（电气工程专业论文）现代化农业设施节水灌溉控制系统的研究.pdf

摘要 我国农业用水浪费现象严重，水利用效率低，本文设计的现代化农业设施 节水灌溉控制系统是一种体积小、成本低、操作简单且工作可靠的灌溉控制系 统，它能够实时监测土壤含水量与温度，根据检测结果按照作物需水特性实现 适时、按需精确灌溉，达到高效节水的目的。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，对缓解我国农业用水短 缺现象非常重要，它的推广对于节省水资源、发展现代农业、实现优质高产都 有重大意义。 节水灌溉自动控制系统的设计采用了传感器技术与单片机技术，将工业测 控技术和农业种植与灌溉技术结合的方法。本课题的研究主要包括两个方面， 一是测量，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；二是控制，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。整个控制系统主 要有四个模块：检测模块、数据处理模块、数字模块及控制模块。围绕这四大 模块进行如下工作：土壤水分测量系统的设计、土壤温度测量系统的设计、控 制仪器的设计等。 通过实验室、现场试验结果表明，节水灌溉自动控制能够准确测出土壤的 水分和温度，根据设定值控制灌溉，整个控制系统能够正常工作，实现了适时、 按需精确灌溉，达到高效节水的目的。 关键词：节水灌溉灌溉控制自动控制 r e s e a r c ho nc o n t r o ls y s t e mo fw a t e rs a v i n gi r r i g a t i o n i nm o d e r n i z e da g r i c u l t u r ef a c i l i t i e s a b s t r a c t t h ep h e n o m e n o no fw a s t i n gw a t e ri na g r i c u l t u r ei no u rc o u n t r yi ss e r i o u sa n d t h ee f f i c i e n c yo fu s i n gw a t e ri sv e r yl o w aa u t o m t t i ci r r i g a t i o nc o n t r o ls y s t e mu s e d i ni n s t a l l e da g r i c u l t u r ew i l lb ei n t r o d u c e d i ti ss m a l l ，l o w c o s t ，s i m p l ea n ds t a b l e a c c o r d i n gt om e a s u r e m e n ta n dt h en a t u r eo ft h ec r o pi nr e q u i r e m e n to fw a t e r , t h e s o i lm o i s t u r ea n dt e m p e r a t u r ec a nb em e a s u r e d i no r d e rt os a v ew a t e ri nh i g l i e f f i c i e n c y , i tc a ni r r i g a t et i m e l ya n dp r e c i s e l y t h ei r r i g a t i o nc o n t r o lt e c h n o l o g ye n a b l e t h ep e o p l et 0g e tr i do ft h et r a d i t i o na l lt od e p e n do nt h ee x p e r i e n c et h ei r r i g a t i o np a r e r n t h ei r r i g a t i o ng o a lo f h i g h l ye f f e c t i v es a v i n gw a t e rh a v eb e e na c h i e v e d i ti sv e r yt h e c o u n tf o rm u c ht h a tt h ep h e n o m e n o no fs h o r tw a t e ri na g r i c u l t u r ei no u rc o u n t r yh a v e b e e na l l e v i a t i n g t h i sc o n t r o ls y s t e mh a sg r e a ts i g n i f i c a n c ef o rs a v i n gw a t e r ， p r o d u c i n gi nh i g hq u a l i t ym i dd e v e l o p i n gt h em o d e r na g r i c u l t u r e t h ea u t o m a t i cc o n t r o ls y s t e mo fs a v i n gw a t e ri r r i g a t i o ni sd e s i g n e dt ou s et h es e n s o r t e c h n o l o g ya n dt h em o n o l i t h i ci n t e g r a t e dc i r c u i tt e c h n o l o g y , i n d u s t r yo b s e r v a t i o na n d c o n t r o lt e c h n o l o g ya n da g r i c u l t u r a lp l a n t e ra n di r r i g a t i o nt e c h n o l o g yu n i o nm e t h o d t w o a s p c c t si sm a i n l yi n c l u d e d o n ei sm e a s u r e d ，n a m e l yt h eg a i ns o i lm o i s t u r ei n f o r m a t i o n , a n dn e e d st h ew a t e rc h a r a c t e r i s t i ca c c o r d i n gt ot h es o i lm o i s t u r ei n f o r m a t i o na n dt h ec r