智能化設施農業節水灌溉控制系統研究1緒論 1.1研究背景國內是一種農業大國，建國50年來，農業得到了很大發展，獲得了以占世界7%耕地養活了世界22%人口舉世矚目成就。但也付出了巨大代價:地下水位下降、河湖干枯、季節性缺水、江河污染、水土流失和生態環境惡化等。當前，制約國內農業發展重要因素是水資源嚴重局限性。國內水資源總量為2、8萬億m3，人均占有量僅2200擴，局限性世界人均水平1/4，居世界第109位。并且國內水資源地區別布極不均衡，81%水資源集中分布在長江流域及其以南地區;長江以北地區人口和耕地分別占全國45.3%和64.1%，而水資源僅占全國19%，人均占有量為517m3;，相稱于全國人均量1/5和世界人均量1/20，水資源擁有量與生產發展極不適應。據記錄，進入20世紀90年代以來，國內農業干旱受災面積達2300萬hmZ以上，每年因缺水導致糧食減產1000億kg左右〔l3j。許多都市供水局限性、工農業用水矛盾尖銳。隨著經濟建設、生態環境建設步伐加快，人們生活水平提高，對水需求量將更大。國內農業用水面臨資源短缺同步，農業用水揮霍現象卻非常嚴重。重要體當前:一是水運用率低，國內灌溉系統對水資源運用當前只能達到0.3~0.4，而發達國家可達到0.8以上。二是農業水生產率低，灌溉農業糧食作物水生產率局限性Ikg/ma，旱地農業面積占60%左右，降水生產率只有0.3kg/m3~0.4kg/時。托普物聯網針對水資源運用率始終在做進一步研究，力求研發出一種能提高水資源運用率物聯網系統。解決國內農業用水短缺問題有兩種辦法，一種辦法是開發新水資源以滿足農業用水需求，這種辦法在一定限度上可以緩和國內農業水資源嚴重短缺現象，但它同步也存在三個比較大問題，一是開發水資源所需投資非常大，并且見效慢，受地理條件和資金等限制較大，短期內不能解決大面積農田灌溉問題;二是開發水資源能解決農業用水短缺問題卻解決不了農業用水揮霍問題，依照當前國內農業水資源運用率來看，耗費了大量資金和人力去開發水資源，成果運用率只有35%左右，導致大量人力、資金與水資源揮霍;三是國內水資源畢竟有限，而農業發展是長期，靠開發水資源來解決農業缺水問題是不現實。另一種解決農業用水短缺問題辦法是發展節水灌溉。節水灌溉是遵循作物不同生長發育階段需求規律而進行適時灌溉，運用盡量少水獲得盡量多農作物產出一種灌溉模式。普通灌溉水從水源到田間要通過幾種環節，每個環節中都存在水量無益損耗。凡是在這些環節中可以減少水量損失、提高灌溉水使用研究生論文智能化設施農業節水灌溉控制系統研究效率和經濟效益各種辦法，均屬于節水灌溉范疇。節水灌溉技術能大幅提高水資源運用率，在水資源不變狀況下提高作物產量，能實現優質高產，具備較好經濟效益、生態效益和社會效益。因而，實行節水灌溉，大力普及和應用高效節水灌溉技術是從主線上解決國內農業缺水問題重要辦法。托普物聯網研發節水灌溉技術涉及兩方面內容:①工程節水技術:通過對原有灌溉工程設施進行改造或使用先進灌溉工程設施以達到減少輸水損失和減少田間用水損失辦法。如渠道防滲、管道輸水、噴灌、微噴灌、滴灌、滲灌等。②灌溉控制技術:通過采用自動控制技術，結合伙物需水特性、地理環境、土壤特性與節水灌溉制度等實行按需、適時自動灌溉控制。工程節水技術重要是從兩個方面來實現節水目，一是減少水在田間傳播過程中滲漏損失，如渠道防滲和管道輸水技術;二是減少灌溉過程中無效灌溉，即均勻灌水或是只對作物根部附近土壤進行溉，普通草地采用噴灌，作物采用微灌技術。運用工程節水技術普通可提高水資源運用率到50~70%，相對老式灌溉方式來說已有很大改進，但是仍存在30%以上水資源揮霍，且與優質高產仍有一段距離。這重要是由于這種灌溉模式依然是靠人工控制，灌溉多少全憑經驗，不能實現按作物需水特性精準、高效灌溉。這就使得人因素成為影響水資源運用率重要因素，當經驗較豐富、較精確時，水運用率就高，當欠缺經驗時水運用率就低。而灌溉控制技術發展正可以彌補工程節水技術這一缺陷，它采用先進科學技術，檢測土壤墑情，依照地理環境和作物生長需水特性按需、精準灌溉，可大大提高水資源運用率，實現優質高產。灌溉控制技術使人們掙脫了老式全憑經驗灌溉模式，達到了高效節水灌溉目，對緩和國內農業用水短缺現象具備非常重要意義。1.2國內外研究狀況灌溉自動化始于20世紀30年代，二次世界大戰前.法國研制了一系列用以實行渠系自動化運營水力自動閘門，并提出了一套比較完整自動化灌溉控制辦法，開了自動化灌溉先河。20世紀50年代以來，隨著電子學和計算機技術應用和發展，運用電子設備、計算機設備和程序控制灌排工程自動化技術也得到了同步發展，并在法國、美國、日本等發達國家乃至某些發展中華人民共和國家得到了日益廣泛應用和發展，控制模式也由初期本地控制發展到可以實現遙測、遙控集中控制模式。1.3本課題研究工作綜合農作物生長過程對外部環境重要規定，采用科學控制辦法且具備廣泛用途節水灌溉系統，是節水灌溉科學實行核心問題。基于此，本課題重要內容是研制開發適合國內國情、低成本、易推廣、重要應用于溫室大棚節水灌溉自動控制系統，為實現國內農業高效節水灌溉提供技術裝備。由于不同農作物有不同需水特性，灌水時間、灌水量既影響農產品產量，也影響農產品質量，因而，設施農業高效節水灌溉自動控制技術重要是向適時適量、按需灌溉方向發展。因此，本課題研究重要涉及兩個方面，一是測即獲取土壤水分信息，并依照土壤水分信息及作物需水特性來決定灌溉時間與灌溉量多少。這將掙脫以往僅憑經驗灌溉灌溉模式，使作物灌溉決策建立在科學基本之上;二是控，要研究如何依照土壤條件、土壤水分信息及作物需水特性進行合理灌溉決策，即將老式憑經驗由人工手動閥門控制灌溉方式改為自動進行適時適量、按需精準灌溉控制，從而達到提高水運用效率、優質高產、節約大量人力，實現高效農業目。