智能化設(shè)施農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)研究樣本

智能化設(shè)施農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)研究1緒論 1.1研究背景國(guó)內(nèi)是一種農(nóng)業(yè)大國(guó)，建國(guó)50年來，農(nóng)業(yè)得到了很大發(fā)展，獲得了以占世界7%耕地養(yǎng)活了世界22%人口舉世矚目成就。但也付出了巨大代價(jià):地下水位下降、河湖干枯、季節(jié)性缺水、江河污染、水土流失和生態(tài)環(huán)境惡化等。當(dāng)前，制約國(guó)內(nèi)農(nóng)業(yè)發(fā)展重要因素是水資源嚴(yán)重局限性。國(guó)內(nèi)水資源總量為2、8萬億m3，人均占有量?jī)H2200擴(kuò)，局限性世界人均水平1/4，居世界第109位。并且國(guó)內(nèi)水資源地區(qū)別布極不均衡，81%水資源集中分布在長(zhǎng)江流域及其以南地區(qū);長(zhǎng)江以北地區(qū)人口和耕地分別占全國(guó)45.3%和64.1%，而水資源僅占全國(guó)19%，人均占有量為517m3;，相稱于全國(guó)人均量1/5和世界人均量1/20，水資源擁有量與生產(chǎn)發(fā)展極不適應(yīng)。據(jù)記錄，進(jìn)入20世紀(jì)90年代以來，國(guó)內(nèi)農(nóng)業(yè)干旱受災(zāi)面積達(dá)2300萬hmZ以上，每年因缺水導(dǎo)致糧食減產(chǎn)1000億kg左右〔l3j。許多都市供水局限性、工農(nóng)業(yè)用水矛盾尖銳。隨著經(jīng)濟(jì)建設(shè)、生態(tài)環(huán)境建設(shè)步伐加快，人們生活水平提高，對(duì)水需求量將更大。國(guó)內(nèi)農(nóng)業(yè)用水面臨資源短缺同步，農(nóng)業(yè)用水揮霍現(xiàn)象卻非常嚴(yán)重。重要體當(dāng)前:一是水運(yùn)用率低，國(guó)內(nèi)灌溉系統(tǒng)對(duì)水資源運(yùn)用當(dāng)前只能達(dá)到0.3~0.4，而發(fā)達(dá)國(guó)家可達(dá)到0.8以上。二是農(nóng)業(yè)水生產(chǎn)率低，灌溉農(nóng)業(yè)糧食作物水生產(chǎn)率局限性Ikg/ma，旱地農(nóng)業(yè)面積占60%左右，降水生產(chǎn)率只有0.3kg/m3~0.4kg/時(shí)。托普物聯(lián)網(wǎng)針對(duì)水資源運(yùn)用率始終在做進(jìn)一步研究，力求研發(fā)出一種能提高水資源運(yùn)用率物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。解決國(guó)內(nèi)農(nóng)業(yè)用水短缺問題有兩種辦法，一種辦法是開發(fā)新水資源以滿足農(nóng)業(yè)用水需求，這種辦法在一定限度上可以緩和國(guó)內(nèi)農(nóng)業(yè)水資源嚴(yán)重短缺現(xiàn)象，但它同步也存在三個(gè)比較大問題，一是開發(fā)水資源所需投資非常大，并且見效慢，受地理?xiàng)l件和資金等限制較大，短期內(nèi)不能解決大面積農(nóng)田灌溉問題;二是開發(fā)水資源能解決農(nóng)業(yè)用水短缺問題卻解決不了農(nóng)業(yè)用水揮霍問題，依照當(dāng)前國(guó)內(nèi)農(nóng)業(yè)水資源運(yùn)用率來看，耗費(fèi)了大量資金和人力去開發(fā)水資源，成果運(yùn)用率只有35%左右，導(dǎo)致大量人力、資金與水資源揮霍;三是國(guó)內(nèi)水資源畢竟有限，而農(nóng)業(yè)發(fā)展是長(zhǎng)期，靠開發(fā)水資源來解決農(nóng)業(yè)缺水問題是不現(xiàn)實(shí)。另一種解決農(nóng)業(yè)用水短缺問題辦法是發(fā)展節(jié)水灌溉。節(jié)水灌溉是遵循作物不同生長(zhǎng)發(fā)育階段需求規(guī)律而進(jìn)行適時(shí)灌溉，運(yùn)用盡量少水獲得盡量多農(nóng)作物產(chǎn)出一種灌溉模式。普通灌溉水從水源到田間要通過幾種環(huán)節(jié)，每個(gè)環(huán)節(jié)中都存在水量無益損耗。凡是在這些環(huán)節(jié)中可以減少水量損失、提高灌溉水使用研究生論文智能化設(shè)施農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)研究效率和經(jīng)濟(jì)效益各種辦法，均屬于節(jié)水灌溉范疇。節(jié)水灌溉技術(shù)能大幅提高水資源運(yùn)用率，在水資源不變狀況下提高作物產(chǎn)量，能實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)，具備較好經(jīng)濟(jì)效益、生態(tài)效益和社會(huì)效益。因而，實(shí)行節(jié)水灌溉，大力普及和應(yīng)用高效節(jié)水灌溉技術(shù)是從主線上解決國(guó)內(nèi)農(nóng)業(yè)缺水問題重要辦法。托普物聯(lián)網(wǎng)研發(fā)節(jié)水灌溉技術(shù)涉及兩方面內(nèi)容:①工程節(jié)水技術(shù):通過對(duì)原有灌溉工程設(shè)施進(jìn)行改造或使用先進(jìn)灌溉工程設(shè)施以達(dá)到減少輸水損失和減少田間用水損失辦法。如渠道防滲、管道輸水、噴灌、微噴灌、滴灌、滲灌等。②灌溉控制技術(shù):通過采用自動(dòng)控制技術(shù)，結(jié)合伙物需水特性、地理環(huán)境、土壤特性與節(jié)水灌溉制度等實(shí)行按需、適時(shí)自動(dòng)灌溉控制。工程節(jié)水技術(shù)重要是從兩個(gè)方面來實(shí)現(xiàn)節(jié)水目，一是減少水在田間傳播過程中滲漏損失，如渠道防滲和管道輸水技術(shù);二是減少灌溉過程中無效灌溉，即均勻灌水或是只對(duì)作物根部附近土壤進(jìn)行溉，普通草地采用噴灌，作物采用微灌技術(shù)。運(yùn)用工程節(jié)水技術(shù)普通可提高水資源運(yùn)用率到50~70%，相對(duì)老式灌溉方式來說已有很大改進(jìn)，但是仍存在30%以上水資源揮霍，且與優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)仍有一段距離。這重要是由于這種灌溉模式依然是靠人工控制，灌溉多少全憑經(jīng)驗(yàn)，不能實(shí)現(xiàn)按作物需水特性精準(zhǔn)、高效灌溉。這就使得人因素成為影響水資源運(yùn)用率重要因素，當(dāng)經(jīng)驗(yàn)較豐富、較精確時(shí)，水運(yùn)用率就高，當(dāng)欠缺經(jīng)驗(yàn)時(shí)水運(yùn)用率就低。而灌溉控制技術(shù)發(fā)展正可以彌補(bǔ)工程節(jié)水技術(shù)這一缺陷，它采用先進(jìn)科學(xué)技術(shù)，檢測(cè)土壤墑情，依照地理環(huán)境和作物生長(zhǎng)需水特性按需、精準(zhǔn)灌溉，可大大提高水資源運(yùn)用率，實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)。灌溉控制技術(shù)使人們掙脫了老式全憑經(jīng)驗(yàn)灌溉模式，達(dá)到了高效節(jié)水灌溉目，對(duì)緩和國(guó)內(nèi)農(nóng)業(yè)用水短缺現(xiàn)象具備非常重要意義。1.2國(guó)內(nèi)外研究狀況灌溉自動(dòng)化始于20世紀(jì)30年代，二次世界大戰(zhàn)前.法國(guó)研制了一系列用以實(shí)行渠系自動(dòng)化運(yùn)營(yíng)水力自動(dòng)閘門，并提出了一套比較完整自動(dòng)化灌溉控制辦法，開了自動(dòng)化灌溉先河。20世紀(jì)50年代以來，隨著電子學(xué)和計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用和發(fā)展，運(yùn)用電子設(shè)備、計(jì)算機(jī)設(shè)備和程序控制灌排工程自動(dòng)化技術(shù)也得到了同步發(fā)展，并在法國(guó)、美國(guó)、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家乃至某些發(fā)展中華人民共和國(guó)家得到了日益廣泛應(yīng)用和發(fā)展，控制模式也由初期本地控制發(fā)展到可以實(shí)現(xiàn)遙測(cè)、遙控集中控制模式。1.3本課題研究工作綜合農(nóng)作物生長(zhǎng)過程對(duì)外部環(huán)境重要規(guī)定，采用科學(xué)控制辦法且具備廣泛用途節(jié)水灌溉系統(tǒng)，是節(jié)水灌溉科學(xué)實(shí)行核心問題?；诖?