基于自動控制的土壤灌溉系統(tǒng)研究

李向欣+周潔嫻+李國豪+肖俊杰+譚耀珠+鄭志碩

摘要：為促進(jìn)中國農(nóng)業(yè)自動化發(fā)展，減輕農(nóng)業(yè)人力資源耗費(fèi)，本文設(shè)計(jì)出一種基于自動控制的土壤灌溉器。此灌溉器是通過分析土壤水分測量特點(diǎn)及介電特性，根據(jù)頻域反射計(jì)測量原理得到土壤含水率的，最后其通過控制單元對所測土壤含水量與植物土壤含水定額的偏差和偏差的變化率進(jìn)行模糊化處理與決策來判斷灌水與否。

關(guān)鍵詞：自動控制；濕度傳感器；頻域反射計(jì)（FDR）；土壤灌溉系統(tǒng)

中圖分類號：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2016）27-0204-01

1 引言

相比一些國家，我國水資源較少。根據(jù)科研工作者研究的數(shù)據(jù)表明，我國的灌水使用率低至40%。為了緩解這一困境，國務(wù)院曾在2012年印發(fā)的節(jié)水綱要中設(shè)定以下目標(biāo)——新增高效節(jié)水灌溉工程面積需要達(dá)到1.00 × 107hm2以上，農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)需高于 0. 55。然而，現(xiàn)今我國的節(jié)水狀況仍與2012年所定目標(biāo)相差甚遠(yuǎn)。高效的灌溉設(shè)備是節(jié)水灌溉得以發(fā)展的前提條件。根據(jù)所觀察國內(nèi)外節(jié)水灌溉設(shè)備發(fā)展?fàn)顩r，剖析中國節(jié)水灌溉設(shè)備存在的缺陷及發(fā)展前景，提出的發(fā)展思路與建議，將有益于節(jié)水灌溉設(shè)備行業(yè)全面發(fā)展。[2]從節(jié)流的角度出發(fā)，通過自動灌溉系統(tǒng)檢測到植物土壤的濕度過低時合理地對植物進(jìn)行澆水保濕，而加大節(jié)省灌溉水的力度，使得灌溉的操作變得更加準(zhǔn)確。[1]因此，設(shè)計(jì)出一種可以實(shí)時檢測土壤中含水量并作出快速正確響應(yīng)（即灌溉操作）且造價相對便宜的自動灌溉系統(tǒng)是相當(dāng)有必要的。[3] 而本文進(jìn)行的土壤自動灌溉系統(tǒng)研究也是必然的。

2 自動灌溉系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

該設(shè)計(jì)是基于繼電器模塊的自動灌溉控制器，其主要對土壤濕度及灌溉控制進(jìn)行設(shè)計(jì)研究。該設(shè)計(jì)主要是通過土壤濕度傳感器獲取土壤濕度的數(shù)據(jù)，進(jìn)而將數(shù)據(jù)傳送到繼電器模塊，從而控制進(jìn)水閥的開關(guān)以完成自動灌溉。

2.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

圖1為土壤自動灌溉系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡圖，該設(shè)計(jì)由繼電器模塊，控制器，土壤濕度傳感器，進(jìn)水閥，220V電源等基本模塊組成。系統(tǒng)由220V電源為整個電路提供能量。土壤濕度傳感器充當(dāng)觀察員的角色，時刻監(jiān)測土壤中的水分含量，并將信息利用電信號傳遞給控制器?？刂破鲃t是整個系統(tǒng)的大腦，其通過對電信號所攜帶的土壤中水分含量大小與系統(tǒng)給定的供水臨界值進(jìn)行比較處理，遵循控制規(guī)則發(fā)出控制信號，并通過電路驅(qū)動放大控制繼電器模塊的供電與否，直接操作整個系統(tǒng)電路的開或斷，從而直接影響進(jìn)水閥的開閉工作，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)灌溉功能。在工作過程中，土壤濕度傳感器始終給予控制器反饋，實(shí)現(xiàn)了自動控制功能，同時通過設(shè)定適當(dāng)?shù)墓┧撝?，使土壤濕度達(dá)到一定水平后便自動停止供水以達(dá)到節(jié)水的效果。

