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1、南京理工大学硕士学位论文智能化设施农业节水灌溉控制系统研究姓名：陈巧莉申请学位级别：硕士专业：测试计量技术及仪器指导教师：仇国富20040601摘要我国农业用水浪赞现象严重，水制用效率低，本文介绍的榭能化设施农业节隶灌溉控裁系统是一耪体积枣、成本僬、捺佟篱攀置工锋瑶嚣熊灌溪控魏系统，它能够突耩雩监测壤禽水量与温度，根据裣测编聚按照谗物需墩特栏实现避时、按需精确灌溉，达到掰效节水的目的。它的推广对于节省水资源、发展现代农业、实现优鼷离产都有重大意义。关键词：节水灌溅灌溉控制自动控制A b s t r a c tT h ep h e n o m e n o no fw a s t i n gw a
2、 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 dt h ee f f i c i e n e yo fu s i n gw a t e ri Sv e r yI O W T h i Sa r t i c l ew il li n t r o d u c eaa u t o m a t e di r r i g a t i o nc o n t r o ls y s t e mu s e di ni n s t a l l e da g r i c u l t u r e I ti ss m a l
3、l，l o w c o s t，s i m p l ea n ds t a b l e I tc a nm e a s u r et h es o i lm o i s t u r ea n dt e m p e r a t u r e，t h e n，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，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 I
4、tC a s a v ew a t e ri nh i g he f f i c i e n c y S o，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 ya n 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 K e y w o r d：i r r i g a t i o no fs a v i n gw
5、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 e dc o n t r o l2譬6 2 4 7 4 7声明奉学爱论文慧我在导簿濑裙母下最褥的研究减梁，尽我繇豁，在本学饿论文中，除了加以标注謦H 致谢的鄹分外，不包禽其他人融缝发表蓑公枣逑嚣蘸巍蔑莱，交不瞧含我羹鼗褥霞霸教鬻筏耩鼹掌德蠛学历而使熠过的材料。与我一同工作的同搿对本学位论文做出的戤献均墨吝釜变孛孬了骥蕊羹毳囊。蘩蠢叟签塞：鱼堡。羹承呼攀7 莠尚学经论文捷爨授掇声鞠商寒埋工大攀有权镙存本学搜论文鹪媳子和纸麟文档，可以偻澜或上瓣公农本学镦谂文蕊奎部装蘸劳邃蜜，可凑逡霄关嚣爵
6、藏橇辫送交并援救其保存、倦阅或上网公布本学位论文的全部戏部分内獬。对予瀑鬻论文，蒙爨密戆寿美蕊意露蠢枣懿瑗，研究生燃名：卫豇啦，冲_ l f 年7 月7 麟硬士论文智能纯设燕农盈节承灌溉控裁系统壤究 引言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。但也付融了巨大代价：地下求证下黪、海灞于糖、攀节性缺农、汪海污染、痰渡失帮生态丽境恶健蛰。誊前，制约我国农业茇鼹的主要嚣紊燕水资源严黧不足。我国永资源总量为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l 4，届馓界第1 0 9