，本課題重要內(nèi)容是研制開發(fā)適合國(guó)內(nèi)國(guó)情、低成本、易推廣、重要應(yīng)用于溫室大棚節(jié)水灌溉自動(dòng)控制系統(tǒng)，為實(shí)現(xiàn)國(guó)內(nèi)農(nóng)業(yè)高效節(jié)水灌溉提供技術(shù)裝備。由于不同農(nóng)作物有不同需水特性，灌水時(shí)間、灌水量既影響農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量，也影響農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量，因而，設(shè)施農(nóng)業(yè)高效節(jié)水灌溉自動(dòng)控制技術(shù)重要是向適時(shí)適量、按需灌溉方向發(fā)展。因此，本課題研究重要涉及兩個(gè)方面，一是測(cè)即獲取土壤水分信息，并依照土壤水分信息及作物需水特性來決定灌溉時(shí)間與灌溉量多少。這將掙脫以往僅憑經(jīng)驗(yàn)灌溉灌溉模式，使作物灌溉決策建立在科學(xué)基本之上;二是控，要研究如何依照土壤條件、土壤水分信息及作物需水特性進(jìn)行合理灌溉決策，即將老式憑經(jīng)驗(yàn)由人工手動(dòng)閥門控制灌溉方式改為自動(dòng)進(jìn)行適時(shí)適量、按需精準(zhǔn)灌溉控制，從而達(dá)到提高水運(yùn)用效率、優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)、節(jié)約大量人力，實(shí)現(xiàn)高效農(nóng)業(yè)目。2方案研究與論證2.1研究方案選取國(guó)外某些先進(jìn)國(guó)家，如美國(guó)、以色列和加拿大等，運(yùn)用先進(jìn)電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)和控制技術(shù)，在節(jié)水灌溉技術(shù)方面起步較早，并日趨成熟。這些國(guó)家從最早水力控制、機(jī)械控制，到日后機(jī)械電子混合協(xié)調(diào)式控制，到當(dāng)前應(yīng)用廣泛計(jì)算機(jī)控制、模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等，控制精度和智能化限度越來越高，可靠性也越來越好〔211。要想在根據(jù)國(guó)內(nèi)國(guó)情與節(jié)水灌溉現(xiàn)狀基本上，吸取國(guó)外研究成果，研制出一種根據(jù)對(duì)農(nóng)作物生長(zhǎng)土壤水分含量不間斷實(shí)時(shí)檢測(cè)成果，依照作物需水特性，實(shí)現(xiàn)適時(shí)，按需精準(zhǔn)灌溉自動(dòng)控制設(shè)備，就需要對(duì)各種技術(shù)進(jìn)行研究分析。當(dāng)前，在國(guó)際上技術(shù)比較成熟、應(yīng)用較廣灌溉控制技術(shù)重要有兩種:專家系統(tǒng)與微機(jī)測(cè)控技術(shù)。下面就對(duì)這兩種辦法進(jìn)行比較研究，尋找一種適合國(guó)內(nèi)國(guó)情，應(yīng)用于設(shè)施農(nóng)業(yè)、著眼于將來農(nóng)業(yè)當(dāng)代化發(fā)展自動(dòng)化節(jié)水灌溉研究方案。2.2專家系統(tǒng)專家系統(tǒng)是一種模仿人腦思維方式，以知識(shí)為基本計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)。其特點(diǎn)在于把人(專家)在解決生產(chǎn)實(shí)際問題過程中所使用啟發(fā)性知識(shí)、判斷性知識(shí)提成事實(shí)和規(guī)則，以一定知識(shí)表達(dá)形式存入計(jì)算機(jī)，建立知識(shí)庫(kù)，并采用適當(dāng)產(chǎn)生式系統(tǒng)(ProductionSystem)，按輸入原始數(shù)據(jù)，選取適當(dāng)規(guī)則，進(jìn)行推理、演繹，作出專家級(jí)智能判斷與決策。并且它最大特點(diǎn)，可代表一種專門生產(chǎn)領(lǐng)域?qū)＜胰后w，對(duì)該生產(chǎn)領(lǐng)域內(nèi)實(shí)際問題提供專家們征詢、決策意見圈。將專家系統(tǒng)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)就形成了農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)。農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)以農(nóng)業(yè)專家知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)為系統(tǒng)核心，運(yùn)用計(jì)算機(jī)技術(shù)，克服時(shí)空限制，在較短時(shí)間內(nèi)得以廣泛地應(yīng)用，使專家知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)變?yōu)樯a(chǎn)力工周?？梢哉f農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)是一種擁有高層次、多方面農(nóng)業(yè)專家知識(shí)，它并能模仿人類推理過程，在計(jì)算機(jī)上以形象、直觀方式向顧客提供各種農(nóng)業(yè)問題決策征詢服務(wù)實(shí)用軟件，與人類專家相比，擁有綜合性知識(shí)和高速解決知識(shí)本領(lǐng)，且不受時(shí)間、空間限制和人類情感影響。專家系統(tǒng)應(yīng)用于節(jié)水灌溉也是以豐富種植經(jīng)驗(yàn)為基本，例如，在已有經(jīng)驗(yàn)上，將已知作物生長(zhǎng)各階段需水量，生長(zhǎng)狀態(tài)、各階段也許遇到氣候與自然條件等決定灌溉詳細(xì)信息輸入計(jì)算機(jī)，按照一定法則劃提成各項(xiàng)細(xì)則存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)中。當(dāng)進(jìn)行控制時(shí)，就將己獲得作物生長(zhǎng)狀態(tài)、氣候條件等輸入計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)通過計(jì)算推理，把它劃分歸屬于某一細(xì)則，再按這一細(xì)則規(guī)定，如灌溉量和灌溉時(shí)間，進(jìn)行灌溉。如從荷蘭引進(jìn)大棚花卉種植專家系統(tǒng)，由于近年種植經(jīng)驗(yàn)，對(duì)某種花卉生長(zhǎng)過程十分熟悉，將其生長(zhǎng)過程細(xì)節(jié)輸入計(jì)算機(jī)，由計(jì)算機(jī)通過推理計(jì)算來決定其灌溉與施肥。由此可見，專家系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)作物種植灌溉完全智能化，可以代替為數(shù)很少專家群體，走向地頭，進(jìn)入農(nóng)家，在各地詳細(xì)地指引農(nóng)民科學(xué)種田，節(jié)約大量人力、物力，能實(shí)現(xiàn)高效節(jié)水，優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)。專家系統(tǒng)將是國(guó)內(nèi)將來節(jié)水農(nóng)業(yè)發(fā)展熱點(diǎn)之一。但是，在當(dāng)前狀況下專家系統(tǒng)還不能在國(guó)內(nèi)進(jìn)行推廣，它除了具備上述優(yōu)外，還存在著下述缺陷:(1)專家系統(tǒng)模型大，開發(fā)周期長(zhǎng)，在國(guó)內(nèi)當(dāng)前科技水平較低狀況下投入大量人力、物力及資金去開發(fā)不太也許。(2)當(dāng)前國(guó)內(nèi)大某些專家系統(tǒng)依托進(jìn)口，這些引進(jìn)專家系統(tǒng)成本高且不適合國(guó)內(nèi)國(guó)情，不能充分發(fā)揮其長(zhǎng)處。(3)專家系統(tǒng)開發(fā)完全依賴種植專家經(jīng)驗(yàn)去控制作物施肥與灌溉，它并不對(duì)土壤墑情及作物狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)。它雖然能代替農(nóng)業(yè)專家，卻并不能掙脫完全憑經(jīng)驗(yàn)灌溉種植模式。(4)專家系統(tǒng)操作需要具備一定水平專業(yè)人員才干完畢，而國(guó)內(nèi)農(nóng)業(yè)科技水平普遍較低，缺少農(nóng)業(yè)科技人員，這也限制了專家系統(tǒng)推廣。(5)開發(fā)受限制，單一性強(qiáng)，投入過高。普通一種專家系統(tǒng)是針對(duì)一種作物開發(fā)，它要在農(nóng)業(yè)專家提供關(guān)于這種作物豐富、系統(tǒng)種植經(jīng)驗(yàn)基本上才干進(jìn)行開發(fā)，一旦沒有農(nóng)業(yè)專家就無法進(jìn)行開發(fā)，而農(nóng)業(yè)專家畢竟人數(shù)很少。