劉艷秋,武　佩,張永安,于奎單,蘇　赫

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，呼和浩特　010018)

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農(nóng)田地下滴灌管道堵塞快速檢測(cè)裝置的設(shè)計(jì)

劉艷秋,武佩,張永安,于奎單,蘇赫

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，呼和浩特010018)

摘要：農(nóng)業(yè)在我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中起到重要作用，而在當(dāng)今水資源匱乏的背景下，農(nóng)田節(jié)水灌溉勢(shì)在必行。滴灌是農(nóng)田節(jié)水灌溉的有效方法之一，特別是在水資源匱乏的地區(qū)應(yīng)用更為廣泛。由于農(nóng)田地下滴灌管深埋于土壤下，導(dǎo)致滴灌管堵塞時(shí)不易被發(fā)現(xiàn)，如不及時(shí)采取措施將會(huì)影響農(nóng)作物的生長(zhǎng)并造成損失。為此，研制了一種快速檢測(cè)農(nóng)田地下滴灌管道堵塞的裝置。該裝置以STC90C58AD為主控芯片，采用PHTS-5V-V2土壤濕度傳感器對(duì)農(nóng)作物根部的土壤濕度進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)檢測(cè)到的不同位置上的土壤濕度值進(jìn)行比較，來(lái)判斷滴灌管是否堵塞。試驗(yàn)表明：該裝置能夠快速測(cè)定指定點(diǎn)的土壤濕度，判斷地下滴管管道堵塞情況，同時(shí)具有實(shí)時(shí)顯示、存儲(chǔ)、報(bào)警等功能，可以滿足農(nóng)田地下滴灌管道堵塞快速檢測(cè)的需求。

關(guān)鍵詞：農(nóng)田節(jié)水灌溉；地下滴灌；堵塞；STC90C58AD；快速檢測(cè)；土壤濕度

0引言

我國(guó)是一個(gè)水資源總量豐富的國(guó)家，為2 7957.9億m3，占全球水資源的 6%，但人均占有量?jī)H為2 100 m3，不到全球人均水平的1/4[1]。我國(guó)平均年缺水量達(dá)到 400 億m3多，有近 2/3 的城市存在不同程度的缺水。水資源短缺形勢(shì)嚴(yán)峻，而與其相矛盾的是，我國(guó)水資源開(kāi)發(fā)過(guò)度、利用粗放等現(xiàn)象特別凸顯，尤其是占用水總量 63.4%的農(nóng)業(yè)用水使用率較低[2]。在農(nóng)業(yè)用水中，農(nóng)田灌溉是最大用水項(xiàng)，年用水量3 304 億m3，占到農(nóng)業(yè)用水量的 90.2%[3]；傳統(tǒng)的大水漫灌方式使得我國(guó)農(nóng)田灌溉有效水利用系數(shù)僅為0.523，而發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)達(dá)到0.7甚至0.9[4-5]?，F(xiàn)代化節(jié)水灌溉技術(shù)將是提高農(nóng)業(yè)灌溉水有效利用系數(shù)及節(jié)約水資源的有效途徑和發(fā)展趨勢(shì)。

微灌技術(shù)是一種新型的農(nóng)田節(jié)水灌溉技術(shù),包括滴灌、微噴灌、脈沖微噴灌、小管出流灌和滲灌等[4]。地下滴灌是在微灌技術(shù)日益完善的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的一種高效節(jié)水灌溉技術(shù)[6]。其工作過(guò)程為：水經(jīng)過(guò)地下毛管上的灌水器慢慢流出，滲入到鄰近的土壤當(dāng)中，憑借毛細(xì)作用將水分輸送至農(nóng)作物根部供其吸收并加以利用[7]。與其他節(jié)水技術(shù)相比，農(nóng)田地下滴灌能夠把灌溉水的深層滲漏和地表蒸發(fā)減少到最低程度，且可以隨水施肥，增產(chǎn)效果顯著[8]。研究表明：地下滴灌技術(shù)對(duì)農(nóng)田灌溉水的利用效率高達(dá)90%[9-11]，同時(shí)具有節(jié)約能源、節(jié)省人力、澆灌均勻且能夠適應(yīng)不同土壤條件和地形變化等優(yōu)點(diǎn)，在農(nóng)田灌溉中應(yīng)用越來(lái)越廣泛[12-14]。

