土壤水分傳感器（FDR）在作物精準灌溉中的標定與應用

唐玉邦等

摘要：隨著農業現代化的發展，大田及各種大棚環境條件下的作物栽培對灌溉的要求越來越高，基于用土壤水分傳感器的精準灌溉系統正逐步應用到設施農業當中。由于土壤水分傳感器測定土壤水分含量時受土壤質地和壓實程度的影響較大，為減小測定誤差設計了相關試驗，通過研究明確了在同一土壤水分條件下（15%）土壤容重與水分傳感器輸出電壓值的關系。提出了用田間原狀土對土壤水分傳感器進行水分特征曲線的標定方法，并在生產中得到了應用，降低了精準灌溉系統土壤水分測定的誤差。

關鍵詞：土壤含水量； 水分傳感器； 精準灌溉； 標定

中圖分類號： S277.9 文獻標志碼： A 文章編號：1002-1302（2014）04-0343-02

收稿日期：2013-07-25

基金項目：江蘇省農業科技自主創新資金[編號：CX（10）222]。

作者簡介：唐玉邦（1959—），男，上海人，副研究員，從事設施種植環境監控研發工作。Tel：（025）84390180； E-mail：tangyubang_007@sina.com 。灌溉是農業生產過程中的重要環節和技術措施，科學的灌溉是農作物健康生長的必備條件之一。我國灌溉技術與農業發達國家相比還比較落后，很多地區仍停留在“經驗模式” 的人工灌溉階段， 作物很難得到最合適的水分補給，在干旱缺水地區尤為突出。為解決這一問題，近年來農業工作者提出了精確灌溉的概念[1]。精確農業灌溉技術是以大田耕作為基礎，按照作物生長過程的要求，通過現代化的監測手段，對作物的每一個生長發育狀態過程以及環境要素的現狀實現數字化、網絡化、智能化監控，根據監控結果，采用最精確的灌溉設施對作物進行嚴格有效的施肥灌水，以確保作物在生長過程中的需要。在這一過程中最基本的單元是土壤水分傳感器，水分傳感器將土壤濕度參數量化，傳到現場控制單元， 單片機通過對數據的分析比較，決定是否開啟水閥及開啟時間[2-4]。近年來隨著設施農業在我國迅猛發展，精確灌溉技術已不局限于大田耕作，而是越來越多地應用到了溫室中。在溫室生產中，水分對土壤、植物、環境空氣的影響更直接，灌水量過大無效蒸騰增加，造成水分浪費，土壤積水過多根系受害，溫室內空氣濕度增加病害嚴重[5]。利用計算機技術、自動控制技術和通信技術， 通過數據采集、信息處理和分布調控等方式就可實現農業節水灌溉自動化。農業節水灌溉系統包括水泵、管路、灌水器、閘閥等。自控系統通過對土壤墑情信息的實時采集， 經過處理后， 要求實現基于預定模型的遠程控制灌溉、自動灌溉和精確灌溉[6-9]。而土壤墑情信息采集的準確與否直接關系到灌溉的精準程度。本研究針對水分傳感器采集土壤墑情信息時所受到的環境干擾因素和標定方法做了探討，以使測得的土壤水分數值更接近田間的實際。

1材料與方法

1.1材料

土壤水分傳感器采用自主研發產品MP-308型，其工作原理是通過特殊設計的傳輸線（該傳輸線的阻抗隨土壤阻抗變化而變化）產生高頻信號，測量土壤水分參數。阻抗包括表現介電常數和離子傳導率。選用電信號的頻率使離子傳導率的影響最小，以使傳輸線阻抗變化幾乎僅依賴于土壤介電常數的變化。這些變化產生一個電壓駐波。駐波隨不銹鋼探針周圍介質的變化增減由晶體振蕩器產生電壓，利用晶體振蕩器產生的電壓和探針返回電壓的差值測量土壤介電常數。

1.2方法

3結論

土壤水分傳感器在精準灌溉上的應用是可行的，并逐步得到推廣應用；但傳感器出廠時的曲線標定是在特定環境下進行的，土壤質地和土壤容重與田間實際情況存在差異，進而影響傳感器的輸出電壓。為更好地反映田間水分實際情況，可用田間原狀土對土壤水分傳感器進行水分特征曲線的標定，降低精準灌溉系統土壤水分測定的誤差。

參考文獻：

[1]周明耀，邵孝侯. 精確灌溉技術體系研究[J]. 中國農村水利水電，2002（2）：35-37.