同步，當(dāng)需要對(duì)各種作物進(jìn)行監(jiān)測(cè)實(shí)行節(jié)水灌溉時(shí)，就需要各種專家系統(tǒng)，這就需要投入很大資金，也限制了專家系統(tǒng)推廣。從上面分析可以看出，專家系統(tǒng)雖然具備諸多長(zhǎng)處，具備很大發(fā)展?jié)摿?，但它不能滿足成本低、操作簡(jiǎn)樸、易推廣、能按作物需水量適時(shí)、精準(zhǔn)灌溉研究目的，因而本課題研究不能朝專家系統(tǒng)方向走。2.1.2微機(jī)測(cè)控技術(shù)另一種節(jié)水灌溉自動(dòng)控制技術(shù)是微機(jī)測(cè)控技術(shù)。它將計(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感與檢測(cè)技術(shù)以及通訊技術(shù)結(jié)合起來，可以檢測(cè)土壤墑情、環(huán)境特性，并根據(jù)檢測(cè)成果來決定灌溉量與灌溉時(shí)間，掙脫了老式全憑經(jīng)驗(yàn)灌溉灌溉模式。當(dāng)前在國(guó)外，特別是以色列，大某些田地都是采用這種節(jié)水灌溉控制方式。國(guó)外這種控制系統(tǒng)普通都很大，采用大型分布式控制系統(tǒng)。在田間分布各種傳感器檢測(cè)點(diǎn)，如土壤水分、溫度、濕度、光照、作物蒸騰量等，檢測(cè)成果送至微機(jī)，微機(jī)對(duì)成果進(jìn)行解決，然后通過通訊技術(shù)，將解決成果發(fā)送至上位機(jī)，即實(shí)驗(yàn)室或家里計(jì)算機(jī)中，操作者就可以在家里或?qū)嶒?yàn)室里觀測(cè)到作物生長(zhǎng)狀況和土壤墑情，依照經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)判斷作物與否缺水及所需灌溉量與灌溉時(shí)間，然后發(fā)出灌溉命令給微機(jī)，微機(jī)就可以依照命令控制灌溉量與灌溉時(shí)間，實(shí)現(xiàn)高效節(jié)水灌溉。這種節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)成本高，但它設(shè)計(jì)思想?yún)s很符合本課題研究規(guī)定，因而可以將其加以簡(jiǎn)化，減少其成本，這樣就能設(shè)計(jì)出符合國(guó)內(nèi)國(guó)情，易推廣，能按作物需水特性實(shí)現(xiàn)按需、精準(zhǔn)灌溉節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)。一方面，不采用上位機(jī)通訊控制。由于在國(guó)內(nèi)農(nóng)業(yè)設(shè)施普遍簡(jiǎn)陋狀況下，推廣上述計(jì)算機(jī)控制灌溉系統(tǒng)還不現(xiàn)實(shí)，只要采用單片機(jī)在田間進(jìn)行檢測(cè)與控制就可以了。這樣可以大大減少成本，并且還可以預(yù)留一種通訊接口，在需要或是有條件時(shí)也可以實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)通訊，十分以便。另一方面，使用傳感器測(cè)量土壤及作物參數(shù)并盡量減少測(cè)量參數(shù)數(shù)量，只選取某些慣用灌溉參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，這樣既能使控制系統(tǒng)具備一定廣泛合用性，同步又可以減少傳感器數(shù)量，減少成本。設(shè)計(jì)一種節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)能否做到因地制宜重要用四條原則加以衡量。其一與否節(jié)水，其二與否減輕農(nóng)民承擔(dān)，其三與否增效(短期內(nèi)收回投資，且提高效益)，其四與否推廣得開〔27J。依照這四個(gè)原則可以來判斷上述擬采用研究方案是可行。2.3設(shè)計(jì)方案節(jié)水灌溉自動(dòng)控制系統(tǒng)研究方案是將傳感技術(shù)與單片機(jī)控制相結(jié)合，設(shè)計(jì)一種簡(jiǎn)樸、低成本、易推廣控制系統(tǒng)，可以實(shí)時(shí)檢測(cè)土壤及作物某些灌溉控制參數(shù)，依照檢測(cè)成果實(shí)現(xiàn)按需、精準(zhǔn)灌溉，到達(dá)高效節(jié)水、優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)目。整個(gè)控制系統(tǒng)重要應(yīng)當(dāng)有四個(gè)模塊:檢測(cè)模塊、數(shù)據(jù)解決模塊、數(shù)字模塊及控制模塊。為實(shí)現(xiàn)研究目，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮下面幾種問題。1、測(cè)量參數(shù)不同作物對(duì)水分需求量是不同樣。按需、精準(zhǔn)灌溉就是要依照作物需水特性來控制灌溉量，使土壤含水量能剛好達(dá)到作物需求。這樣做目不但僅是節(jié)水，還能促使作物更好生長(zhǎng)，達(dá)到優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)。由于對(duì)作物來說，土壤含水量并不是越多越好，對(duì)某些作物來說，水分太多反而會(huì)抑制生長(zhǎng)，適量水分對(duì)作物生長(zhǎng)才是最有益。要實(shí)現(xiàn)按需、精準(zhǔn)灌溉，土壤水分是必要測(cè)量最重要參數(shù)。水分是天然土壤一種重要構(gòu)成某些，它不但影響土壤物理性質(zhì)，制約著土壤中養(yǎng)分溶解、轉(zhuǎn)移和微生物活動(dòng)，是構(gòu)成土壤肥力一種重要因素，并且它自身更是一切植物賴以生存基本條件。精確及時(shí)測(cè)定土壤水分含量有助于研究和理解土壤水分動(dòng)態(tài)變化規(guī)律和空間立體分布;同步，掌握不同作物在同一時(shí)期對(duì)土壤水含量不同規(guī)定，同一作物在不同步期對(duì)土壤水分含量不同規(guī)定以及土壤水分含量對(duì)作物產(chǎn)量影響，這在理論和生產(chǎn)上均有著重要意義，例如，進(jìn)行耕耘、灌溉、施肥等各種農(nóng)業(yè)辦法時(shí)，普通都需要考慮土壤水分狀況，特別是在進(jìn)行灌溉、排水規(guī)劃設(shè)計(jì)時(shí)，更需要掌握土壤水分狀況及其動(dòng)態(tài)?？梢跃_及時(shí)地測(cè)定出土壤水分含量，對(duì)適時(shí)適量地進(jìn)行灌溉和排水有著重要作用〔28]。此外，土壤中過多有害物質(zhì)也靠水淡化來排除。由以上分析可以看出，對(duì)作物生長(zhǎng)來說土壤水分是所有參數(shù)中最重要，是必要測(cè)量。除了土壤水分外，土壤溫度也是決定與否灌溉一種重要參數(shù)，由于溫度過低，灌溉會(huì)凍傷作物根系，因而，必要要監(jiān)測(cè)土壤溫度，在土壤溫度過低時(shí)就停止?jié)菜?、傳感器數(shù)量針對(duì)土壤狀況不同，需要傳感器數(shù)量是不同樣。有土壤一致性好，只需一種傳感器測(cè)量土壤墑情就可，但有土壤一致性差，就需要多支傳感器來測(cè)量土壤墑情。同步，土壤面積有大有小，也決定了需要不同數(shù)量傳感器。因而，控制系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)要配備多支傳感器。并且，配備多支傳感器也能增強(qiáng)控制系統(tǒng)功能，可以同步控制不同作物灌溉。但是，傳感器數(shù)量也不能太多，傳感器路數(shù)太多也會(huì)增長(zhǎng)控制系統(tǒng)成本。在控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)要綜合考慮所需配備傳感器數(shù)量。3、作物缺水判斷不同作物對(duì)水分需求是不同;周邊環(huán)境不同，作物需水量也會(huì)有所不同;雖然同一作物，在不同生長(zhǎng)階段對(duì)水分需求也不同。國(guó)內(nèi)作物有幾千種，不同作物有不同缺水狀況:國(guó)內(nèi)面積廣大，氣候條件變化無常。如何才干使控制系統(tǒng)適應(yīng)不同作物，在不同氣候條件和不同季節(jié)都能實(shí)現(xiàn)按需灌溉，這是控制系統(tǒng)通用性設(shè)計(jì)最重要要解決問題。如果解決不好，控制系統(tǒng)也就失去了其推廣意義。4、灌溉控制方式當(dāng)前國(guó)內(nèi)各個(gè)設(shè)施農(nóng)業(yè)中灌溉系統(tǒng)水狀況不同樣，有采用電機(jī)控制水流、有采用水泵加壓后才干進(jìn)行灌溉，有采用電磁閥代替手動(dòng)閥門控制水流灌溉。因而，控制系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)要考慮到控制信號(hào)通用性，既能控制電機(jī)、水泵，又能控制電磁閥。