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智能化设施农业节水灌溉控制系统研究

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智能化设施农业节水灌溉控制系统研究
1绪论
1.1研究背景
中国是一个农业大国, 建国50年来, 农业得到了很大发展, 取得了以占世界7%的耕地养活了世界22%的人口的举世瞩目的成就。但也付出了巨大代价:地下
水位下降、 河湖干枯、 季节性缺水、 江河污染、 水土流失和生态环境恶化等。当前, 制约中国农业发展的主要因素是水资源严重不足。中国水资源总量为2、 8万亿m3, 人均占有量仅2200扩, 不足世界人均水平的1/4, 居世界第109位。而且中国水资源地区分布极不均衡, 81%的水资源集中分布在长江流域及其以南地区;长江以北地区人口和耕地分别占全国的45.3%和64.1%, 而水资源仅占全国的19%, 人均占有量为517m3;, 相当于全国人均量的1/5和世界人均量的1/20, 水资源拥有量与生产发展极不适应。据统计, 进入20世纪90年代以来, 中国农业干旱受灾面积达2300万hmZ以上, 每年因缺水造成粮食减产1000亿kg左右〔l3j。许多城市供水不足、 工农业用水矛盾尖锐。随着经济建设、 生态环境建设步伐的加快, 人们生活水平的提高, 对水的需求量将更大。
中国农业用水面临资源短缺的同时, 农业用水浪费现象却非常严重。主要表现在:一是水的利用率低, 中国灌溉系统对水资源的利用当前只能达到0.3~0.4,
而发达国家可达到0.8以上。二是农业水生产率低, 灌溉农业粮食作物的水生产率不足Ikg/ma, 旱地农业面积占60%左右, 降水的生产率只有0.3kg/m3~0.4kg/时。托普物联网针对水资源的利用率一直在做深入的研究, 力求研发出一种能提高水资源利用率的物联网系统。
解决中国农业用水短缺问题有两种方法, 一种方法是开发新的水资源以满足农业用水需求, 这种方法在一定程度上能够缓解中国农业水资源严重短缺现象, 但它同时也存在三个比较大的问题, 一是开发水资源所需的投资非常大, 而且见效慢, 受地理条件和资金等限制较大, 短期内不能解决大面积的农田灌溉问题;二是开发的水资源能解决农业用水短缺问题却解决不了农业用水浪费的问题, 根据当前中国农业水资源利用率来看, 花费了大量资金和人力去开发水资源, 结果利用率只有35%左右, 造成大量人力、 资金与水资源的浪费;三是中国水资源毕竟有限, 而农业的发展是长期的, 靠开发水资源来解决农业缺水问题是不现实的。另一种解决农业用水短缺问题方法是发展节水灌溉。节水灌溉是遵循作物不同生长发育阶段的需求规律而进行的适时灌溉, 利用尽可能少的水取得尽可能多的农作物产出的一种灌溉模式。一般灌溉水从水源到田间要经过几个环节, 每个环节中都存在水量无益损耗。凡是在这些环节中能够减少水量损失、 提高灌溉水使用硕士论文智能化设施农业节水灌溉控制系统研究效率和经济效益的各种措施, 均属于节水灌溉范畴。节水灌溉技术能大幅提高水资源的利用率, 在水资源不变的情况下提高作物产量, 能实现优质高产, 具有很好的经济效益、 生态效益和社会效益。因此, 实行节水灌溉, 大力普及和应用高效节水灌溉技术是从根本上解决中国农业缺水问题的重要措施。
托普物联网研发的节水灌溉技术包括两方面内容:①工程节水技术:经过对原有灌溉工程设施进行改造或使用先进的灌溉工程设施以达到减少输水损失和减少田间用水损失的方法。如渠道防渗、 管道输水、 喷灌、 微喷灌、 滴灌、 渗灌等。②灌溉控制技术:经过采用自动控制技术, 结合作物需水特性、 地理环境、 土壤特征与节水灌溉制度等实行按需的、 适时的自动灌溉控制。工程节水技术主要是从两个方面来实现节水的目的, 一是减少水在田间传输过程中的渗漏损失, 如渠道防渗和管道输水技术;二是减少灌溉过程中的无效灌溉, 即均匀灌水或是只对作物根部附近的土壤进行溉, 一般草地采用喷灌, 作物采用微灌技术。利用工程节水技术一般可提高水资源利用率到50~70%, 相对传统的灌溉方式来说已经有很大改进, 可是仍存在30%以上的水资源浪费, 且与优质高产仍有一段距离。这主要是因为这种灌溉模式依然是靠人工控制, 灌溉的多少全凭经验, 不能实现按作物的需水特性精确、 高效灌溉。这就使得人的因素成为影响水资源利用率的主要因素, 当经验较丰富、 较准确时, 水的利用率就高, 当欠缺经验时水的利用率就低。而灌溉控制技术的发展正能够弥补工程节水技术的这一缺陷, 它采用先进的科学技术, 检测土壤墒情, 根据地理环境和作物生长的需水特性按需、 精确灌溉, 可大大提高水资源的利用率, 实现优质高产。灌溉控制技术使人们摆脱了传统的全凭经验的灌溉模式, 达到了高效节水灌溉的目的, 对缓解中国农业用水短缺现象具有非常重要意义。
