基于自动控制的土壤灌溉系统研究

李向欣+周洁娴+李国豪+肖俊杰+谭耀珠+郑志硕

摘要：为促进中国农业自动化发展，减轻农业人力资源耗费，本文设计出一种基于自动控制的土壤灌溉器。此灌溉器是通过分析土壤水分测量特点及介电特性，根据频域反射计测量原理得到土壤含水率的，最后其通过控制单元对所测土壤含水量与植物土壤含水定额的偏差和偏差的变化率进行模糊化处理与决策来判断灌水与否。

关键词：自动控制；湿度传感器；频域反射计（FDR）；土壤灌溉系统

中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2016）27-0204-01

1 引言

相比一些国家，我国水资源较少。根据科研工作者研究的数据表明，我国的灌水使用率低至40%。为了缓解这一困境，国务院曾在2012年印发的节水纲要中设定以下目标——新增高效节水灌溉工程面积需要达到1.00 × 107hm2以上，农田灌溉水有效利用系数需高于 0. 55。然而，现今我国的节水状况仍与2012年所定目标相差甚远。高效的灌溉设备是节水灌溉得以发展的前提条件。根据所观察国内外节水灌溉设备发展状况，剖析中国节水灌溉设备存在的缺陷及发展前景，提出的发展思路与建议，将有益于节水灌溉设备行业全面发展。[2]从节流的角度出发，通过自动灌溉系统检测到植物土壤的湿度过低时合理地对植物进行浇水保湿，而加大节省灌溉水的力度，使得灌溉的操作变得更加准确。[1]因此，设计出一种可以实时检测土壤中含水量并作出快速正确响应（即灌溉操作）且造价相对便宜的自动灌溉系统是相当有必要的。[3] 而本文进行的土壤自动灌溉系统研究也是必然的。

2 自动灌溉系统的设计

该设计是基于继电器模块的自动灌溉控制器，其主要对土壤湿度及灌溉控制进行设计研究。该设计主要是通过土壤湿度传感器获取土壤湿度的数据，进而将数据传送到继电器模块，从而控制进水阀的开关以完成自动灌溉。

2.1系统结构及原理

图1为土壤自动灌溉系统的结构简图，该设计由继电器模块，控制器，土壤湿度传感器，进水阀，220V电源等基本模块组成。系统由220V电源为整个电路提供能量。土壤湿度传感器充当观察员的角色，时刻监测土壤中的水分含量，并将信息利用电信号传递给控制器。控制器则是整个系统的大脑，其通过对电信号所携带的土壤中水分含量大小与系统给定的供水临界值进行比较处理，遵循控制规则发出控制信号，并通过电路驱动放大控制继电器模块的供电与否，直接操作整个系统电路的开或断，从而直接影响进水阀的开闭工作，进而实现灌溉功能。在工作过程中，土壤湿度传感器始终给予控制器反馈，实现了自动控制功能，同时通过设定适当的供水阈值，使土壤湿度达到一定水平后便自动停止供水以达到节水的效果。

具体系统结构如下：

2.2 FDR原理

在本文提出的自动灌溉系统中，土壤湿度的实时监控，便是基于FDR原理——即介电法实现。FDR的水分探头内有一对电极组成的电容器，当水分探头插入土壤内时，土壤便成为了电介质。而电容器与振荡器形成了一个调谐电路，当土壤电容的变化时，振荡器工作频率也随之同时变化。当发生共振的频率有所不同时，说明土壤含水量发生了变化，而介电法就是通过使用扫频频率来检测共振频率从而监控土壤的湿度。从研究者的实践得出：在大多数土壤中，介电常数的平方根与土壤容积含水量具有线性关系；并且土壤的介电常数大小基本取决于土壤体积含水量的多少。而实验证明土壤中水的介电常数明显要远大于土壤基质材料，从而可以忽略土壤类型、密度、温度，可溶性盐含量等因素的干扰。因此，土壤的含水量可以通过测量得到的土壤介电常数正确地表达出来。[3]

2.3土壤自动灌溉系统工作过程

土壤自动灌溉系统的运作首先是由土壤湿度传感器收集土壤中含水量的实时数据，然后在继电器中对数据进行分析，从而通过控制继电器的开关来实行对进水阀的控制。将继电器连接在220V的开关电源上、把土壤湿度传感器插在干燥土壤中，打开电源开关，当土壤湿度低于继电器模块中设置好的最小值时，继电器打开使得电流可以通过电路以打开进水阀进行灌溉；当灌溉土壤湿度高于继电器模块中已设定的最大值时，继电器模块则自动断开，电流将不能通过电路，进水阀关闭，灌溉也停止。将土壤湿度传感器插在潮湿土壤中，继电器则处于断开状态，电流无法通过电路，进水阀不打开，不进行灌溉。

3 结束语

提出的自动灌溉系统是通过实时检测土壤含水量，利用控制单位对实时数据和定额数据来进行比较，从而实现自动灌溉。本文描述了通过基于FDR原理的土壤湿度传感器搜集数据，继电器根据输出信号的大小控制进水阀的通断来实现快速、准确感知的节约型自动灌溉。该系统能够简单直接地处理土壤湿度数据，具有响应快，低功耗的特点，且设计简洁，可适应大部分环境，充分利用水资源，同时解放大量人力物力。

本文的未来研究工作还可以对灌溉系统的电源进行优化，对于太阳能资源丰富这个条件，可以将电源的转化改成利用太阳能电源，可节省用电，有效利用资源。在实际生产过程中，该系统可能还需要面对恶劣天气如雷暴、冰霜及虫害等意外情况的挑战，这需要我们在实践中不断改进。

在经济发展需求不断增大、水资源日益紧张，电子技术也在进步的大背景下，自动控制技术在节水灌溉中的使用越来越普遍。[4]在此情况下，自动灌溉系统的自动化、精细化便成为了农业灌溉发展的重要趋势。[5]电子技术的发展，不应该只是媒体网络上的发展，还应该发展到生活中去，发展到农业生产上来，减轻农民的工作负担，更好地进行农业生产，使得农业产品质量的到保证。

参考文献：

[1] 王会. 基于单片机的太阳能自动浇灌系统的设计[J]. 电子技术与软件工程，2015（20）：257-258.

[2] 袁寿其，李红，王新坤. 中国节水灌溉装备发展现状、问题、趋势与建议[J]. 排灌机械工程学报，2015（1）：78-92.

[3] 张瑞卿，戈振扬，单伟，等. 基于FDR原理的自动灌溉系统设计[J]. 传感器与微系统，2014（2）：80-82+86.

[4] 张增林，韩文霆.自动化控制在节水灌溉系统中的应用[J]. 节水灌溉，2012（10）：65-68.

[5] 甘龙辉. 基于单片机自动灌溉系统的设计[J]. 无线互联科技，2012（8）：96.