7、位。而且我国水资源地区分布檄不均衡，8 l 的水资源集巾分布在长泼流域及其以灏地区；长茳罄魏i 鏊区天墨霹耪逡分爨占全瓣鹃4 5。3 鞠6 4。t，露水资源铰占全瓣静i 9，人均占有量为5 1 7m 3；，相当于企国人均量的1 5 和世界人均量的1 2 0，水资源拥有嫩与生产发展极不适应。据统计，进入2 0 世纪9 0 雄代以来，我阑农业于旱受灾露积这2 3 0 0 万h 蠢鼓上，每年困缺承逡璇壤癸陵产1 0 0 0 笾k g 意宸“”。许多城市供水不足、工农业用水矛鼯尖锐。随赣经济建设、熏态环境建设步伐的加快，人们生活水平的提高，对水的需求量将更火。我阑农业用水藤l 辐瓷源短缺的网对，农业弼
8、水浪费现象帮非常严重。燕要表瑷在：一惫容静裁建攀低，我国滋溉系统对永资源的巅矮雪薷只麓这弱0 3 O+4，而发这翻家可达到0 8 以上。：怒农业水生产举低，灌溉农她粮食作物的水生产率不足l k g 对，早地农业面积占6 0 左右，降水的生产率只柯0 3 k g m 3 O 4 k g蠢嘲。解决我国农业用水短缺润题脊两种方法，一种方法是开发新的永资源以满足农业用水孺求，这种方法在一定程度上可以缓解我国农业水赘源严重短缺现象，但它同时也存在三个比较大的问题，一是开发求资源所需的投资菲常大，骶盈觅效漫，受缝瑾条 睾耧嵌金等陵裁较大，短期内不掇解决夫面积的农匿灌溉闷灏；二是开发的水资源能解决农业用水短
9、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，花费了大量资众和人力去开发水资源，绒果利瘸率只蠢3 5 左考，逡残大量入力、资金与承疑灞熬渡费；三是我藿窳资滚率竟有限，褥农韭的发展怒长期的，靠开发水资源泉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怒发展节水灌溉。节水灌溉是遵循作物不同生长发育阶段的需求规律箍进毒亍的逶避灌溉，剃弱尽可能少豹农取褥尽可能多蕊农俸耱产爨的一静灌溉模式。一般灌溉永旗永源劐疆润要经过凡个嚣节，每个环节中都存程水量无益损耗。凡是在这然环节中能够减少水量损必、提高灌溉水使用硕士论文智能化设施农业节水灌溉控制系统研究效率和经济效益的各种措
10、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o”。工程节水技术主要是从两个方面来实现节水
11、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
12、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，并取得了较好的节水效果。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N 9 0 D A
13、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硕士论文智能化设施农业节水灌溉控制系统研究要的问题。为此，江苏省政府在2 0 0 1 年江苏省科技攻关(农业)计划中设立了微水灌溉先进技术装备及自控技术的研究项目，本课题的研究正是为完成此项目而做的。1 2 国内外研究状况灌溉自动化始于2 0
14、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”。一、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，所以与节水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
15、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检测植物茎、果的直径变化，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精度。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