但迄今為止，農(nóng)田地下滴灌的堵塞問(wèn)題依然是制約滴灌技術(shù)發(fā)展的主要因素。引起農(nóng)田地下滴灌管道堵塞的原因很復(fù)雜，除了地表滴灌常見(jiàn)的物理、化學(xué)和生物堵塞外，負(fù)壓吸泥和根系入侵也可能引發(fā)滴灌管道堵塞[15]。滴灌管堵塞會(huì)降低整個(gè)滴灌系統(tǒng)的灌水質(zhì)量，嚴(yán)重影響滴灌系統(tǒng)運(yùn)行效果和穩(wěn)定性。為此,設(shè)計(jì)研究了一種能夠快速、實(shí)時(shí)檢測(cè)農(nóng)田地下滴灌管堵塞情況的裝置。該裝置以單片機(jī)為控制核心，采用PHTS-5V-V2濕度傳感器采集農(nóng)作物根部土壤濕度，并根據(jù)所測(cè)土壤濕度值判斷滴灌管道堵塞情況，為農(nóng)田地下滴灌系統(tǒng)的運(yùn)行管理提供技術(shù)支持。

1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的基于植物根部土壤濕度檢測(cè)的滴管堵塞巡檢裝置可實(shí)現(xiàn)土壤濕度采集、數(shù)據(jù)處理、顯示、傳送及存儲(chǔ)等功能，并且能夠進(jìn)行濕度報(bào)警。該裝置主要由數(shù)據(jù)采集模塊、時(shí)鐘模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、報(bào)警功能模塊、輸入輸出模塊和數(shù)據(jù)傳送功能模塊組成，系統(tǒng)功能如圖1所示。

系統(tǒng)工作原理：土壤濕度傳感器將采集到的土壤濕度信號(hào)傳送至單片機(jī)內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)由單片機(jī)進(jìn)行處理，單片機(jī)通過(guò)控制內(nèi)部存儲(chǔ)器將采集到的濕度值與時(shí)間同時(shí)存儲(chǔ)下來(lái)，并將結(jié)果發(fā)送至顯示器進(jìn)行顯示。當(dāng)檢測(cè)到的濕度值低于系統(tǒng)設(shè)定閾值時(shí)，系統(tǒng)會(huì)報(bào)警。存儲(chǔ)后的數(shù)據(jù)可通過(guò)串口傳至上位機(jī)，并可以在計(jì)算機(jī)內(nèi)進(jìn)行分析與統(tǒng)計(jì)，為指導(dǎo)滴灌生產(chǎn)提供依據(jù)。

圖1　系統(tǒng)功能框圖

2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

該裝置以STC90C58AD為主控芯片。前端的數(shù)據(jù)采集模塊將濕度傳感器采集到的模擬信號(hào)傳輸至單片機(jī)，由STC90C58AD的AD轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)并存儲(chǔ)在單片機(jī)內(nèi)，存儲(chǔ)的同時(shí)讀取時(shí)鐘芯片的時(shí)間值一并存儲(chǔ)，即可記錄采集時(shí)間。測(cè)試所得土壤濕度值經(jīng)公式換算后(見(jiàn)表3)在LCD上實(shí)時(shí)顯示。采集到的數(shù)據(jù)需要與預(yù)存的報(bào)警閾值進(jìn)行比較，如超過(guò)閾值，則輸出報(bào)警信號(hào)。各模塊電路設(shè)計(jì)以及和主芯片連接電路圖如圖2所示。

2.1溫度采集電路模塊

本裝置采用的傳感器是由武漢新普惠公司生產(chǎn)的PHTS-5V-V2土壤濕度傳感器。傳感器測(cè)量范圍0～100%，準(zhǔn)確度3%，分辨率0.1%，輸出信號(hào)0～2.5V，工作溫度-50～80℃，負(fù)載電阻≥1kΩ，采用5V直流電源供電。該傳感器具有靈敏度高、準(zhǔn)確快速、穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)，完全能夠滿足設(shè)計(jì)要求。傳感器與單片機(jī)連接電路如圖3所示。

