土壤湿度检测与PLC技术在大棚节水灌溉中的应用

戴欣平

(金华职业技术学院，浙江 金华 321017)

大棚是一种采用围护结构，将棚内的环境与外部相对隔离的半封闭作物栽培设施。与大田种植相比较，大棚具有内部温湿度高，风速低，土壤、空气、水分等作物生长环境相对独立的特点。这种特点为人工控制作物生长的温度、光照、空气湿度、土壤湿度等因素提供条件。在作物的灌溉管理上，快速、准确地测定大棚土壤水分，并依据不同作物生长过程中的需水墒情，适时作出灌溉、施肥决策及排水措施，不仅有利于作物产量与品质的提高，减少病虫害，缩短成熟期，而且可以节约宝贵的淡水资源。

现介绍一种监测土壤湿度实施自动灌溉的节水灌溉控制器，该控制器采用负压式土壤湿度计为土壤湿度传感器，以LOGO!12/24RC型可编程控制器(PLC)为控制单元，实现土壤湿度控制灌溉、时间控制灌溉、频繁间歇灌溉等多种灌溉模式，满足不同作物及外部气候条件下的灌溉管理。

1 土壤湿度检测技术

目前土壤湿度测定的主要方法有张力法、石膏块电阻法、中子仪法、时域反射仪(TDR)法［1］等。土壤水分受土壤孔隙的毛管引力和土粒的分子引力的作用，使土壤孔隙中的水分处于负压状态，土壤吸力愈大，土壤孔隙中的水分愈少，土壤含水量也就愈低;反之，土壤吸力愈小，土壤孔隙中的水分愈多，则土壤含水量愈高，张力法正是利用土壤的这种特性测量土壤的基质水势［2］。与其他方法相比，张力法原理简单，测量设备造价低，应用较广。利用张力法制作的土壤湿度传感器叫负压式土壤湿度计(也称负压计或张力计)，其头部的陶土头与土壤紧密贴合，当土壤湿度发生变化时，水分子在土壤与密封管之间产生扩散运动，使管内产生负压，由压阻传感器测定并输出负压信号，该信号能大致反应出土壤的含水量状况，其测定精度满足一般蔬菜等大棚作物生长的灌溉要求［3］。

2 灌溉控制器组成

灌溉控制器由负压式土壤湿度传感器、变送器和LOGO!12/24RC型PLC组成。

2.1 土壤湿度传感器与变送器

选择由中国科学院南京土壤研究所生产的FJA-10型负压式土壤湿度计为土壤湿度测定传感器。FJA-10型负压式土壤湿度计由土壤湿度计和变送器组成，土壤湿度计由多孔陶土头、密封管、集气室、压力传感器组成。压力传感器采用扩散硅压力传感器，在硅膜片上制成一个惠斯登电桥，当硅片受到压力时，电桥失去平衡，产生一个电位差，将压力转换为电信号。在土壤水吸力为零至一个大气压时，压力传感器输出电压值为0～100 mV，而且土壤水吸力值与输出电压值之间呈良好的线性关系［4］。变送器由恒流源、测量放大器和电源等组成，既能对压电传感器提供恒流源，又把压电传感器产生的小电压信号加以放大，输出0～5 V电压作为后续控制或显示仪器的输入信号。

FJA-10型负压式土壤湿度计工作参数:测量范围为0～100 kPa，测量精度为 ±2.5 kPa;输出电压信号为0～5 V，供电电源为交流220 V。

2.2 土壤湿度传感器的标定

不同基质土壤具有各自的水分特性曲线，土壤湿度传感器的输出信号值与土壤实际的含水率的对应关系也不一样，因此，要针对不同基质的土壤对湿度传感器进行标定［5］。标定的目的有三，一是明确不同基质土壤实际含水率与传感器输出值之间的函数关系，以表征该传感器在确定基质土壤中的适用性，这种关系应具备一定规律，能建立数学模型，最好为线性;二是确定符合这个数学模型所适用的测量范围;三是根据测定的参数设定PLC控制程序的参量值。

试验的大棚土壤为浙江省中部常见的红壤土，采用田间标定方法完成对FJA-10型负压式土壤湿度计的标定。先在实验室里用标准水银压力表或标准真空表对土壤湿度计进行校正，调节传感器的灵敏度，使土壤湿度计负压在0～100 kPa时变送器输出电压为0～5 000 mV，土壤负压值Pi与输出电压值Ui关系为:Pi/100=Ui/5 000，这样可根据输出电压值计算出土壤负压值。再将湿度计埋入到试验大棚中，根据一般大棚蔬菜根系深度，设定传感器头部的埋入深度为20 cm。在不同土壤水吸力时，用万用表测量并记录输出电压值。在土壤湿度计附近的同样深度，用环刀采取土壤试样，每个输出值下采集土壤试样6个，采用烘干法测定土壤的平均质量含水率。在潮湿、湿润、干爽、干燥的状态下记录土壤的干燥过程输出电压值和质量含水率数据。实验数据点阵如图1。

图1 FJA-10型负压式土壤湿度计标定图线

图1 图形接近为一条直线，线性拟合的数学模型为:

式中:ωi为土壤的质量含水率;Pi为传感器的负压值;a、b为该函数参数。

采用最小二乘法进行直线拟合可得:

则负压值与含水率的线性函数关系式为:

在试验中，传感器负压值超过85 kPa时，所得到的数值明显偏离现在的直线，呈现非线性，因此，该仪器的土壤负压值理想使用范围为0～85 kPa。

2.3 控制器

控制器选用 LOGO!12/24RC型 PLC，是由SIEMENS公司生产的一种小型PLC，有编程简单、参数设置方便、体积小、价格便宜等特点，并具有较好的逻辑功能、钟控功能和数字/模拟量输入输出功能。该型号PLC，具有8点数字量输入，4点继电器输出，而且输入点17和18可输入模拟量，可连接土壤湿度传感器。PLC使用电源电压为DC 12 V或24 V，每个输出点电流可达10 A，可直接驱动水泵接触器。该型PLC具备LCD显示功能，在编程和运行时显示程序、参数和输入点的信息，便于观察修改。程序输入和参数修改可直接由面板输入或联接计算机通过软件编写输入，操作较为方便。

LOGO!12/24RC型PLC控制联接图如图2。

3 灌溉控制器的功能设计

3.1 功能设计

在分析土壤含水量、气候条件、植物需水量等灌溉因素基础上，考虑灌溉的实际需要提出了灌溉控制器设计方案。该控制器以陶土头土壤湿度传感器输出为信号源，设置按土壤墒情控制、时钟控制、频繁间歇控制与手动控制4种灌溉模式。

3.1.1 土壤墒情控制灌溉功能

能根据不同作物需水特性预设灌溉负压值，采集土壤湿度信号，按土壤墒情和作物需水特性实施自动灌溉，并设置灌溉时间间隔与时长。土壤墒情控制灌溉原理框图如图3。

为了便于灌溉参数的设定，使PLC的显示值为实际的负压值P，需要对输入的湿度模拟量进行增益调整。针对0～100 kPa负压值，变送器输出的电压为0～5 V，而PLC模拟量接口输入信号为0～10 V，对应内部值为0～1 000，如设定灌水开启负压值为20 kPa，则接通阀值SW↑内部值为:

增益值取20，则LCD显示值为:

这样，显示值与实测值一致。

3.1.2 时钟控制灌溉功能

PLC内设有钟控电路，可预设每天的灌溉时间与时长，实现自动灌溉。原理框图如图4。

图2 控制器的系统联接

图3 土壤墒情控制灌溉的原理

3.1.3 频繁间歇灌溉功能

将灌水时长分成若干时段，以便提供足够时长使水渗入土壤，减少坡地或粘性土地地面径流损失，达到节水的效果。如每灌溉5 min后，停歇5 min，保证水渗入土壤的时间。原理框图如图5。

3.1.4 手动控制灌溉功能

根据需要，进行实时手动灌溉。可直接输出驱动电磁阀或水泵电机控制接触器。

图4 时钟控制灌溉的原理

3.2 注意事项

图5 频繁间歇灌溉的原理

要注意湿度传感器的维护，及时添水，保持其水管的水面在压阻传感器的上方，以保证测量的准确性。采用小孔皮管灌溉时，注意小孔水流的落点，调节水压，使水流落在作物根部;对于叶面蒸发量大的作物，也可采用顶部和根部同时喷灌的灌溉方式，既可保证其根部需水，也可保障其茎叶需水的要求。注意观察作物生长与土壤湿度情况，及时修正灌水负压值。

4 灌溉控制器试用效果

该灌溉控制器在大棚蔬菜种植上进行试用，对芹菜、番茄、青菜3种蔬菜种植在控制器灌溉和人工灌溉2种灌溉管理方式下进行对比试验。采用2只传感器，设置不同的埋设深度、灌溉负压值和灌水时长。参数设置如表1。

表1 灌溉控制器灌溉试验参数设计

通过试验，作物的产量与用水量如表2所示。

从表2可知，1号传感器控制灌溉的作物产量明显比人工浇灌的高，芹菜增加9.19%，番茄产量增加4.26%，青菜产量增加2.85%;但2号传感器比人工浇灌的产量低，芹菜减产2.7%，番茄减产1.41%，青菜5.5%。说明自动控制灌溉负压灌溉值设置合理与否，决定灌溉控制的成败。

表2 3种作物产量与用水量对比试验结果

在节水效果方面，1号传感器控制灌溉的用水量是人工灌溉的69.64%，有明显的节水效果。在病虫害发生率上，采用灌溉控制器后，用水量少，作物病害发生率明显减少，虫害数量少，发生次数少，而且作物品质有一定的提高。

采用灌溉控制器实施自动灌溉，种植人员只需巡视，不需要人工浇灌，大大减少了劳动强度。

5 小结

该灌溉控制器采用陶土头土壤湿度传感器，能实时检测土壤湿度，采用小型PLC为控制单元，设置土壤墒情控制、时钟控制、频繁间歇、3种灌溉模式，并可人工手动控制。经实际应用，该控制器在节水效果、作物增产及品质改善、病虫害减少等方面有明显作用，并可减少灌溉的劳动强度，具工作可靠，操作方便，价格便宜等特点，方便推广应用。

［1］赵燕东．土壤水分快速测量方法及其应用技术研究［D］．北京:中国农业大学，2002:11－20.

［2］赵燕东，王一鸣．基于驻波率原理的土壤水分传感器的测量敏感度分析［J］．农业工程学报，2002，18(2):2－5.

［3］张超，王会肖．土壤水分研究进展及简要评述［J］．干旱地区农业究，2003，21(4):117－120，125.

［4］张金波，胡刚，张学武，等．自动化控制系统在节水灌溉中的应用［J］．微计算机信息，2003，19(1):9－10.

［5］王念启，尹桥良，莫红兵．节水灌溉计算机监控系统的研究［J］．安徽农业大学学报，2002，29(4):417－420．