16、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 Z 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 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，其中还有硬论文饕熬纯设燕寂鼗帮窳灌溉控裁系统磷究无线控制。以龟列开发蹬了多静系列鲍鑫动灌溉配套设备，妻鬟毫动稆拳动逶控电磁蕊、减愿溷、调毯蠲、安垒蕊鞠流譬控裁阚等，不仅大大掇离了翻
17、闻水酌利用率，而且使作物获得了最佳生长环境。凭借高效节水灌溉与囱动化技术，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”Mn 8”1。二、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 年代从国外引进詹，在很长段时间内，主蘩是示范应用，霉妻鞋上设诗、譬理及设鬣上豹一些阚越，没寄褥到大嚣积豹瘟弱，相配套豹自韵控毒l 系统就黧少了。N 2 0 键纪钓年代，特别是9 0 年代后，随着经济的发展、水资源的紧张及豳家的重视，节水灌溉得到了迅猛地发展，从国外引避许多先进节水灌溉设备，阎时我国在漓灌等节水灌溉技术上的研究也取缮长霆浚疹，毽是程蠡麓灌溉控镁系统方覆餐溅窆鑫，与霪多 穗
18、魄，我鏊竣零逐比较落后，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翻 1 7 o 但是那黪引进的国外潆溉自动控制设备，是为潮外的具体情况设计教，没蠢考虑我国黪气娱、壤条髂、终物类黧铸因素，势不逶会我国酶黧 l 萋，不麓充分发挥它的优势，丽盈弓 迸豹设备价格疆爨。凡此静种，在我国推广引进国外控制设备不可行的。目前我国许多溆嶷大棚都邑酝备了滴灌、喷灌等各种微水灌溉设备，但是缺乏与之熬套懿节承灌溉蠢凌控稍产赫，这些滏塞大德餐然采鬻手动开关阉门静方式来控制灌溉，耗费人力，而水的利用效率仍然不高。因此，加速开发邋食我国国情的成套、适用、可靠、低成本、高效攀、先进愆智能节容灌溉控裁
19、系统是分必簧巍紧遥豹，瞧是我国今嚣节求灌溉设菇笈震的主要方向。1 3 本课题翡磷究工俸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舔广泛鼹途的节承灌溉系统，是节拳灌溉秘学实藏匏竣，豁瓣题。基于鼗，零课题熬主要内容是磷剃开发适合我国国情的、低成本、易推广的、主要艘鞠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。由于不同农作物肖不同的需水特性，灌水时间、灌隶量既影响农产晶的产量，毽影确农产鑫戆囊量，因踅，设戆农照豹毫效帮窳灌溉蠡凌羧麓菠寒主鬻怒淘适时适薰、按需灌溉的方向发展。所以，本课题的研究主要包赫两个方面，是测，4疆圭论文蓉蘸 芑设施农煎繁承灌溉整
20、翻系绕磷究郎获取壤越(分焦患，黉根据土壤农分售惠及佟物嚣窳特瞧寒决定灌溅时阙与灌溉量的多少。这将摆脱以往仅凭经验灌溉豹灌溉模式，使l 蕈物灌溉决策建立在科学的基础之上：二是掇，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壤，即将传统的凭经验由人工手动阀门控制灌溉方式改为自凄透露逡露逶羹、按辫耩确灌溉整铡，获焉这爨箍嘉承翡懿麓效率、甓缓糍产、节省大鬣人力，实现离效农业的目的。霉圭凳文篱积像浚蕤豪鼗繁窳灌溉控甏系麓舔窥2 嘉案霹竞与论证2。|l 磷窕方案选挺国辨擅先进国激，挪美国、以甑歹1 3 和由n 攀大铸，运瑚匏燃的电子技术、计算机和控制_ 技术，在节水灌溉技术方赋超步较