[2]鐘詩恩. 智能灌溉施肥控制系統在溫室中的應用[J]. 廣東農機，2003（1）：9-10.

[3]秦明軍. 精確灌溉及前景分析[J]. 東北水利水電，2009（2）：38-41.

[4]周超. 農場智能灌溉系統設計[J]. 科技創新導報，2009（16）：130-131.

[5]王志偉 ，郁繼華， 郭曉冬. 日光溫室甜瓜節水灌溉土壤水分上限指標研究[J]. 華中農業大學學報，2004，35（增刊）：198-202.

[6]蔡亮，李浩. 農業節水灌溉自控工程的設計與實現[J]. 吉林水利，2006（6）：22-26.

[7]許生國，王根寶，丁秀萍，等. 棚室蔬菜水分管理技術[J]. 上海蔬菜，2007（1）：40-41.

[8]魏恒文，楊培嶺. 日光溫室黃瓜智能灌溉控制指標研究[J]. 灌溉排水學報，2008，27（3）：63-65.

[9]郭正琴，王一鳴，楊衛中，等. 基于模糊控制的智能灌溉控制系統[J]. 農機化研究，2006（12）：103-108.

摘要：隨著農業現代化的發展，大田及各種大棚環境條件下的作物栽培對灌溉的要求越來越高，基于用土壤水分傳感器的精準灌溉系統正逐步應用到設施農業當中。由于土壤水分傳感器測定土壤水分含量時受土壤質地和壓實程度的影響較大，為減小測定誤差設計了相關試驗，通過研究明確了在同一土壤水分條件下（15%）土壤容重與水分傳感器輸出電壓值的關系。提出了用田間原狀土對土壤水分傳感器進行水分特征曲線的標定方法，并在生產中得到了應用，降低了精準灌溉系統土壤水分測定的誤差。

關鍵詞：土壤含水量； 水分傳感器； 精準灌溉； 標定

中圖分類號： S277.9 文獻標志碼： A 文章編號：1002-1302（2014）04-0343-02

收稿日期：2013-07-25

基金項目：江蘇省農業科技自主創新資金[編號：CX（10）222]。

作者簡介：唐玉邦（1959—），男，上海人，副研究員，從事設施種植環境監控研發工作。Tel：（025）84390180； E-mail：tangyubang_007@sina.com 。灌溉是農業生產過程中的重要環節和技術措施，科學的灌溉是農作物健康生長的必備條件之一。我國灌溉技術與農業發達國家相比還比較落后，很多地區仍停留在“經驗模式” 的人工灌溉階段， 作物很難得到最合適的水分補給，在干旱缺水地區尤為突出。為解決這一問題，近年來農業工作者提出了精確灌溉的概念[1]。精確農業灌溉技術是以大田耕作為基礎，按照作物生長過程的要求，通過現代化的監測手段，對作物的每一個生長發育狀態過程以及環境要素的現狀實現數字化、網絡化、智能化監控，根據監控結果，采用最精確的灌溉設施對作物進行嚴格有效的施肥灌水，以確保作物在生長過程中的需要。在這一過程中最基本的單元是土壤水分傳感器，水分傳感器將土壤濕度參數量化，傳到現場控制單元， 單片機通過對數據的分析比較，決定是否開啟水閥及開啟時間[2-4]。近年來隨著設施農業在我國迅猛發展，精確灌溉技術已不局限于大田耕作，而是越來越多地應用到了溫室中。在溫室生產中，水分對土壤、植物、環境空氣的影響更直接，灌水量過大無效蒸騰增加，造成水分浪費，土壤積水過多根系受害，溫室內空氣濕度增加病害嚴重[5]。利用計算機技術、自動控制技術和通信技術， 通過數據采集、信息處理和分布調控等方式就可實現農業節水灌溉自動化。農業節水灌溉系統包括水泵、管路、灌水器、閘閥等。自控系統通過對土壤墑情信息的實時采集， 經過處理后， 要求實現基于預定模型的遠程控制灌溉、自動灌溉和精確灌溉[6-9]。而土壤墑情信息采集的準確與否直接關系到灌溉的精準程度。本研究針對水分傳感器采集土壤墑情信息時所受到的環境干擾因素和標定方法做了探討，以使測得的土壤水分數值更接近田間的實際。

