基于FDR原理的土壤湿度实时监控灌溉系统论文_谭吉亮

基于FDR原理的土壤湿度实时监控灌溉系统论文_谭吉亮

钦州市浦北生态环境局,浦北县环境保护监测站 钦州市 535000

摘要:随着目前我们国家对农业的发展重视程度在不断的加大,对于农业各个方面的问题也在不断的进行发展,土壤湿度作为土壤灌溉过程当中一个十分重要的的数据在进行具体的监控过程当中,是一项十分重要的工作,所以说在这篇文章当中就分析一下土壤湿度,实时监控灌溉系统的具体情况。

关键词:FDR原理;土壤湿度;实时监控灌溉系统

1.前言

根据目前土壤湿度实时监控灌溉系统具体的应用情况可以看出,虽然我们国家大部分的土壤湿度控制已经普遍得到了发展,但是相应的一些发展情况还是比较的简单,自动化的程度与我们国家的发展情况还不能相适应,所以说在这篇文章当中,我们就分析一下土壤湿度,实时监控灌溉系统的发展情况来更好的促进我们国家农业的发展。

2.系统的组成及工作原理

土壤水分作为灌溉的基本参数,对作物的生长至关重要,通过人工手段创造适合作物生长的环境湿度,可以提高单位面积产量,提高农产品质量,从而实现高效农业生产的目的。土壤水分控制设施最简单,自动化程度低,系统功能不完善,也很不适应现代农业的要求。虽然国外相关技术水平较高,但其价格很昂贵。合理灌溉有利于作物的生长,也是对匮乏水资源的一种高效利用。因此,本文基于MSP430F155超低功耗及土壤湿度传感器精确测量,设计出一个合理的控制土壤湿度的智能灌溉系统。本系统采用了FDR精密土壤湿度传感器来量土壤湿度的,FDR(FrequencyDomainReflectometry)利用电磁脉冲原理,根据电磁波在土壤中传播频率测试土壤的表观介电常数(ε),从而得到土壤容积含水量(θv)[1,2]。FDR测量土壤含水量的原理[3]:FDR的探针主要由一对电极组成一个电容,其间的土壤充当电介质,电容和振荡器组成一个调谐电路。FDR用100MHz正弦曲线信号,通过特殊设计的传输线传到FDR探头,FDR探头的阻抗依赖于土壤介质的介电常数。振幅最大时,FDR使用扫频频率来检测共振频率,土壤含水量不同,发生共振的频率不同。FDR的传输线设计为最大电压即它的起始电压VO=α(1-ρ)其中α为振荡器输出的电压振幅,ρ为反射系数。接合处的最大电压VJ=α(1+ρ)。因此,振幅的差额为:VJ-VO=2αρ。测量这种振幅就会得到探测器的相对阻抗,若ZL代表传输线的阻抗,ZM代表插入到基质中的探测器的阻抗,那么反射系数ρ=(ZM-ZL)/(ZM+ZL)。同轴传输线的阻抗决定于它的物理尺寸和绝缘材料的介电常数ε:Z=(60/槡ε?ln(r2/r1),其中r1和r2分别是信号导体和屏蔽导体的半径,从而得到介电常数ε。通过建立过介电常数的平方根与容积含水量之间的线性关系方程,FDR根据下列方程式,以测定表观介电常数ε的方法测量土壤的容积含水量θ=(槡ε-a0)/a1,a0和a1是土壤类型确定的。

3.硬件设计

3.1主控模块

本设计主控模块采用MSP430F155微处理器。MSP430

系列单片机是16位的,具有精简指令集(RISC)的超低功耗的单片机。它具有集成度高、外围设备丰富、功耗超低的优点,因此微处理器广泛应用于智能传感器、实用测试仪器、点击控制、仪器仪表等领域。

3.2数据采集和处理模块

系统采用的是FDR精密土壤湿度传感器,该传感器测量相对湿度的范围是0~100%,分辨力达到0.1%RH,最高精度为±3%RH,测量温度的范围是-40~85℃,供电电压为7~15V,工作电流为21~26mA,输出信号为0~1.1V的直流电压。土壤湿度传感器的信号输出为0~1.1V直流电压信号,在信号进入MSP430F155的A/D接口之前,为了保持信号稳定,加入了电压跟随器及滤波电路作为调理电路,因为MSP430F155集成ADC所以本设计将采集到的信号调理之后直接送入单片机的P6口进行处理,而无需用单独的A/D芯片,这大大简化了电路设计、使用简单方便。