21、早，势日趋成熟。这些国家从嫩零躲寒南控裁、撬藏整黎，裂曩寒篓爨辘鳃予潼会秘谖蕊整囊，戮燮蘩盎爨广溅懿诗葬瓤控渤、模穰燕京裁神经鼹络控制薅，羟青耩麟静警麓张糕聪越来越离，掰靠性也越采越好。”。要熄梅依据我国困情与节水懑溅现状的基础上，吸收国外研究盛累，磺制瞧一辩谈摄瓣农佟糖生长圭壤拳分含爨熬不同颧懿察醛捡溅戆缭慕，覆莛鬻瓣爨蕊舞毪；蜜爨逶嚣，按瓣穰臻囊囊蕊蠡耱控鬟羲嚣，藏嚣要鬻转鼗术进行研蹴分析。目黼，在国际上披术比较成熟、应用较广的滁溉控制技术变蒙有两种：嘲寒系统与微机滠!|控技水。下面就对这测鼬方法进行嗽较醭究，替I 孛蹙一令遥舍我鬻溪蘩菸，惑瓣予设蘧农戥、蔷疆予寒激焱整蓼畿镶羧震鏊鑫臻健带
22、褒灌溉舔舞方案。乏莲，孽专家系统专家撩镳是一个模拟人脑愿雅方戏，跌知谈为糕础的计算帆软件系统。熟特点在子恕久0 专家在翳莰整产实嚣瑟越遘巷孛嚣餮攘蕊蠹蓑犍懿谈、鬟攀装鳃谖努藏事实黎瓣粼，瑷一窥辩稚识表示绺虢存入诗葵枫，建立絮谈黪，并采霜台燎韵产生式策螨(P r o d u c t i o nS y s t e m)，撒输入的原始数据，选择协耀的规则，进行推理、演绎，俗篷专家缀越磐篷菇麟是汰繁。羲量崧烬聂大特蠡，霹健表一个专羹生产鬟蠛瀚专家饕蒜，黪谖奎产餐漆斑麓实嚣褥聪器粪专豢嚣瓣器嚣、凌瀵懑冕”。将专撩系统应用予椒业就形成7 农业专家系缆。农业专羰磷统以农业帮漱的知识和缝鼢海系统的棱心，运用计
23、算枫技术，克臌时空限制，燃较短的时闻内褥激广泛甄嶷燕，矮专家瓣懿浚窝爨聚蜜淹生产力瀚。霹装谖袭鼗奄象系蓑蕊耱螽有离罄敬、多方嚣液敝专家知识，宦并镌接嵇入嫌推理过强，在计算机上戳形象、直观的方式向用户摁供各种农她问题决策咨询服务的实用拣件，与人冀帑窳壤魄，攘搿综合牲数翱谈鞍高速挞遂熟识懿本矮，盈不受饕鬻、塞海熬隈裁爨天羹 骞蘩魏黪壤。专家燎毓应用于节水灌溉也是以丰富的种植娥瓣为基础舳，例如，在已榭经验矮士论文智稚能设施表监节承灌溉控锎系统研究主，臻基麓瓣露骜皇妖餐狳器嚣鬟窳羹，皇蕞浚态、善黧蔽舔戆逢簧爨气簸与巍然条件等决定灌溉的详绷信息输入计簿机，按照定的法则煳分成各项纲剐存储在计算机中。当进行
24、控制时，就将融获得的作物搬长状态、气候条件等输入计算撬，诗冀撬经过诗葵摸疆，把宅菇努舞震于綦一躐瓣，霉按遂缨囊懿娶滚t 磐灌巍量帮滚溉羹重蓠，遂霉亍灌溉。蟊敞蒋兰零 逶瓣夫棚藐卉转槭专家系统，疵予多年的种植缀验，对某种撼卉的生长邋糇十分熟悉，将其生长避糕细节输入计髀机，由诗算挑避涟接理诗舞浓凌定其灌潋与施照。蜜裁蔼冤，专褰系缆憝实褒露耱耱擅灌滚藜蹇塞餐囊馥，裁够襞替螽鼗辍少靛专家群体，走向地头，进入农家，穰备地具体地指导农民科学种田，节省大缀人力、物力，能实现高数节水，优质黼产。专家系绒将是我国米求节水农业发展盼热点之一。蓬是，褒器蘸祷魏下专家系统滋不挠在我蓍谶行维广，它滁了吴有上述静优点外，
25、还存猩猎下述缺点”：(1)专累累撬模型大，开发鼹襄嫒，谯我匡整靛戳按求平较僬媾瀑下授入犬囊天力、糖壳曩蜜囊嚣嚣菱系纛霹熬。(2)鞫黼瀚内大部分霄窳系统依靠漱口，这些弓 避韵专家系缆陂本高且不髓含我国圈情，不能充分发挥其优点。(3)专褰添篷舞菱完垒袋戆爨蓬专窳戆筵夔去按戮褡蘩戆舞溅毒灌瀑，窀势幂薅主壤灞猿爱箨秘祷税进行实甜检测。它量熬髓代替农热督泳，却并不然摆脱完全聪经验灌溉的种植模式。(4)专容簇蟪戆摄作黎要具奏一定永警戆专监天爨才靛宠或，褥我藿农数科技衷平骛懑轻蘸，缺墓彀篷鬟鼓夫熬，邃遣蔽裁了专家系统翡擦产。(5)开发隧限制，单一性强，投入邋商。一般一个专家系统魁补对一种作物开发的，螺要在农
26、业专家提供有关这种作物丰塞、燕统的种域经验的基础上才熊遂褥搿茨，一垦没漆表整专家戆笺注菱嚣黪笈，露袈照髻豪擎莞走数缓多。弼对，当需要对多种住豹进行簸铡实施节水灌溉时，虢黼黎多个专家羝统，这就黼要投入很大的资金，也限制了专家祭镳的推广。煞土鬣黥势簧霉竣喾密，专家系统蟹熬吴寮穰雾爨熹，冀鸯穰六藜茇鼗辩为，但它不能满足成本低、滁作简单、端撩广、能按佟物需水量邋时、精准灌溉的研究目标，黼姚本课题的麟究不能朝专家系统的方向擞。7壤论文辩裁诧最施表建繁永灌溉整割系蔬骈宄2，嚯，窆激鞔瀵攘鼗謇另一种节水灌溉自韵控制技术嫩徽机测控披_ 术。它将计戥帆技术、传感与检测接寒鞋袋邋潺接寒续裔越寒，蕤蛰捻爨壤璃骛、繇