1.2国内外研究状况
灌溉自动化始于20世纪30年代, 二次世界大战前.法国研制了一系列用以实行渠系自动化运行的水力自动闸门, 并提出了一套比较完整的自动化灌溉控制方法, 开了自动化灌溉的先河。20世纪50年代以来, 随着电子学和计算机技术的应用和发展, 利用电子设备、 计算机设备和程序控制的灌排工程自动化技术也得到了同步发展, 并在法国、 美国、 日本等发达国家乃至一些发展中国家得到了日益广泛的应用和发展, 控制模式也由早期的当地控制发展到能够实现遥测、 遥控的集中控制模式。
1.3本课题的研究工作
综合农作物的生长过程对外部环境的主要要求, 采用科学控制方法且具备广泛用途的节水灌溉系统, 是节水灌溉科学实施的核心问题。基于此, 本课题的主要内容是研制开发适合中国国情的、 低成本、 易推广的、 主要应用于温室大棚的节水灌溉自动控制系统, 为实现中国农业高效节水灌溉提供技术装备。
由于不同农作物有不同的需水特性, 灌水时间、 灌水量既影响农产品的产量, 也影响农产品的质量, 因此, 设施农业的高效节水灌溉自动控制技术主要是向适时适量、 按需灌溉的方向发展。因此, 本课题的研究主要包括两个方面, 一是测即获取土壤水分信息, 并根据土壤水分信息及作物需水特性来决定灌溉时间与灌溉量的多少。这将摆脱以往仅凭经验灌溉的灌溉模式, 使作物灌溉决策建立在科学的基础之上;二是控, 要研究如何根据土壤条件、 土壤水分信息及作物需水特性进行合理的灌溉决策, 即将传统的凭经验由人工手动阀门控制灌溉方式改为自动进行适时适量、 按需精确灌溉控制, 从而达到提高水的利用效率、 优质高产、 节省大量人力, 实现高效农业的目的。
2方案研究与论证
2.1研究方案选择
国外一些先进国家, 如美国、 以色列和加拿大等, 运用先进的电子技术、 计算机和控制技术, 在节水灌溉技术方面起步较早, 并日趋成熟。这些国家从最早的水力控制、 机械控制, 到后来的机械电子混合协调式控制, 到当前应用广泛的计算机控制、 模糊控制和神经网络控制等, 控制精度和智能化程度越来越高, 可靠性也越来越好〔211。要想在依据中国国情与节水灌溉现状的基础上, 吸收国外研究成果, 研制出一种依据对农作物生长土壤水分含量的不间断的实时检测的结果, 根据作物需水特性, 实现适时, 按需精确灌溉的自动控制设备, 就需要对各种技术进行研究分析。当前, 在国际上技术比较成熟、 应用较广的灌溉控制技术主要有两种:专家系统与微机测控技术。下面就对这两种方法进行比较研究, 寻找一个适合中国国情的, 应用于设施农业、 着眼于未来农业现代化发展的自动化节水灌溉研究方案。
2.2专家系统
专家系统是一个模拟人脑思维方式, 以知识为基础的计算机软件系统。其特点在于把人(专家)在解决生产实际问题过程中所使用的启发性知识、 判断性知识分成事实和规则, 以一定的知识表示形式存入计算机, 建立知识库, 并采用合适的产生式系统(ProductionSystem), 按输入的原始数据, 选择合适的规则, 进行推理、 演绎, 作出专家级的智能判断与决策。而且它的最大特点, 可代表一个专门生产领域的专家群体, 对该生产领域内的实际问题提供专家们的咨询、 决策意见圈。将专家系统应用于农业就形成了农业专家系统。农业专家系统以农业专家的知识和经验为系统的核心, 运用计算机技术, 克服时空限制, 在较短的时间内得以广泛地应用, 使专家的知识和经验变为生产力工周。能够说农业专家系统是一种拥有高层次、 多方面农业专家知识, 它并能模仿人类推理过程, 在计算机上以形象、 直观的方式向用户提供各种农业问题决策咨询服务的实用软件, 与人类专家相比, 拥有综合性的知识和高速处理知识的本事, 且不受时间、 空间的限制和人类情感的影响。