2方案研究與論證2.1研究方案選取國外某些先進國家，如美國、以色列和加拿大等，運用先進電子技術、計算機和控制技術，在節水灌溉技術方面起步較早，并日趨成熟。這些國家從最早水力控制、機械控制，到日后機械電子混合協調式控制，到當前應用廣泛計算機控制、模糊控制和神經網絡控制等，控制精度和智能化限度越來越高，可靠性也越來越好〔211。要想在根據國內國情與節水灌溉現狀基本上，吸取國外研究成果，研制出一種根據對農作物生長土壤水分含量不間斷實時檢測成果，依照作物需水特性，實現適時，按需精準灌溉自動控制設備，就需要對各種技術進行研究分析。當前，在國際上技術比較成熟、應用較廣灌溉控制技術重要有兩種:專家系統與微機測控技術。下面就對這兩種辦法進行比較研究，尋找一種適合國內國情，應用于設施農業、著眼于將來農業當代化發展自動化節水灌溉研究方案。2.2專家系統專家系統是一種模仿人腦思維方式，以知識為基本計算機軟件系統。其特點在于把人(專家)在解決生產實際問題過程中所使用啟發性知識、判斷性知識提成事實和規則，以一定知識表達形式存入計算機，建立知識庫，并采用適當產生式系統(ProductionSystem)，按輸入原始數據，選取適當規則，進行推理、演繹，作出專家級智能判斷與決策。并且它最大特點，可代表一種專門生產領域專家群體，對該生產領域內實際問題提供專家們征詢、決策意見圈。將專家系統應用于農業就形成了農業專家系統。農業專家系統以農業專家知識和經驗為系統核心，運用計算機技術，克服時空限制，在較短時間內得以廣泛地應用，使專家知識和經驗變為生產力工周。可以說農業專家系統是一種擁有高層次、多方面農業專家知識，它并能模仿人類推理過程，在計算機上以形象、直觀方式向顧客提供各種農業問題決策征詢服務實用軟件，與人類專家相比，擁有綜合性知識和高速解決知識本領，且不受時間、空間限制和人類情感影響。專家系統應用于節水灌溉也是以豐富種植經驗為基本，例如，在已有經驗上，將已知作物生長各階段需水量，生長狀態、各階段也許遇到氣候與自然條件等決定灌溉詳細信息輸入計算機，按照一定法則劃提成各項細則存儲在計算機中。當進行控制時，就將己獲得作物生長狀態、氣候條件等輸入計算機，計算機通過計算推理，把它劃分歸屬于某一細則，再按這一細則規定，如灌溉量和灌溉時間，進行灌溉。如從荷蘭引進大棚花卉種植專家系統，由于近年種植經驗，對某種花卉生長過程十分熟悉，將其生長過程細節輸入計算機，由計算機通過推理計算來決定其灌溉與施肥。由此可見，專家系統能實現作物種植灌溉完全智能化，可以代替為數很少專家群體，走向地頭，進入農家，在各地詳細地指引農民科學種田，節約大量人力、物力，能實現高效節水，優質高產。專家系統將是國內將來節水農業發展熱點之一。但是，在當前狀況下專家系統還不能在國內進行推廣，它除了具備上述優外，還存在著下述缺陷:(1)專家系統模型大，開發周期長，在國內當前科技水平較低狀況下投入大量人力、物力及資金去開發不太也許。(2)當前國內大某些專家系統依托進口，這些引進專家系統成本高且不適合國內國情，不能充分發揮其長處。(3)專家系統開發完全依賴種植專家經驗去控制作物施肥與灌溉，它并不對土壤墑情及作物狀況進行實時檢測。它雖然能代替農業專家，卻并不能掙脫完全憑經驗灌溉種植模式。(4)專家系統操作需要具備一定水平專業人員才干完畢，而國內農業科技水平普遍較低，缺少農業科技人員，這也限制了專家系統推廣。(5)開發受限制，單一性強，投入過高。普通一種專家系統是針對一種作物開發，它要在農業專家提供關于這種作物豐富、系統種植經驗基本上才干進行開發，一旦沒有農業專家就無法進行開發，而農業專家畢竟人數很少。同步，當需要對各種作物進行監測實行節水灌溉時，就需要各種專家系統，這就需要投入很大資金，也限制了專家系統推廣。從上面分析可以看出，專家系統雖然具備諸多長處，具備很大發展潛力，但它不能滿足成本低、操作簡樸、易推廣、能按作物需水量適時、精準灌溉研究目的，因而本課題研究不能朝專家系統方向走。2.1.2微機測控技術另一種節水灌溉自動控制技術是微機測控技術。它將計算機技術、傳感與檢測技術以及通訊技術結合起來，可以檢測土壤墑情、環境特性，并根據檢測成果來決定灌溉量與灌溉時間，掙脫了老式全憑經驗灌溉灌溉模式。當前在國外，特別是以色列，大某些田地都是采用這種節水灌溉控制方式。國外這種控制系統普通都很大，采用大型分布式控制系統。在田間分布各種傳感器檢測點，如土壤水分、溫度、濕度、光照、作物蒸騰量等，檢測成果送至微機，微機對成果進行解決，然后通過通訊技術，將解決成果發送至上位機，即實驗室或家里計算機中，操作者就可以在家里或實驗室里觀測到作物生長狀況和土壤墑情，依照經驗數據判斷作物與否缺水及所需灌溉量與灌溉時間，然后發出灌溉命令給微機，微機就可以依照命令控制灌溉量與灌溉時間，實現高效節水灌溉。這種節水灌溉控制系統成本高，但它設計思想卻很符合本課題研究規定，因而可以將其加以簡化，減少其成本，這樣就能設計出符合國內國情，易推廣，能按作物需水特性實現按需、精準灌溉節水灌溉控制系統。一方面，不采用上位機通訊控制。由于在國內農業設施普遍簡陋狀況下，推廣上述計算機控制灌溉系統還不現實，只要采用單片機在田間進行檢測與控制就可以了。這樣可以大大減少成本，并且還可以預留一種通訊接口，在需要或是有條件時也可以實現與上位機通訊，十分以便。另一方面，使用傳感器測量土壤及作物參數并盡量減少測量參數數量，只選取某些慣用灌溉參數進行測量，這樣既能使控制系統具備一定廣泛合用性，同步又可以減少傳感器數量，減少成本。設計一種節水灌溉控制系統能否做到因地制宜重要用四條原則加以衡量。其一與否節水，其二與否減輕農民承擔，其三與否增效(短期內收回投資，且提高效益)，其四與否推廣得開〔27J。