國(guó)內(nèi)面積廣大，土壤種類諸多，不同土質(zhì)滲水能力不同樣，例如砂土，滲水能力很強(qiáng)，水分可以不久地滲入作物根部，水分傳感器能及時(shí)測(cè)出灌溉后土壤含水量;而粘土滲水能力較弱，灌溉后水分堆積在地表層，要通過一段時(shí)間才干滲到土壤根部，水分傳感器就不能及時(shí)對(duì)的測(cè)出土壤含水量，就會(huì)導(dǎo)致澆水過多，揮霍水資源。因而，要提高控制系統(tǒng)通用性，在設(shè)計(jì)時(shí)就要考慮如何使控制系統(tǒng)灌溉控制滿足不同土壤需求。3系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.1土壤水分測(cè)量3.1.1測(cè)量辦法選取土壤水分是土壤重要構(gòu)成某些，它是農(nóng)作物生長(zhǎng)所需水分重要供應(yīng)源。土壤水分還參加土壤中許多重要物理、化學(xué)和生物過程，同步它又是各種營(yíng)養(yǎng)元素溶劑，對(duì)作物生長(zhǎng)起著十分重要作用。土壤水分測(cè)量是實(shí)行節(jié)水灌溉、按需灌溉基本。隨著科技不斷發(fā)展，土壤水分測(cè)量辦法不斷發(fā)展變化，當(dāng)前測(cè)量水分辦法大體可分為兩類，即直接測(cè)量法和間接測(cè)量法。直接法通過干燥或化學(xué)反映后直接測(cè)出絕對(duì)含水量，間接法則通過測(cè)量與水分變化有關(guān)物理量間接地測(cè)量水分含量。當(dāng)代實(shí)用土壤水分測(cè)量辦法有采土烘干法、石膏電極法、電阻法、中子探測(cè)法及土壤水分傳感器法。土壤水分測(cè)量辦法雖然諸多，但必要要選取一種簡(jiǎn)樸實(shí)用、測(cè)量精確、成本低測(cè)量辦法，才干使節(jié)水灌溉自動(dòng)控制設(shè)備具備實(shí)現(xiàn)性與易推廣性。下面就對(duì)慣用幾種測(cè)量辦法進(jìn)行分析比較，以找到一種簡(jiǎn)樸實(shí)用、測(cè)量可靠、成本相對(duì)較低土壤水分測(cè)量辦法。1、采土烘干法采土烘干法是當(dāng)前國(guó)際上測(cè)量土壤水分原則辦法。烘干法測(cè)量是土壤重量含水量，即取土樣放入烘箱，烘至恒重，此時(shí)土壤水分中自由態(tài)水以蒸氣形式所有散失掉，再稱重量，從而獲得土壤水分含量。重量法普通尚有所謂迅速測(cè)定法，其程序與常規(guī)法相似，實(shí)質(zhì)仍是采用某些手段使土樣烘至恒重時(shí)間盡量縮短，如酒精燃燒法、紅外法、爐烤法等，這些辦法普通規(guī)定樣品不能太重(59左右)，因而樣品代表性和實(shí)驗(yàn)成果精確性較差，為了減小誤差，常規(guī)定平行測(cè)定2~3次，取其算術(shù)平均值，這樣事實(shí)上又增大了測(cè)定工作量，延長(zhǎng)了測(cè)定期間。當(dāng)前微波爐烘烤法，既節(jié)約時(shí)間，又滿足誤差實(shí)際規(guī)定，是烤干法較好選取。烘干法是當(dāng)前測(cè)定土壤含水量最慣用一種辦法，它簡(jiǎn)樸易行，對(duì)設(shè)備規(guī)定不嚴(yán)，有足夠精度，就樣品自身而言成果可靠，是土壤水分測(cè)定基本辦法，也是檢查其他辦法與其對(duì)比基本，但是使用此類辦法在進(jìn)行持續(xù)土壤水分測(cè)定期，必要不斷地變動(dòng)取土點(diǎn)，由于土壤自身變異性，使測(cè)定成果往往發(fā)生很大差別。并且烘干法費(fèi)時(shí)、費(fèi)力，綜合費(fèi)用并不低;取樣會(huì)破壞土壤，深層取樣困難，定點(diǎn)測(cè)量時(shí)不可避免由取樣換位而帶來誤差，在諸多狀況下不也許長(zhǎng)期定點(diǎn)監(jiān)測(cè);受土壤空間變異性影響也比較大;如果測(cè)量目是用于灌溉，還必要懂得土壤各層次容重。對(duì)于自動(dòng)節(jié)水灌溉控制來說，烘干法最重要缺陷就是測(cè)量時(shí)間較長(zhǎng)且必要人工在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，不能實(shí)現(xiàn)對(duì)土壤墑情進(jìn)行持續(xù)、長(zhǎng)期在線測(cè)量，難以滿足自動(dòng)節(jié)水灌溉控制測(cè)量規(guī)定。因而，采土烘干法是不適當(dāng)選取在自動(dòng)控制節(jié)水灌溉中測(cè)量土壤水分。2、中子儀法中子儀法測(cè)量成果非常精確，是稱重法之外第二原則辦法，測(cè)量相對(duì)比較簡(jiǎn)樸、容易，速度也不久。中子儀探頭是由快中子輻射源和熱中子探測(cè)器構(gòu)成，當(dāng)探頭放入測(cè)管時(shí)，中子源不斷地放射出快中子，快中子進(jìn)入土壤介質(zhì)與各種原子離子相碰撞，快中子損失能量，從而使其慢化。當(dāng)快中子與氫原子碰撞時(shí)，損失能量最大，更易于慢化，土壤中水分含量越高，氫就越多，從而慢中子云密度就越大。中子儀測(cè)定水分就是通過測(cè)定慢中子云密度與水分子間函數(shù)關(guān)系來擬定土壤中水分含量。運(yùn)用中子儀測(cè)土壤水分含量，不必采土，不破壞土壤構(gòu)造，并可定點(diǎn)持續(xù)監(jiān)測(cè)，從而得到該樣點(diǎn)土壤水分動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)規(guī)律，且迅速精確，無滯后現(xiàn)象。但中子儀測(cè)定期，室內(nèi)外曲線差別較大，且田間不同土壤物理性質(zhì)，如容重不同、土壤質(zhì)地不同都會(huì)導(dǎo)致曲線較大移動(dòng)，研究表白中子儀垂直辨別率較差，且表層測(cè)量困難，同步中子儀價(jià)格昂貴，特別是輻射危害健康，操作者必要通過培訓(xùn)并持有允許證，并且中子儀對(duì)于長(zhǎng)期大面積動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)土壤水分仍幾乎不也許，因而不能廣泛應(yīng)用，不適當(dāng)在自動(dòng)灌溉控制土壤水分測(cè)量上應(yīng)用。3、電阻法土壤普通是導(dǎo)電，其電阻率隨其含水率變化而變化。電阻法就是依照這個(gè)原理測(cè)量土壤水分。電阻法是一項(xiàng)比較古老辦法，電阻由多孔滲水介質(zhì)(如石膏、尼龍、玻璃纖維)制成，它電阻大小與含水量有關(guān)。把里面嵌有電極電阻塊放入土壤中，當(dāng)電阻塊中水勢(shì)與土壤水勢(shì)平衡后，測(cè)量電阻塊電阻，然后求出土壤水勢(shì)。電阻塊重要是石膏塊，因此此法常稱之為石膏塊法(GyPsulnBloek)。當(dāng)前，電阻法普通都是通過電阻式土壤水分傳感器測(cè)量土壤水分。傳感器構(gòu)造如圖3.1，其實(shí)體是由質(zhì)地均勻石膏制成圓柱體.在實(shí)體中部埋置有直徑不同、同心安裝兩個(gè)不銹鋼制成圓筒狀電極，其上引出電極引線。傳感器電極不與被測(cè)土壤直接接觸，而是通過多孔性材料石膏為中介與土壤水分聯(lián)系。這樣做，是為了避免土壤鹽分及測(cè)量電極與土壤接觸狀況對(duì)測(cè)量影響。圖3.1電隊(duì)式土壤水分傳感器電極引線2、內(nèi)電極3、外電極4、石膏體測(cè)量時(shí)，將傳感器埋入被測(cè)土壤中(軸線與水平面平行)。土壤水分運(yùn)動(dòng)使傳感器石膏體含水量與土壤水形成一定函數(shù)關(guān)系。而石膏體含水量變化將引起置于其中兩電極介電特性和電阻變化，即傳感器介電特性和電阻與土壤水分是互相聯(lián)系。電阻法成本較低，可以作許多重復(fù)，可不破壞土壤留在田間持續(xù)自動(dòng)監(jiān)測(cè)，適合于灌溉。但是電阻法有滯后作用，干燥后電阻塊也許與土壤接觸不好，敏捷度也非常低。任何與土壤水分變化無關(guān)土壤電導(dǎo)變化(如施肥)也會(huì)被檢測(cè)到，使成果浮現(xiàn)偏差，此法只適合于非鹽堿土。當(dāng)使用直流電時(shí)候，極化作用會(huì)引起電阻塊退化速度加快，長(zhǎng)時(shí)間后石膏會(huì)徹底溶解到土壤溶液中，土壤含水量越高，電阻塊壽命越短。電阻法受土壤性質(zhì)影響，需要標(biāo)定，并且標(biāo)定成果會(huì)隨著時(shí)間發(fā)生變化。因此，電阻法不合用于長(zhǎng)期土壤監(jiān)測(cè)，也不能用在控制系統(tǒng)水分測(cè)量中。4、頻域反射儀法(TDR)時(shí)域反射儀法，即TDR(TimeDo二inRefleetometry)法是一項(xiàng)高速測(cè)量技術(shù)，最早由HIFellner一Feldegg于1969年開發(fā)，用來測(cè)量液體介電常數(shù)與頻率關(guān)系，自從Topp等人對(duì)TDR做出核心性發(fā)展后，便開始了一種大量使用TDR測(cè)量土壤水分時(shí)期。由于TDR測(cè)量迅速，普通不需標(biāo)定，可以作定位持續(xù)測(cè)量，既可以做成輕巧便攜式作野外測(cè)量，又可與計(jì)算機(jī)相連，自動(dòng)完畢單個(gè)或成批監(jiān)測(cè)點(diǎn)測(cè)量，因而20世紀(jì)90年代后國(guó)際上已把TDR作為研究土壤水分基本儀器設(shè)備。TDR基本原理是，高頻電磁脈沖沿傳播線在土壤中傳播速度依賴于土壤介電特性。