专家系统应用于节水灌溉也是以丰富的种植经验为基础的, 例如, 在已有经验上, 将已知的作物生长各阶段的需水量, 生长状态、 各阶段可能遇到的气候与自然条件等决定灌溉的详细信息输入计算机, 按照一定的法则划分成各项细则存储在计算机中。当进行控制时, 就将己获得的作物生长状态、 气候条件等输入计算机, 计算机经过计算推理, 把它划分归属于某一细则, 再按这一细则的要求, 如灌溉量和灌溉时间, 进行灌溉。如从荷兰引进的大棚花卉种植专家系统, 由于多年的种植经验, 对某种花卉的生长过程十分熟悉, 将其生长过程细节输入计算机, 由计算机经过推理计算来决定其灌溉与施肥。
由此可见, 专家系统能实现作物种植灌溉的完全智能化, 能够代替为数极少的专家群体, 走向地头, 进入农家, 在各地具体地指导农民科学种田, 节省大量人力、 物力, 能实现高效节水, 优质高产。专家系统将是中国未来节水农业发展热点之一。
可是, 在当前情况下专家系统还不能在中国进行推广, 它除了具有上述的优外, 还存在着下述缺点:
(1)专家系统模型大, 开发周期长, 在中国当前科技水平较低情况下投入大量人力、 物力及资金去开发不太可能。
(2)当前国内大部分专家系统依靠进口, 这些引进的专家系统成本高且不适合中国国情, 不能充分发挥其优点。
(3)专家系统开发完全依赖种植专家的经验去控制作物的施肥与灌溉, 它并不对土壤墒情及作物情况进行实时检测。它虽然能代替农业专家, 却并不能摆脱完全凭经验灌溉的种植模式。
(4)专家系统的操作需要具有一定水平的专业人员才能完成, 而中国农业科技水平普遍较低, 缺乏农业科技人员, 这也限制了专家系统的推广。
(5)开发受限制, 单一性强, 投入过高。一般一个专家系统是针对一种作物开发的, 它要在农业专家提供有关这种作物丰富、 系统的种植经验的基础上才能进行开发, 一旦没有农业专家就无法进行开发, 而农业专家毕竟人数很少。同时, 当需要对多种作物进行监测实施节水灌溉时, 就需要多个专家系统, 这就需要投入很大的资金, 也限制了专家系统的推广。
从上面的分析能够看出, 专家系统虽然具有很多优点, 具有很大的发展潜力, 但它不能满足成本低、 操作简单、 易推广、 能按作物需水量适时、 精准灌溉的研究目标, 因此本课题的研究不能朝专家系统的方向走。
2.1.2微机测控技术
另一种节水灌溉自动控制技术是微机测控技术。它将计算机技术、 传感与检测技术以及通讯技术结合起来, 能够检测土壤墒情、 环境特征, 并依据检测结果来决定灌溉量与灌溉时间, 摆脱了传统的全凭经验灌溉的灌溉模式。
当前在国外, 特别是以色列, 大部分田地都是采用的这种节水灌溉控制方式。国外的这种控制系统一般都很大, 采取大型分布式控制系统。在田间分布各种传感器检测点, 如土壤水分、 温度、 湿度、 光照、 作物蒸腾量等, 检测结果送至微机, 微机对结果进行处理, 然后经过通讯技术, 将处理结果发送至上位机, 即实验室或家里的计算机中, 操作者就能够在家里或实验室里观察到作物生长状况和土壤墒情, 根据经验数据判断作物是否缺水及所需灌溉量与灌溉时间, 然后发出灌溉命令给微机, 微机就能够根据命令控制灌溉量与灌溉时间, 实现高效节水灌
溉。
这种节水灌溉控制系统成本高, 但它的设计思想却很符合本课题的研究要求, 因此能够将其加以简化, 降低其成本, 这样就能设计出符合中国国情的, 易推广的, 能按作物需水特征实现按需、 精确灌溉的节水灌溉控制系统。
首先, 不采用上位机通讯控制。因为在中国农业设施普遍简陋的情况下, 推广上述计算机控制的灌溉系统还不现实, 只要采用单片机在田间进行检测与控制就能够了。这样能够大大减少成本, 而且还能够预留一个通讯接口, 在需要或是有条件时也能够实现与上位机的通讯, 十分的方便。
其次, 使用传感器测量土壤及作物参数并尽量减少测量参数的数量, 只选择一些常见的灌溉参数进行测量, 这样既能使控制系统具有一定的广泛适用性, 同时又能够减少传感器的数量, 降低成本。
设计一个节水灌溉控制系统能否做到因地制宜主要用四条标准加以衡量。其一是否节水, 其二是否减轻农民负担, 其三是否增效(短期内收回投资, 且提高效益), 其四是否推广得开〔27J。根据这四个标准能够来判断上述拟采用的研究方案是可行的。
