一種智能灌溉控制器的研究與設(shè)計(jì)

陳燕鵬　劉祖明　楊康等

摘要 [目的]采用電橋法和稱重法對(duì)土壤含水量進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究和控制器的設(shè)計(jì)。[方法]依據(jù)電橋法設(shè)計(jì)出灌溉控制器的工作原理，用電橋測出土壤兩端電阻值的變化，進(jìn)而求出因土壤電阻值的變化所引起的電壓變化，經(jīng)過89C51單片機(jī)的多級(jí)放大和算法處理，實(shí)現(xiàn)控制器對(duì)土壤含水量的采集、控制和顯示。[結(jié)果]控制器土壤濕度測量值隨著沙土含水量增大而增大，一般測量值在40%～80%時(shí)都可以滿足大多數(shù)植物的需水量要求。 [結(jié)論]該研究設(shè)計(jì)的智能灌溉控制器可以用來測量和控制土壤的濕度。

關(guān)鍵詞 土壤含水量；電橋法；稱重法；灌溉控制器

中圖分類號(hào) S126 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 0517-6611（2015）20-359-03

Abstract [Objective]The electric bridge and weighing method were used to investigate the soil moisture and a novel irrigation controller was designed in this study. [Method]According to basic principle of electric bridge method，， the changed voltages （ΔU） were solved with the changed resistance of soil. The collector， controller and display of soil moisture were controlled by irrigation controller on account of 89C51 MCU. [Result] The controller soil moisture measurements with sand moisture content increases，the average measured value at 40%-80% can meet the requirements of the water requirement of most plants.[Conclusion] It is feasible that the irrigation controller will be used to measure and control soil moisture in the future.

Key words Soil moisture；Electric bridge method；Weighing method；Irrigation controller

土壤濕度測量有電容式土壤濕度傳感器測量[1]、TDR測量[2]、光譜測量等，這些測量主要用于高精度的實(shí)驗(yàn)測量使用，因設(shè)備成本較高其實(shí)際應(yīng)用性不多，如可降低成本并提高性能，滿足一般農(nóng)戶的灌溉控制需求，是當(dāng)務(wù)之急。

市場上大多數(shù)灌溉控制器主要以定時(shí)控制器為主[3]，用定時(shí)的方式給植物澆水，其缺點(diǎn)是：植物吸水量和土壤蒸發(fā)量不僅和時(shí)間有關(guān)系，還和周圍環(huán)境溫度、濕度、光照強(qiáng)度、氣流等都有關(guān)系，會(huì)出現(xiàn)有時(shí)澆水過多有時(shí)澆水不足的問題，而且用戶使用時(shí)要反復(fù)調(diào)節(jié)時(shí)間，調(diào)節(jié)難度極大。筆者介紹了一種智能全自動(dòng)灌溉控制器，可用在辦公室、客廳、走廊、陽臺(tái)、花園等地方的澆灌，配有DC12V控制端口，可接12V微型直流水泵，用土壤濕度傳感器測量土壤電阻值變化來控制水泵的開啟和關(guān)斷來達(dá)到澆灌的目的。

1 控制器的設(shè)計(jì)及使用方法

1.1 控制器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該控制器由外殼、控制電路板、土壤濕度傳感器、水泵、螺絲、固定片、若干導(dǎo)線構(gòu)成。其中控制電路板由4位數(shù)碼管、按鍵開關(guān)、電容電阻、89C51單片機(jī)、繼電器、三極管、二極管等元器件構(gòu)成；土壤濕度傳感器由2塊固定片、螺絲、2塊金屬片、導(dǎo)線構(gòu)成，2塊金屬片被2塊固定片夾在中間，金屬片之間有6 mm的間距，每塊金屬片均與導(dǎo)線連接且是獨(dú)立的，如圖1所示。

1.2 控制器的原理設(shè)計(jì)

該控制器用電阻法來檢測土壤濕度，當(dāng)土壤濕度傳感器插入到土壤中時(shí)，會(huì)檢測到2塊金屬片之間的土壤電阻值，隨著水分含量的減少，土壤中導(dǎo)電離子減少，電阻值增大；水分含量增加，土壤中導(dǎo)電離子增多，電阻值減小。利用這一特性，把土壤電阻值的微小變化用電路檢測出來，由模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號(hào)，經(jīng)過單片機(jī)處理放大，用控制算法來實(shí)現(xiàn)土壤濕度的檢測、調(diào)節(jié)、顯示和水泵的開斷。

實(shí)際土壤含水量[4]（即土壤濕度）采用農(nóng)業(yè)氣象上土壤濕度經(jīng)常采用的表示方法——稱重法[5]，即土壤中水分的重量占其干土重的百分?jǐn)?shù)（%）。

從圖3可以看出，土壤稱重含水量與用控制器測量出的參考值是成正相關(guān)的，隨著土壤濕度的增大，相應(yīng)的測量值也相應(yīng)增加，利用這個(gè)正相關(guān)關(guān)系，可以間接地測出土壤的潮濕程度，進(jìn)而控制水泵工作。