在一定電磁波頻率范疇內(nèi)(50M~10GHz)，礦物質(zhì)、空氣和水介電特性為常數(shù)，因而土體介電常數(shù)重要依賴于土壤容積含水量(極薄弱地依賴于土壤類型、緊實(shí)度、束縛水等)，這樣可以建立土壤容積含水量與土壤介電常數(shù)經(jīng)驗(yàn)方程。用一對(duì)平行棒或金屬線作為導(dǎo)體，土壤作為電介質(zhì)，一對(duì)棒起波導(dǎo)管作用，電磁波信號(hào)在土壤中以平面波傳導(dǎo)，經(jīng)傳播線一端返到TDR接受器，分析傳導(dǎo)速度和振幅變化，依照速度與介電常數(shù)關(guān)系、介電常數(shù)與體積含水量之間函數(shù)關(guān)系而得出土壤含水量。TDR為當(dāng)前測(cè)量土壤含水量主流辦法。TDR可對(duì)土壤樣品迅速、持續(xù)、精確地測(cè)量，平均辨別率0.02~O，OO5cma/cma。普通不需標(biāo)定，測(cè)量范疇廣(含水量O一100%)，操作簡(jiǎn)便，野外和室內(nèi)都可使用，可做成手持式進(jìn)行田間即時(shí)測(cè)量，也可通過導(dǎo)線遠(yuǎn)距離多點(diǎn)自動(dòng)監(jiān)測(cè)。導(dǎo)波棒可以單獨(dú)留在土壤中好幾年，需要時(shí)候再連上TDR測(cè)量;導(dǎo)波棒可做成不同形狀以適應(yīng)不同狀況，長(zhǎng)度普通10~200cm。TDR可以測(cè)量表層土壤含水量。TDR測(cè)量成果受土壤鹽度影響很小，但當(dāng)含鹽量增長(zhǎng)后，脈沖信號(hào)從導(dǎo)波棒末端反射會(huì)削弱，在測(cè)量高有機(jī)質(zhì)含量土壤、高2:l型粘土礦物含量土壤、容重特別高或特別低土壤時(shí)，需要標(biāo)定。TDR最大缺陷是電路復(fù)雜，導(dǎo)致設(shè)備昂貴，儀器重要依賴進(jìn)口，雖然國(guó)內(nèi)當(dāng)前也有生產(chǎn)，價(jià)格可降至進(jìn)口一半，但價(jià)格依然昂貴，在控制系統(tǒng)規(guī)定成本低條件下也不適當(dāng)用TDR法測(cè)量土壤水分。與TDR辦法類似尚有頻域反射法，即FDR(FrequeneyDo陽(yáng)inRefleet。metry)，測(cè)量土壤含水量原理與TDR類似。FDR傳感器重要由一對(duì)電極(平行排列金屬棒或圓形金屬環(huán))構(gòu)成一種電容，其間土壤充當(dāng)電介質(zhì)，電容與振蕩器構(gòu)成一種調(diào)諧電路，振蕩器工作頻率隨土壤電容增長(zhǎng)而減少，廁士算后容隨土壤含水量增長(zhǎng)而增長(zhǎng)，于是振蕩器頻率與土壤含水量呈非線性反比關(guān)系。FDR使用掃屢屢率來檢測(cè)共振頻率(此時(shí)振幅最大)，土壤含水量不同，發(fā)生共振頻率不同。如果使用固定頻率，通過測(cè)量其原則波頻率變化來測(cè)量土壤含水量，此類辦法嚴(yán)格地說不是FDR，普通稱為電容法。FDR法具備比TDR法更多長(zhǎng)處，但同步也具備TDR缺陷，就是設(shè)備價(jià)格昂貴，在追求低成本自動(dòng)控制節(jié)水灌溉設(shè)備中是不適當(dāng)使用。5、負(fù)壓式傳感器法負(fù)壓式傳感器法就是運(yùn)用土壤水吸力傳感器測(cè)量土壤水吸力來獲知土壤含水量辦法。土壤水吸力傳感器核心部件是細(xì)孔毛瓷杯，即陶土頭，其上毛細(xì)孔徑約1.0~1.5pm，細(xì)孔毛瓷杯內(nèi)裝滿無氣水，與土壤緊密接觸，杯內(nèi)自由水通過杯壁孔隙與土壤水接觸，當(dāng)土壤水分與瓷杯內(nèi)水分不平衡時(shí)，水和鹽就可以無阻礙地進(jìn)出瓷杯，與土壤達(dá)到平衡，而在杯內(nèi)就會(huì)負(fù)壓，這個(gè)負(fù)壓等于土壤水吸力。土壤水吸力與土壤含水量是有一定關(guān)系，土壤含水量越小，吸力越大;土壤含水量越多，吸力越小，因而，通過測(cè)量土壤水吸力可以懂得土壤含水量。負(fù)壓式傳感器法在土壤比較濕潤(rùn)狀況下測(cè)量土壤水吸力很精確，受土壤空間變異性影響比較小，是一種低成本直接測(cè)量辦法，可以持續(xù)測(cè)量土壤含水量。與其她測(cè)量辦法比起來，用負(fù)壓式傳感器法測(cè)定土壤水分具備田間原位測(cè)定、迅速直讀、不破壞土壤構(gòu)造、價(jià)格低廉、無放射性物質(zhì)、安全可靠、便于長(zhǎng)期觀測(cè)和積累田間水勢(shì)資料等長(zhǎng)處。特別是可以運(yùn)用壓阻傳感器將土壤水吸力轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出，便于進(jìn)行數(shù)字化解決和與計(jì)算機(jī)接口，有助于實(shí)現(xiàn)用計(jì)算機(jī)對(duì)土壤水分自動(dòng)監(jiān)測(cè)。因而，在自動(dòng)灌溉控制系統(tǒng)中使用負(fù)壓式傳感器法測(cè)量土壤水分是最恰當(dāng)選取。3.1.2傳感器改進(jìn)3.2.1傳感器原理負(fù)壓式土壤水分傳感器由集氣管、壓阻式傳感器和陶土頭等部件構(gòu)成。集氣管上端為注水口，用密封蓋蓋緊，旁側(cè)有一種接口與壓阻式傳感器聯(lián)接，下端與陶土頭相連，集氣管中布滿無氣水。傳感器構(gòu)造如圖3.2所示。圖3.2土壤水吸力傳感器構(gòu)造示意圖陶土頭是負(fù)壓式土壤水分傳感器感應(yīng)部件，具備許多細(xì)小孔隙，陶土頭被水浸潤(rùn)后，在孔隙中形成一層水膜。當(dāng)傳感器布滿無氣水并且密封后，將陶土頭某些插入水分不飽和土壤時(shí)(注意，陶土頭要與土壤緊密接觸，否則測(cè)量不精確)，水膜便與土壤水連結(jié)起來，使傳感器內(nèi)部產(chǎn)生負(fù)壓。壓阻式傳感器將負(fù)壓轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，兩者呈線性關(guān)系，依照測(cè)得電壓即可轉(zhuǎn)換成土壤水吸力。集氣管長(zhǎng)度要依照不同作物根系分布深度不同來選取。壓阻式傳感器是土壤水吸力傳感器核心部件，所測(cè)數(shù)據(jù)精度重要取決于它性能。本課題中選用壓阻式傳感器測(cè)量范疇為O~IOOKPa，精度為功.05%，采用1.smA恒流供電(電纜短時(shí)也可采用恒壓供電方式)。傳感器輸入輸出阻抗均為3K。由于壓阻式傳感器性能有一定離散性，因而，對(duì)于壓阻式傳感器吸力值與輸出電壓值之間關(guān)系需要標(biāo)定。負(fù)壓式土壤水分傳感器直接測(cè)出是土壤水吸力而不是土壤含水率，但是由于近年使用經(jīng)驗(yàn)積累已經(jīng)得出某些常用作物需灌溉時(shí)土壤負(fù)壓范疇，因此不需要再將土壤水吸力轉(zhuǎn)換為土壤水分。某些植物需灌溉時(shí)相應(yīng)土壤負(fù)壓值范疇如表1所示。表1某些植物需灌溉時(shí)土壤負(fù)壓值范疇3.1.2.2傳感器改進(jìn)一、傳感器存在問題負(fù)壓式土壤水分傳感器雖然可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)土壤水分，但實(shí)際使用過程還存在幾種缺陷，必要要進(jìn)行改進(jìn)。(1)不一致性，這是由于壓阻傳感器具備離散性導(dǎo)致。在O一10OKPa測(cè)量范疇內(nèi)，各負(fù)壓式土壤水分傳感器輸出電壓不盡相似。這就規(guī)定每使用一種傳感器都要調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)中對(duì)傳感器輸出電壓信號(hào)解決電路。當(dāng)一種傳感器壞掉要換新傳感器時(shí)，就要重新調(diào)節(jié)信號(hào)解決電路，這就限制了自動(dòng)灌溉控制系統(tǒng)合用性，不利于推廣。(2)負(fù)壓式土壤水分傳感器輸出信號(hào)是電壓，而電壓在長(zhǎng)線傳播過程中易損耗且易受干擾，影響了測(cè)量精確性。(3)負(fù)壓式土壤水分傳感器采用四線制傳播信號(hào)，其中兩線傳送電源信號(hào)，此外兩線傳送電壓輸出信號(hào)。四線制導(dǎo)線較貴，而自動(dòng)控制系統(tǒng)在田間工作普通會(huì)離測(cè)量點(diǎn)較遠(yuǎn)，需要很長(zhǎng)四線制導(dǎo)線，測(cè)試點(diǎn)越多越遠(yuǎn)，需要四線制導(dǎo)線就越多越長(zhǎng)，這無形中增長(zhǎng)了自動(dòng)控制節(jié)水灌溉設(shè)備成本。并且電壓傳播信號(hào)易受干擾，長(zhǎng)線傳播時(shí)有壓降，會(huì)產(chǎn)生測(cè)量誤差。(4)負(fù)壓式土壤水分傳感器陶土頭與塑料管連接是采用強(qiáng)力膠粘合，在連接處沒有任何保護(hù)裝置，容易折斷。陶土頭自身也比較脆弱，強(qiáng)度不夠，也易折斷。(5)負(fù)壓式土壤水分傳感器集氣管與塑料管里充是無氣水，每隔一段時(shí)間就要網(wǎng)傳感器里充無氣水，在高溫天氣充水會(huì)更加頻繁。如果種一季莊稼就要充幾十次水就會(huì)顯得很麻煩。同步，在充水時(shí)要擰開密封蓋，在擰松密封蓋時(shí)容易使陶土頭與周邊土壤產(chǎn)生松動(dòng)。