2.3设计方案
节水灌溉自动控制系统的研究方案是将传感技术与单片机控制相结合, 设计一个简单、 低成本、 易推广的控制系统, 能够实时检测土壤及作物的一些灌溉控制参数, 根据检测结果实现按需、 精准灌溉, 到达高效节水、 优质高产的目的。整个控制系统主要应该有四个模块:检测模块、 数据处理模块、 数字模块及控制模块。
为实现研究目的, 在系统设计时需要考虑下面几个问题。
1、 测量参数
不同的作物对水分的需求量是不一样的。按需、 精准灌溉就是要根据作物的需水特性来控制灌溉量, 使土壤的含水量能刚好达到作物的需求。这样做的目的不但仅是节水, 还能促使作物更好的生长, 达到优质高产。因为对作物来说, 土壤含水量并不是越多越好, 对某些作物来说, 水分太多反而会抑制生长, 适量的水分对作物的生长才是最有益的。
要实现按需、 精准灌溉, 土壤水分是必须测量的最主要的参数。水分是天然土壤的一个重要组成部分, 它不但影响土壤的物理性质, 制约着土壤中养分的溶解、 转移和微生物的活动, 是构成土壤肥力的一个重要因素, 而且它本身更是一切植物赖以生存的基本条件。准确及时测定土壤水分含量有利于研究和了解土壤水分动态变化规律和空间立体分布;同时, 掌握不同作物在同一时期对土壤水含量的不同要求, 同一作物在不同时期对土壤水分含量的不同要求以及土壤水分含量对作物产量的影响, 这在理论和生产上都有着重要的意义, 例如, 进行耕耘、 灌溉、 施肥等各种农业措施时, 一般都需要考虑土壤水分状况, 特别是在进行灌溉、 排水规划设计时, 更需要掌握土壤水分的状况及其动态。能够准确及时地测定出土壤水分含量, 对适时适量地进行灌溉和排水有着重要的作用〔28]。另外, 土壤中过多的有害物质也靠水的淡化来排除。由以上的分析能够看出, 对作物生长来说土壤水分是所有参数中最重要的, 是必须测量的。
除了土壤水分外, 土壤温度也是决定是否灌溉的一个重要参数, 因为温度过低, 灌溉会冻伤作物的根系, 因此, 必须要监测土壤温度, 在土壤温度过低时就停止浇水。
2、 传感器数量
针对土壤情况不同, 需要的传感器数量是不一样的。有的土壤一致性好, 只需一个传感器测量土壤墒情就可, 但有的土壤一致性差, 就需要多支传感器来测量土壤墒情。同时, 土壤的面积有大有小, 也决定了需要不同数量的传感器。因此, 控制系统在设计时要配备多支传感器。而且, 配备多支传感器也能增强控制系统功能, 能够同时控制不同作物的灌溉。可是, 传感器的数量也不能太多, 传感器路数太多也会增加控制系统的成本。在控制系统设计时要综合考虑所需配备的传感器数量。
3、 作物缺水判断
不同的作物对水分的需求是不同的;周围环境不同, 作物的需水量也会有所不同;即使同一作物, 在不同生长阶段对水分的需求也不同。中国的作物有几千种, 不同的作物有不同的缺水状况:中国面积广大, 气候条件变化无常。怎样才能使控制系统适应不同的作物, 在不同气候条件和不同季节都能实现按需灌溉, 这是控制系统通用性设计最主要要解决的问题。如果解决不好, 控制系统也就失去了其推广的意义。
4、 灌溉控制方式
当前中国各个设施农业中灌溉系统的水状况不一样, 有的采用电机控制水流、 有的采用水泵加压后才能进行灌溉, 有的采用电磁阀代替手动阀门控制水流灌溉。因此, 控制系统在设计时要考虑到控制信号的通用性, 既能控制电机、 水泵, 又能控制电磁阀。
中国面积广大, 土壤种类很多, 不同的土质渗水能力不一样, 比如砂土, 渗水能力很强, 水分能够很快地渗入作物根部, 水分传感器能及时的测出灌溉后的土壤含水量;而粘土渗水能力较弱, 灌溉后水分堆积在地表层, 要经过一段时间才能渗到土壤根部, 水分传感器就不能及时正确测出土壤含水量, 就会导致浇水过多, 浪费水资源。因此, 要提高控制系统的通用性, 在设计时就要考虑如何使控制系统的灌溉控制满足不同土壤的需求。
3系统设计
3.1土壤水分的测量
3.1.1测量方法的选择
土壤水分是土壤的重要组成部分, 它是农作物生长所需水分的主要供给源。土壤水分还参与土壤中许多重要的物理、 化学和生物过程, 同时它又是多种营养元素的溶剂, 对作物生长起着十分重要的作用。土壤水分的测量是实施节水灌溉、 按需灌溉的基础。随着科技的不断发展, 土壤水分测量的方法不断发展变化, 当前测量水分的方法大致可分为两类, 即直接测量法和间接测量法。直接法经过干燥或化学反应后直接测出绝对含水量, 间接法则经过测量与水分变化相关的物理量
