則輸出報警信號。各模塊電路設(shè)計以及和主芯片連接電路圖如圖2所示。

2.1溫度采集電路模塊

本裝置采用的傳感器是由武漢新普惠公司生產(chǎn)的PHTS-5V-V2土壤濕度傳感器。傳感器測量范圍0～100%，準確度3%，分辨率0.1%，輸出信號0～2.5V，工作溫度-50～80℃，負載電阻≥1kΩ，采用5V直流電源供電。該傳感器具有靈敏度高、準確快速、穩(wěn)定可靠等優(yōu)點，完全能夠滿足設(shè)計要求。傳感器與單片機連接電路如圖3所示。

圖2　原理電路圖

圖3　傳感器與單片機連接電路圖

2.2顯示模塊設(shè)計

本系統(tǒng)需要顯示土壤濕度值及采樣時間，并采用QC-1602LCD液晶顯示器對采集到的數(shù)據(jù)進行實時顯示，工作電壓為4.5～5.5V，具有工作可靠、體積小及性價比高等特點。

單片機的P2.5、P2.6和P2.7引腳分別連接液晶顯示器的使能端、讀/寫選擇端和數(shù)據(jù)/命令選擇端。為了調(diào)節(jié)液晶顯示器的亮度，在液晶顯示器的VO引腳接入一個可變電阻。因為單片機的P1口上電后為開漏輸出，因此在液晶顯示器的數(shù)據(jù)口并聯(lián)一個10kΩ排阻作為上拉電阻。

2.3時鐘模塊設(shè)計

系統(tǒng)采用DS1302時鐘芯片為系統(tǒng)提供時間，通過單片機控制顯示器來顯示當(dāng)前測試土壤濕度的時間。DS1302與單片機采用同步串行的方式進行通信，由P3.5、P3.6和P3.7引腳分別控制DS1302的RES復(fù)位端、I/O數(shù)據(jù)端及SLCk串行時鐘端。DS1302的電路圖如圖4所示。

圖4　DS1302電路圖

2.4按鍵模塊設(shè)計

本模塊所要實現(xiàn)的功能是設(shè)置系統(tǒng)時間。裝置共設(shè)置4個按鍵，分別為K1、K2、K3、K4。K1表示系統(tǒng)確認鍵，K2為調(diào)整時分秒及年月日的切換鍵，K3為加1鍵，K4為減1鍵。單片機的P2.0、P2.1、P2.2、P2.3口分別控制按鍵K1、K2、K3、K4。系統(tǒng)設(shè)定第1次上電時的初始化時間和日期，通過按鍵K1、K2、K3、K4可以調(diào)整時間和日期，還可以修改存入存儲器內(nèi)的土壤濕度最大、最小值。

2.5報警模塊設(shè)計

報警模塊功能即當(dāng)所采集的土壤濕度值小于設(shè)定閾值時進行報警提示，系統(tǒng)采用聲音報警的方式，由單片機P3.2口對報警電路進行控制。當(dāng)單片機輸出低電平時，Q1導(dǎo)通，蜂鳴器發(fā)出報警，說明土壤濕度低于設(shè)定的閾值，此時需要對所采集土壤部位的滴灌管道進行檢查。

3系統(tǒng)軟件設(shè)計

本系統(tǒng)程序設(shè)計采用的集成開發(fā)環(huán)境為Keil-μVision4，主要包括主程序、土壤濕度采集程序及時鐘程序等。

3.1主程序設(shè)計

系統(tǒng)開始運行后進入預(yù)先設(shè)定的日期時間界面，接著系統(tǒng)會進行按鍵檢測。當(dāng)有按鍵輸入時，系統(tǒng)會根據(jù)輸入的按鍵調(diào)整時間；如果檢測不到按鍵輸入，系統(tǒng)會一直采集數(shù)據(jù)。對采集到的電壓信號單片機ADC模塊將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，并將數(shù)字量轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的濕度值顯示。通過人工的方法判斷該數(shù)據(jù)是否正常：若正常，則進行數(shù)據(jù)存儲；否則，系統(tǒng)會報警。主程序流程圖如圖5所示。

圖5　主程序流程圖

3.2數(shù)據(jù)采集程序設(shè)計

該模塊主要實現(xiàn)土壤濕度的采集和對數(shù)據(jù)的處理。傳感器采集到數(shù)據(jù)后由單片機內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換器進行轉(zhuǎn)換，本文僅采用一個濕度傳感器，所以僅由P1.0端口進行轉(zhuǎn)換即可。數(shù)據(jù)采集流程圖如圖6所示。

4試驗結(jié)果及分析

所研制的裝置實物圖如圖7所示。

4.1試驗操作

首先，為了驗證土壤含水率與土壤濕度之間的對應(yīng)關(guān)系，配制了不同含水率的土壤樣品，并測定其濕度值，結(jié)果如表1所示。從表1土壤含水率與土壤濕度的對照可以看出：二者呈近似正比關(guān)系，即可以用測試土壤濕度的方法來代替以往測試土壤含水率的方法。土壤含水率的測量存在取樣、稱量、烘干等一系列比較復(fù)雜和費時費力的工序，而利用該便攜式儀器可以快速、準確地確定地下滴灌堵塞情況，如圖8 所示。