陶土頭一旦與周邊土壤稍微松動(dòng)就會(huì)影響測(cè)量成果，有也許使控制系統(tǒng)灌溉控制不精確。二、傳感器改進(jìn)(1)電路改進(jìn)針對(duì)負(fù)壓式土壤水分傳感器第一種問題，可以采用輸出信號(hào)就地解決轉(zhuǎn)換辦法進(jìn)行改進(jìn)，即將傳感器輸出信號(hào)解決電路放在負(fù)壓式土壤水分傳感器上，這樣只要在使用傳感器時(shí)只要調(diào)節(jié)傳感器上信號(hào)解決電路，使其輸出信號(hào)與壓力值關(guān)系一定，而不需要再去調(diào)節(jié)自動(dòng)控制系統(tǒng)電路，增長(zhǎng)了控制系統(tǒng)可推廣性。解決傳感器第二個(gè)問題可以采用將電壓轉(zhuǎn)換為電流傳播辦法，電流傳播不易受干擾，比電壓可靠。第三個(gè)四線制導(dǎo)線問題可以改進(jìn)兩線制導(dǎo)線傳播信號(hào)，市場(chǎng)上兩線制導(dǎo)線成本要比四線制便宜諸多。綜合上面三個(gè)問題改進(jìn)辦法就可以到一種改進(jìn)負(fù)壓式土壤水分傳感器性能方案，即將傳感器四線制電壓傳播就地轉(zhuǎn)換為原則兩線制4~20毗電流信號(hào)傳送。這將簡(jiǎn)化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)并增強(qiáng)它通用性。兩線制壓力變送電路如圖3.3所示。圖3.3兩線制壓力變送電路變送電路采用24V直流電源供電，24V電源通過反相保護(hù)二極管(DI)給運(yùn)放和三極管供電。電路中電橋?yàn)槟７聣鹤鑲鞲衅麟娫摧斎肱c信號(hào)輸出。壓阻傳感器需要1.smA恒流源供電，因而，在變送電路中需要一種恒流源電路給壓阻傳感器供電。運(yùn)放Al與可變電阻RS3構(gòu)成了一種恒流源，A1同相端接到可變電阻RSI可調(diào)端，輸出電流與A1同相端輸入電壓關(guān)系如式3.1所示:I=UA一+/RS3(3.1)通過穩(wěn)壓管Ql與RSI給A1同相端提供一種恒定電壓UAI*，則輸出電流由鄧3決定，調(diào)節(jié)RS3就可調(diào)節(jié)輸出電流為1.5mA。壓阻傳感器輸出電壓信號(hào)是未經(jīng)放大，電壓值非常小，不便于電流轉(zhuǎn)換，因而變送電路還需要一種電壓放大電路。同相串聯(lián)差動(dòng)運(yùn)算放大器具備抑制共模壓效果好、輸入阻抗高長(zhǎng)處，因而變送電路采用了同相串聯(lián)差動(dòng)運(yùn)算放大器對(duì)輸出電壓信號(hào)進(jìn)行放大。變送電路中A2和A3、R2、R3、R4、R5、RS4共同構(gòu)成了同相串聯(lián)差動(dòng)運(yùn)算放大器。差放輸入與輸出電壓關(guān)系由式3.3決定AI、為參照電壓，它可以抬高輸出電平，RS4可以用來調(diào)節(jié)增益。A4與三極管Q2組合將差放輸出電壓轉(zhuǎn)換為電流。R9為采樣電阻，將輸出反饋到輸入端，以此調(diào)節(jié)輸出電流。A4反向端接到RSZ滑動(dòng)端，調(diào)節(jié)RSZ就可以調(diào)節(jié)零壓力時(shí)輸出電流為4mA，調(diào)節(jié)RS4就可使壓力與輸出電流滿足一定關(guān)系。這樣設(shè)計(jì)好處在于:變送器調(diào)零電位器滑臂位置不會(huì)影響放大器和電壓/電流變換相應(yīng)電阻匹配性，同步在零位校準(zhǔn)后，A4兩輸入端共模電壓即是某擬定值，而不會(huì)隨壓力變化，因而對(duì)A4共模抑制比規(guī)定可以減少。負(fù)壓式土壤水分傳感器通過上述改進(jìn)后，其耐用性與通用性都將得到提高。2)構(gòu)造改進(jìn)針對(duì)負(fù)壓式土壤水分傳感器第四和第五個(gè)缺陷:陶土頭易損壞，加水頻繁易導(dǎo)致陶土頭與土壤產(chǎn)生松動(dòng)，就要對(duì)負(fù)壓式土壤水分傳感器進(jìn)行構(gòu)造上改進(jìn)，使其能在構(gòu)造上保護(hù)陶土頭不受損壞;使充水變得容易，不破壞陶土頭與土壤緊密限度;延長(zhǎng)充水周期，最佳能在種完一季莊稼過程中不用充水。基于以上考慮，下面就對(duì)傳感器構(gòu)造改進(jìn)進(jìn)行分析設(shè)計(jì)。①陶土頭保護(hù)構(gòu)造負(fù)壓式土壤水分傳感器陶土頭較脆弱，易損壞，其與塑料管連接處易折斷，這是由陶土頭自身材料性質(zhì)所決定，不能變化陶土頭材料，因此只能在陶土頭外邊加一種保護(hù)構(gòu)造，使其能避免被碰撞。在設(shè)計(jì)陶土頭保護(hù)構(gòu)造時(shí)要考慮到陶土頭是通過與土壤接觸來測(cè)量土壤水吸力，因而陶土頭保護(hù)構(gòu)造不能阻礙其與土壤之間緊密接觸。陶土頭保護(hù)構(gòu)造如圖3.4所示。圖3.4陶土頭保護(hù)裝置如圖，整個(gè)裝置由不銹鋼細(xì)鋼條做成，三根細(xì)鋼條圍成陶土頭形狀，圍成圓直徑要比陶土頭直徑略大，長(zhǎng)度也要比陶土頭稍長(zhǎng)，使螺孔位置在陶土頭與塑料管連接處之上。安裝時(shí)，保護(hù)裝置從下往上套住陶土頭，并用三個(gè)螺釘夾住塑料管以固定保護(hù)裝置。陶土頭裝上這個(gè)保護(hù)裝置后，它與連接處就處在不銹鋼條保護(hù)之下，若是與其她物體碰撞就不容易碰撞到陶土頭，一方面碰撞到是不銹鋼條，而不銹鋼是很耐碰撞。此外，由于保護(hù)構(gòu)造采用是細(xì)細(xì)不銹鋼條做成，陶土頭裝上保護(hù)構(gòu)造后，它絕大某些還是露在外邊，依然可以與土壤緊密接觸，保護(hù)構(gòu)造并不影響土壤水吸力測(cè)量。②充水改進(jìn)對(duì)于傳感器充水過于頻繁問題，也許諸多人會(huì)想只要增長(zhǎng)集氣管長(zhǎng)度就可以增大傳感器蓄水量，自然也就延長(zhǎng)了充水周期，減少了充水次數(shù)。但是，對(duì)于負(fù)壓式土壤水分傳感器來說，集氣管、塑料管長(zhǎng)度及壓阻傳感器位置是與其測(cè)量壓力值和輸出均關(guān)于系，是不能任意加長(zhǎng)。因而不能用增長(zhǎng)集氣管辦法來解決充水頻繁問題。既然不能靠增長(zhǎng)集氣管來增長(zhǎng)傳感器蓄水量，那么可以在集氣管之外安裝一種蓄水裝置，儲(chǔ)蓄種一季莊稼所需水量，就可以解決充水頻繁問題。此外，也要考慮到如何使充水簡(jiǎn)樸易行問題。設(shè)計(jì)傳感器加水裝置如圖3.5所示。圖3.5加水裝置如圖所示，加水裝置由兩某些構(gòu)成，蓄水盒與密封螺栓。蓄水盒上傳感器套筒代替了密封蓋，套在傳感器頭部，并用膠密封以保證感器不漏氣。蓄水盒上有一種較大螺孔和一種圓錐狀漏水孔。加水時(shí)，無氣水由螺孔加入蓄水盒，再由漏水孔流入傳感器里。密封螺栓螺紋與蓄水盒上螺孔相應(yīng)，密封螺栓頭部橡皮塞圍圓錐狀，與漏水孔相應(yīng)。當(dāng)傳感器加滿水并且蓄水盒存儲(chǔ)了一定體積水后，將密封螺栓擰入蓄水盒里。橡皮塞正好堵住漏水孔，由于漏水孔是圓錐狀，橡皮塞就能較好密封住傳感器，使其不漏氣。當(dāng)傳感器需要加水時(shí)只需擰松密封螺栓，水就會(huì)流入傳感器，加水便變得非常以便，并且由于蓄水盒里存儲(chǔ)有一定量水，就可以很長(zhǎng)時(shí)間不用往蓄水盒里加水，非常省事。這樣就可以解決加水頻繁問題。而擰開密封螺栓比直接擰開傳感器上密封蓋要容易得多，也不易使陶土頭與土壤產(chǎn)生松動(dòng)。整個(gè)加水裝置與密封螺栓都用有機(jī)玻璃制成，這樣就可以觀測(cè)到蓄水盒中水量變化，及時(shí)補(bǔ)充水分。(3)改進(jìn)后傳感器圖3.6改進(jìn)后土壤水吸力傳感器改進(jìn)后傳感器構(gòu)造如圖3.6所示。電路盒用密封膠粘在水分傳感器放置壓阻傳感器地方，電路盒里面密封了壓阻傳感器及改進(jìn)4~20mA電流變送電路，只留出兩根導(dǎo)線提供電壓及輸送輸出電流。土壤水吸力傳感器在通過這些改進(jìn)之后，其耐用性與合用性都將得到很大提高。3.2土壤溫度測(cè)量3.2.1傳感器選取測(cè)量溫度傳感器有諸多，而控制系統(tǒng)中對(duì)于土壤溫度測(cè)量規(guī)定又不是很高，測(cè)溫范疇普通在0一100℃，測(cè)溫精度規(guī)定也不高，許多傳感器都可以用來測(cè)量土壤溫度，因而要綜合系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)定選取一種價(jià)格低、性能好、電路簡(jiǎn)樸、具備一定精度溫度傳感器。當(dāng)前慣用測(cè)溫傳感器有熱電偶、熱電阻、熱敏電阻、和半導(dǎo)體集成溫度傳感器等。熱電偶是依照熱電勢(shì)效應(yīng)原理測(cè)溫，它是當(dāng)前使用最廣泛熱電式傳感器，具備構(gòu)造簡(jiǎn)樸、制造以便、測(cè)溫范疇寬、熱慣性小、精確度高等特點(diǎn)，但是它需要進(jìn)行溫度補(bǔ)償，比較麻煩。熱電阻式傳感器是運(yùn)用導(dǎo)體電阻率隨溫度而變化效應(yīng)制成傳感器。慣用熱電阻有鉑熱電阻和銅熱電阻。鉑熱電阻特點(diǎn)是物理化學(xué)性能穩(wěn)定，特別是耐氧化能力強(qiáng)、測(cè)量精度高、測(cè)溫范疇寬，有較好重現(xiàn)性，但價(jià)格較貴。