土壤的密度是水的2倍，且土壤顆粒的空隙遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于水的空虛，用稱重表示方法來表示土壤濕度時(shí)，其表現(xiàn)出來的值會(huì)很小，而區(qū)分土壤潮濕的程度，一般分為干、潤、潮、濕[4]，用手去觸碰土壤，有涼感的視為干，土壤太干，這時(shí)植物處于缺水狀態(tài)；明顯有濕潤感，可壓成任意形狀而沒有潮濕痕跡的視為潤，一般野外晴天的時(shí)候植物根部土壤濕度可以達(dá)到這個(gè)值，這對(duì)一些耐旱的植物是合適的，如蘭花；用手?jǐn)D壓時(shí)沒有水浸出來，而有潮濕痕跡的視為潮，這是大部分植物都需要的水分含量，在晴天進(jìn)行光合作用可以源源不斷地吸收水分；用手?jǐn)D壓，水會(huì)擠壓出來的視為濕，這時(shí)植物根部會(huì)有少許的積水現(xiàn)象，不利于植物生長。

可以看出，用實(shí)際土壤濕度值來表示，會(huì)對(duì)使用者造成很大的誤解，一般人們認(rèn)為土壤很潮濕已經(jīng)出現(xiàn)積水了濕度應(yīng)該是100%，但實(shí)際土壤濕度值可能在15%左右，故用實(shí)際土壤濕度值表示是不可行的。該研究把這個(gè)電阻值的微小變化反應(yīng)在電壓變化上面，然后放大到100 000倍以上，來近似地模擬實(shí)際土壤含水量，這樣就可以間接地調(diào)節(jié)、測量和控制土壤濕度。

1.3 控制器的程序流程設(shè)計(jì)

控制器的程序流程設(shè)計(jì)如圖2所示。當(dāng)控制器有電時(shí)，它會(huì)自動(dòng)進(jìn)行初始化過程，然后對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行錯(cuò)誤自檢，如土壤濕度傳感器沒接上、水泵沒接上、電路部位有問題等。當(dāng)執(zhí)行到按鍵檢測時(shí)，沒有按鍵按下，就進(jìn)行濕度的控制和顯示；當(dāng)檢測到按鍵被第一次按下時(shí)，就進(jìn)入下限值的調(diào)節(jié)；當(dāng)?shù)诙螜z測到了按鍵被按下，就進(jìn)入上限值的調(diào)節(jié)；當(dāng)?shù)谌螜z測到了按鍵被按下，便進(jìn)行設(shè)定值的控制和執(zhí)行；這樣一直循環(huán)下去。一般程序里面已經(jīng)設(shè)定了一個(gè)初始值，方便控制器的運(yùn)行。

1.4 使用方法

首先，固定好控制器，把土壤濕度傳感器插入待澆灌的土壤中，把毛管和滴灌頭固定安裝好，進(jìn)水管和出水管安裝到控制器的水泵上面，進(jìn)水管另一頭接上過濾器，滴灌頭一般固定在花盆的中央，浸潤直徑在30 cm左右，土壤濕度不僅可以通過控制器來調(diào)節(jié)，還可以通過傳感器和滴灌頭的距離來進(jìn)一步調(diào)節(jié)。

然后打開電源開關(guān)，第一次按下鍵1，數(shù)碼管顯示下限濕度調(diào)節(jié)模式，按鍵2、3、4可以對(duì)濕度值進(jìn)行設(shè)定，第二次按下鍵1，數(shù)碼管顯示上限濕度調(diào)節(jié)模式，同樣按鍵2、3、4可以對(duì)濕度值進(jìn)行設(shè)定，第三次按下鍵1，控制器執(zhí)行剛設(shè)定好的濕度范圍，從而控制水泵的開啟和關(guān)斷。

此控制器接220 V交流電，靜態(tài)工作耗電量在50 mA以內(nèi)，正常工作耗電量在800 mA左右，耗電不是太多，非常適合在辦公室、走廊、陽臺(tái)、客廳等地方使用。

2 控制器的測試及分析

2.1 實(shí)驗(yàn)方案

2.1.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備。

從室外采集一定量的紅土、腐質(zhì)土、沙土，2 kg量程、精度0.1 g的小臺(tái)秤1臺(tái)，陶瓷皿1個(gè)，玻璃杯1個(gè)，電爐1臺(tái)，鋁板1塊，鋁片2塊，12 V開關(guān)電源1個(gè)，20 cm×30 cm的覆銅板1塊，腐蝕液1包，PCB氣泡蝕刻機(jī)1臺(tái)，打印機(jī)1臺(tái)，熱轉(zhuǎn)印機(jī)1臺(tái)，電焊烙鐵1把，焊錫絲1卷，萬用電表1個(gè)，電子元器件、螺絲、熱轉(zhuǎn)印紙及導(dǎo)線若干。