圖2　原理電路圖

圖3　傳感器與單片機(jī)連接電路圖

2.2顯示模塊設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)需要顯示土壤濕度值及采樣時(shí)間，并采用QC-1602LCD液晶顯示器對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，工作電壓為4.5～5.5V，具有工作可靠、體積小及性價(jià)比高等特點(diǎn)。

單片機(jī)的P2.5、P2.6和P2.7引腳分別連接液晶顯示器的使能端、讀/寫(xiě)選擇端和數(shù)據(jù)/命令選擇端。為了調(diào)節(jié)液晶顯示器的亮度，在液晶顯示器的VO引腳接入一個(gè)可變電阻。因?yàn)閱纹瑱C(jī)的P1口上電后為開(kāi)漏輸出，因此在液晶顯示器的數(shù)據(jù)口并聯(lián)一個(gè)10kΩ排阻作為上拉電阻。

2.3時(shí)鐘模塊設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用DS1302時(shí)鐘芯片為系統(tǒng)提供時(shí)間，通過(guò)單片機(jī)控制顯示器來(lái)顯示當(dāng)前測(cè)試土壤濕度的時(shí)間。DS1302與單片機(jī)采用同步串行的方式進(jìn)行通信，由P3.5、P3.6和P3.7引腳分別控制DS1302的RES復(fù)位端、I/O數(shù)據(jù)端及SLCk串行時(shí)鐘端。DS1302的電路圖如圖4所示。

圖4　DS1302電路圖

2.4按鍵模塊設(shè)計(jì)

本模塊所要實(shí)現(xiàn)的功能是設(shè)置系統(tǒng)時(shí)間。裝置共設(shè)置4個(gè)按鍵，分別為K1、K2、K3、K4。K1表示系統(tǒng)確認(rèn)鍵，K2為調(diào)整時(shí)分秒及年月日的切換鍵，K3為加1鍵，K4為減1鍵。單片機(jī)的P2.0、P2.1、P2.2、P2.3口分別控制按鍵K1、K2、K3、K4。系統(tǒng)設(shè)定第1次上電時(shí)的初始化時(shí)間和日期，通過(guò)按鍵K1、K2、K3、K4可以調(diào)整時(shí)間和日期，還可以修改存入存儲(chǔ)器內(nèi)的土壤濕度最大、最小值。

2.5報(bào)警模塊設(shè)計(jì)

報(bào)警模塊功能即當(dāng)所采集的土壤濕度值小于設(shè)定閾值時(shí)進(jìn)行報(bào)警提示，系統(tǒng)采用聲音報(bào)警的方式，由單片機(jī)P3.2口對(duì)報(bào)警電路進(jìn)行控制。當(dāng)單片機(jī)輸出低電平時(shí)，Q1導(dǎo)通，蜂鳴器發(fā)出報(bào)警，說(shuō)明土壤濕度低于設(shè)定的閾值，此時(shí)需要對(duì)所采集土壤部位的滴灌管道進(jìn)行檢查。

3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)采用的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境為Keil-μVision4，主要包括主程序、土壤濕度采集程序及時(shí)鐘程序等。

3.1主程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)開(kāi)始運(yùn)行后進(jìn)入預(yù)先設(shè)定的日期時(shí)間界面，接著系統(tǒng)會(huì)進(jìn)行按鍵檢測(cè)。當(dāng)有按鍵輸入時(shí)，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)輸入的按鍵調(diào)整時(shí)間；如果檢測(cè)不到按鍵輸入，系統(tǒng)會(huì)一直采集數(shù)據(jù)。對(duì)采集到的電壓信號(hào)單片機(jī)ADC模塊將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，并將數(shù)字量轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的濕度值顯示。通過(guò)人工的方法判斷該數(shù)據(jù)是否正常：若正常，則進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)；否則，系統(tǒng)會(huì)報(bào)警。主程序流程圖如圖5所示。

圖5　主程序流程圖

3.2數(shù)據(jù)采集程序設(shè)計(jì)