而銅熱電阻雖然價(jià)格便宜，但測(cè)溫范疇小，測(cè)溫精度不高，電路設(shè)計(jì)也比較復(fù)雜。熱敏電阻傳感器是運(yùn)用半導(dǎo)體電阻隨溫度明顯變化這一特性測(cè)溫，它體積小、敏捷度高、穩(wěn)定性好，但是它互換性差，并且價(jià)格昂貴。半導(dǎo)體溫度傳感器是運(yùn)用半導(dǎo)體PN結(jié)溫度特性制成。這種傳感器長(zhǎng)處是小型化、線性好、高敏捷度、穩(wěn)定性好、重復(fù)性好，互換性好，低成本，易于電路設(shè)計(jì)或控制電路接口。從以上分析可以看出，半導(dǎo)體溫度傳感器由于具備小型化、線性好，低成本，易于電路設(shè)計(jì)或控制電路接口長(zhǎng)處是最適合用在控制系統(tǒng)中測(cè)量土壤溫度。LM35是集成半導(dǎo)體精密溫度傳感器，與老式熱敏電阻、熱電阻、熱電偶等相比較，與熱敏電阻、熱電偶等老式傳感器相比，具備線性好、精度高、體積小、校準(zhǔn)以便、價(jià)格低等特點(diǎn)，非常適合于常溫測(cè)量工作。因而，在控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中選用LM35來測(cè)量土壤溫度。3.2.2溫度測(cè)量電路設(shè)計(jì)LM35是電壓輸出，它外型很小，只有3個(gè)引腳(如圖3.7所示)，Vout是輸出電壓端，VS是電源端。在一定工作條件下，傳感器輸出電壓V。與被測(cè)溫度成線性關(guān)系。使用中不必作O℃或20℃校準(zhǔn)，其工作敏捷度為10mV/℃，工作電流56一80pA，自身精度為0.4℃(25℃時(shí))，傳感器輸出電阻為0.1。，工作電源電壓范疇4一3ov。LM35基本電路十分簡(jiǎn)樸，遙測(cè)環(huán)境溫度電路如圖3.7所示，其測(cè)溫范疇為2℃~150℃。輸出電壓從并聯(lián)電阻上獲得，輸出電壓與溫度關(guān)系有式3.4決定:V。=10mV/oC*(T環(huán)境+loC)(3.4)由于遙測(cè)距離較長(zhǎng)，從傳感器到并聯(lián)電阻見導(dǎo)線應(yīng)絞合。圖3.7LM35及其遙測(cè)電路3.3控制儀器設(shè)計(jì)3.3.1儀器設(shè)計(jì)方案控制儀器設(shè)計(jì)方向是具備廣泛合用性，同步盡量小型化、簡(jiǎn)樸化、易操作及低成本，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)土壤墑情，按照作物需水特性精準(zhǔn)灌溉。一、土壤墑情監(jiān)測(cè)與判斷自動(dòng)化節(jié)水灌溉控制設(shè)備研究重要目是為解決國(guó)內(nèi)水資源緊缺問題，即節(jié)研究生論文智能化設(shè)施農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)研究水，實(shí)現(xiàn)作物按需精準(zhǔn)灌溉，因而，土壤水分是自動(dòng)化設(shè)備重要監(jiān)測(cè)土壤參數(shù)。同步，考慮到土壤溫度對(duì)作物生長(zhǎng)及灌溉均有影響，因而也需要對(duì)土壤溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)。土壤水分通過負(fù)壓式土壤水分傳感器測(cè)量土壤水吸力獲得，土壤溫度則由半導(dǎo)體集成精密溫度傳感器LM35測(cè)量。至于其她參數(shù)，如土壤鹽分、作物葉面蒸騰量等，在測(cè)量參數(shù)己足夠和簡(jiǎn)化系統(tǒng)減少成本前提下，可以不用考慮測(cè)量。因而，自動(dòng)化節(jié)水灌溉控制儀器重要工作就是對(duì)土壤水分和溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并依照土壤水分傳感器與溫度傳感器傳送當(dāng)前土壤水分與溫度信息進(jìn)行判斷，在適當(dāng)澆水溫度范疇內(nèi)，若土壤處在缺水狀態(tài)，就給出控制信號(hào)，控制灌溉設(shè)備進(jìn)行灌溉，若是土壤不缺水就不灌溉或是給出停止灌溉控制信號(hào)。在控制儀器工作中，判斷土壤與否缺水是一種難點(diǎn)。負(fù)壓式土壤水分傳感器測(cè)出來是土壤水吸力。土壤水吸力與土壤水分具備一定關(guān)系，土壤吸力越大，土壤含水量越小;土壤吸力越小，土壤含水量越多。由于負(fù)壓式土壤水分傳感器通過近年使用累積經(jīng)驗(yàn)，已經(jīng)掌握了大某些作物需水狀態(tài)相應(yīng)土壤水吸力范疇，因而，可以直接用土壤水吸力來判斷作物缺水狀況。但是，不同作物對(duì)水分需求是不同樣，同一作物在不同步期對(duì)分需求也是不同樣，就算是同一作物在同一時(shí)期它對(duì)水分需求也是會(huì)隨著環(huán)境不同而變化，判斷土壤缺水沒有統(tǒng)一原則。為實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制、按需灌溉，控制儀器就必要可以依照不同作物，不同生長(zhǎng)期以及不同環(huán)境變化判斷土壤缺水原則。因而，控制儀器在設(shè)計(jì)時(shí)就必要具備容許操作者通過鍵盤設(shè)定判斷土壤缺水原則功能，對(duì)不同作物農(nóng)業(yè)專家就可以憑經(jīng)驗(yàn)設(shè)定不同判斷值來實(shí)現(xiàn)作物按需灌溉，這樣，不但能充分運(yùn)用農(nóng)業(yè)專家經(jīng)驗(yàn)，還可以使自動(dòng)化節(jié)水灌溉控制儀器合用于許多不同作物，提高了儀器通用性。二、灌溉控制1控制方式當(dāng)前國(guó)內(nèi)設(shè)施農(nóng)業(yè)中裝配灌溉系統(tǒng)設(shè)備差別很大，這重要使由于各地方條件和資金差別導(dǎo)致。有使用電機(jī)輸水，有通過水泵加壓，有是電磁閥控制等等。要使控制系統(tǒng)具備通用性，就要使其給出控制信號(hào)可以控制這些不同輸水設(shè)備，這就要找出它們共同點(diǎn)。通過觀測(cè)不難發(fā)現(xiàn)，這些輸水設(shè)備都是通過接通電源工作，如果給這些輸水設(shè)備電源線上加一種開關(guān)，由控制系統(tǒng)來控制開關(guān)閉合，那么控制系統(tǒng)就可以控制這些設(shè)備工作了，也即控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了灌溉控制。這樣，控制系統(tǒng)給出控制信號(hào)也就具備了通用性。2灌溉方式不同土壤滲水能力是不同樣，例如砂土滲水能力很強(qiáng)，水分能不久滲入土壤深層，而粘土滲水能力就較弱，需要通過一段時(shí)間水才干滲入土壤深層。對(duì)于滲水能力強(qiáng)土壤，灌溉效果可以不久顯現(xiàn)出來，控制儀器可以通過土壤水吸力傳感器不久檢測(cè)到土壤缺水狀態(tài)己得到緩和，可以停止?jié)菜?。而?duì)于滲水能力弱土壤，就會(huì)浮現(xiàn)這種狀況:實(shí)際澆水量已經(jīng)足夠，只是由于土壤滲水能力弱，水分不能及時(shí)滲入土壤深層，土壤水吸力傳感器測(cè)出土壤依然缺水，控制儀控制灌溉設(shè)備繼續(xù)澆水，等到土壤水吸力傳感器測(cè)出土壤已不缺水并停止?jié)菜?，這時(shí)澆水量已遠(yuǎn)超過作物需求量。這不但沒有實(shí)現(xiàn)節(jié)水反而揮霍了水，同步對(duì)需水量敏感作物生長(zhǎng)也不利。因而，為使控制系統(tǒng)能適應(yīng)不同土壤灌溉規(guī)定，就需要設(shè)計(jì)幾種不同灌溉方式，針對(duì)不同土壤選取不同與之相適應(yīng)灌溉方式，以保證可以達(dá)到節(jié)水目。三、控制儀整體低成本設(shè)計(jì)低成本是自動(dòng)化節(jié)水灌溉控制儀設(shè)計(jì)一種重要規(guī)定，它也是決定節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)能否推廣一種重要因素。控制儀設(shè)計(jì)普通涉及四個(gè)某些:檢測(cè)某些、控制某些、功能設(shè)定某些、工況顯示某些。檢測(cè)某些檢測(cè)土壤水分與溫度并對(duì)檢測(cè)成果數(shù)據(jù)進(jìn)行解決;控制某些判斷作物缺水狀況并給出灌溉控制信號(hào);功能設(shè)定某些設(shè)定判斷作物缺水參數(shù)值和灌溉方式;工況顯示某些顯示土壤水分和溫度檢測(cè)成果及當(dāng)前控制儀工作狀態(tài)。普通控制儀設(shè)計(jì)都會(huì)將這四某些合在一起做成一臺(tái)儀器，但是這樣做會(huì)增長(zhǎng)單臺(tái)儀器體積和成本，而對(duì)于在田間工作節(jié)水灌溉控制儀來說，檢測(cè)控制和設(shè)定顯示是可以分開設(shè)計(jì)。這是由于節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)是成天整夜不間斷地在田間工作，如無特殊規(guī)定是不要需要操作者守在儀器旁邊監(jiān)視其工作，特別是晚上，控制儀可以自己自動(dòng)工作，因而在控制儀工作大某些時(shí)間里工況顯示是沒有必要，而土壤缺水判斷原則和灌溉方式在一開始設(shè)定好后，在一段長(zhǎng)間內(nèi)也不需要變化。