依照這四個原則可以來判斷上述擬采用研究方案是可行。2.3設計方案節水灌溉自動控制系統研究方案是將傳感技術與單片機控制相結合，設計一種簡樸、低成本、易推廣控制系統，可以實時檢測土壤及作物某些灌溉控制參數，依照檢測成果實現按需、精準灌溉，到達高效節水、優質高產目。整個控制系統重要應當有四個模塊:檢測模塊、數據解決模塊、數字模塊及控制模塊。為實現研究目，在系統設計時需要考慮下面幾種問題。1、測量參數不同作物對水分需求量是不同樣。按需、精準灌溉就是要依照作物需水特性來控制灌溉量，使土壤含水量能剛好達到作物需求。這樣做目不但僅是節水，還能促使作物更好生長，達到優質高產。由于對作物來說，土壤含水量并不是越多越好，對某些作物來說，水分太多反而會抑制生長，適量水分對作物生長才是最有益。要實現按需、精準灌溉，土壤水分是必要測量最重要參數。水分是天然土壤一種重要構成某些，它不但影響土壤物理性質，制約著土壤中養分溶解、轉移和微生物活動，是構成土壤肥力一種重要因素，并且它自身更是一切植物賴以生存基本條件。精確及時測定土壤水分含量有助于研究和理解土壤水分動態變化規律和空間立體分布;同步，掌握不同作物在同一時期對土壤水含量不同規定，同一作物在不同步期對土壤水分含量不同規定以及土壤水分含量對作物產量影響，這在理論和生產上均有著重要意義，例如，進行耕耘、灌溉、施肥等各種農業辦法時，普通都需要考慮土壤水分狀況，特別是在進行灌溉、排水規劃設計時，更需要掌握土壤水分狀況及其動態。可以精確及時地測定出土壤水分含量，對適時適量地進行灌溉和排水有著重要作用〔28]。此外，土壤中過多有害物質也靠水淡化來排除。由以上分析可以看出，對作物生長來說土壤水分是所有參數中最重要，是必要測量。除了土壤水分外，土壤溫度也是決定與否灌溉一種重要參數，由于溫度過低，灌溉會凍傷作物根系，因而，必要要監測土壤溫度，在土壤溫度過低時就停止澆水。2、傳感器數量針對土壤狀況不同，需要傳感器數量是不同樣。有土壤一致性好，只需一種傳感器測量土壤墑情就可，但有土壤一致性差，就需要多支傳感器來測量土壤墑情。同步，土壤面積有大有小，也決定了需要不同數量傳感器。因而，控制系統在設計時要配備多支傳感器。并且，配備多支傳感器也能增強控制系統功能，可以同步控制不同作物灌溉。但是，傳感器數量也不能太多，傳感器路數太多也會增長控制系統成本。在控制系統設計時要綜合考慮所需配備傳感器數量。3、作物缺水判斷不同作物對水分需求是不同;周邊環境不同，作物需水量也會有所不同;雖然同一作物，在不同生長階段對水分需求也不同。國內作物有幾千種，不同作物有不同缺水狀況:國內面積廣大，氣候條件變化無常。如何才干使控制系統適應不同作物，在不同氣候條件和不同季節都能實現按需灌溉，這是控制系統通用性設計最重要要解決問題。如果解決不好，控制系統也就失去了其推廣意義。4、灌溉控制方式當前國內各個設施農業中灌溉系統水狀況不同樣，有采用電機控制水流、有采用水泵加壓后才干進行灌溉，有采用電磁閥代替手動閥門控制水流灌溉。因而，控制系統在設計時要考慮到控制信號通用性，既能控制電機、水泵，又能控制電磁閥。國內面積廣大，土壤種類諸多，不同土質滲水能力不同樣，例如砂土，滲水能力很強，水分可以不久地滲入作物根部，水分傳感器能及時測出灌溉后土壤含水量;而粘土滲水能力較弱，灌溉后水分堆積在地表層，要通過一段時間才干滲到土壤根部，水分傳感器就不能及時對的測出土壤含水量，就會導致澆水過多，揮霍水資源。因而，要提高控制系統通用性，在設計時就要考慮如何使控制系統灌溉控制滿足不同土壤需求。3系統設計3.1土壤水分測量3.1.1測量辦法選取土壤水分是土壤重要構成某些，它是農作物生長所需水分重要供應源。土壤水分還參加土壤中許多重要物理、化學和生物過程，同步它又是各種營養元素溶劑，對作物生長起著十分重要作用。土壤水分測量是實行節水灌溉、按需灌溉基本。隨著科技不斷發展，土壤水分測量辦法不斷發展變化，當前測量水分辦法大體可分為兩類，即直接測量法和間接測量法。直接法通過干燥或化學反映后直接測出絕對含水量，間接法則通過測量與水分變化有關物理量間接地測量水分含量。當代實用土壤水分測量辦法有采土烘干法、石膏電極法、電阻法、中子探測法及土壤水分傳感器法。土壤水分測量辦法雖然諸多，但必要要選取一種簡樸實用、測量精確、成本低測量辦法，才干使節水灌溉自動控制設備具備實現性與易推廣性。下面就對慣用幾種測量辦法進行分析比較，以找到一種簡樸實用、測量可靠、成本相對較低土壤水分測量辦法。1、采土烘干法采土烘干法是當前國際上測量土壤水分原則辦法。烘干法測量是土壤重量含水量，即取土樣放入烘箱，烘至恒重，此時土壤水分中自由態水以蒸氣形式所有散失掉，再稱重量，從而獲得土壤水分含量。重量法普通尚有所謂迅速測定法，其程序與常規法相似，實質仍是采用某些手段使土樣烘至恒重時間盡量縮短，如酒精燃燒法、紅外法、爐烤法等，這些辦法普通規定樣品不能太重(59左右)，因而樣品代表性和實驗成果精確性較差，為了減小誤差，常規定平行測定2~3次，取其算術平均值，這樣事實上又增大了測定工作量，延長了測定期間。當前微波爐烘烤法，既節約時間，又滿足誤差實際規定，是烤干法較好選取。烘干法是當前測定土壤含水量最慣用一種辦法，它簡樸易行，對設備規定不嚴，有足夠精度，就樣品自身而言成果可靠，是土壤水分測定基本辦法，也是檢查其他辦法與其對比基本，但是使用此類辦法在進行持續土壤水分測定期，必要不斷地變動取土點，由于土壤自身變異性，使測定成果往往發生很大差別。并且烘干法費時、費力，綜合費用并不低;取樣會破壞土壤，深層取樣困難，定點測量時不可避免由取樣換位而帶來誤差，在諸多狀況下不也許長期定點監測;受土壤空間變異性影響也比較大;如果測量目是用于灌溉，還必要懂得土壤各層次容重。