2.1.2 土壤濕度測量實(shí)驗(yàn)方案。

采用烘干稱量法[5]，對(duì)實(shí)際土壤濕度進(jìn)行測量，把鋁板放到電爐上進(jìn)行預(yù)熱，把一定量的沙土放到鋁板上烘干，直至重量不再減少，稱出陶瓷皿的凈重m，并做好標(biāo)記；取下沙土于陶瓷皿中，然后稱出盛有干土的陶瓷皿質(zhì)量M，稱出盛水的玻璃杯質(zhì)量m0，每次往陶瓷皿中加入一定量的水，稱出剩余水和玻璃杯的質(zhì)量為mx，在每次加入水的時(shí)候要對(duì)土進(jìn)行充分的攪拌，這樣可以計(jì)算出實(shí)際土壤含水量θi，計(jì)算公式為：

用圖5所示的實(shí)驗(yàn)電路進(jìn)行測量，要保證每次土壤濕度傳感器插到同樣的深度，記錄下每次控制器上數(shù)碼管顯示的土壤濕度值θj，一般實(shí)驗(yàn)6～10次。其中m、M、m0為定值，其余均為變量，mx、θi、θj下標(biāo)x、i、j均為實(shí)驗(yàn)次數(shù)。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

該研究進(jìn)行了9次實(shí)驗(yàn)，每次實(shí)驗(yàn)測得的結(jié)果見表1。根據(jù)表1結(jié)果，繪制實(shí)際含水量與控制器測量值的關(guān)系曲線（圖6）。

從圖6可以看出，經(jīng)過算法的處理，把θ轉(zhuǎn)換成θj，也是符合正相關(guān)關(guān)系的，控制器土壤濕度測量值會(huì)隨著沙土含水量的增大而增大，沒有出現(xiàn)跳變和減小，在實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)當(dāng)實(shí)際稱重含水量達(dá)到13.3%時(shí)，控制器顯示的測量值已經(jīng)達(dá)到100%以上，土壤已經(jīng)出現(xiàn)了積水現(xiàn)象。故對(duì)控制器來說，一般測量值在40%～80%可滿足對(duì)大多數(shù)植物的需水量要求，對(duì)顯示測量值的放大是為了讓使用者更易接受，且測量結(jié)果不會(huì)出現(xiàn)抖動(dòng)和漂移，它會(huì)隨著土壤含水量的降低而減小。

3 結(jié)論

該研究通過對(duì)控制器原理的理論推導(dǎo)、算法實(shí)現(xiàn)和實(shí)驗(yàn)論證，驗(yàn)證了土壤含水量和土壤直流電導(dǎo)率確實(shí)有著良好的線性關(guān)系。以此為基礎(chǔ)，用電橋法推導(dǎo)出電壓變化值也可以反應(yīng)出土壤含水量和直流電壓的正相關(guān)關(guān)系，只是信號(hào)非常微弱，要經(jīng)過放大和處理。因此，測量土壤電導(dǎo)率的方法確實(shí)可以測出土壤含水量的變化。此控制器在測量沙土的土壤濕度時(shí)，顯示測量值當(dāng)達(dá)到100%左右沙土已經(jīng)開始有積水現(xiàn)象，而測量值為40%～80%的土壤濕度較為合適，實(shí)現(xiàn)了對(duì)土壤濕度的測量和控制。

相對(duì)于高精度土壤濕度傳感器，該研究設(shè)計(jì)的灌溉控制器精度低了很多，主要是受溫度、土壤顆粒大小、土質(zhì)、傳感器頭插入深度、土壤松散程度等因素的影響，土壤本身是混合物，在測量時(shí)就出現(xiàn)了很多的變量影響測試結(jié)果，故該控制器的精度還有待提高。可基于傳感器測量原理，通過設(shè)計(jì)不同的實(shí)驗(yàn)方案加以改進(jìn)。

參考文獻(xiàn)

[1] 李加念，賈闖.電容式土壤水分傳感器的電導(dǎo)變異性試驗(yàn)研究[J].傳感器與微系統(tǒng)，2014，33（8）：41-43.

[2] 孫玉龍，郝振純.土壤電導(dǎo)率及土壤溶液電導(dǎo)率與土壤水分之間關(guān)系[J].河海大學(xué)學(xué)報(bào)，1997，25（6）：69-71.

[3] 馮伯翰.一種實(shí)現(xiàn)5個(gè)定時(shí)過程的程序控制器設(shè)計(jì)[J].機(jī)械工程師，2012（5）：30-32.

[4] 呂貽忠，李保國.土壤學(xué)實(shí)驗(yàn)[M].北京：中國農(nóng)業(yè)出版社，2010.

[5]王剛，陳統(tǒng)強(qiáng).烘干稱重法與自動(dòng)觀測土壤濕度的差異分析[J].氣象研究與應(yīng)用，2010，31（2）：53-56.

[6] RHOADES J D，RAATS P A C，PRATHER R J.Effect of liquidphase electrical conductivity，water content，and surface conductivity on bulk soil electrical conductivity[J].Soil Sci Soc Am J，1976，40：651-655.

[7] 毛久庚，李成保.土壤直流電導(dǎo)率與含水量和容重的關(guān)系[J].土壤，1990（5）：242.