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3.3时钟模块

农作物不同生长期对水分的需求量不同,根据这特点掌握土壤湿度变化时间和灌溉时间是很重要的,因此采用实时芯片DS1302S设计实时时钟电路。该芯片可以对年、月、日、周日、时、分、秒进行计时,具有闰年补偿功能,并具有体积小、硬件连线少、而且提供256B低功耗RAM。DS1302是双电源供电,当主电源断电时,仍有备用电池为它提供电压。对于某些具有特殊意义的数据点,能将数据与出现该数据的时间同时记录,为历史分析提供依据。

3.4存储模块

用USB标准接口传输数据,U盘体积小,容量大,便于携带,读取数据方便,把U盘作为中间数据的传输介质,克服了对计算机的依赖。本设计采用南京沁恒公司生产的USB总线通用芯片CH376,它具有USB-HOST主机方式和USB-SLAVE设备方式。同时CH376支持3.3V的工作电压,因此可以方便地与MSP430系列单片机进行连接。MSP430使用并口方式与CH376相连,将数据以.TXT文件格式写入U盘,上位机可以直接看到相应的数据,实现数据转存。

3.5人机接口模块

人机接口主要由液晶显示和操作按键电路组成。操作按键由7个独立按键组成,分别是<功能键>:用于进入菜单功能;<灌溉段键>:用于调整灌溉段;<灌溉期键>:用于调整每段的灌溉日期;<时钟键>:用于调整系统实时时钟;<+键>,<-键>,<确认键>。液晶模块采用128×64点阵液晶,该模块功耗低、体积小、显示清晰、背光可控、兼容串行和并行接法,设计采用串行连接方式。

3.6控制灌溉模块

控制灌溉模块是继电器和电磁阀组成。单片机将采集到的湿度值与设定的时间段的湿度上下限进行运算比较后,从P2.0口输出控制信号送开关三极管,开关三极管驱动继电器,继电器又是控制电磁阀的开关,从而实现自动浇水灌溉。注意继电器选用12V驱动,所以应并联一个二极管作用作为续流二极管,起保护电路作用。本系统实现了对土壤湿度数据的采集、处理、实时显示以及对农作物的自动灌溉功能,可以根据农作物的特点对种植区进行不同时段和时长的灌溉。本文利用MSP430单片机内部的ADC进行采样,大大简化了系统电路的设计。试验结果证明,这种设计使测量结果达到了较高的精度,提高了整个系统的可靠性。此外,本系统具有很强的可扩展性,如根据农作物光合作用的外部影响因子,增加温度、CO2等传感器,进行测量控制,提高光合作用的效率,进而最大的提高生产效益;还可以结合GSM模块或ZigBee无线传感网络技术实现数据传输和控制的远程化。经过在实验室和示范基地的调试表明,该自动灌溉监控系统稳定可靠,完全能满足农业生产实际需要,使用方便,节能经济,大大降低了劳动强度。

4.结束语

根据此篇文章当中对于土壤湿度实时监控灌溉系统的分析可以看出该系统在使用的过程当中能够对土壤湿度进行更好的控制,这样的话能够更好的帮助农业生产,经过实验表明,也可以看出该自动灌溉系统的可靠性比较高,能够满足我们的生产需求,所以在日后的发展过程当中,我们就要大力的推广该系统的使用,更好的促进我们国家农业的发展。

参考文献

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[2]吕国华,李子忠,赵炳祥,等.频率域反射仪测定土壤含水量的校正与田间验证[J].干旱地区农业研究,2008,26(4):33-37.

[3]魏洪兴.嵌入式系统设计师教程[M].北京:清华大学出版社,2006.

[4]秦龙.MSP430单片机应用系统开发典型实例[M].北京:中国电力出版社,2005.

[5]胡大可.MSP430系列FLASH型超低功耗16位单片机[M].北京:北京航天航空大学出版社,2001.

[6]李萍,单葆悦,刘晓东,等.USB芯片CH376在智能仪器仪表中的应用[J].计量与测试技术,2011,38(2):9-14.

论文作者:谭吉亮

论文发表刊物:《防护工程》2019年11期

论文发表时间:2019/9/2

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