圖6　數(shù)據(jù)采集程序流程圖

圖7　實物圖

圖8　土樣濕度測試照片

Table 1The correspondence between soil water content and soil moisture%

土壤含水率土壤濕度851005586.63578.32669.81833.51022.7

其次，根據(jù)農(nóng)作物在正常生長狀態(tài)下灌水周期為4～7天的情況，在滴灌區(qū)選取滴灌管埋在土下20cm深處、灌溉周期為5天的玉米田地進行土樣采集。分別選取灌溉后3h，灌溉后1、2、3、4天，以及灌溉前的土樣進行濕度測量。對所采土樣濕度值分別用本裝置和烘干法進行測量，測量結(jié)果如表2所示。測試出不同樣品的濕度值和含水率符合表1的結(jié)果，說明在滴管堵塞測量上利用土壤濕度值的測量完全可以取代以往含水率的測量。在實際應(yīng)用中，如果在同一管線上測試值偏差超過一定閾值(即某一區(qū)域的濕度值與管線上其他地方濕度值的偏差，程序設(shè)置為20%)，則基本可以確定該處地下滴灌管噴嘴已堵塞。

表2　測試結(jié)果

4.2誤差分析

表3是PHTS-5V-V2土壤濕度傳感器測試模擬電壓與濕度值之間的轉(zhuǎn)換公式。傳感器廠家給定的測量誤差為小于3%，該誤差是由傳感器器件材料導(dǎo)致的，無法通過外界條件消除。因此，在現(xiàn)有條件下，保證傳感器的測量精度主要是提高供電電源的穩(wěn)定性。為此，本裝置將圖8中的5節(jié)1.5V電池替換為9V干電池。更換后的電源使用壽命長，電壓穩(wěn)定性較好，經(jīng)驗證可以滿足試驗要求。此外，本裝置在設(shè)計電源模塊時，選擇7805集成穩(wěn)壓模塊將9V電壓穩(wěn)壓至5V電壓，進一步確保供電電壓的穩(wěn)定性。當(dāng)然，在實際使用時還應(yīng)養(yǎng)成隨時關(guān)機的良好習(xí)慣，以增加電池使用壽命。

對不同質(zhì)地土壤濕度，PHTS-5V-V2傳感器所測的值具有一定的偏差。為此，可以通過測量不同質(zhì)地下干土壤的導(dǎo)電率，對傳感器進行修正。如果測得的干土壤導(dǎo)電率偏高，則將轉(zhuǎn)換公式中的系數(shù)67.51調(diào)高，或者將系數(shù)4.105調(diào)低。其中，前者為大幅度調(diào)整，后者為微調(diào)；反之，如果所測干土壤導(dǎo)電率偏低，則調(diào)低系數(shù)67.51.或者調(diào)高系數(shù)4.105，從而消除不同質(zhì)地土壤下PHTS-5V-V2傳感器測量值的誤差。

表3　電壓與土壤濕度的關(guān)系

5結(jié)論

在農(nóng)田地下滴灌管道無堵塞的情況下，同一條滴灌線上所測的土壤濕度值之間偏差應(yīng)小于5%。如果測量的農(nóng)田土壤濕度值偏差大于20%，則說明滴灌管出現(xiàn)堵塞，需要立即采取措施，否則就會影響農(nóng)作物的正常生長。通過對5個樣本的測量，表明本裝置能夠滿足快速地判斷農(nóng)田地下滴灌管堵塞情況的需求。同時，與烘干法測量土壤濕度值相比，本裝置除了能夠克服烘干法的取樣困難、取樣工作強度大、成本高且實時性差等缺點外，還具有可操作性強、實用性強等優(yōu)點。綜上所述，本文設(shè)計的快速檢測農(nóng)田地下滴灌管道堵塞情況的裝置不僅能夠?qū)崟r、快速地檢測農(nóng)田土壤濕度值，還能根據(jù)檢測結(jié)果判斷農(nóng)田地下滴灌管道堵塞情況，同時具有數(shù)據(jù)采集、顯示和報警等功能。試驗表明：本裝置基本能夠快速、實時地檢測農(nóng)田地下滴灌管的堵塞情況，具有可行性。

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Design on a Fast Detection Device for Farmland Subsurface Drip Irrigation Plugging

Liu Yanqiu , Wu Pei , Zhang Yongan, Yu Kuidan, Su He

(College of Mechanical and Electrical Engineering, Inner Mongolia Agricultural University, Hohhot 010018, China)

Abstract：Agriculture plays an important role in the development of our national economy, and in the context of scarcity of today's water resources, water-saving irrigation is imperative. The drip irrigation is one of the most effective ways of farmland water-saving irrigation; it’s widely used especially in the region where the water is scanty. Because the farmland subsurface drip irrigation pipes are usually buried under the ground, it’s difficult to find when the pipes are plugging, and if it cannot be found in time, it often makes adverse effects on the growth of crops, and causing losses. Therefore, we designed a fast farmland drip-irrigation detecting device. In the designed device, STC90C58AD the chip microcomputer was used as the core control unit and the soil moisture sensor PHTS-5V-V2 was employed to detect the soil moisture of crops roots. Comparing the humidity value which measured by the moisture sensor, it could be detected if the subsurface drip irrigation was clogged. The tested results showed that the device can measure the soil moisture of the designated places rapidly, give the judgment of the clogged situation of the pipe, and it has realized the functions of real-time displaying, saving, alarming and so on, and it could meet the needs of farmland drip-irrigation detection.

Key words：farmland water-saving irrigation; subsurface drip irrigation; STC90C58AD; rapid detection; soil moisture

文章編號：1003-188X(2016)06-0149-06

中圖分類號：S275.4；S237

文獻標識碼：A

作者簡介：劉艷秋(1988-),女，內(nèi)蒙古赤峰人，碩士研究生，(E-mail) lyq13514413846@163.com。通訊作者：張永安(1976-)，男，內(nèi)蒙古興和人，副教授，(E-mail) zhangya817@126.com。

基金項目：內(nèi)蒙古自治區(qū)自然科學(xué)基金項目(2012MS0720，11364029)；中國農(nóng)業(yè)大學(xué)-內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)科研合作項目(ZN201012)

收稿日期：2015-06-11