這樣，檢測(cè)控制與設(shè)定顯示設(shè)計(jì)成一體就沒有必要。如果將檢測(cè)控制和設(shè)定顯示分開設(shè)計(jì)成兩臺(tái)儀器，不但可以減小單臺(tái)儀器體積，還可以減少單臺(tái)儀器成本。同步，一臺(tái)功能為設(shè)定顯示儀器可以搭配許多臺(tái)檢測(cè)控制儀器，在購(gòu)買節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)時(shí)，就可以買許多臺(tái)檢測(cè)控制儀器，而只買一臺(tái)或是少量設(shè)定顯示儀器，這樣就會(huì)大大減少實(shí)現(xiàn)節(jié)水灌溉自動(dòng)控制成本，有助于節(jié)水灌溉自動(dòng)控制系統(tǒng)推廣。檢測(cè)控制與設(shè)定顯示分開儀器可以分別叫做測(cè)控儀和設(shè)顯儀，在需要觀測(cè)當(dāng)前土壤狀況或進(jìn)行參數(shù)設(shè)定期，可以通過一種通訊接口將設(shè)顯儀與測(cè)控儀連接起來，通過設(shè)顯儀顯示測(cè)控儀所測(cè)當(dāng)前土壤狀況，或設(shè)定新參數(shù)。將儀器分開設(shè)計(jì)后，儀器體積就可以設(shè)計(jì)得很小，特別是設(shè)顯儀體積很小，隨身攜帶很以便。這樣，種植人員可以隨身攜帶一種設(shè)顯儀去巡邏所有作物種植生長(zhǎng)狀況，十分以便。以上是控制儀設(shè)計(jì)方案總體構(gòu)思，下面就對(duì)自動(dòng)節(jié)水灌溉控制儀設(shè)計(jì)進(jìn)行詳細(xì)簡(jiǎn)介。3.3.2.1測(cè)控儀功能設(shè)計(jì)一、檢測(cè)成果解決測(cè)控儀首要工作就是要將土壤水分傳感器和溫度傳感器傳送來信號(hào)進(jìn)行解決，轉(zhuǎn)換為單片機(jī)可以辨認(rèn)數(shù)字信號(hào)。普通信號(hào)轉(zhuǎn)換都采用A/D轉(zhuǎn)換器，但是A/D轉(zhuǎn)換器比較貴，需要依照轉(zhuǎn)換精度來選取且轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)間關(guān)系計(jì)算比較復(fù)雜。除A/D轉(zhuǎn)換器外，V/F轉(zhuǎn)換也是近年來使用得較多信號(hào)轉(zhuǎn)換辦法。LM331是用得較多一種V/F轉(zhuǎn)換芯片，它體積小，成本低，精度高，所需外圍元件少且輸入與輸出即V、F成線性關(guān)系，轉(zhuǎn)換關(guān)系簡(jiǎn)樸?；贚M331上述長(zhǎng)處，在測(cè)控儀檢測(cè)成果解決中使用LM331進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)換。LM331與溫度傳感器LM35只需使用少量元器件就能構(gòu)成線性關(guān)系較好V/F轉(zhuǎn)換。土壤水分傳感器傳送過來是原則4~20mA電流，只要通過250歐姆原則電阻取樣就能轉(zhuǎn)換為相應(yīng)電壓，與LM331也可以成線性關(guān)系較好V/F轉(zhuǎn)換。LM331線性轉(zhuǎn)換電路如圖3.8所示。圖3.8LM331V/F轉(zhuǎn)換電路輸入電壓與輸出頻率關(guān)系如式3.5所示:式中，RS是RSI和RsZ電阻之和，Vin單位為伏特，輸出頻率Fout單位是HZ。從上面公式可以看出，只要選取好Rs、RL、Rt、Ct參數(shù)值，輸入和輸出就會(huì)有較好線性關(guān)系。二、灌溉控制在3.3.1節(jié)中提到過，當(dāng)前國(guó)內(nèi)各設(shè)施農(nóng)業(yè)中灌溉輸水控制設(shè)備很不統(tǒng)一，有電機(jī)、水泵、電磁閥等，要使測(cè)控儀控制信號(hào)具備通用性就要用測(cè)控儀控制信號(hào)去控制一種開關(guān)，而這個(gè)開關(guān)去控制灌溉輸水控制設(shè)備電源通斷，從而達(dá)到測(cè)控儀控制灌溉目。繼電器是當(dāng)前使用得最廣泛可控開關(guān)，性能也比較可靠，因而在測(cè)控儀設(shè)計(jì)時(shí)就選用繼電器來作控制灌溉輸水控制設(shè)備電源開關(guān)。繼電器有大有小，有交流控制也有直流控制，它觸點(diǎn)開關(guān)既能通過直流也能通過交流。由于是測(cè)控儀直接控制繼電器開關(guān)吸合，因而，要選用直流控制繼電器。這種直流控制繼電器功率普通較小，不能承受大電流交流電流過。對(duì)于交、直流供電且電流較小灌溉輸水控制設(shè)備來說，可以直接用這種繼電器來控制。但是對(duì)于交流供電且電流較大灌溉輸水控制設(shè)備來說，就不能直接用這種繼電器來控制電源。這時(shí)，可以再加一種可通過較大電流交流繼電器，用直流小功率繼電器去控制大功率交流繼電器，大功率交流繼電器又去控制灌溉輸水控制設(shè)備交流電源，這樣測(cè)控儀同樣可以實(shí)現(xiàn)灌溉控制。也就是說，測(cè)控儀給出控制信號(hào)具備通用性。三、傳感器數(shù)量與工作方式土壤水分是灌溉控制最重要參數(shù)，但是一種土壤水吸力傳感器只能測(cè)一種小范疇內(nèi)土壤水分，這一小范疇往往不能代表一大片土壤含水狀況，而一片大田里往往種有諸多株作物，要在每一株作物附近插一種傳感器測(cè)土壤水分又是不現(xiàn)實(shí)。由于設(shè)施農(nóng)業(yè)中土壤比較平整均勻，具備一定一致性，可以在一定面積范疇土壤內(nèi)設(shè)立幾種測(cè)試點(diǎn)，取幾種測(cè)試點(diǎn)平均值來代表這一面積范疇土壤含水狀況，這樣既可以不需要太多成本去購(gòu)買傳感器又可以使土壤水分測(cè)量比較平均精確。因而測(cè)控儀設(shè)計(jì)連接了三個(gè)負(fù)壓式土壤水分傳感器，用四個(gè)傳感器稍嫌太多，而兩個(gè)又太少，三個(gè)比較適當(dāng)。對(duì)于溫度傳感器數(shù)量選取，考慮到一塊地溫度不會(huì)有太大差別，且土壤溫度只是起參照作用，因而在簡(jiǎn)化系統(tǒng)、減少成本前提下只需用一種溫度傳感器測(cè)土壤溫度就可以了。此外，對(duì)于三個(gè)土壤水分傳感器測(cè)控儀可以有兩種不同控制方式。第一種方式，當(dāng)測(cè)控儀用來控制較大一片土壤灌溉時(shí)，可以將三個(gè)傳感器均勻分布埋設(shè)在這片土壤里，再取三個(gè)傳感器測(cè)量平均值來表達(dá)整片土壤含水狀況，依照這個(gè)平均值來控制灌溉。第二種方式，三個(gè)傳感器可以獨(dú)立控制灌溉。測(cè)控儀設(shè)立了三組獨(dú)立繼電器，在第二種控制方式下，每一組繼電器相應(yīng)一種傳感器，每組繼電器可以獨(dú)立設(shè)定不同灌溉方式，依照相應(yīng)傳感器所測(cè)土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)獨(dú)立控制灌溉。這樣，在控制土壤面積不大狀況下，測(cè)控儀就可以獨(dú)立控制三塊地，這也就增大了測(cè)控儀工作量，從分發(fā)揮測(cè)控儀潛力。同步第二種控制方式還可以用于花卉、盆景等經(jīng)濟(jì)植物栽培中，分別將三個(gè)傳感器插在不同種類花卉盆或盆景中，依照不同種類花卉或盆景對(duì)水分不同規(guī)定設(shè)立不同土壤缺水判斷原則和灌溉方式。普通花卉和盆景對(duì)水分規(guī)定是比較苛刻，用自動(dòng)化節(jié)水灌溉控制儀來培養(yǎng)花卉或盆景，可以收到不錯(cuò)經(jīng)濟(jì)效果。當(dāng)前，國(guó)外也有某些專門針對(duì)花卉培養(yǎng)自動(dòng)控制灌溉設(shè)備，也都收到了不錯(cuò)經(jīng)濟(jì)效果。四、灌溉方式在3.3.1節(jié)中提到，針對(duì)不同作物和不同土壤測(cè)控儀需要有不同土壤缺水判斷原則和灌溉方式。這里所說土壤缺水判斷原則指就是作物缺水或是不缺水狀態(tài)下土壤水吸力界限值。測(cè)控儀依照規(guī)定設(shè)立了三種灌溉方式以供操作者在面對(duì)不同土質(zhì)時(shí)選取使用。(1)上下限灌溉方式在這種灌溉方式下，可以設(shè)定土壤水吸力上限值(Pu)、下限值(Pd)和溫度(T)三個(gè)參數(shù)。當(dāng)測(cè)控儀檢測(cè)到土壤水吸力不不大于上限值時(shí)，表達(dá)作物缺水，控制儀給出控制信號(hào)，控制澆水。當(dāng)測(cè)控儀檢測(cè)到土壤水吸力低于下限值時(shí)，表達(dá)澆水足夠，停止?jié)菜?。測(cè)控儀在檢測(cè)土壤水吸力同步還要檢測(cè)溫度，當(dāng)發(fā)現(xiàn)溫度低于設(shè)定溫度時(shí)及時(shí)停止?jié)菜?，以免在低溫下澆水凍傷作物。這種灌溉方式是針對(duì)那些滲水快土壤設(shè)計(jì)，當(dāng)灌溉后水能不久下滲，不需要延時(shí)等待。(2)延時(shí)灌溉方式在這種灌溉方式下，可以設(shè)定土壤水吸力上限值(Pu)、延