對于自動節水灌溉控制來說，烘干法最重要缺陷就是測量時間較長且必要人工在實驗室進行，不能實現對土壤墑情進行持續、長期在線測量，難以滿足自動節水灌溉控制測量規定。因而，采土烘干法是不適當選取在自動控制節水灌溉中測量土壤水分。2、中子儀法中子儀法測量成果非常精確，是稱重法之外第二原則辦法，測量相對比較簡樸、容易，速度也不久。中子儀探頭是由快中子輻射源和熱中子探測器構成，當探頭放入測管時，中子源不斷地放射出快中子，快中子進入土壤介質與各種原子離子相碰撞，快中子損失能量，從而使其慢化。當快中子與氫原子碰撞時，損失能量最大，更易于慢化，土壤中水分含量越高，氫就越多，從而慢中子云密度就越大。中子儀測定水分就是通過測定慢中子云密度與水分子間函數關系來擬定土壤中水分含量。運用中子儀測土壤水分含量，不必采土，不破壞土壤構造，并可定點持續監測，從而得到該樣點土壤水分動態運動規律，且迅速精確，無滯后現象。但中子儀測定期，室內外曲線差別較大，且田間不同土壤物理性質，如容重不同、土壤質地不同都會導致曲線較大移動，研究表白中子儀垂直辨別率較差，且表層測量困難，同步中子儀價格昂貴，特別是輻射危害健康，操作者必要通過培訓并持有允許證，并且中子儀對于長期大面積動態監測土壤水分仍幾乎不也許，因而不能廣泛應用，不適當在自動灌溉控制土壤水分測量上應用。3、電阻法土壤普通是導電，其電阻率隨其含水率變化而變化。電阻法就是依照這個原理測量土壤水分。電阻法是一項比較古老辦法，電阻由多孔滲水介質(如石膏、尼龍、玻璃纖維)制成，它電阻大小與含水量有關。把里面嵌有電極電阻塊放入土壤中，當電阻塊中水勢與土壤水勢平衡后，測量電阻塊電阻，然后求出土壤水勢。電阻塊重要是石膏塊，因此此法常稱之為石膏塊法(GyPsulnBloek)。當前，電阻法普通都是通過電阻式土壤水分傳感器測量土壤水分。傳感器構造如圖3.1，其實體是由質地均勻石膏制成圓柱體.在實體中部埋置有直徑不同、同心安裝兩個不銹鋼制成圓筒狀電極，其上引出電極引線。傳感器電極不與被測土壤直接接觸，而是通過多孔性材料石膏為中介與土壤水分聯系。這樣做，是為了避免土壤鹽分及測量電極與土壤接觸狀況對測量影響。圖3.1電隊式土壤水分傳感器電極引線2、內電極3、外電極4、石膏體測量時，將傳感器埋入被測土壤中(軸線與水平面平行)。土壤水分運動使傳感器石膏體含水量與土壤水形成一定函數關系。而石膏體含水量變化將引起置于其中兩電極介電特性和電阻變化，即傳感器介電特性和電阻與土壤水分是互相聯系。電阻法成本較低，可以作許多重復，可不破壞土壤留在田間持續自動監測，適合于灌溉。但是電阻法有滯后作用，干燥后電阻塊也許與土壤接觸不好，敏捷度也非常低。任何與土壤水分變化無關土壤電導變化(如施肥)也會被檢測到，使成果浮現偏差，此法只適合于非鹽堿土。當使用直流電時候，極化作用會引起電阻塊退化速度加快，長時間后石膏會徹底溶解到土壤溶液中，土壤含水量越高，電阻塊壽命越短。電阻法受土壤性質影響，需要標定，并且標定成果會隨著時間發生變化。因此，電阻法不合用于長期土壤監測，也不能用在控制系統水分測量中。4、頻域反射儀法(TDR)時域反射儀法，即TDR(TimeDo二inRefleetometry)法是一項高速測量技術，最早由HIFellner一Feldegg于1969年開發，用來測量液體介電常數與頻率關系，自從Topp等人對TDR做出核心性發展后，便開始了一種大量使用TDR測量土壤水分時期。由于TDR測量迅速，普通不需標定，可以作定位持續測量，既可以做成輕巧便攜式作野外測量，又可與計算機相連，自動完畢單個或成批監測點測量，因而20世紀90年代后國際上已把TDR作為研究土壤水分基本儀器設備。TDR基本原理是，高頻電磁脈沖沿傳播線在土壤中傳播速度依賴于土壤介電特性。在一定電磁波頻率范疇內(50M~10GHz)，礦物質、空氣和水介電特性為常數，因而土體介電常數重要依賴于土壤容積含水量(極薄弱地依賴于土壤類型、緊實度、束縛水等)，這樣可以建立土壤容積含水量與土壤介電常數經驗方程。用一對平行棒或金屬線作為導體，土壤作為電介質，一對棒起波導管作用，電磁波信號在土壤中以平面波傳導，經傳播線一端返到TDR接受器，分析傳導速度和振幅變化，依照速度與介電常數關系、介電常數與體積含水量之間函數關系而得出土壤含水量。TDR為當前測量土壤含水量主流辦法。TDR可對土壤樣品迅速、持續、精確地測量，平均辨別率0.02~O，OO5cma/cma。普通不需標定，測量范疇廣(含水量O一100%)，操作簡便，野外和室內都可使用，可做成手持式進行田間即時測量，也可通過導線遠距離多點自動監測。導波棒可以單獨留在土壤中好幾年，需要時候再連上TDR測量;導波棒可做成不同形狀以適應不同狀況，長度普通10~200cm。TDR可以測量表層土壤含水量。TDR測量成果受土壤鹽度影響很小，但當含鹽量增長后，脈沖信號從導波棒末端反射會削弱，在測量高有機質含量土壤、高2:l型粘土礦物含量土壤、容重特別高或特別低土壤時，需要標定。TDR最大缺陷是電路復雜，導致設備昂貴，儀器重要依賴進口，雖然國內當前也有生產，價格可降至進口一半，但價格依然昂貴，在控制系統規定成本低條件下也不適當用TDR法測量土壤水分。與TDR辦法類似尚有頻域反射法，即FDR(FrequeneyDo陽inRefleet。metry)，測量土壤含水量原理與TDR類似。FDR傳感器重要由一對電極(平行排列金屬棒或圓形金屬環)構成一種電容，其間土壤充當電介質，電容與振蕩器構成一種調諧電路，振蕩器工作頻率隨土壤電容增長而減少，廁士算后容隨土壤含水量增長而增長，于是振蕩器頻率與土壤含水量呈非線性反比關系。FDR使用掃屢屢率來檢測共振頻率(此時振幅最大)，土壤含水量不同，發生共振頻率不同。