27、凌姆篷，辩谈爨捻溅漆袋襄捷蹇灌溉爨与灌巍对蠲，摆麓了镥缆辩垒簧经验灌溉翁灌溉摸式。目前谯国外，特别熄以色列，大鄢分田地都魁采用的这种节水灌溉控制方式。匿辨的这游控麟系统一般熬缓大，慕敬大型努京戏按裁系统。农霹闻癸布麓龄蕊藩嚣蓉瓣赢，黧主壤窳努、遂褰、遴庶、走爨、稼貔蒸鹫耋餐，缝蕤舞蒹送楚秧机，微机附结果进行魅遐，然后通谶通讯技术，将处理结果溅避至上位机，即实验室或家爨的计算机中，操作者就谢姒在家里或崧验室里观察猁作物生长状况秘主莲壤翳，攘鬟经赣数懿爨瑟露饕楚褥捷零及爨爨滚滚量毒灌蔑爨蠢，爨囊获逛灌溉翕令绺徽辊，镦枫虢讶绞狠摇镛令控裁灌溉激每灌溉辩鞠，实现高效常承灌溉 9 13。邃羚繁窳灌嚣楚爨
28、慕缝藏零蹇，德窀嚣爱势憨怒霉霰褥套零滚嚣羲棼 畿蘩求，因此可以将其加以简化，降低其成凇，这样就髋设计出符合戡黼国情的，翰摊广瞧，能按博物需水特锻煞观按需、糟确灌溉的节水灌溉控制系髋。善是，不采霞主犍热遵逐控鬟。瓣瓷在羲嚣黎渣设蕤骜运德疆藜蘩嚣事；捺广上述诗冀壤；l 控秘秘灌溉撩统还不蕊辩，羟要采篇鼯片税在礤黼璐行检铡驽撼制就可以了。燃样可以太大减少成本，黼且还可以预黼个通讯按闭，在需荽绒悬有豢俸蹲奄薹W 默窦爨与上捷甄煞逶逐，癸懿方馕。萁凌，德霆簧藩器测慧壤及搭躲参数荠黎激槭多弼耋参数酌数量，灵邈释些常用的濑溉参数迸杼测量，这样溅能使控制系统鼹有定的广泛适用性，阃时又霹以减少捷感器的数爨，降低
29、成本。设计个节永灌溉控制系统能搿做到因地制蹴赢要用四浆耥准加以衡龇。蕊是否节水，熊二是否减辍农民负担，然三是否增效(缀期晦收回投濒，且提高效黼，其嚣是否捺广爨瑟。攥攘这莲令嚣漆霹浚寨鬟鼗上述蘩暴撼麓疆蹇方案爨弼嚣懿。霉颈圭谵交罄穗巍浚蕊农韭苓零滚溅控翱袤缓搿裳t 慧，2 谶计骞秦蕞水潋溉照动控案然擒鲢研究方懿蘸将健黪撩飧姆单片撬撵镶漕结台，谶计一争萋摹，鼹蕊搴、瑟黎尹”媳整鼗系跷，麓簿实辩梭溅主壤爱器赣灏些囊溅拣舔参数，豢瓣橡溺缮暴蠡冁攘嚣、赣黪鼗溉，劐遮藤散繁零、铙蠖辫产魏霆懿。熬个经毹系镳泰螫应该错躐令模块：榆灏模块、数撼娥毽模块、激窜模块及控镛檬浚。秀实鼗礤褒嚣静，程舔统浚诗簿鼷鬻考虑节
30、鬻磊令麓遂。l、测爨磐数零囊麓梅骥簿拳登载鬻袋鬟曼季襻睡。蓉甓、糕疆滚溅裁爨黉疆鬟露黪瓣黉承特毪寨拣裁灌溉耋，嫂主壤熬客蹴爨携剐驽这潮喾物羲爨黎。遮榉敲懿蘩数不仅仅是节水，还能健健律物更好的擞袄+达蓟傀麟简产。因为蹴倦锈来说，土壤套拳量黄誉鼹蘧多楚嚣，瓣菜些铎懿袋瀵，拳分太嚣菠委会黧粼滋长；逶爨鹣末努簿露耪瓣辍长孝蓦爱露赣懿。要实臻滁褥、耩壤糕溉，主壤承努麓盛缀测豢瓣激主要静参数。零分楚激然壤懿一个熬臻攫成部分，落不仅影确囊壤熬物瑗镘瓞。巷g 终饕主蠛孛莠分瓣淤簿、转骖愁缀耋凌骜骥稚，是鬟蕊竞壤髓努夔一令麓簧邃熏簿楚宅奉赛羹潞一臻疆耪藏铗鬻存熬纂零祭释。壤穰疑瓣溅定圭壤浓努畲耋毒羁予鞭究稻了爨
31、烹壤永分动态嬲能黼律和空阀立体分布；嗣l l 童，掌握不瀚作物在同时黼对壤嫩食蠹懿不露袋墩，霹一襻戆攫不霹嚣辫辩主壤零努鸯 鼹戆甭嚣爨臻戳爱壤拳努案鏊怼孬藜产楚鹣影薅，逡凝逢论稳螯产主藜霄萋蕊骚黪意交，徽熟，遥嚣辫黼、灌灏、麓麓镶器释农照撩藤髓，逶常帮霜黉考虑生罐绻努狡嚣，姆粼楚在遂褥濑澈、鹞#零规娥擞诗畦，更爨裂辩握主壤零努瓣炊毽及冀瀚懑。髭够撩瓣授酵遮涮嶷漱壤零努会鏊，菊|逶霹逶爨黢避孬蓬添帮撵塞寒骜鬟戮瓣嫠鬟鞴。憩耱，主壤串避雾戆毒毒戆鹱壤靠承夔浚貔来摆滁。擞瀑主懿势援麟弑餐蹬，瓣董鏊浆生长来瀵烹激水分是所谢辫数中最蘩粼熊，是必黼溯蠹鳃。豫了主漩拳努癸，主壤澈麦邀是嶷激遮蚕鍪蒸辩一枣耋萋
32、参羧，遴麦嚣蠹蕊懿，灌滚会猿辫撂耱黪覆臻，颡魏，鍪溪蘩簸瓣壤澈栽，在壤滁褒过羝露裁掺瘦浇水。童、簧慧鹣羧瀵铮怼生壤媾援苓鬻，爨簧茨建黪鬃黢塞是搴一襻熬。毒魏老壤一致缝鲻，嚣鬟鞭I：逾交鬻麓纯竣藏农盟肇农灌溉控裁系麓磷炎夸簧黪麟溅爱壤璃髓裁爵，毽程鹣圭壤一数蹩羧，藏鬟簧多淡蕊落器絮溺鬟主壤璃潺e 溺瓣，壤鹣麓穰骞走戆，、，遣决建了黉娶不嚣数爨熟健感嚣。嚣藏，控制系统谯设计时要黼梅移支传感器。而且，配餐多支传感器也能增强控制燕筑功能，戆够磷辩控螽l 不弼侮躲靛灌溉。健是，终藩撩躲鼗璧也不太多，佟感嚣路鼗太多落衾耀热菠糕襄绕黪藏零。程攘裂系统设诗曩尊要综台考惫赞需聚螽懿嵇懑器数簸。3、群秘魏烬髑鳝不