具體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下：

2.2 FDR原理

在本文提出的自動灌溉系統(tǒng)中，土壤濕度的實(shí)時監(jiān)控，便是基于FDR原理——即介電法實(shí)現(xiàn)。FDR的水分探頭內(nèi)有一對電極組成的電容器，當(dāng)水分探頭插入土壤內(nèi)時，土壤便成為了電介質(zhì)。而電容器與振蕩器形成了一個調(diào)諧電路，當(dāng)土壤電容的變化時，振蕩器工作頻率也隨之同時變化。當(dāng)發(fā)生共振的頻率有所不同時，說明土壤含水量發(fā)生了變化，而介電法就是通過使用掃頻頻率來檢測共振頻率從而監(jiān)控土壤的濕度。從研究者的實(shí)踐得出：在大多數(shù)土壤中，介電常數(shù)的平方根與土壤容積含水量具有線性關(guān)系；并且土壤的介電常數(shù)大小基本取決于土壤體積含水量的多少。而實(shí)驗(yàn)證明土壤中水的介電常數(shù)明顯要遠(yuǎn)大于土壤基質(zhì)材料，從而可以忽略土壤類型、密度、溫度，可溶性鹽含量等因素的干擾。因此，土壤的含水量可以通過測量得到的土壤介電常數(shù)正確地表達(dá)出來。[3]

2.3土壤自動灌溉系統(tǒng)工作過程

土壤自動灌溉系統(tǒng)的運(yùn)作首先是由土壤濕度傳感器收集土壤中含水量的實(shí)時數(shù)據(jù)，然后在繼電器中對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，從而通過控制繼電器的開關(guān)來實(shí)行對進(jìn)水閥的控制。將繼電器連接在220V的開關(guān)電源上、把土壤濕度傳感器插在干燥土壤中，打開電源開關(guān)，當(dāng)土壤濕度低于繼電器模塊中設(shè)置好的最小值時，繼電器打開使得電流可以通過電路以打開進(jìn)水閥進(jìn)行灌溉；當(dāng)灌溉土壤濕度高于繼電器模塊中已設(shè)定的最大值時，繼電器模塊則自動斷開，電流將不能通過電路，進(jìn)水閥關(guān)閉，灌溉也停止。將土壤濕度傳感器插在潮濕土壤中，繼電器則處于斷開狀態(tài)，電流無法通過電路，進(jìn)水閥不打開，不進(jìn)行灌溉。

3 結(jié)束語

提出的自動灌溉系統(tǒng)是通過實(shí)時檢測土壤含水量，利用控制單位對實(shí)時數(shù)據(jù)和定額數(shù)據(jù)來進(jìn)行比較，從而實(shí)現(xiàn)自動灌溉。本文描述了通過基于FDR原理的土壤濕度傳感器搜集數(shù)據(jù)，繼電器根據(jù)輸出信號的大小控制進(jìn)水閥的通斷來實(shí)現(xiàn)快速、準(zhǔn)確感知的節(jié)約型自動灌溉。該系統(tǒng)能夠簡單直接地處理土壤濕度數(shù)據(jù)，具有響應(yīng)快，低功耗的特點(diǎn)，且設(shè)計(jì)簡潔，可適應(yīng)大部分環(huán)境，充分利用水資源，同時解放大量人力物力。

本文的未來研究工作還可以對灌溉系統(tǒng)的電源進(jìn)行優(yōu)化，對于太陽能資源豐富這個條件，可以將電源的轉(zhuǎn)化改成利用太陽能電源，可節(jié)省用電，有效利用資源。在實(shí)際生產(chǎn)過程中，該系統(tǒng)可能還需要面對惡劣天氣如雷暴、冰霜及蟲害等意外情況的挑戰(zhàn)，這需要我們在實(shí)踐中不斷改進(jìn)。

在經(jīng)濟(jì)發(fā)展需求不斷增大、水資源日益緊張，電子技術(shù)也在進(jìn)步的大背景下，自動控制技術(shù)在節(jié)水灌溉中的使用越來越普遍。[4]在此情況下，自動灌溉系統(tǒng)的自動化、精細(xì)化便成為了農(nóng)業(yè)灌溉發(fā)展的重要趨勢。[5]電子技術(shù)的發(fā)展，不應(yīng)該只是媒體網(wǎng)絡(luò)上的發(fā)展，還應(yīng)該發(fā)展到生活中去，發(fā)展到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上來，減輕農(nóng)民的工作負(fù)擔(dān)，更好地進(jìn)行農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，使得農(nóng)業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量的到保證。

參考文獻(xiàn)：

[1] 王會. 基于單片機(jī)的太陽能自動澆灌系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J]. 電子技術(shù)與軟件工程，2015（20）：257-258.

[2] 袁壽其，李紅，王新坤. 中國節(jié)水灌溉裝備發(fā)展現(xiàn)狀、問題、趨勢與建議[J]. 排灌機(jī)械工程學(xué)報，2015（1）：78-92.

[3] 張瑞卿，戈振揚(yáng)，單偉，等. 基于FDR原理的自動灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 傳感器與微系統(tǒng)，2014（2）：80-82+86.

[4] 張?jiān)隽?，韓文霆.自動化控制在節(jié)水灌溉系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]. 節(jié)水灌溉，2012（10）：65-68.

[5] 甘龍輝. 基于單片機(jī)自動灌溉系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J]. 無線互聯(lián)科技，2012（8）：96.