农田地下滴灌管道堵塞快速检测装置的设计

刘艳秋,武　佩,张永安,于奎单,苏　赫

(内蒙古农业大学 机电工程学院，呼和浩特　010018)



农田地下滴灌管道堵塞快速检测装置的设计

刘艳秋,武佩,张永安,于奎单,苏赫

(内蒙古农业大学 机电工程学院，呼和浩特010018)

摘要：农业在我国国民经济发展中起到重要作用，而在当今水资源匮乏的背景下，农田节水灌溉势在必行。滴灌是农田节水灌溉的有效方法之一，特别是在水资源匮乏的地区应用更为广泛。由于农田地下滴灌管深埋于土壤下，导致滴灌管堵塞时不易被发现，如不及时采取措施将会影响农作物的生长并造成损失。为此，研制了一种快速检测农田地下滴灌管道堵塞的装置。该装置以STC90C58AD为主控芯片，采用PHTS-5V-V2土壤湿度传感器对农作物根部的土壤湿度进行检测，对检测到的不同位置上的土壤湿度值进行比较，来判断滴灌管是否堵塞。试验表明：该装置能够快速测定指定点的土壤湿度，判断地下滴管管道堵塞情况，同时具有实时显示、存储、报警等功能，可以满足农田地下滴灌管道堵塞快速检测的需求。

关键词：农田节水灌溉；地下滴灌；堵塞；STC90C58AD；快速检测；土壤湿度

0引言

我国是一个水资源总量丰富的国家，为2 7957.9亿m3，占全球水资源的 6%，但人均占有量仅为2 100 m3，不到全球人均水平的1/4[1]。我国平均年缺水量达到 400 亿m3多，有近 2/3 的城市存在不同程度的缺水。水资源短缺形势严峻，而与其相矛盾的是，我国水资源开发过度、利用粗放等现象特别凸显，尤其是占用水总量 63.4%的农业用水使用率较低[2]。在农业用水中，农田灌溉是最大用水项，年用水量3 304 亿m3，占到农业用水量的 90.2%[3]；传统的大水漫灌方式使得我国农田灌溉有效水利用系数仅为0.523，而发达国家已经达到0.7甚至0.9[4-5]。现代化节水灌溉技术将是提高农业灌溉水有效利用系数及节约水资源的有效途径和发展趋势。

微灌技术是一种新型的农田节水灌溉技术,包括滴灌、微喷灌、脉冲微喷灌、小管出流灌和渗灌等[4]。地下滴灌是在微灌技术日益完善的基础上发展而来的一种高效节水灌溉技术[6]。其工作过程为：水经过地下毛管上的灌水器慢慢流出，渗入到邻近的土壤当中，凭借毛细作用将水分输送至农作物根部供其吸收并加以利用[7]。与其他节水技术相比，农田地下滴灌能够把灌溉水的深层渗漏和地表蒸发减少到最低程度，且可以随水施肥，增产效果显著[8]。研究表明：地下滴灌技术对农田灌溉水的利用效率高达90%[9-11]，同时具有节约能源、节省人力、浇灌均匀且能够适应不同土壤条件和地形变化等优点，在农田灌溉中应用越来越广泛[12-14]。

但迄今为止，农田地下滴灌的堵塞问题依然是制约滴灌技术发展的主要因素。引起农田地下滴灌管道堵塞的原因很复杂，除了地表滴灌常见的物理、化学和生物堵塞外，负压吸泥和根系入侵也可能引发滴灌管道堵塞[15]。滴灌管堵塞会降低整个滴灌系统的灌水质量，严重影响滴灌系统运行效果和稳定性。为此,设计研究了一种能够快速、实时检测农田地下滴灌管堵塞情况的装置。该装置以单片机为控制核心，采用PHTS-5V-V2湿度传感器采集农作物根部土壤湿度，并根据所测土壤湿度值判断滴灌管道堵塞情况，为农田地下滴灌系统的运行管理提供技术支持。

1系统总体设计

本文设计的基于植物根部土壤湿度检测的滴管堵塞巡检装置可实现土壤湿度采集、数据处理、显示、传送及存储等功能，并且能够进行湿度报警。该装置主要由数据采集模块、时钟模块、数据存储模块、报警功能模块、输入输出模块和数据传送功能模块组成，系统功能如图1所示。

系统工作原理：土壤湿度传感器将采集到的土壤湿度信号传送至单片机内部的A/D转换器进行转换，转换后的数字信号由单片机进行处理，单片机通过控制内部存储器将采集到的湿度值与时间同时存储下来，并将结果发送至显示器进行显示。当检测到的湿度值低于系统设定阈值时，系统会报警。存储后的数据可通过串口传至上位机，并可以在计算机内进行分析与统计，为指导滴灌生产提供依据。