间接地测量水分含量。现代实用的土壤水分测量方法有采土烘干法、 石膏电极法、 电阻法、 中子探测法及土壤水分传感器法。土壤水分的测量方法虽然很多, 但必须要选择一个简单实用、 测量准确、 成本低的测量方法, 才能使节水灌溉自动控制设备具有实现性与易推广性。下面就对常见的几种测量方法进行分析比较, 以找到一个简单实用、 测量可靠、 成本相对较低的土壤水分测量方法。
1、 采土烘干法
采土烘干法是当前国际上测量土壤水分的标准方法。烘干法测量的是土壤重量含水量, 即取土样放入烘箱, 烘至恒重, 此时土壤水分中自由态水以蒸气形式全部散失掉, 再称重量, 从而获得土壤水分含量。重量法一般还有所谓的快速测定法, 其程序与常规法相同, 实质仍是采用一些手段使土样烘至恒重的时间尽可能缩短, 如酒精燃烧法、 红外法、 炉烤法等, 这些方法一般要求样品不能太重(59左右), 因而样品的代表性和试验结果的准确性较差, 为了减小误差, 常要求平行测定2~3次, 取其算术平均值, 这样实际上又增大了测定工作量, 延长了测定时间。当前微波炉烘烤法, 既节约时间, 又满足误差实际要求, 是烤干法较好的选择。
烘干法是当前测定土壤含水量最常见的一种方法, 它简单易行, 对设备要求不严, 有足够的精度, 就样品本身而言结果可靠, 是土壤水分测定的基本方法, 也是检验其它方法与其对比的基础, 可是使用此类方法在进行连续土壤水分的测定时, 必须不断地变动取土点, 由于土壤本身的变异性, 使测定结果往往发生很大差异。而且烘干法费时、 费力, 综合费用并不低;取样会破坏土壤, 深层取样困难, 定点测量时不可避免由取样换位而带来误差, 在很多情况下不可能长期定点监测;受土壤空间变异性影响也比较大;如果测量目的是用于灌溉, 还必须知道土壤各层次的容重。对于自动节水灌溉控制来说, 烘干法最主要的缺点就是测量时间较长且必须人工在实验室进行, 不能实现对土壤的墒情进行连续、 长期的在线测量, 难以满足自动节水灌溉控制的测量要求。因此, 采土烘干法是不适宜选择在自动控制节水灌溉中测量土壤水分的。
2、 中子仪法
中子仪法测量结果非常准确, 是称重法之外的第二标准方法, 测量相对比较简单、 容易, 速度也很快。
中子仪的探头是由快中子辐射源和热中子探测器构成, 当探头放入测管时, 中子源不断地放射出快中子, 快中子进入土壤介质与各种原子离子相碰撞, 快中子损失能量, 从而使其慢化。当快中子与氢原子碰撞时, 损失能量最大, 更易于慢化, 土壤中水分含量越高, 氢就越多, 从而慢中子云密度就越大。中子仪测定水分就是经过测定慢中子云的密度与水分子间的函数关系来确定土壤中的水分含量。利用中子仪测土壤水分含量, 不必采土, 不破坏土壤结构, 并可定点连续监测, 从而得到该样点土壤水分动态运动规律, 且快速准确, 无滞后现象。但中子仪测定时, 室内外曲线差异较大, 且田间不同的土壤物理性质, 如容重不同、 土壤质地不同都会造成曲线较大的移动, 研究表明中子仪垂直分辨率较差, 且表层测量困难, 同时中子仪价格昂贵, 特别是辐射危害健康, 操作者必须经过培训并持有许可证, 而且中子仪对于长期大面积动态监测土壤水分仍几乎不可能, 因此不能广泛应用, 不适宜在自动灌溉控制的土壤水分测量上应用。
3、 电阻法
土壤一般是导电的, 其电阻率随其含水率的变化而变化。电阻法就是根据这个原理测量土壤水分的。电阻法是一项比较古老的方法, 电阻由多孔渗水介质(如石膏、 尼龙、 玻璃纤维)制成, 它的电阻大小与含水量相关。把里面嵌有电极的电阻块放入土壤中, 当电阻块中的水势与土壤水势平衡后, 测量电阻块的电阻, 然后求出土壤水势。电阻块主要是石膏块, 因此此法常称之为石膏块法(GyPsulnBloek)。
当前, 电阻法一般都是经过电阻式土壤水分传感器测量土壤水分的。传感器的结构如图3.1, 其实体是由质地均匀的石膏制成的圆柱体.在实体中部埋置有直径不同、 同心安装的两个不锈钢制成的圆筒状电极, 其上引出电极引线。传感器电极不与被测土壤直接接触, 而是经过多孔性材料石膏为中介与土壤水分联系的。
