基于PRO-F土壤湿度传感器的干旱地区自动喷灌系统研究

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摘要： 应用基于频域反射法（FDR）而进行研发的产品pro-f型土壤湿度传感器自动检测到的土壤的湿度，并由智能仪表采集监测到的控制信号通过数据总线传输给上位机组态软件MCGS，通过PID运算完成对调节阀开启程度的控制，最终达到使土壤湿度保持在一个满足作物需求的合理范围内，再利用喷灌技术，很好的解决了干旱地区农作物节水灌溉的问题。

Abstract： The PRO-F-type soil moisture sensors detect soil moisture automatically, and the control signal collected by intelligent instrument through the data bus transfer to the PC configuration software MCGS. Ultimately, it makes the soil moisture meet crop needs to maintain a reasonable range. There is a good solution about water-saving irrigation problems of crops in arid regions.

关键词： 土壤湿度传感器(PRO-F)；干旱地区；智能仪表；组态软件(MCGS)

Key words： soil moisture sensors(PRO-F)；arid regions；intelligent instrument；configuration software(MCGS)

中图分类号：TP39文献标识码：A文章编号：1006-4311（2011）01-0169-02

0引言

现在全球水资源紧张, 我国很多地方也出现了农田用水紧张、生活用水缺乏等情况。尤其在干旱少雨的西部省份，农作物灌溉方面的用水更是紧张。作物生长过程中，土壤湿度起着至关重要作用。土壤湿度直接影响营养物质的吸收和植物的生长发育，同时还能影响土壤中各种养分的有效性，如灌溉不及时作物生长发育受到威胁，甚至造成作物减产。

所以，怎样保持土壤的湿度维持在作物比较适宜的一个范围内，可以使农作物茁壮生长，同时，又要节约用水，尤其在干旱地区这个矛盾尤为突出。

此系统采用由北京盈科精电科技有限公司基于频域反射法（FDR）而进行研发的产品PRO-F型传感器，保证对土壤湿度有一个高稳定性、高精度的测量。在此基础上，基于组态软件（MCGS）的智能仪表控制，最终使土壤湿度维持在一个合理的范围内，既可以保证作物生长所需水分，又不浪费水资源，在利用喷灌灌溉技术使水资源得到充分利用。

1土壤湿度控制系统方案设计与硬件介绍

基于MCGS组态软件的智能仪表土壤湿度控制系统是一个闭环控制系统。控制系统方框图如图1所示。此控制系统的控制对象为指定区土壤，主控变量是土壤湿度，通过土壤湿度传感器把测量到的土壤湿度值传输给位式智能调节仪，与给定湿度的范围值进行比较，运用PID算法，产生输出量控制电动调节阀动作，以达到使土壤湿度维持在一个合适的范围内。

1.1 PRO-F型土壤湿度传感器特点及性能指标传感器是将各种非电量(包括物理量、化学量、生物量等)按一定规律转换成便于处理和传输的物理量(一般为电量)的装置[1]，此系统采用的PRO-F型传感器便是将土壤的湿度转换成标准的电信号。

PRO-F型传感器是北京盈科精电科技有限公司基于频域反射法（FDR）而进行研发的产品。产品采用自主研发芯片，解决了国内外各厂商因功率放大芯片与晶体振荡器频率不能完全配合的缺陷，从而使产品在一致性和测量灵敏度上取得了前所未有的突破。

1.1.1 PRO-F型土壤湿度传感器特点①高稳定性，安装维护操作简便；②加强改性尼龙增加壳体的抗挤压能力，不会因长期埋植于土壤中导致壳体变形而进水；③采用多层电路板设计，有着良好的屏蔽性和抗干扰性；④选用进口硅胶护套屏蔽线，能有效抗感应雷和其他外来信号的干扰；⑤传输距离远，采用差分采集方式可实现最大400m接线测量；⑥土质影响较小，应用地区广泛,价格低廉，适合中国国情；⑦体积小型化设计，带有校针器，能有效保证传感器之间的一致性同时具有保护探针的功能。

1.1.2 PRO-F型土壤湿度传感器性能指标（如表1所示）

其中，电缆长度：标准长度2m，差分采集最大接线长度400m。

1.2 智能调节仪表控制系统采用了上海万迅仪表有限公司生产的AI系列全通用人工智能调节仪表，使用其中SA-13智能调节仪控制挂件，其为AI-808型。AI-808型仪表为PID控制型，输出为4～20mADC信号。AI系列仪表通过RS485串口通信协议与上位计算机通讯，从而实现系统的实时监控。