图1　系统功能框图

2系统硬件设计

该装置以STC90C58AD为主控芯片。前端的数据采集模块将湿度传感器采集到的模拟信号传输至单片机，由STC90C58AD的AD转换器转换为数字信号并存储在单片机内，存储的同时读取时钟芯片的时间值一并存储，即可记录采集时间。测试所得土壤湿度值经公式换算后(见表3)在LCD上实时显示。采集到的数据需要与预存的报警阈值进行比较，如超过阈值，则输出报警信号。各模块电路设计以及和主芯片连接电路图如图2所示。

2.1温度采集电路模块

本装置采用的传感器是由武汉新普惠公司生产的PHTS-5V-V2土壤湿度传感器。传感器测量范围0～100%，准确度3%，分辨率0.1%，输出信号0～2.5V，工作温度-50～80℃，负载电阻≥1kΩ，采用5V直流电源供电。该传感器具有灵敏度高、准确快速、稳定可靠等优点，完全能够满足设计要求。传感器与单片机连接电路如图3所示。

图2　原理电路图

图3　传感器与单片机连接电路图

2.2显示模块设计

本系统需要显示土壤湿度值及采样时间，并采用QC-1602LCD液晶显示器对采集到的数据进行实时显示，工作电压为4.5～5.5V，具有工作可靠、体积小及性价比高等特点。

单片机的P2.5、P2.6和P2.7引脚分别连接液晶显示器的使能端、读/写选择端和数据/命令选择端。为了调节液晶显示器的亮度，在液晶显示器的VO引脚接入一个可变电阻。因为单片机的P1口上电后为开漏输出，因此在液晶显示器的数据口并联一个10kΩ排阻作为上拉电阻。

2.3时钟模块设计

系统采用DS1302时钟芯片为系统提供时间，通过单片机控制显示器来显示当前测试土壤湿度的时间。DS1302与单片机采用同步串行的方式进行通信，由P3.5、P3.6和P3.7引脚分别控制DS1302的RES复位端、I/O数据端及SLCk串行时钟端。DS1302的电路图如图4所示。

图4　DS1302电路图

2.4按键模块设计

本模块所要实现的功能是设置系统时间。装置共设置4个按键，分别为K1、K2、K3、K4。K1表示系统确认键，K2为调整时分秒及年月日的切换键，K3为加1键，K4为减1键。单片机的P2.0、P2.1、P2.2、P2.3口分别控制按键K1、K2、K3、K4。系统设定第1次上电时的初始化时间和日期，通过按键K1、K2、K3、K4可以调整时间和日期，还可以修改存入存储器内的土壤湿度最大、最小值。

2.5报警模块设计

报警模块功能即当所采集的土壤湿度值小于设定阈值时进行报警提示，系统采用声音报警的方式，由单片机P3.2口对报警电路进行控制。当单片机输出低电平时，Q1导通，蜂鸣器发出报警，说明土壤湿度低于设定的阈值，此时需要对所采集土壤部位的滴灌管道进行检查。

3系统软件设计

本系统程序设计采用的集成开发环境为Keil-μVision4，主要包括主程序、土壤湿度采集程序及时钟程序等。

3.1主程序设计

系统开始运行后进入预先设定的日期时间界面，接着系统会进行按键检测。当有按键输入时，系统会根据输入的按键调整时间；如果检测不到按键输入，系统会一直采集数据。对采集到的电压信号单片机ADC模块将其转换成数字量，并将数字量转换成对应的湿度值显示。通过人工的方法判断该数据是否正常：若正常，则进行数据存储；否则，系统会报警。主程序流程图如图5所示。

图5　主程序流程图

3.2数据采集程序设计

该模块主要实现土壤湿度的采集和对数据的处理。传感器采集到数据后由单片机内部A/D转换器进行转换，本文仅采用一个湿度传感器，所以仅由P1.0端口进行转换即可。数据采集流程图如图6所示。

4试验结果及分析

所研制的装置实物图如图7所示。

4.1试验操作

首先，为了验证土壤含水率与土壤湿度之间的对应关系，配制了不同含水率的土壤样品，并测定其湿度值，结果如表1所示。从表1土壤含水率与土壤湿度的对照可以看出：二者呈近似正比关系，即可以用测试土壤湿度的方法来代替以往测试土壤含水率的方法。土壤含水率的测量存在取样、称量、烘干等一系列比较复杂和费时费力的工序，而利用该便携式仪器可以快速、准确地确定地下滴灌堵塞情况，如图8 所示。

图6　数据采集程序流程图

图7　实物图

图8　土样湿度测试照片

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

土壤含水率土壤湿度851005586.63578.32669.81833.51022.7

其次，根据农作物在正常生长状态下灌水周期为4～7天的情况，在滴灌区选取滴灌管埋在土下20cm深处、灌溉周期为5天的玉米田地进行土样采集。分别选取灌溉后3h，灌溉后1、2、3、4天，以及灌溉前的土样进行湿度测量。对所采土样湿度值分别用本装置和烘干法进行测量，测量结果如表2所示。测试出不同样品的湿度值和含水率符合表1的结果，说明在滴管堵塞测量上利用土壤湿度值的测量完全可以取代以往含水率的测量。在实际应用中，如果在同一管线上测试值偏差超过一定阈值(即某一区域的湿度值与管线上其他地方湿度值的偏差，程序设置为20%)，则基本可以确定该处地下滴灌管喷嘴已堵塞。