这样做, 是为了避免土壤盐分及测量电极与土壤接触状况对测量的影响。

图3.1电队式土壤水分传感器
电极引线2、 内电极3、 外电极4、 石膏体

测量时, 将传感器埋入被测土壤中(轴线与水平面平行)。土壤水分运动使传感器石膏体的含水量与土壤水形成一定的函数关系。而石膏体含水量的变化将引起置于其中的两电极的介电特性和电阻的变化, 即传感器的介电特性和电阻与土壤水分是相互联系的。
电阻法成本较低, 能够作许多重复, 可不破坏土壤留在田间连续自动监测, 适合于灌溉。可是电阻法有滞后作用, 干燥后电阻块可能与土壤接触不好, 灵敏度也非常低。任何与土壤水分变化无关的土壤电导的变化(如施肥)也会被检测到, 使结果出现偏差, 此法只适合于非盐碱土。当使用直流电的时候, 极化作用会引起电阻块退化速度加快, 长时间后石膏会彻底溶解到土壤溶液中, 土壤含水量越高, 电阻块寿命越短。电阻法受土壤性质影响, 需要标定, 而且标定结果会随着时间发生变化。因此, 电阻法不适合用于长期的土壤监测, 也不能用在控制系统的水分测量中。
4、 频域反射仪法(TDR)
时域反射仪法, 即TDR(TimeDo二inRefleetometry)法是一项高速测量技术, 最早由HIFellner一Feldegg于1969年开发, 用来测量液体介电常数与频率的关系, 自从Topp等人对TDR做出关键性的发展后, 便开始了一个大量使用TDR测量土壤水分的时期。由于TDR测量快速, 一般不需标定, 能够作定位连续测量, 既能够做成轻巧的便携式作野外测量, 又可与计算机相连, 自动完成单个或成批监测点的测量, 因此20世纪90年代后国际上已把TDR作为研究土壤水分的基本仪器设备。
TDR的基本原理是, 高频电磁脉冲沿传输线在土壤中传播的速度依赖于土壤的介电特性。在一定的电磁波频率范围内(50M~10GHz), 矿物质、 空气和水的介电特性为常数, 因此土体的介电常数主要依赖于土壤容积含水量(极微弱地依赖于土壤类型、 紧实度、 束缚水等), 这样能够建立土壤容积含水量与土壤介电常数的经验方程。用一对平行棒或金属线作为导体, 土壤作为电介质, 一对棒起波导管的作用, 电磁波信号在土壤中以平面波传导, 经传输线一端返到TDR接收器, 分析传导
速度和振幅变化, 根据速度与介电常数的关系、 介电常数与体积含水量之间的函数关系而得出土壤含水量。
TDR为当前测量土壤含水量的主流方法。TDR可对土壤样品快速、 连续、 准确地测量, 平均分辨率0.02~O, OO5cma/cma。一般不需标定, 测量范围广(含水量O一100%), 操作简便, 野外和室内都可使用, 可做成手持式的进行田间即时测量, 也可经过导线远距离多点自动监测。导波棒能够单独留在土壤中好几年, 需要的时候再连上TDR测量;导波棒可做成不同形状以适应不同情况, 长度一般10~200cm。TDR能够测量表层土壤含水量。
TDR测量结果受土壤盐度影响很小, 但当含盐量增加后, 脉冲信号从导波棒末端的反射会减弱, 在测量高有机质含量土壤、 高2:l型粘土矿物含量土壤、 容重特别高或特别低的土壤时, 需要标定。TDR最大的缺点是电路复杂, 导致设备昂贵, 仪器主要依赖进口, 虽然国内当前也有生产, 价格可降至进口的一半, 但价格依然昂贵, 在控制系统要求成本低的条件下也不适宜用TDR法测量土壤水分。
与TDR方法类似的还有频域反射法, 即FDR(FrequeneyDo阳inRefleet。metry), 测量土壤含水量的原理与TDR类似。FDR的传感器主要由一对电极(平行排列的金属棒或圆形金属环)组成一个电容, 其间的土壤充当电介质, 电容与振荡器组成一个调谐电路, 振荡器工作频率随土壤电容的增加而降低, 厕士算后容随土壤含水量的增加而增加, 于是振荡器频率与土壤含水量呈非线性反比关系。FDR使用扫频频率来检测共振频率(此时振幅最大), 土壤含水量不同, 发生共振的频率不同。如果使用固定频率, 经过测量其标准波的频率变化来测量土壤含水量, 这类方法严格地说不是FDR, 一般称为电容法。
FDR法具有比TDR法更多的优点, 但同时也具有TDR的缺点, 就是设备价格昂贵, 在追求低成本的自动控制节水灌溉设备中是不适宜使用的。