該模塊主要實(shí)現(xiàn)土壤濕度的采集和對(duì)數(shù)據(jù)的處理。傳感器采集到數(shù)據(jù)后由單片機(jī)內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換，本文僅采用一個(gè)濕度傳感器，所以僅由P1.0端口進(jìn)行轉(zhuǎn)換即可。數(shù)據(jù)采集流程圖如圖6所示。

4試驗(yàn)結(jié)果及分析

所研制的裝置實(shí)物圖如圖7所示。

4.1試驗(yàn)操作

首先，為了驗(yàn)證土壤含水率與土壤濕度之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，配制了不同含水率的土壤樣品，并測(cè)定其濕度值，結(jié)果如表1所示。從表1土壤含水率與土壤濕度的對(duì)照可以看出：二者呈近似正比關(guān)系，即可以用測(cè)試土壤濕度的方法來(lái)代替以往測(cè)試土壤含水率的方法。土壤含水率的測(cè)量存在取樣、稱量、烘干等一系列比較復(fù)雜和費(fèi)時(shí)費(fèi)力的工序，而利用該便攜式儀器可以快速、準(zhǔn)確地確定地下滴灌堵塞情況，如圖8 所示。

圖6　數(shù)據(jù)采集程序流程圖

圖7　實(shí)物圖

圖8　土樣濕度測(cè)試照片

Table 1The correspondence between soil water content and soil moisture%

土壤含水率土壤濕度851005586.63578.32669.81833.51022.7

其次，根據(jù)農(nóng)作物在正常生長(zhǎng)狀態(tài)下灌水周期為4～7天的情況，在滴灌區(qū)選取滴灌管埋在土下20cm深處、灌溉周期為5天的玉米田地進(jìn)行土樣采集。分別選取灌溉后3h，灌溉后1、2、3、4天，以及灌溉前的土樣進(jìn)行濕度測(cè)量。對(duì)所采土樣濕度值分別用本裝置和烘干法進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量結(jié)果如表2所示。測(cè)試出不同樣品的濕度值和含水率符合表1的結(jié)果，說(shuō)明在滴管堵塞測(cè)量上利用土壤濕度值的測(cè)量完全可以取代以往含水率的測(cè)量。在實(shí)際應(yīng)用中，如果在同一管線上測(cè)試值偏差超過(guò)一定閾值(即某一區(qū)域的濕度值與管線上其他地方濕度值的偏差，程序設(shè)置為20%)，則基本可以確定該處地下滴灌管?chē)娮煲讯氯?/p>

表2　測(cè)試結(jié)果

4.2誤差分析

表3是PHTS-5V-V2土壤濕度傳感器測(cè)試模擬電壓與濕度值之間的轉(zhuǎn)換公式。傳感器廠家給定的測(cè)量誤差為小于3%，該誤差是由傳感器器件材料導(dǎo)致的，無(wú)法通過(guò)外界條件消除。因此，在現(xiàn)有條件下，保證傳感器的測(cè)量精度主要是提高供電電源的穩(wěn)定性。為此，本裝置將圖8中的5節(jié)1.5V電池替換為9V干電池。更換后的電源使用壽命長(zhǎng)，電壓穩(wěn)定性較好，經(jīng)驗(yàn)證可以滿足試驗(yàn)要求。此外，本裝置在設(shè)計(jì)電源模塊時(shí)，選擇7805集成穩(wěn)壓模塊將9V電壓穩(wěn)壓至5V電壓，進(jìn)一步確保供電電壓的穩(wěn)定性。當(dāng)然，在實(shí)際使用時(shí)還應(yīng)養(yǎng)成隨時(shí)關(guān)機(jī)的良好習(xí)慣，以增加電池使用壽命。

對(duì)不同質(zhì)地土壤濕度，PHTS-5V-V2傳感器所測(cè)的值具有一定的偏差。為此，可以通過(guò)測(cè)量不同質(zhì)地下干土壤的導(dǎo)電率，對(duì)傳感器進(jìn)行修正。如果測(cè)得的干土壤導(dǎo)電率偏高，則將轉(zhuǎn)換公式中的系數(shù)67.51調(diào)高，或者將系數(shù)4.105調(diào)低。其中，前者為大幅度調(diào)整，后者為微調(diào)；反之，如果所測(cè)干土壤導(dǎo)電率偏低，則調(diào)低系數(shù)67.51.或者調(diào)高系數(shù)4.105，從而消除不同質(zhì)地土壤下PHTS-5V-V2傳感器測(cè)量值的誤差。