如果使用固定頻率，通過測量其原則波頻率變化來測量土壤含水量，此類辦法嚴格地說不是FDR，普通稱為電容法。FDR法具備比TDR法更多長處，但同步也具備TDR缺陷，就是設備價格昂貴，在追求低成本自動控制節水灌溉設備中是不適當使用。5、負壓式傳感器法負壓式傳感器法就是運用土壤水吸力傳感器測量土壤水吸力來獲知土壤含水量辦法。土壤水吸力傳感器核心部件是細孔毛瓷杯，即陶土頭，其上毛細孔徑約1.0~1.5pm，細孔毛瓷杯內裝滿無氣水，與土壤緊密接觸，杯內自由水通過杯壁孔隙與土壤水接觸，當土壤水分與瓷杯內水分不平衡時，水和鹽就可以無阻礙地進出瓷杯，與土壤達到平衡，而在杯內就會負壓，這個負壓等于土壤水吸力。土壤水吸力與土壤含水量是有一定關系，土壤含水量越小，吸力越大;土壤含水量越多，吸力越小，因而，通過測量土壤水吸力可以懂得土壤含水量。負壓式傳感器法在土壤比較濕潤狀況下測量土壤水吸力很精確，受土壤空間變異性影響比較小，是一種低成本直接測量辦法，可以持續測量土壤含水量。與其她測量辦法比起來，用負壓式傳感器法測定土壤水分具備田間原位測定、迅速直讀、不破壞土壤構造、價格低廉、無放射性物質、安全可靠、便于長期觀測和積累田間水勢資料等長處。特別是可以運用壓阻傳感器將土壤水吸力轉換為電信號輸出，便于進行數字化解決和與計算機接口，有助于實現用計算機對土壤水分自動監測。因而，在自動灌溉控制系統中使用負壓式傳感器法測量土壤水分是最恰當選取。3.1.2傳感器改進3.2.1傳感器原理負壓式土壤水分傳感器由集氣管、壓阻式傳感器和陶土頭等部件構成。集氣管上端為注水口，用密封蓋蓋緊，旁側有一種接口與壓阻式傳感器聯接，下端與陶土頭相連，集氣管中布滿無氣水。傳感器構造如圖3.2所示。圖3.2土壤水吸力傳感器構造示意圖陶土頭是負壓式土壤水分傳感器感應部件，具備許多細小孔隙，陶土頭被水浸潤后，在孔隙中形成一層水膜。當傳感器布滿無氣水并且密封后，將陶土頭某些插入水分不飽和土壤時(注意，陶土頭要與土壤緊密接觸，否則測量不精確)，水膜便與土壤水連結起來，使傳感器內部產生負壓。壓阻式傳感器將負壓轉換成電壓信號，兩者呈線性關系，依照測得電壓即可轉換成土壤水吸力。集氣管長度要依照不同作物根系分布深度不同來選取。壓阻式傳感器是土壤水吸力傳感器核心部件，所測數據精度重要取決于它性能。本課題中選用壓阻式傳感器測量范疇為O~IOOKPa，精度為功.05%，采用1.smA恒流供電(電纜短時也可采用恒壓供電方式)。傳感器輸入輸出阻抗均為3K。由于壓阻式傳感器性能有一定離散性，因而，對于壓阻式傳感器吸力值與輸出電壓值之間關系需要標定。負壓式土壤水分傳感器直接測出是土壤水吸力而不是土壤含水率，但是由于近年使用經驗積累已經得出某些常用作物需灌溉時土壤負壓范疇，因此不需要再將土壤水吸力轉換為土壤水分。某些植物需灌溉時相應土壤負壓值范疇如表1所示。表1某些植物需灌溉時土壤負壓值范疇3.1.2.2傳感器改進一、傳感器存在問題負壓式土壤水分傳感器雖然可以實時監測土壤水分，但實際使用過程還存在幾種缺陷，必要要進行改進。(1)不一致性，這是由于壓阻傳感器具備離散性導致。在O一10OKPa測量范疇內，各負壓式土壤水分傳感器輸出電壓不盡相似。這就規定每使用一種傳感器都要調節控制系統中對傳感器輸出電壓信號解決電路。當一種傳感器壞掉要換新傳感器時，就要重新調節信號解決電路，這就限制了自動灌溉控制系統合用性，不利于推廣。(2)負壓式土壤水分傳感器輸出信號是電壓，而電壓在長線傳播過程中易損耗且易受干擾，影響了測量精確性。(3)負壓式土壤水分傳感器采用四線制傳播信號，其中兩線傳送電源信號，此外兩線傳送電壓輸出信號。四線制導線較貴，而自動控制系統在田間工作普通會離測量點較遠，需要很長四線制導線，測試點越多越遠，需要四線制導線就越多越長，這無形中增長了自動控制節水灌溉設備成本。并且電壓傳播信號易受干擾，長線傳播時有壓降，會產生測量誤差。(4)負壓式土壤水分傳感器陶土頭與塑料管連接是采用強力膠粘合，在連接處沒有任何保護裝置，容易折斷。陶土頭自身也比較脆弱，強度不夠，也易折斷。(5)負壓式土壤水分傳感器集氣管與塑料管里充是無氣水，每隔一段時間就要網傳感器里充無氣水，在高溫天氣充水會更加頻繁。如果種一季莊稼就要充幾十次水就會顯得很麻煩。同步，在充水時要擰開密封蓋，在擰松密封蓋時容易使陶土頭與周邊土壤產生松動。陶土頭一旦與周邊土壤稍微松動就會影響測量成果，有也許使控制系統灌溉控制不精確。二、傳感器改進(1)電路改進針對負壓式土壤水分傳感器第一種問題，可以采用輸出信號就地解決轉換辦法進行改進，即將傳感器輸出信號解決電路放在負壓式土壤水分傳感器上，這樣只要在使用傳感器時只要調節傳感器上信號解決電路，使其輸出信號與壓力值關系一定，而不需要再去調節自動控制系統電路，增長了控制系統可推廣性。解決傳感器第二個問題可以采用將電壓轉換為電流傳播辦法，電流傳播不易受干擾，比電壓可靠。第三個四線制導線問題可以改進兩線制導線傳播信號，市場上兩線制導線成本要比四線制便宜諸多。綜合上面三個問題改進辦法就可以到一種改進負壓式土壤水分傳感器性能方案，即將傳感器四線制電壓傳播就地轉換為原則兩線制4~20毗電流信號傳送。這將簡化控制系統設計并增強它通用性。兩線制壓力變送電路如圖3.3所示。圖3.3兩線制壓力變送電路變送電路采用24V直流電源供電，24V電源通過反相保護二極管(DI)給運放和三極管供電。電路中電橋為模仿壓阻傳感器電源輸入與信號輸出。壓阻傳感器需要1.smA恒流源供電，因而，在變送電路中需要一種恒流源電路給壓阻傳感器供電。運放Al與可變電阻RS3構成了一種恒流源，A1同相端接到可變電阻RSI可調端，輸出電流與A1同相端輸入電壓關系如式3.1所示:I=UA一+/RS3(3.1)通過穩壓管Ql與RSI給A1同相端提供一種恒定電壓UAI*，則輸出電流由鄧3決定，調節RS3就可調節輸出電流為1.5mA。