5、 负压式传感器法
负压式传感器法就是利用土壤水吸力传感器测量土壤水吸力来获知土壤含水量的方法。
土壤水吸力传感器的关键部件是细孔毛瓷杯, 即陶土头, 其上的毛细孔径约1.0~1.5pm, 细孔毛瓷杯内装满无气水, 与土壤紧密接触, 杯内自由水经过杯壁孔隙与土壤水接触, 当土壤水分与瓷杯内水分不平衡时, 水和盐就能够无阻碍地进出瓷杯, 与土壤达到平衡, 而在杯内就会负压, 这个负压等于土壤的水吸力。土壤水吸力与土壤含水量是有一定关系的, 土壤含水量越小, 吸力越大;土壤含水量越多, 吸力越小, 因此, 经过测量土壤水吸力能够知道土壤含水量。负压式传感器法在土壤比较湿润的情况下测量土壤水吸力很准确, 受土壤空间变异性的影响比较小, 是一种低成本的直接测量方法, 能够连续测量土壤含水量。
与其它的测量方法比起来, 用负压式传感器法测定土壤水分具有田间原位测定、 快速直读、 不破坏土壤结构、 价格低廉、 无放射性物质、 安全可靠、 便于长期观测和积累田间水势资料等优点。特别是能够利用压阻传感器将土壤水吸力转换为电信号输出, 便于进行数字化处理和与计算机接口, 有利于实现用计算机对土壤水分的自动监测。因此, 在自动灌溉控制系统中使用负压式传感器法测量土壤水分是最恰当的选择。
3.1.2传感器的改进
3.2.1传感器原理
负压式土壤水分传感器由集气管、 压阻式传感器和陶土头等部件组成。集气管上端为注水口, 用密封盖盖紧, 旁侧有一个接口与压阻式传感器联接, 下端与陶土头相连, 集气管中充满无气水。传感器结构如图3.2所示。

图3.2土壤水吸力传感器结构示意图

陶土头是负压式土壤水分传感器的感应部件, 具有许多细小的孔隙, 陶土头被水浸润后, 在孔隙中形成一层水膜。当传感器充满无气水而且密封后, 将陶土头部分插入水分不饱和土壤时(注意, 陶土头要与土壤紧密接触, 否则测量不准确), 水膜便与土壤水连结起来, 使传感器内部产生负压。压阻式传感器将负压转换成电压信号, 二者呈线性关系, 根据测得的电压即可转换成土壤水吸力。
集气管的长度要根据不同作物根系分布深度的不同来选择。
压阻式传感器是土壤水吸力传感器的关键部件, 所测数据的精度主要取决于它的性能。本课题中选用的压阻式传感器的测量范围为O~IOOKPa, 精度为功.05%, 采用1.smA恒流供电(电缆短时也可采用恒压供电方式)。传感器的输入输出阻抗均为3K。
由于压阻式传感器的性能有一定的离散性, 因此, 对于压阻式传感器的吸力值与输出电压值之间的关系需要标定。
负压式土壤水分传感器直接测出的是土壤水吸力而不是土壤含水率, 可是由于多年的使用经验积累已经得出部分常见作物需灌溉时的土壤负压范围, 因此不需要再将土壤水吸力转换为土壤水分。部分植物需灌溉时对应的土壤负压值范围如表1所示。
表1部分植物需灌溉时的土壤负压值范围

3.1.2.2传感器的改进
一、 传感器存在的问题
负压式土壤水分传感器虽然能够实时监测土壤水分, 但实际使用过程还存在几个缺点, 必须要进行改进。
(1)不一致性, 这是由于压阻传感器具有离散性造成的。在O一10OKPa测量范围内, 各负压式土壤水分传感器的输出电压不尽相同。这就要求每使用一个传感器都要调整控制系统中对传感器输出电压信号的处理电路。当一个传感器坏掉要换新的传感器时, 就要重新调整信号处理电路, 这就限制了自动灌溉控制系统的适用性, 不利于推广。
(2)负压式土壤水分传感器的输出信号是电压, 而电压在长线传输过程中易损耗且易受干扰, 影响了测量的准确性。
(3)负压式土壤水分传感器采用四线制传输信号, 其中两线传送电源信号, 另外两线传送电压输出信号。四线制导线较贵, 而自动控制系统在田间工作一般会离测量点较远, 需要很长四线制导线, 测试点越多越远, 需要的四线制导线就越多越长, 这无形中增加了自动控制节水灌溉设备的成本。而且电压传输信号易受干扰, 长线传输时有压降, 会产生测量误差。
(4)负压式土壤水分传感器的陶土头与塑料管的连接是采用强力胶粘合, 在连接处没有任何保护装置, 容易折断。陶土头本身也比较脆弱, 强度不够, 也易折断。