33、裂熬终耱薄痰努熬；罄求是幂麓豹；溺爨醛蕊不阏，终耱靛嚣窳藿遣鑫蠢掰不同；即使两一作物，谯不同生长阶段对水分的需求也不同。我阑的作物有几乎幂申，誉霹静律褥祷不嚣敬姣拳状况；我凿瓒糕广太，气髅条箨交豫流攀。怎样菇“拣髓羟镄系统邋旋苓霹靛终携，在不弱气镶繁释露苓嚣攀第都巍蜜魂按甏灌灏，这建控制系统逶粥性设计最主灏要解决的阀艨。如莱解决不好，控潮潦统也就嶷杂了其推广的潋嶷。、溪溅簸镁方式目前藏黼备个设施农她牛灌溉聚婉的永状况不样，有的聚用电机控镱承1 流、蠢羲罴溺窳浆趣压爱才鼹遴毒亍灌溉，裔豹采建奄磁避链誊手动阏 l 控裁承流羰溅。遨魏，藏裁鬈缝在竣嚣辩隳考虑爨 靛蒋穆号魏嚣鲻援，魏熬攘粼躐撬、慕装，
34、又熊控箭嘏磁阉。我圈馘辍广大，攘靴类缀多，不隧缒攫渗承栽宠不棒，魄麴砂土，渗水麓力壤疆，求分栽够壤浚缝渗灭终裙壤黪，零分键感鼗麓疑黠瓣溺毽蠢溅嚣懿主壤含农爱；瓣箍土渗窳蕤力较弱，滚溅嚣瘩努壤菰东遗表罄，簧经过鬏辩阗才能渗到土壤椴部，水分传感器就不能及时正确测出土壤含水凝，髋会导致浇水避多，渡费零瓷滚t 嚣藏，器捷赛挖锻慕统静逶翔经，在设诗辩就黉考蠢热辩使憋疑系统靛灌溅羟餐瀵怒不辩壤魏黉求。磺士谂文餐撬绝竣缝农整节隶灌溉姣裁系统臻突3 系统设计3。1土壤水分的测量3 1 1 测鳖方法的选择壤水分怒壤豹重要组成部分，它跫农 摹物生长掰簧承分豹主要供绘源。主壤承分还参与主缓中许多熏甏豹物瑾、豫学帮生
35、秭过程，褥靖它又跫多耱营养元索的溶剂，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、披需灌溉的基础。随着科技的不断发展，土壤水分测量的方法不断发展变化，目前溯羹瘩努鹣方法大致霹分免嚣类，霹壹竣测量法释滴接溺量法。瓷攘法透过于澡躐化学反应后擞接测出绝对含水量，间接法则通过测擞与水分变化相关的物理黧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、墩阻法、中予攥测法及壤水分黄感嚣法。壤本分嬲测量方法缀然缀多，但必须要选择一个穗单实用、溅基准确、藏零低的测量方法，才能使节水灌溉蜜韵控制设备具有寅现性与易推广性。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
36、实用、测量可靠、成本相对较低的土壤水分测量方法。l、采土烘干法采土烘干法是目前国际上测量土壤水分的标准方法。烘干法测蹙的是土壤熏擞含拳量，霹取主撵教入烘戆，烘至恒熏，戴薅壤水分孛塞峦态农瑷蒸气形式全部敬失捧，再称重量，觚丽获褥土壤永分禽纛。重量法遥常还有所谓的快速测定法，其程序与常规 去相同，实质仍是采用一些簪段使土样燃至恒熏的时间尽可能缩短，如酒精燃烧法、红外法、炉烤法等，这些方法一般要求样品不能太嫩(5 9 左右)，阏甏襻晶鹃筏袭瞧窝试验缝采瓣鬻磋整较蓑，为了藏夺浚麓，鬻要求平符溺定2 3次，取其算术平均值，这样宓际上又增大了测定工作擞，延长了测定时间。目前微波炉烘烤法，既节约时问，又满足
37、误差实际要求，是烤予法较好的选辑。烘干法是懑兹溺定壤禽拳量最常翔豹一秘方法，宅楚摹易行，慰设冬要求不严，有足够静精度，就榉懿本身而言缩祭W 靠，是壤水分测定瀚基本方法，谯愍检验其它方法与其对比的旗础，但是使用此类方法谯进行连续土壤水分的测定时，必须不断她变动取点，融于土壤本身的变异性，使测定结果往谯发生很大差嚣。瑟显貘予法羹器重、费力，综舍费麓势不绦；取襻会破嚣壤，滚菇取样密难，硕士论文智能化设施农业节水灌溉控制系统研究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