壓阻傳感器輸出電壓信號是未經放大，電壓值非常小，不便于電流轉換，因而變送電路還需要一種電壓放大電路。同相串聯差動運算放大器具備抑制共模壓效果好、輸入阻抗高長處，因而變送電路采用了同相串聯差動運算放大器對輸出電壓信號進行放大。變送電路中A2和A3、R2、R3、R4、R5、RS4共同構成了同相串聯差動運算放大器。差放輸入與輸出電壓關系由式3.3決定AI、為參照電壓，它可以抬高輸出電平，RS4可以用來調節增益。A4與三極管Q2組合將差放輸出電壓轉換為電流。R9為采樣電阻，將輸出反饋到輸入端，以此調節輸出電流。A4反向端接到RSZ滑動端，調節RSZ就可以調節零壓力時輸出電流為4mA，調節RS4就可使壓力與輸出電流滿足一定關系。這樣設計好處在于:變送器調零電位器滑臂位置不會影響放大器和電壓/電流變換相應電阻匹配性，同步在零位校準后，A4兩輸入端共模電壓即是某擬定值，而不會隨壓力變化，因而對A4共模抑制比規定可以減少。負壓式土壤水分傳感器通過上述改進后，其耐用性與通用性都將得到提高。2)構造改進針對負壓式土壤水分傳感器第四和第五個缺陷:陶土頭易損壞，加水頻繁易導致陶土頭與土壤產生松動，就要對負壓式土壤水分傳感器進行構造上改進，使其能在構造上保護陶土頭不受損壞;使充水變得容易，不破壞陶土頭與土壤緊密限度;延長充水周期，最佳能在種完一季莊稼過程中不用充水。基于以上考慮，下面就對傳感器構造改進進行分析設計。①陶土頭保護構造負壓式土壤水分傳感器陶土頭較脆弱，易損壞，其與塑料管連接處易折斷，這是由陶土頭自身材料性質所決定，不能變化陶土頭材料，因此只能在陶土頭外邊加一種保護構造，使其能避免被碰撞。在設計陶土頭保護構造時要考慮到陶土頭是通過與土壤接觸來測量土壤水吸力，因而陶土頭保護構造不能阻礙其與土壤之間緊密接觸。陶土頭保護構造如圖3.4所示。圖3.4陶土頭保護裝置如圖，整個裝置由不銹鋼細鋼條做成，三根細鋼條圍成陶土頭形狀，圍成圓直徑要比陶土頭直徑略大，長度也要比陶土頭稍長，使螺孔位置在陶土頭與塑料管連接處之上。安裝時，保護裝置從下往上套住陶土頭，并用三個螺釘夾住塑料管以固定保護裝置。陶土頭裝上這個保護裝置后，它與連接處就處在不銹鋼條保護之下，若是與其她物體碰撞就不容易碰撞到陶土頭，一方面碰撞到是不銹鋼條，而不銹鋼是很耐碰撞。此外，由于保護構造采用是細細不銹鋼條做成，陶土頭裝上保護構造后，它絕大某些還是露在外邊，依然可以與土壤緊密接觸，保護構造并不影響土壤水吸力測量。②充水改進對于傳感器充水過于頻繁問題，也許諸多人會想只要增長集氣管長度就可以增大傳感器蓄水量，自然也就延長了充水周期，減少了充水次數。但是，對于負壓式土壤水分傳感器來說，集氣管、塑料管長度及壓阻傳感器位置是與其測量壓力值和輸出均關于系，是不能任意加長。因而不能用增長集氣管辦法來解決充水頻繁問題。既然不能靠增長集氣管來增長傳感器蓄水量，那么可以在集氣管之外安裝一種蓄水裝置，儲蓄種一季莊稼所需水量，就可以解決充水頻繁問題。此外，也要考慮到如何使充水簡樸易行問題。設計傳感器加水裝置如圖3.5所示。圖3.5加水裝置如圖所示，加水裝置由兩某些構成，蓄水盒與密封螺栓。蓄水盒上傳感器套筒代替了密封蓋，套在傳感器頭部，并用膠密封以保證感器不漏氣。蓄水盒上有一種較大螺孔和一種圓錐狀漏水孔。加水時，無氣水由螺孔加入蓄水盒，再由漏水孔流入傳感器里。密封螺栓螺紋與蓄水盒上螺孔相應，密封螺栓頭部橡皮塞圍圓錐狀，與漏水孔相應。當傳感器加滿水并且蓄水盒存儲了一定體積水后，將密封螺栓擰入蓄水盒里。橡皮塞正好堵住漏水孔，由于漏水孔是圓錐狀，橡皮塞就能較好密封住傳感器，使其不漏氣。當傳感器需要加水時只需擰松密封螺栓，水就會流入傳感器，加水便變得非常以便，并且由于蓄水盒里存儲有一定量水，就可以很長時間不用往蓄水盒里加水，非常省事。這樣就可以解決加水頻繁問題。而擰開密封螺栓比直接擰開傳感器上密封蓋要容易得多，也不易使陶土頭與土壤產生松動。整個加水裝置與密封螺栓都用有機玻璃制成，這樣就可以觀測到蓄水盒中水量變化，及時補充水分。(3)改進后傳感器圖3.6改進后土壤水吸力傳感器改進后傳感器構造如圖3.6所示。電路盒用密封膠粘在水分傳感器放置壓阻傳感器地方，電路盒里面密封了壓阻傳感器及改進4~20mA電流變送電路，只留出兩根導線提供電壓及輸送輸出電流。土壤水吸力傳感器在通過這些改進之后，其耐用性與合用性都將得到很大提高。3.2土壤溫度測量3.2.1傳感器選取測量溫度傳感器有諸多，而控制系統中對于土壤溫度測量規定又不是很高，測溫范疇普通在0一100℃，測溫精度規定也不高，許多傳感器都可以用來測量土壤溫度，因而要綜合系統設計規定選取一種價格低、性能好、電路簡樸、具備一定精度溫度傳感器。當前慣用測溫傳感器有熱電偶、熱電阻、熱敏電阻、和半導體集成溫度傳感器等。熱電偶是依照熱電勢效應原理測溫，它是當前使用最廣泛熱電式傳感器，具備構造簡樸、制造以便、測溫范疇寬、熱慣性小、精確度高等特點，但是它需要進行溫度補償，比較麻煩。熱電阻式傳感器是運用導體電阻率隨溫度而變化效應制成傳感器。慣用熱電阻有鉑熱電阻和銅熱電阻。鉑熱電阻特點是物理化學性能穩定，特別是耐氧化能力強、測量精度高、測溫范疇寬，有較好重現性，但價格較貴。而銅熱電阻雖然價格便宜，但測溫范疇小，測溫精度不高，電路設計也比較復雜。熱敏電阻傳感器是運用半導體電阻隨溫度明顯變化這一特性測溫，它體積小、敏捷度高、穩定性好，但是它互換性差，并且價格昂貴。半導體溫度傳感器是運用半導體PN結溫度特性制成。這種傳感器長處是小型化、線性好、高敏捷度、穩定性好、重復性好，互換性好，低成本，易于電路設計或控制電路接口。