o p s t od e c i d et h ei r r i g a t i o nt i m ea n di r r i g a t i o nq u a n t i t yh o wm a n y t h i sf o r m e r l yo n l yt h e i r r i g a t i o np a t t e r nw i l lb eg o t t e nr i do f w h i c hi r r i g a t e dd e p e n d i n g 0 1 1t h ee x p e f i e n c e ，c a u s e d t h ec r o p si r r i g a t i o nd e c i s i o n - m a k i n ge s t a b l i s h m e n ta b o v et h es c i e n c ef o u n d a t i o n t w oi s c o n t r o l s ，h o wh a st os t u d ya c c o r d i n gt ot h es o i lc o n d i t i o n ，t h es o i lm o i s t u r ei n f o r m a t i o na n d t h e c r o p s n e e d st h ew a t e rc h a r a c t e r i s t i ct o c a r r yo n t h er e a s o n a b l e i r r i g a t i o n d e c i s i o n m a k i n g ，s o o nt h et r a d i t i o nd e p e n d so nt h ee x p e r i e n c et oc h a n g eb yt h ea r t i f i c i a l m a n u a lv a l v ec o n t r o li r r i g a t i o nw a ya u t o m a t i c a l l yc a r r i e so na tt h ef i g h tm o m e n tr i g h t a m o u n t ，a c c o r d i n gt on e e d st h ep r e c i s ei r r i g a t i o nc o n t r 0 1 t h ee n t i r ec o n t r o ls y s t e mm a i n l y h a sf o u rm o d u l e s ：e x m n i u a t i o nm o d u l e , d a t ap r o c e s s i n gm o d u l e ，d i g i t a lm o d u l ea n dc o n t r o l m o d u l e r e v o l v e st h e s ef o u rb i gm o d u l e st oc a r l yo nt h ef o l l o w i n gw o r k ：t h es o i lm o i s t u r e m e a s u r e m e n ts y s t e md e s i g n ，t h es o i lt e m p e r a t u r em e a s u r e m e n ts y s t e md e s i g n ，c o n t r o l st h e i n s t n m _ l e n tt h ed e s i g na n ds oo n t h r o u g ht h el a b o r a t o r y , r e a l l yt h et e s tr e s u l ti n d i c a t e dt h a t ，t h ea u t o m a t i cc o n t r o l i r r i g a t i o ns y s t e mo fs a v i n gw a t e ri sa b l et od e t e r m i n et h es o i lt h em o i s t u r ec o n t e n ta n dt h e t e m p e r a t u r e ，a c c o r d i n gt os u p p o s e st h es e tp o i n tc o n t r o li r r i g a t i o n ，t h ee n t i r ec o n t r o ls y s t e m c o u l dt h en o r m a lw o r k ，r e a l i z e ，a c c o r d i n gt oh a sa tt h er i g h tm o m e n tn e e d e dt h ep r e c i s e i r r i g a t i o n ，a c h i e v e dh i g h l ye f f e c t i v es a v i n gw a t e rg o a l k e y w o r d ：i r r i g a t i o no fs a v i n gw a t e r ，c o n t r o li r r i g a t i o n ，a u t o m a t i cc o n t r o l 插图清单 图3 1 土壤水吸力传感器结构示意图。1 3 图3 2 两线制压力变送电路1 5 图3 3 陶土头保护装置一1 6 图3 4 传感器加水装置1 7 图3 5 改进后的土壤水吸力传感器1 8 图3 6l m 3 5 及其遥测电路2 0 图3 7 l m 3 3 1 v f 转换电路 图3 8 测控仪前面板：2 6 图3 9 测控仪后面板2 6 图3 1 0 测控仪电路设计示意图 图3 1 1 检测控制程序流程图2 9 图3 1 2 测控仪通讯程序流程图，3 0 图3 1 3 设显仪面板3 1 图3 1 4 设显仪电路设计示意图3 2 图3 1 5 设显仪主程序流程图3 3 图3 1 6 设显仪按键程序流程图3 4 图4 1 传感器实验装置3 6 图4 2 控制系统试验示意图。3 9 插表清单 表3 1部分植物需灌溉时的土壤负压值范围。