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(dòng)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(dòng)控制的土壤灌溉器。此灌溉器是通過分析土壤水分測(cè)量特點(diǎn)及介電特性，根據(jù)頻域反射計(jì)測(cè)量原理得到土壤含水率的，最后其通過控制單元對(duì)所測(cè)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(dòng)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(hào)：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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(dòng)灌溉系統(tǒng)檢測(cè)到植物土壤的濕度過低時(shí)合理地對(duì)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(shí)檢測(cè)土壤中含水量并作出快速正確響應(yīng)（即灌溉操作）且造價(jià)相對(duì)便宜的自動(dòng)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(dòng)灌溉系統(tǒng)研究也是必然的。

2 自動(dòng)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(dòng)灌溉控制器，其主要對(duì)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(dòng)灌溉。

2.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

圖1為土壤自動(dòng)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(gè)電路提供能量。土壤濕度傳感器充當(dāng)觀察員的角色，時(shí)刻監(jiān)測(cè)土壤中的水分含量，并將信息利用電信號(hào)傳遞給控制器。控制器則是整個(gè)系統(tǒng)的大腦，其通過對(duì)電信號(hào)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(hào)，并通過電路驅(qū)動(dòng)放大控制繼電器模塊的供電與否，直接操作整個(gè)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(dòng)控制功能，同時(shí)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(dòng)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(dòng)灌溉系統(tǒng)中，土壤濕度的實(shí)時(shí)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(duì)電極組成的電容器，當(dāng)水分探頭插入土壤內(nèi)時(shí)，土壤便成為了電介質(zhì)。而電容器與振蕩器形成了一個(gè)調(diào)諧電路，當(dāng)土壤電容的變化時(shí)，振蕩器工作頻率也隨之同時(shí)變化。當(dāng)發(fā)生共振的頻率有所不同時(shí)，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(cè)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(cè)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(dòng)灌溉系統(tǒng)工作過程

土壤自動(dòng)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(shí)數(shù)據(jù)，然后在繼電器中對(duì)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(duì)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(shí)，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(shí)，繼電器模塊則自動(dòng)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(dòng)灌溉系統(tǒng)是通過實(shí)時(shí)檢測(cè)土壤含水量，利用控制單位對(duì)實(shí)時(shí)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(dòng)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(hào)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(dòng)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(shí)解放大量人力物力。

本文的未來研究工作還可以對(duì)灌溉系統(tǒng)的電源進(jìn)行優(yōu)化，對(duì)于太陽能資源豐富這個(gè)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(duì)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?cè)趯?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(dòng)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(dòng)灌溉系統(tǒng)的自動(dòng)化、精細(xì)化便成為了農(nóng)業(yè)灌溉發(fā)展的重要趨勢(shì)。[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)：

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[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(shì)與建議[J]. 排灌機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2015（1）：78-92.

[3] 張瑞卿，戈振揚(yáng)，單偉，等. 基于FDR原理的自動(dòng)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(dòng)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(dòng)灌溉系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J]. 無線互聯(lián)科技，2012（8）：96.