38、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、中子仪法中子仪法测量结果非常准确，是称重法之外的第二标准方法，测量相对比较简单、容易，速度也很快。中子仪的探头是由快中子辐射源和热中子探测器构成，当探头放入测管时，中子源不断地放射出快中子，快中子进入土壤介质与各种原子离子相碰撞，快中子损失能量，从而使其慢化。当快中子与氢原子碰撞时，损失能量最大，更易于慢化，土壤中水分含量越高，氢就越多，从而慢中子云密度就越大。中子仪测定水分就是通过测
39、定慢中子云的密度与水分子间的函数关系来确定土壤中的水分含量。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
40、是根据这个原理测量土壤水分的。电阻法是一项比较古老的方法，电阻由多孔渗水介质(如石膏、尼龙、玻璃纤维)制成，它的电阻大小与含水量相关。把里面嵌有电极的电阻块放入土壤中，当电阻块中的水势与土壤水势平德后，测量电阻块的电阻，然后求出土壤水势。电阻块主要是石膏块，所以此法常称之为石膏块法(G y p s u m B l o c k)。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。传感器的结构如图3 1，其实体是由质地均匀的石膏制成的圆柱体在实体中部埋置有直径不同、同心安装的两个不锈钢制成的圆筒状电极，其上引出电极引线。传感器电极不与被测土壤直接接触，而是通过多孔性材料石膏为中介与土壤水
41、分联系的。堡主堕塞一一塑墼些塑堕窒些羔查塑塑丝型墨竺塑盈一这样做，是为了避免土壤盐分及测量电极与土壤接触状况对测量的影响。1234图3 1 电阻式土壤水分传感器l、电极引线2、内电极3、外电极4、石膏体测量时，将传感器埋入被测土壤中(轴线与水平面平行)。土壤水分运动使传感器石膏体的含水量与土壤水形成一定的函数关系。而石膏体含水量的变化将引起置于其中的两电极的介电特性和电阻的变化，即传感器的介电特性和电阻与土壤水分是相互联系的。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
42、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。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，即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 l F e l l n e r F e ld e g g 于1 9 6 9 年开发，用来测
43、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霹l 诡文餐箍纯竣瓣农监苇窳灌溉控案l 系统研究器。蛰襄鹣摹本辍理是，离凝惫藏躲砖沿棱梭线在主壤巾终播豹邃震铱羧于主骧鹣介电特性。在定的电磁波频率范围内(5 0M 1 0G H z)，矿物质、掇气和水的介电特性为常数，因此土体的介电常数主
44、要依赖于土壤密积含水量(极微弱地依赖于壤类塑、紧蜜发、素缚水等)，这撵可以建立壤容辍含永量与主壤穷电常数熬经验方程。用一对平行棒或禽属线 乍为露体，土壤俸为电介质，一对棒起波导管的住用，电磁波信号在土壤中以平面波传导，经传输线一端返到T D R 撩收器，分析传导速度和振幅变化，根据速度与介电常数的关系、介电常数与体积含水量之间的函数荚系瑟撂篷主壤含寒蒸。T D R 为目前测量土壤含水量的主流方法。T D R 可对土壤样品快速、连续、准确地测量，平均分辨率0 0 2 0 0 0 5 c m Vc 时。一般不浠标定，测量范围广(含水懿0 1 0 0)，擞撵饕便，努多 黢室内都霹搜羯，可徽残誊持式魏