1 3 表4 1负压式土壤水分传感器标定结果3 7 表4 2 实验前与实验后土壤温度、土壤负压及土壤湿度对照表4 0 独创性声明 本人声明所星交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得 金胆王些本堂 或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了 明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签 签字日期：7 年月矿日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金壁： 些占堂有关保留，使用学位论文的规定，有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授 权盒匿e 些厶堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印，缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权带) 学位论文作者签 签字日期。夕 镪确 年6 只i 多b 学位论文作者毕业后去向 工作单位： 通讯地址： 导师签名： 签字日期： 。7 年6 月黟 电话： 邮编： 第一章概述 1 1 研究背景 我国是一个农业大国，建国5 0 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2 2 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，制约我国农业发展的主要因素是水资源严重不足我国水资源总量 为2 8 万亿m 3 ，人均占有量仅2 2 0 0m 3 ，不足世界人均水平的1 4 ，居世界第 1 0 9 位。而且我国水资源地区分布极不均衡，8 1 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剐占全国的4 5 3 和6 4 1 ，而 水资源仅占全国的1 9 ，人均占有量为5 1 7m 3 ；，相当于全国人均量的1 5 和 世界人均量的1 2 0 ，水资源拥有量与生产发展极不适应。据统计，进入2 0 世 纪9 0 年代以来，我国农业干旱受灾面积达2 3 0 0 万h m 2 以上。每年因缺水造成 粮食减产1 0 0 0 亿k g 左右 1 3 】。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。 我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，我国灌溉系统对水资源的利用目前只能达到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1 k g m 3 ，旱地农业面积占6 0 左右。降水的生产率只有o 3 k g m o 4 k g m 3 。 一 解决我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可以缓解我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，根据目前我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3 5 左右，造成大量人力、资金与水资源的浪费；三是 我国水资源毕竟有限，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我国农业缺水 问题的重要措施。 节水灌溉技术包括两方面内容：工程节水技术；通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。灌溉控 制技术：通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【l ”。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灌溉，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5 0 7 0 ，相对传统的灌溉方式来 说已经有很大改善，但是仍存在3 0 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仍然是靠人工控制，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可以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， 对缓解我国农业用水短缺现象具有非常重要意义。 我国政府对节水灌溉十分重视，采取了很多节水灌溉方式，并取得了较好 豹节水效果。从国家农业经济发展分布状况和投人产出效果的现状来分析、在 设施农业上大力推广现代高效节水灌溉技术，将更有利于我国节水农业的稳步 发展。采用先进的灌溉设备、根据作物生产过程中对水的需要，按时、按需对 作物进行灌溉，产量高、品质好、节水明显，水的利用率可以达到9 0 以上， 经济效益非常显著，所以现代高效节水灌溉技术是我国设施农业今后发展的主 要方向。 我国在节水灌溉新技术的研究应用方面也取得了长足的进步，特别是滴灌 技术。但是在节水灌溉控制技术方面，我国还处于较低水平，国内基本上还没 能生产出成型的、能够推广的自动控制灌溉产品，基本还是手动阀门来操作。 因此，研制出一套成型的能够推广的自动灌溉控制系统是目前我国发展节水灌 溉十分紧要的阀题u - 9 。 2 1 2 国内外研究状况 灌溉自动化始于2 0 世纪3 0 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。2 0 世纪5 0 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可以 实现遥测、遥控的集中控制模式【l 弘”】。 l 、国外研究状况 国外由于节水灌溉发展时间长，电子技术水平较高，所以与节尔灌溉配套 的自动控制系统也较完善和先进。节水灌溉发达国家已普遍采用计算机控制灌 溉系统，用埋在地下的湿度传感器可以测得土壤湿度信息，还有的智能系统能 通过捡测植物茎、果的直径交化，来决定对作物的灌溉计划和灌溉量在温室 等设施内较多使用小型灌溉控制器，这种设备通常能控制几路或十几路电磁阀， 内有若干套灌溉管理程序，可预先设定灌水开始、结束时间和灌水间隔时间， 操作方便，自动化、智能化控制运行精密、可靠，节省人力，对灌溉过程的控 制可达到相当糖度。近年来，发达国家为满足对灌溉系统管理的灵活、准确、 快捷的要求，将空间信息技术、计算机技术和网络技术等高新技术应用到节水 灌溉的控制与管理上来，这些技术是目前节水灌溉研究的热点。 在国外节水灌溉技术的发展应用中，以色列取得的成绩最为突出。