表2　测试结果

4.2误差分析

表3是PHTS-5V-V2土壤湿度传感器测试模拟电压与湿度值之间的转换公式。传感器厂家给定的测量误差为小于3%，该误差是由传感器器件材料导致的，无法通过外界条件消除。因此，在现有条件下，保证传感器的测量精度主要是提高供电电源的稳定性。为此，本装置将图8中的5节1.5V电池替换为9V干电池。更换后的电源使用寿命长，电压稳定性较好，经验证可以满足试验要求。此外，本装置在设计电源模块时，选择7805集成稳压模块将9V电压稳压至5V电压，进一步确保供电电压的稳定性。当然，在实际使用时还应养成随时关机的良好习惯，以增加电池使用寿命。

对不同质地土壤湿度，PHTS-5V-V2传感器所测的值具有一定的偏差。为此，可以通过测量不同质地下干土壤的导电率，对传感器进行修正。如果测得的干土壤导电率偏高，则将转换公式中的系数67.51调高，或者将系数4.105调低。其中，前者为大幅度调整，后者为微调；反之，如果所测干土壤导电率偏低，则调低系数67.51.或者调高系数4.105，从而消除不同质地土壤下PHTS-5V-V2传感器测量值的误差。

表3　电压与土壤湿度的关系

5结论

在农田地下滴灌管道无堵塞的情况下，同一条滴灌线上所测的土壤湿度值之间偏差应小于5%。如果测量的农田土壤湿度值偏差大于20%，则说明滴灌管出现堵塞，需要立即采取措施，否则就会影响农作物的正常生长。通过对5个样本的测量，表明本装置能够满足快速地判断农田地下滴灌管堵塞情况的需求。同时，与烘干法测量土壤湿度值相比，本装置除了能够克服烘干法的取样困难、取样工作强度大、成本高且实时性差等缺点外，还具有可操作性强、实用性强等优点。综上所述，本文设计的快速检测农田地下滴灌管道堵塞情况的装置不仅能够实时、快速地检测农田土壤湿度值，还能根据检测结果判断农田地下滴灌管道堵塞情况，同时具有数据采集、显示和报警等功能。试验表明：本装置基本能够快速、实时地检测农田地下滴灌管的堵塞情况，具有可行性。

参考文献：

[1]孙伟. 中国农业节水技术推广关键影响因素研究[D].哈尔滨:东北农业大学,2012.

[2]苏荟. 新疆农业高效节水灌溉技术选择研究[D].石河子:石河子大学,2013.

[3]国亮. 农业节水灌溉技术扩散研究[D].杨凌:西北农林科技大学,2011.

[4]张身壮. 灌区节水农业问题研究[D].合肥:合肥工业大学,2007.

[5]水利部农村水利司,中国灌排水发展中心.农业节水探索[M].北京：中国水利水电出版社,2001.

[6]仵峰,范永申,李辉,等.地下滴灌灌水器堵塞研究[J].农业工程学报,2004(1):80-83.

[7]吴艳春.地下滴灌技术发展及运用初探[J].中外企业家,2013(29):145-146.

[8]李红,罗金耀.地下滴灌条件下土壤水分研究概况[J].节水灌溉,2005(3):26-28.

[9]翟国亮，吕谋超.微灌系统的堵塞及防治措施[J].农业工程学报，1999，15(1):144-145.

[10]刘璐,牛文全.滴灌灌水器流道堵塞及防治研究进展 [J].农机化研究, 2012,36(4):13-18.

[11]赵喜云.国内外滴灌技术的发展及应用[J].节水建设，2009(5)：34-35.

[12]李道西，罗金耀.地下滴灌技术的研究及其进展[J].中国农村水利水电，2003(7)：15-17.

[13]王芳琴. 单片机控制的节水灌溉系统的研究[D]. 武汉:华中农业大学，2005.

[14]张智操，姜宁，陈宏峰.地下滴灌技术发展及其技术环境效果[J].水利科技与经济，2004,10(4)：215-217.

[15]李久生,陈磊,栗岩峰. 地下滴灌灌水器堵塞特性田间评估[J]. 水利学报,2008(10):1272-1278.

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

文章编号：1003-188X(2016)06-0149-06

中图分类号：S275.4；S237

文献标识码：A

作者简介：刘艳秋(1988-),女，内蒙古赤峰人，硕士研究生，(E-mail) lyq13514413846@163.com。通讯作者：张永安(1976-)，男，内蒙古兴和人，副教授，(E-mail) zhangya817@126.com。

基金项目：内蒙古自治区自然科学基金项目(2012MS0720，11364029)；中国农业大学-内蒙古农业大学科研合作项目(ZN201012)

收稿日期：2015-06-11