45、进行翻阕翻翼重溺虽，键可通过导线邀距离多点自动监测。导波棒可以单独黧在土壤中好几年，需要的时候再连上T D R 测量；导波槔可做成不同形状以适应不隅情况，长度般1 02 0 0 c m。T D R 能够测量表艨壤含水量。T D R 嚣鬟结栗受壤簸发影璃穰夺，毽警含蓥耋瑗麓爱，赫滓僖弩胰导注椿末端的反射会减弱，在测量商有机质含量壤、高2：1 烈粘土矿物含量土壤、容重特别高或特别低的壤时，需骤标定。T D R 最大的缺点是电路复杂，导致设备昂贵，仪器主要穰蔟避鞠，虽然聱内掰兹龟毒生产，徐疆霹舞至遴韬嚣一睾，穗绘揍爨然器爨，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
46、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 tr y)，测量壤含水量的缀攥与T D R 类似。F D R 的传感器燕要由一对彀极(平行搀到麓金属祷或黧形金藩环)缀成一令毫容，箕闻魏主壤兖警毫介震，魄签与振荡器缀成一个调谐电路，振荡器工作频率随土壤电容的增加而降低，历芏鳝官骞随土壤含水量的增加而增加，于是振荡器频率与士壤含水量鼹a#线性反比荧系。F D R 使用据额凝率采梭测共振频率(鼗眩辗禳最大)，壤会采爨苓霜，发生爨缀麓频率不同。如果使用瞄定频率，通过测量其标准波的频率变化来测量土壤含水量，这类方
47、法严格地说不是F D R，一般称为电容法。期R 法具有姥T D R 法更多戆优点，但嬲孵也具有T D R 憋缺点，就是设冬徐播暴赛，焱追求低成零瓣容动控裁节水灌溉设备串是不适宣傻瘸的。5、负压式传感器法受莲式簧感器法就是拳l 掰壤楚(蔽力传感暴溅鐾壤零啜力来获知壤含求爨的方法。1 4硕士论文智能他设施农监节永灌溉控筛4 系簿6 硪究壤求碾力簧惑器熬关键嫠释楚蹰强毛瓷耩，帮魏头，蒸上鹩毛缓藐镣麴1 0 1 5 m，细孔毛潦杯内装满无气水，与土壤紧密接触，杯内自由水通过杯壁孔隙与土壤水接触，当土壤水分与瓷书F 内水分不平槲时，水和盐黼可以无阻碍地进出瓷梅，与主壤达到平衡，露在棼凑就会受压，这个受基
48、等予壤魏求敷力。壤拳啜力与土壤含汞薰是京一定关系羽，壤含承爨越，j、，吸力越夫；壤含浓藿越多，吸力越小，因此，通过测量土壤水吸力可以知道土壤含水爨。负压式传感器法在土壤魄较湿润的情况下测量土壤承吸力缀准德，受壤窆阕变异性的影响毙羧枣，慧一懿爨戴本靛壹接嚣薰方法，鬟肇连续灏量壤禽蕊霾黜潲。与其他的测量方法l 出起来，用熊腿式传感器法测定土壤水分县有田间腻1：藏测定、快速盥读、不破坏土壤结构、价格低廉、无放射性物质、安全可靠、便予长麓残溅；辫积累嚣露水势獒瓣等往豢。特聚是可驭糕麓蓬限簧感器将士壤承吸力转换兔窀信号输出，使予避行数字张赴趣帮与诗葬糠攮1：3，有翻予实现鬻计算机对土壤水分的自动监测。因
49、此，在自动灌溉控制系统中使用负压溅传感器法测爨土壤水分悬娥恰当静选撵。3。1 2 传感器的改进3 1 2。1 传惑器原獠受遂袋壤本分传惑器童囊气镫、压匿式接黪器窥瓷头等煞 每缝成。集气管土藕为浪窳口，雳密瓣盖盖紧，旁瓣有一兮搂蟊峰压疆式蒋感箍联接，下漏与陶土头相髓，集气管中宠满无气水。传感器结构如图3 2 所示。陶土头是受压式壤水分传感嚣的感应部传，具毒诲多缨小静孔隙，隗士头蔽东浸濑嚣，在魏豫串形或一震零膜。姿搀感器究潍无气隶霹鼠蜜嚣磊，将辫主头部分插入水分不饱和士壤时(注意，陶土头螫筠土壤紧密撩触，否网测爨不准确)，水黻便与土壤水涟结起来，使传感器内部产生负压。压阻式传感器将煎压转换或逛篷信
50、号，二蠢黧线性关系，壤握溅缛静电嚣罄霹转按成壤拳吸力。集气管静长度要掇据不箍锋耪校系努布深寝静不弱来选褥。矮圭诧文蒋捺纯设施教韭节承灌溉控希系缭讲究鎏3。2 土壤拳臻鸯穗感器嚣藕誉意鞠篷驻戏健感器是壤承吸杰铸感嚣浆关蕤豁释，辑溅数攀鹣糖度主要凝涤予宅嚣夔嚣。零漂蓬孛选燧辩篷篷式籍撩器鹣囊萋藏辫为O-l O O K p a，耀爱蕊妁0 5，采用1 5 m A 恒流供电(电缆短时也W 来用恒压供呶方式)。传艨器的输入输出隰抗均为3 K Q。交予避隧式簧戆嚣懿囊爨毒跫装襄鼗毪，添建，瑟予遂溪式簧巷嚣瓣袋力值与输出壤l 压值之弼的兼系需要标嫩嘲。负隘溅士壤水分惜撩器直接测堪的是土壤水蛾力而不是土壤禽水