1材料與方法

1.1材料

土壤水分傳感器采用自主研發產品MP-308型，其工作原理是通過特殊設計的傳輸線（該傳輸線的阻抗隨土壤阻抗變化而變化）產生高頻信號，測量土壤水分參數。阻抗包括表現介電常數和離子傳導率。選用電信號的頻率使離子傳導率的影響最小，以使傳輸線阻抗變化幾乎僅依賴于土壤介電常數的變化。這些變化產生一個電壓駐波。駐波隨不銹鋼探針周圍介質的變化增減由晶體振蕩器產生電壓，利用晶體振蕩器產生的電壓和探針返回電壓的差值測量土壤介電常數。

1.2方法

3結論

土壤水分傳感器在精準灌溉上的應用是可行的，并逐步得到推廣應用；但傳感器出廠時的曲線標定是在特定環境下進行的，土壤質地和土壤容重與田間實際情況存在差異，進而影響傳感器的輸出電壓。為更好地反映田間水分實際情況，可用田間原狀土對土壤水分傳感器進行水分特征曲線的標定，降低精準灌溉系統土壤水分測定的誤差。

參考文獻：

[1]周明耀，邵孝侯. 精確灌溉技術體系研究[J]. 中國農村水利水電，2002（2）：35-37.

[2]鐘詩恩. 智能灌溉施肥控制系統在溫室中的應用[J]. 廣東農機，2003（1）：9-10.

[3]秦明軍. 精確灌溉及前景分析[J]. 東北水利水電，2009（2）：38-41.

[4]周超. 農場智能灌溉系統設計[J]. 科技創新導報，2009（16）：130-131.

[5]王志偉 ，郁繼華， 郭曉冬. 日光溫室甜瓜節水灌溉土壤水分上限指標研究[J]. 華中農業大學學報，2004，35（增刊）：198-202.

[6]蔡亮，李浩. 農業節水灌溉自控工程的設計與實現[J]. 吉林水利，2006（6）：22-26.

[7]許生國，王根寶，丁秀萍，等. 棚室蔬菜水分管理技術[J]. 上海蔬菜，2007（1）：40-41.

[8]魏恒文，楊培嶺. 日光溫室黃瓜智能灌溉控制指標研究[J]. 灌溉排水學報，2008，27（3）：63-65.

[9]郭正琴，王一鳴，楊衛中，等. 基于模糊控制的智能灌溉控制系統[J]. 農機化研究，2006（12）：103-108.

摘要：隨著農業現代化的發展，大田及各種大棚環境條件下的作物栽培對灌溉的要求越來越高，基于用土壤水分傳感器的精準灌溉系統正逐步應用到設施農業當中。由于土壤水分傳感器測定土壤水分含量時受土壤質地和壓實程度的影響較大，為減小測定誤差設計了相關試驗，通過研究明確了在同一土壤水分條件下（15%）土壤容重與水分傳感器輸出電壓值的關系。提出了用田間原狀土對土壤水分傳感器進行水分特征曲線的標定方法，并在生產中得到了應用，降低了精準灌溉系統土壤水分測定的誤差。