此土壤湿度控制系统中仪表参数设置如下：Ctrl=1，控制方式选为AI人工智能调节/PID调节；Sn=33（主），1～5VDC电压输入； DIL=60，输入下限显示值；DIH=90，输入上限值；OPI=4，输出为4～20mA的线性电流；CF=0，内部给定，反作用调节；Addr=1（主），通讯地址；P、I、D参数根据实验进行调整。

1.3 电动调节阀采用智能直行程电动调节阀，用来对控制回路的流量进行调节。型号为：QSVP-16K。具有精度高、技术先进、体积小、重量轻、推动力大、功能强、控制单元与电动执行机构一体化，可靠性高等优点。电源为单相220V，控制信号为4～20mADC或1～5VDC，输出为4～20mADC的阀位信号。

2基于组态软件的土壤湿度控制系统实现

MCGS(Monitor and Control Generated System)组态软件作为上位机监控组态软件。MCGS 5.1提供了解决实际工程问题的方案和开发平台，并能够完成现场的数据采集、实时和历史数据处理、报警和安全机制、流程控制、动画显示、报表输出及企业监控网络等功能。

控制信号传输原理及硬件结构：本实验采用了一套传感器和一套智能调节仪，如图1控制系统的方框图所示，在实际应用中可以在多个区位设立土壤湿度观测点，则系统由多套传感器与位式调节仪组成，其控制信号传输原理及硬件结构如图2所示。

在控制回路中，测量区位1的土壤湿度传感器1把采集到的湿度信号经过A/D转换器转换成1-5VDC电压信号传输给位式调节仪1，位式调节仪1将其变为4-20mA电流信号，该数字信号经RS485总线传送给上位机，上位机采集到的数字信号在组态软件中由PID控制器进行处理得出控制信号，控制信号经RS485送给D/A转换器，最后转换得到的模拟信号驱动调节阀作相应的动作。如果对应由多套传感器与位式调节仪组成系统，所有的信号均通过RS485总线传送给上位机组态软件，组态软件根据PID算法将做出相应的计算，分别控制对应的电动阀做出相应的动作。控制系统的流程图如图3所示。

此系统采用喷灌技术，喷灌是将灌溉水通过由喷灌设备组成的喷灌系统或喷灌机组，形成具有一定压力的水，由喷头喷射到空中，形成细小的水滴，均匀的喷洒到土壤表面，为植物正常生长提供必要水分的一种先进灌水方法。与传统的地面灌水方法相比，喷灌具有节水、节能、省工等优点。喷灌灌水时期应根据蔬菜的需水规律，气候条件和土壤状况来确定[2-4]。悬挂式自动喷灌系统是智能温室应用较多的喷灌形式，目前实际应用的温室自动喷灌设备，大多采用国外的喷灌机，配以国产轨道和水泵、输水管等。这些温室自动喷灌机，基本功能都是固定的，无法根据用户的需要来定制和增减；控制器随喷灌机行走，喷灌过程中难以控制[5]。土壤含水量的测定方法，从传统的烘干法，到电测法，直至应用现代的核技术手段等，共有几十种[6]。本设计由智能调节仪表采集PRO-F型传感器自动检测到的土壤的湿度，并将控制信号通过数据总线RS485总线传送给上位机组态软件，判断并控制继电器的通断控制电磁阀的开与关实现洒水。可以在种植区域内划分合适数量的区位，对应区位安装土壤湿度传感器，对整个种植区进行动态监控，使整个种植区的土壤湿度维持在一个适合作物生长的合理的范围内。

3结论

本系统经过调试运行可以实现比较准确的土壤湿度控制，另外本系统可以根据不同的地域、不同的季节、不同的作物来调整喷灌的湿度范围，系统成本低廉、操作简单、安全可靠，尤其在干旱地区可以大范围推广，实现科学种植。

参考文献：

[1]王阳，陈军宁，柯导明等.湿度传感器的分类及研究[C].全国第16届计算机科学与技术应用(CACIS):2004,697-701.

[2]陈勇，张景兰.日光温室自动喷灌系统的电路设计[J].内蒙古民族大学学报，2006(12): 678-679.

[3]李志鹏，郭艳玲，陈立军.智能温室自动喷灌系统功能设计[J].中国科技信息，2005(24):54.

[4]王立祥.高效节水型设施农业：我国农业可持续发展的重要选择一《以色列农业在中国》的评价[J].干旱地区农业研究，2001(6): 36.

[5]郭艳玲，李志鹏.可定制功能温室自动喷灌系统[J].农业机械学报，2005(12)：99-101.

[6]徐晓.基于AT89C51的土壤温湿度数据采集与调节系统设计[J].科学技术与工程，2009(4): 1032-1033.