從以上分析可以看出，半導體溫度傳感器由于具備小型化、線性好，低成本，易于電路設計或控制電路接口長處是最適合用在控制系統中測量土壤溫度。LM35是集成半導體精密溫度傳感器，與老式熱敏電阻、熱電阻、熱電偶等相比較，與熱敏電阻、熱電偶等老式傳感器相比，具備線性好、精度高、體積小、校準以便、價格低等特點，非常適合于常溫測量工作。因而，在控制系統設計中選用LM35來測量土壤溫度。3.2.2溫度測量電路設計LM35是電壓輸出，它外型很小，只有3個引腳(如圖3.7所示)，Vout是輸出電壓端，VS是電源端。在一定工作條件下，傳感器輸出電壓V。與被測溫度成線性關系。使用中不必作O℃或20℃校準，其工作敏捷度為10mV/℃，工作電流56一80pA，自身精度為0.4℃(25℃時)，傳感器輸出電阻為0.1。，工作電源電壓范疇4一3ov。LM35基本電路十分簡樸，遙測環境溫度電路如圖3.7所示，其測溫范疇為2℃~150℃。輸出電壓從并聯電阻上獲得，輸出電壓與溫度關系有式3.4決定:V。=10mV/oC*(T環境+loC)(3.4)由于遙測距離較長，從傳感器到并聯電阻見導線應絞合。圖3.7LM35及其遙測電路3.3控制儀器設計3.3.1儀器設計方案控制儀器設計方向是具備廣泛合用性，同步盡量小型化、簡樸化、易操作及低成本，實時監測土壤墑情，按照作物需水特性精準灌溉。一、土壤墑情監測與判斷自動化節水灌溉控制設備研究重要目是為解決國內水資源緊缺問題，即節研究生論文智能化設施農業節水灌溉控制系統研究水，實現作物按需精準灌溉，因而，土壤水分是自動化設備重要監測土壤參數。同步，考慮到土壤溫度對作物生長及灌溉均有影響，因而也需要對土壤溫度進行監測。土壤水分通過負壓式土壤水分傳感器測量土壤水吸力獲得，土壤溫度則由半導體集成精密溫度傳感器LM35測量。至于其她參數，如土壤鹽分、作物葉面蒸騰量等，在測量參數己足夠和簡化系統減少成本前提下，可以不用考慮測量。因而，自動化節水灌溉控制儀器重要工作就是對土壤水分和溫度進行監測，并依照土壤水分傳感器與溫度傳感器傳送當前土壤水分與溫度信息進行判斷，在適當澆水溫度范疇內，若土壤處在缺水狀態，就給出控制信號，控制灌溉設備進行灌溉，若是土壤不缺水就不灌溉或是給出停止灌溉控制信號。在控制儀器工作中，判斷土壤與否缺水是一種難點。負壓式土壤水分傳感器測出來是土壤水吸力。土壤水吸力與土壤水分具備一定關系，土壤吸力越大，土壤含水量越小;土壤吸力越小，土壤含水量越多。由于負壓式土壤水分傳感器通過近年使用累積經驗，已經掌握了大某些作物需水狀態相應土壤水吸力范疇，因而，可以直接用土壤水吸力來判斷作物缺水狀況。但是，不同作物對水分需求是不同樣，同一作物在不同步期對分需求也是不同樣，就算是同一作物在同一時期它對水分需求也是會隨著環境不同而變化，判斷土壤缺水沒有統一原則。為實現自動控制、按需灌溉，控制儀器就必要可以依照不同作物，不同生長期以及不同環境變化判斷土壤缺水原則。因而，控制儀器在設計時就必要具備容許操作者通過鍵盤設定判斷土壤缺水原則功能，對不同作物農業專家就可以憑經驗設定不同判斷值來實現作物按需灌溉，這樣，不但能充分運用農業專家經驗，還可以使自動化節水灌溉控制儀器合用于許多不同作物，提高了儀器通用性。二、灌溉控制1控制方式當前國內設施農業中裝配灌溉系統設備差別很大，這重要使由于各地方條件和資金差別導致。有使用電機輸水，有通過水泵加壓，有是電磁閥控制等等。要使控制系統具備通用性，就要使其給出控制信號可以控制這些不同輸水設備，這就要找出它們共同點。通過觀測不難發現，這些輸水設備都是通過接通電源工作，如果給這些輸水設備電源線上加一種開關，由控制系統來控制開關閉合，那么控制系統就可以控制這些設備工作了，也即控制系統實現了灌溉控制。這樣，控制系統給出控制信號也就具備了通用性。2灌溉方式不同土壤滲水能力是不同樣，例如砂土滲水能力很強，水分能不久滲入土壤深層，而粘土滲水能力就較弱，需要通過一段時間水才干滲入土壤深層。對于滲水能力強土壤，灌溉效果可以不久顯現出來，控制儀器可以通過土壤水吸力傳感器不久檢測到土壤缺水狀態己得到緩和，可以停止澆水。而對于滲水能力弱土壤，就會浮現這種狀況:實際澆水量已經足夠，只是由于土壤滲水能力弱，水分不能及時滲入土壤深層，土壤水吸力傳感器測出土壤依然缺水，控制儀控制灌溉設備繼續澆水，等到土壤水吸力傳感器測出土壤已不缺水并停止澆水后，這時澆水量已遠超過作物需求量。這不但沒有實現節水反而揮霍了水，同步對需水量敏感作物生長也不利。因而，為使控制系統能適應不同土壤灌溉規定，就需要設計幾種不同灌溉方式，針對不同土壤選取不同與之相適應灌溉方式，以保證可以達到節水目。三、控制儀整體低成本設計低成本是自動化節水灌溉控制儀設計一種重要規定，它也是決定節水灌溉控制系統能否推廣一種重要因素。控制儀設計普通涉及四個某些:檢測某些、控制某些、功能設定某些、工況顯示某些。檢測某些檢測土壤水分與溫度并對檢測成果數據進行解決;控制某些判斷作物缺水狀況并給出灌溉控制信號;功能設定某些設定判斷作物缺水參數值和灌溉方式;工況顯示某些顯示土壤水分和溫度檢測成果及當前控制儀工作狀態。普通控制儀設計都會將這四某些合在一起做成一臺儀器，但是這樣做會增長單臺儀器體積和成本，而對于在田間工作節水灌溉控制儀來說，檢測控制和設定顯示是可以分開設計。這是由于節水灌溉控制系統是成天整夜不間斷地在田間工作，如無特殊規定是不要需要操作者守在儀器旁邊監視其工作，特別是晚上，控制儀可以自己自動工作，因而在控制儀工作大某些時間里工況顯示是沒有必要，而土壤缺水判斷原則和灌溉方式在一開始設定好后，在一段長間內也不需要變化。這樣，檢測控制與設定顯示設計成一體就沒有必要。如果將檢測控制和設定顯示分開設計成兩臺儀器，不但可以減小單臺儀器體積，還可以減少單臺儀器成本。