關鍵詞：土壤含水量； 水分傳感器； 精準灌溉； 標定

中圖分類號： S277.9 文獻標志碼： A 文章編號：1002-1302（2014）04-0343-02

收稿日期：2013-07-25

基金項目：江蘇省農業科技自主創新資金[編號：CX（10）222]。

作者簡介：唐玉邦（1959—），男，上海人，副研究員，從事設施種植環境監控研發工作。Tel：（025）84390180； E-mail：tangyubang_007@sina.com 。灌溉是農業生產過程中的重要環節和技術措施，科學的灌溉是農作物健康生長的必備條件之一。我國灌溉技術與農業發達國家相比還比較落后，很多地區仍停留在“經驗模式” 的人工灌溉階段， 作物很難得到最合適的水分補給，在干旱缺水地區尤為突出。為解決這一問題，近年來農業工作者提出了精確灌溉的概念[1]。精確農業灌溉技術是以大田耕作為基礎，按照作物生長過程的要求，通過現代化的監測手段，對作物的每一個生長發育狀態過程以及環境要素的現狀實現數字化、網絡化、智能化監控，根據監控結果，采用最精確的灌溉設施對作物進行嚴格有效的施肥灌水，以確保作物在生長過程中的需要。在這一過程中最基本的單元是土壤水分傳感器，水分傳感器將土壤濕度參數量化，傳到現場控制單元， 單片機通過對數據的分析比較，決定是否開啟水閥及開啟時間[2-4]。近年來隨著設施農業在我國迅猛發展，精確灌溉技術已不局限于大田耕作，而是越來越多地應用到了溫室中。在溫室生產中，水分對土壤、植物、環境空氣的影響更直接，灌水量過大無效蒸騰增加，造成水分浪費，土壤積水過多根系受害，溫室內空氣濕度增加病害嚴重[5]。利用計算機技術、自動控制技術和通信技術， 通過數據采集、信息處理和分布調控等方式就可實現農業節水灌溉自動化。農業節水灌溉系統包括水泵、管路、灌水器、閘閥等。自控系統通過對土壤墑情信息的實時采集， 經過處理后， 要求實現基于預定模型的遠程控制灌溉、自動灌溉和精確灌溉[6-9]。而土壤墑情信息采集的準確與否直接關系到灌溉的精準程度。本研究針對水分傳感器采集土壤墑情信息時所受到的環境干擾因素和標定方法做了探討，以使測得的土壤水分數值更接近田間的實際。

1材料與方法

1.1材料

土壤水分傳感器采用自主研發產品MP-308型，其工作原理是通過特殊設計的傳輸線（該傳輸線的阻抗隨土壤阻抗變化而變化）產生高頻信號，測量土壤水分參數。阻抗包括表現介電常數和離子傳導率。選用電信號的頻率使離子傳導率的影響最小，以使傳輸線阻抗變化幾乎僅依賴于土壤介電常數的變化。這些變化產生一個電壓駐波。駐波隨不銹鋼探針周圍介質的變化增減由晶體振蕩器產生電壓，利用晶體振蕩器產生的電壓和探針返回電壓的差值測量土壤介電常數。

1.2方法

3結論

土壤水分傳感器在精準灌溉上的應用是可行的，并逐步得到推廣應用；但傳感器出廠時的曲線標定是在特定環境下進行的，土壤質地和土壤容重與田間實際情況存在差異，進而影響傳感器的輸出電壓。為更好地反映田間水分實際情況，可用田間原狀土對土壤水分傳感器進行水分特征曲線的標定，降低精準灌溉系統土壤水分測定的誤差。

參考文獻：

[1]周明耀，邵孝侯. 精確灌溉技術體系研究[J]. 中國農村水利水電，2002（2）：35-37.

[2]鐘詩恩. 智能灌溉施肥控制系統在溫室中的應用[J]. 廣東農機，2003（1）：9-10.

[3]秦明軍. 精確灌溉及前景分析[J]. 東北水利水電，2009（2）：38-41.

[4]周超. 農場智能灌溉系統設計[J]. 科技創新導報，2009（16）：130-131.

[5]王志偉 ，郁繼華， 郭曉冬. 日光溫室甜瓜節水灌溉土壤水分上限指標研究[J]. 華中農業大學學報，2004，35（增刊）：198-202.

[6]蔡亮，李浩. 農業節水灌溉自控工程的設計與實現[J]. 吉林水利，2006（6）：22-26.

[7]許生國，王根寶，丁秀萍，等. 棚室蔬菜水分管理技術[J]. 上海蔬菜，2007（1）：40-41.

[8]魏恒文，楊培嶺. 日光溫室黃瓜智能灌溉控制指標研究[J]. 灌溉排水學報，2008，27（3）：63-65.

[9]郭正琴，王一鳴，楊衛中，等. 基于模糊控制的智能灌溉控制系統[J]. 農機化研究，2006（12）：103-108.