以色列 是个严重缺水的国家，它的北部是崎岖的高地，中部的丘陵地带，由中部向南 伸展是沙漠地带。全国总面积2 7 万平方公里就有2 万平方公里面积严重干旱缺 水。年降雨量2 0 一5 0 0 毫米，全年无降雨期长达7 个多月。为解决缺水问题，以 色列政府下了大力气发展节水灌溉技术，在全国范围内铺设输水管道，使水的 传输损失率降到5 ，同时大力发展温室大棚，农田与温室大棚普遍都采用了滴 灌和喷灌的灌溉方式，实行灌溉自动化管理，在家利用电脑对灌溉过程进行全 部控制，其中还有无线控制。以色列开发出了多种系列的自动灌溉配套设备， 如电动和水动遥控电磁阀、减压阀、调压阀、安全阀和流量控制阔等，不仅大 大提高了田问水的利用率，而且使作物获得了最佳生长环境。凭借高效节水灌 溉与自动化技术，以色列的农业开发取得了举世瞩目的成绩，被誉为欧洲的“冬 季厨房”。 。 2 、国内研究状况 我国的节水灌溉技术和设备自2 0 世纪5 0 年代从国外引进后，在很长一段时 间内，主要是示范应用，再加上设计、管理及设备上的一些问题，没有得到大 面积的应用，相配套的自动控制系统就更少了。到2 0 世纪8 0 年代，特别是9 0 年 代后，随着经济的发展、水资源的紧张及国家的重视，节水灌溉得到了迅猛地 发展，从国外引进许多先进节水灌溉设备，同时我国在滴灌等节水灌溉技术上 的研究也取得长足进步，但是在自动灌溉控制系统方面仍属空白，与国外相比， 我国技术还比较落后，基本上还没有自行研制的、成型的自动控制产品，绝大 部分都依靠从国外进口。但是那些引进的国外灌溉自动控制设备，是为国外的 具体情况设计的，没有考虑我国的气候、土壤条件、作物类型等因素，并不适 合我国的国情。不能充分发挥它的优势，而且引进的设备价格昂贵。凡此种种， 在我国推广引进国外控制设备不可行的。 目前我国许多温室大棚都已配备了滴灌、喷灌等各种微水灌溉设备，但是 缺乏与之配套的节水灌溉自动控制产品，这些温室大棚仍然采用手动开关阀门 的方式来控制灌溉，耗费人力，而水的利用效率仍然不高。因此，加速开发适 合我国国情的成套、适用、可靠、低成本、高效率、先进的智能节水灌溉控制 系统是十分必要和紧迫的，也是我国今后节水灌溉设备发展的主要方向。 1 3 本课题的研究工作及内容安排 1 3 1 课题研究的主要内容 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我国国情的、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，为实现我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。所以，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。 1 3 2 本文各章节内容安排 论文共分四章。 第一章概述。本章阐述了我国水资源拥有量与生产发展极不适应、存在城 市供水不足、工农业用水矛盾尖锐的研究背景，分析了国内外节水灌溉技术。 介绍了本文研究的内容及目的。 第二章节水灌溉自动控制系统方案研究与论证。根据国际农业节水灌溉技 术。结合我国的实际国情，确定灌溉控制系统设计方案。 第三章节水灌溉自动控制系统的设计。本章根据第二章的系统方案论证确 定：整个控制系统主要有检测模块、数据处理模块、数字模块及控制模块模块。 围绕这四大模块进行如下设计工作：土壤水分测量系统的设计、土壤温度测量 4 系统的设计、控制仪器的设计等。 第四章实验。通过实验室、现场试验来验证节水灌溉系统的可行性，主要 介绍试验过程及结果。 第五章总结与展望。本章主要阐述了设计的系统正确性与准确性以及其不 足之处，规划了以后的设计工作 5 第二章节水灌溉自动控制系统设计方案研究与论证 2 1 节水灌溉自动控制系统设计方案分析与选择 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【2 1 1 。要想在依据我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。目前，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，寻找一个适合我国国情的，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 1 1 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( p r o d u c t i o ns y s t e m ) ，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。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 的时间内褥以广泛地应用，使专家的知识和经验变为生产力【l ”。可以说农业专 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领，且不受时 间、空问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，就将已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，由计算机通过推理计算来决定其灌溉与施肥。 6 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我国未来节水农 业发展的热点之一 但是，在目前情况下专家系统还不能在我国进行推广，它除了具有上述的 优点外，还存在着下述缺点： 1 专家系统模型大，开发周期长，在我国目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 目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 合我国国情，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，而我国农业科 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j 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。 从上面的分析可以看出，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。 目前在国外，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。