表3　電壓與土壤濕度的關(guān)系

5結(jié)論

在農(nóng)田地下滴灌管道無(wú)堵塞的情況下，同一條滴灌線上所測(cè)的土壤濕度值之間偏差應(yīng)小于5%。如果測(cè)量的農(nóng)田土壤濕度值偏差大于20%，則說(shuō)明滴灌管出現(xiàn)堵塞，需要立即采取措施，否則就會(huì)影響農(nóng)作物的正常生長(zhǎng)。通過(guò)對(duì)5個(gè)樣本的測(cè)量，表明本裝置能夠滿足快速地判斷農(nóng)田地下滴灌管堵塞情況的需求。同時(shí)，與烘干法測(cè)量土壤濕度值相比，本裝置除了能夠克服烘干法的取樣困難、取樣工作強(qiáng)度大、成本高且實(shí)時(shí)性差等缺點(diǎn)外，還具有可操作性強(qiáng)、實(shí)用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。綜上所述，本文設(shè)計(jì)的快速檢測(cè)農(nóng)田地下滴灌管道堵塞情況的裝置不僅能夠?qū)崟r(shí)、快速地檢測(cè)農(nóng)田土壤濕度值，還能根據(jù)檢測(cè)結(jié)果判斷農(nóng)田地下滴灌管道堵塞情況，同時(shí)具有數(shù)據(jù)采集、顯示和報(bào)警等功能。試驗(yàn)表明：本裝置基本能夠快速、實(shí)時(shí)地檢測(cè)農(nóng)田地下滴灌管的堵塞情況，具有可行性。

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Design on a Fast Detection Device for Farmland Subsurface Drip Irrigation Plugging

Liu Yanqiu , Wu Pei , Zhang Yongan, Yu Kuidan, Su He

(College of Mechanical and Electrical Engineering, Inner Mongolia Agricultural University, Hohhot 010018, China)

Abstract：Agriculture plays an important role in the development of our national economy, and in the context of scarcity of today's water resources, water-saving irrigation is imperative. The drip irrigation is one of the most effective ways of farmland water-saving irrigation; it’s widely used especially in the region where the water is scanty. Because the farmland subsurface drip irrigation pipes are usually buried under the ground, it’s difficult to find when the pipes are plugging, and if it cannot be found in time, it often makes adverse effects on the growth of crops, and causing losses. Therefore, we designed a fast farmland drip-irrigation detecting device. In the designed device, STC90C58AD the chip microcomputer was used as the core control unit and the soil moisture sensor PHTS-5V-V2 was employed to detect the soil moisture of crops roots. Comparing the humidity value which measured by the moisture sensor, it could be detected if the subsurface drip irrigation was clogged. The tested results showed that the device can measure the soil moisture of the designated places rapidly, give the judgment of the clogged situation of the pipe, and it has realized the functions of real-time displaying, saving, alarming and so on, and it could meet the needs of farmland drip-irrigation detection.

Key words：farmland water-saving irrigation; subsurface drip irrigation; STC90C58AD; rapid detection; soil moisture

文章編號(hào)：1003-188X(2016)06-0149-06

中圖分類(lèi)號(hào)：S275.4；S237

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

作者簡(jiǎn)介：劉艷秋(1988-),女，內(nèi)蒙古赤峰人，碩士研究生，(E-mail) lyq13514413846@163.com。通訊作者：張永安(1976-)，男，內(nèi)蒙古興和人，副教授，(E-mail) zhangya817@126.com。

基金項(xiàng)目：內(nèi)蒙古自治區(qū)自然科學(xué)基金項(xiàng)目(2012MS0720，11364029)；中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)-內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)科研合作項(xiàng)目(ZN201012)

收稿日期：2015-06-11