同步，一臺功能為設定顯示儀器可以搭配許多臺檢測控制儀器，在購買節水灌溉控制系統時，就可以買許多臺檢測控制儀器，而只買一臺或是少量設定顯示儀器，這樣就會大大減少實現節水灌溉自動控制成本，有助于節水灌溉自動控制系統推廣。檢測控制與設定顯示分開儀器可以分別叫做測控儀和設顯儀，在需要觀測當前土壤狀況或進行參數設定期，可以通過一種通訊接口將設顯儀與測控儀連接起來，通過設顯儀顯示測控儀所測當前土壤狀況，或設定新參數。將儀器分開設計后，儀器體積就可以設計得很小，特別是設顯儀體積很小，隨身攜帶很以便。這樣，種植人員可以隨身攜帶一種設顯儀去巡邏所有作物種植生長狀況，十分以便。以上是控制儀設計方案總體構思，下面就對自動節水灌溉控制儀設計進行詳細簡介。3.3.2.1測控儀功能設計一、檢測成果解決測控儀首要工作就是要將土壤水分傳感器和溫度傳感器傳送來信號進行解決，轉換為單片機可以辨認數字信號。普通信號轉換都采用A/D轉換器，但是A/D轉換器比較貴，需要依照轉換精度來選取且轉換數據間關系計算比較復雜。除A/D轉換器外，V/F轉換也是近年來使用得較多信號轉換辦法。LM331是用得較多一種V/F轉換芯片，它體積小，成本低，精度高，所需外圍元件少且輸入與輸出即V、F成線性關系，轉換關系簡樸。基于LM331上述長處，在測控儀檢測成果解決中使用LM331進行信號轉換。LM331與溫度傳感器LM35只需使用少量元器件就能構成線性關系較好V/F轉換。土壤水分傳感器傳送過來是原則4~20mA電流，只要通過250歐姆原則電阻取樣就能轉換為相應電壓，與LM331也可以成線性關系較好V/F轉換。LM331線性轉換電路如圖3.8所示。圖3.8LM331V/F轉換電路輸入電壓與輸出頻率關系如式3.5所示:式中，RS是RSI和RsZ電阻之和，Vin單位為伏特，輸出頻率Fout單位是HZ。從上面公式可以看出，只要選取好Rs、RL、Rt、Ct參數值，輸入和輸出就會有較好線性關系。二、灌溉控制在3.3.1節中提到過，當前國內各設施農業中灌溉輸水控制設備很不統一，有電機、水泵、電磁閥等，要使測控儀控制信號具備通用性就要用測控儀控制信號去控制一種開關，而這個開關去控制灌溉輸水控制設備電源通斷，從而達到測控儀控制灌溉目。繼電器是當前使用得最廣泛可控開關，性能也比較可靠，因而在測控儀設計時就選用繼電器來作控制灌溉輸水控制設備電源開關。繼電器有大有小，有交流控制也有直流控制，它觸點開關既能通過直流也能通過交流。由于是測控儀直接控制繼電器開關吸合，因而，要選用直流控制繼電器。這種直流控制繼電器功率普通較小，不能承受大電流交流電流過。對于交、直流供電且電流較小灌溉輸水控制設備來說，可以直接用這種繼電器來控制。但是對于交流供電且電流較大灌溉輸水控制設備來說，就不能直接用這種繼電器來控制電源。這時，可以再加一種可通過較大電流交流繼電器，用直流小功率繼電器去控制大功率交流繼電器，大功率交流繼電器又去控制灌溉輸水控制設備交流電源，這樣測控儀同樣可以實現灌溉控制。也就是說，測控儀給出控制信號具備通用性。三、傳感器數量與工作方式土壤水分是灌溉控制最重要參數，但是一種土壤水吸力傳感器只能測一種小范疇內土壤水分，這一小范疇往往不能代表一大片土壤含水狀況，而一片大田里往往種有諸多株作物，要在每一株作物附近插一種傳感器測土壤水分又是不現實。由于設施農業中土壤比較平整均勻，具備一定一致性，可以在一定面積范疇土壤內設立幾種測試點，取幾種測試點平均值來代表這一面積范疇土壤含水狀況，這樣既可以不需要太多成本去購買傳感器又可以使土壤水分測量比較平均精確。因而測控儀設計連接了三個負壓式土壤水分傳感器，用四個傳感器稍嫌太多，而兩個又太少，三個比較適當。對于溫度傳感器數量選取，考慮到一塊地溫度不會有太大差別，且土壤溫度只是起參照作用，因而在簡化系統、減少成本前提下只需用一種溫度傳感器測土壤溫度就可以了。此外，對于三個土壤水分傳感器測控儀可以有兩種不同控制方式。第一種方式，當測控儀用來控制較大一片土壤灌溉時，可以將三個傳感器均勻分布埋設在這片土壤里，再取三個傳感器測量平均值來表達整片土壤含水狀況，依照這個平均值來控制灌溉。第二種方式，三個傳感器可以獨立控制灌溉。測控儀設立了三組獨立繼電器，在第二種控制方式下，每一組繼電器相應一種傳感器，每組繼電器可以獨立設定不同灌溉方式，依照相應傳感器所測土壤水分數據獨立控制灌溉。這樣，在控制土壤面積不大狀況下，測控儀就可以獨立控制三塊地，這也就增大了測控儀工作量，從分發揮測控儀潛力。同步第二種控制方式還可以用于花卉、盆景等經濟植物栽培中，分別將三個傳感器插在不同種類花卉盆或盆景中，依照不同種類花卉或盆景對水分不同規定設立不同土壤缺水判斷原則和灌溉方式。普通花卉和盆景對水分規定是比較苛刻，用自動化節水灌溉控制儀來培養花卉或盆景，可以收到不錯經濟效果。當前，國外也有某些專門針對花卉培養自動控制灌溉設備，也都收到了不錯經濟效果。四、灌溉方式在3.3.1節中提到，針對不同作物和不同土壤測控儀需要有不同土壤缺水判斷原則和灌溉方式。這里所說土壤缺水判斷原則指就是作物缺水或是不缺水狀態下土壤水吸力界限值。測控儀依照規定設立了三種灌溉方式以供操作者在面對不同土質時選取使用。(1)上下限灌溉方式在這種灌溉方式下，可以設定土壤水吸力上限值(Pu)、下限值(Pd)和溫度(T)三個參數。當測控儀檢測到土壤水吸力不不大于上限值時，表達作物缺水，控制儀給出控制信號，控制澆水。當測控儀檢測到土壤水吸力低于下限值時，表達澆水足夠，停止澆水。測控儀在檢測土壤水吸力同步還要檢測溫度，當發現溫度低于設定溫度時及時停止澆水，以免在低溫下澆水凍傷作物。這種灌溉方式是針對那些滲水快土壤設計，當灌溉后水能不久下滲，不需要延時等待。(2)延時灌溉方式在這種灌溉方式下，可以設定土壤水吸力上限值(Pu)、延