在田问分布 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，然后通过通讯技术，将处理结果发送至上 位机，即实验室或家里的计算机中，操作者就可以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，微机就可以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 7 求，因此可以将其加以简化，降低其成本，这样就能设计出符合我国国情的， 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。因为在我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问进行检测与 控制就可以了。这样可以大大减少成本，而且还可以预留一个通讯接口，在需 要或是有条件时也可以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 择一些常用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， 同时又可以减少传感器的数量，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。根据这四个标准可以来判断上述拟采用的研究方 案是可行的。 2 2 节水灌溉自动控制系统方案设计 节水灌溉自动控制系统的研究方案f 1 8 0 0 】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闻题。 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 的不仅仅是节水，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，它不仅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，通常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。此 外，土壤中过多的有害物质也靠水的淡化来排除。由以上的分析可以看出，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。但是，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。我国的作物有 几千种，不同的作物有不同的缺水状况；我国面积广大，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 目前我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。 我国面积广大，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。 9 第三章节水灌溉自动控制系统的设计 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，目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 通过干燥或化学反应后直接测出绝对含水量，间接法则通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。下面就对常用的几种测量方 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【2 卜2 5 1 。 1 、采土烘干法 烘干法是当前测定土壤含水量最常用的一种方法，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，但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 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 1 0 土壤通常是导电的，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。目前，电阻法一般都是通过电阻式土壤水分传感器 测量土壤水分的。 电阻法成本较低，可以作许多重复，可不破坏土壤留在田间连续自动监测， 适合于灌溉。但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。所以，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( t d r ) 时域反射仪法，l i p t d r ( t i m ed o m a i nr e f l e c t o m e t r y ) 法是一项高速测量技术。 最早由h 1 f e l l n e r - f e ld e g g 于1 9 6 9 年开发，用来测量液体介电常数与频率的关 系，自从t o p p 等人对t d r 做出关键性的发展后，便开始了一个大量使用t d r 测量 土壤水分的时期。由于t d r 测量快速，一般不需标定，可以作定位连续测量， 既可以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2 0 世纪9 0 年代后国际上已把t d r 作为研究土壤水分的基 本仪器设备。 ， t d r 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 ：1 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。t d r 最大的缺点是电路复杂，导致设备昂 贵，仪器主要依赖进口，虽然国内目前也有生产，价格可降至进口的一半，但价格 仍然昂贵，在控制系统要求成本低的条件下也不适宜用t d r 法测量土壤水分。 与t d r 方法类似的还有频域反射法，即f d r ( f r e q u e n c yd o m a i nr e f l e c t o m e t r y ) ，测量土壤含水量的原理与t d r 类似。f d r 法具有比t d r 法更多的优点，但 同时也具有t d r 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 o 1 5 p m ，细孔毛瓷杯内装满无气水，与土壤紧密接触，杯内自由水通过杯壁 孔隙与土壤水接触，当土壤水分与瓷杯内水分不平衡时，水和盐就可以无阻碍地 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