(5)负压式土壤水分传感器的集气管与塑料管里充的是无气水, 每隔一段时间就要网传感器里充无气水, 在高温天气充水会更加频繁。如果种一季庄稼就要充几十次水就会显得很麻烦。同时, 在充水时要拧开密封盖, 在拧松密封盖时容易使陶土头与周围土壤产生松动。陶土头一旦与周围土壤稍微松动就会影响测量结果, 有可能使控制系统灌溉控制不准确。
二、 传感器的改进
(1)电路的改进
针对负压式土壤水分传感器的第一个问题, 能够采用输出信号就地处理转换的方法进行改进, 即将传感器输出信号的处理电路放在负压式土壤水分传感器上, 这样只要在使用传感器时只要调整传感器上的信号处理电路, 使其输出信号与压力值关系一定, 而不需要再去调节自动控制系统的电路, 增加了控制系统的可推广性。解决传感器第二个问题能够采用将电压转换为电流传输的方法, 电流传输不易受干扰, 比电压可靠。第三个四线制导线问题能够改进两线制导线传输信号,
市场上两线制导线的成本要比四线制便宜很多。综合上面三个问题的改进方法就能够的到一个改进负压式土壤水分传感器性能的方案, 即将传感器的四线制电压传输就地转换为标准的两线制4~20毗电流信号传送。这将简化控制系统的设计并增强它的通用性。
两线制的压力变送电路如图3.3所示。

图3.3两线制压力变送电路

变送电路采用24V直流电源供电, 24V电源经过反相保护二极管(DI)给运放和三极管供电。电路中的电桥为模拟的压阻传感器的电源输入与信号输出。
压阻传感器需要1.smA的恒流源供电, 因此, 在变送电路中需要一个恒流源电路给压阻传感器供电。运放Al与可变电阻RS3组成了一个恒流源, A1的同相端接到可变电阻RSI的可调端, 输出电流与A1同相端输入电压的的关系如式3.1所示:
I=UA一+/RS3(3.1)
经过稳压管Ql与RSI给A1的同相端提供一个恒定的电压UAI*, 则输出电流由邓3决定, 调整RS3就可调整输出电流为1.5mA。
压阻传感器输出的电压信号是未经放大的, 电压值非常小, 不便于电流转换, 因此变送电路还需要一个电压放大电路。同相串联差动运算放大器具有抑制共模压效果好、 输入阻抗高的优点, 因此变送电路采用了同相串联差动运算放大器对输出电压信号进行放大。变送电路中A2和A3、 R2、 R3、 R4、 R5、 RS4共同组成了同相串联差动运算放大器。

差放的输入与输出电压的关系由式3.3决定
AI、 为参考电压, 它能够抬高输出电平, RS4能够用来调节增益。A4与三极管Q2的组合将差放的输出电压转换为电流。R9为采样电阻, 将输出反馈到输入端, 以此调节输出电流。A4的反向端接到RSZ的滑动端, 调节RSZ就能够调节零压力时输出电流为4mA, 调节RS4就可使压力与输出电流满足一定的关系。
这样设计的好处在于:变送器调零电位器的滑臂位置不会影响放大器和电压/电流变换相应电阻的匹配性, 同时在零位校准后, A4两输入端的共模电压即是某确定值, 而不会随压力变化, 因而对A4共模抑制比的要求能够降低。
负压式土壤水分传感器经过上述改进后, 其耐用性与通用性都将得到提高。
2)结构的改进
针对负压式土壤水分传感器的第四和第五个缺点:陶土头易损坏, 加水频繁易导致陶土头与土壤产生松动, 就要对负压式土壤水分传感器进行结构上的改进, 使其能在结构上保护陶土头不受损坏;使充水变得容易, 不破坏陶土头与土壤的紧密程度;延长充水周期, 最好能在种完一季庄稼的过程中不用充水。基于以上的考虑, 下面就对传感器的结构改进进行分析设计。
①陶土头保护结构
负压式土壤水分传感器的陶土头较脆弱, 易损坏, 其与塑料管的连接处易折断, 这是由陶土头本身的材料性质所决定的, 不能改变陶土头的材料, 因此只能在陶土头的外边加一个保护结构, 使其能避免被碰撞。在设计陶土头保护结构时要考虑到陶土头是经过与土壤接触来测量土壤水吸力的, 因此陶土头保护结构不能阻碍其与土壤之间的紧密接触。
陶土头的保护结构如图3.4所示。

图3.4陶土头保护装置

如图, 整个装置由不锈钢的细钢条做成, 三根细钢条围成陶土头的形状, 围成的圆的直径要比陶土头的直径略大, 长度也要比陶土头的稍长, 使螺孔的位置在陶土头与塑料管的连接处之上。安装时, 保护装置从下往上套住陶土头, 并用三个螺钉夹住塑料管以固定保护装置。
陶土头装上这个保护装置后, 它与连接处就处于不锈钢条的保护之下, 若是与其它物体碰撞就不容易碰撞到陶土头, 首先