應(yīng)用智能灌溉的測(cè)量傳感器系統(tǒng)

在該項(xiàng)目中，針對(duì)智能灌溉應(yīng)用，比較了用于量化計(jì)劃中可用水量的不同傳感器。

1.概要

灌溉系統(tǒng)的發(fā)展對(duì)于農(nóng)業(yè)的正確維護(hù)和改善作物產(chǎn)量至關(guān)重要。迄今為止，商業(yè)上有多個(gè)傳感器可以通過(guò)不同的方式（例如，電導(dǎo)率，電容）來(lái)測(cè)量土壤中的水分。但是，這些傳感器的性能可能會(huì)因?yàn)橛糜谒?a target="_blank">檢測(cè)的系統(tǒng)不同而有所不同。在這個(gè)項(xiàng)目中，我們比較了用于測(cè)量植物需水量的不同系統(tǒng)。我們將這項(xiàng)研究分為兩個(gè)部分：土壤濕度的測(cè)量和植物內(nèi)部水分的測(cè)量。兩種方法都可以用來(lái)比較侵入性和非侵入性方法在確定植物需水量方面的準(zhǔn)確性。在所有情況下，使用水泵將被測(cè)植物用水250 mL澆水兩次。我們首先使用干燥的土壤放置被測(cè)植物。使用水泵將土壤澆灌250 mL，并在1小時(shí)內(nèi)測(cè)量傳感器的響應(yīng)情況。然后，我們?cè)跍y(cè)量水傳感器檢測(cè)到的變化的同時(shí)提供了另外的250 mL。然后記錄響應(yīng)，我們?cè)陟`敏度，噪聲水平和響應(yīng)時(shí)間方面對(duì)設(shè)備進(jìn)行了比較。

2.基于土壤的水含量檢測(cè)方法

2.1 5探頭NPK傳感器

5探頭NPK傳感器是一種多功能設(shè)備，能夠從土壤中測(cè)量多達(dá)7種不同的參數(shù)（溫度，氮，磷，鉀，pH，電導(dǎo)率和水分）。它由5個(gè)可以插入土壤中的金屬探針組成，并且由于它使用RS485通訊進(jìn)行操作，因此可以與使用LTT設(shè)備的arduino微控制器接口使用。

用于土壤分析的5探針NPK傳感器

這樣，它可以很好地表征土壤，從而能夠估算出所用肥料的數(shù)量，質(zhì)量和濕度。但是，當(dāng)我們?cè)谔砑尤魏嗡皽y(cè)試干燥的土壤樣品時(shí)，氮，磷，鉀，電導(dǎo)率和濕度傳感器提供的響應(yīng)信號(hào)為0，而pH設(shè)置為7。用250 mL的土壤澆水后，傳感器開始發(fā)送不同土壤參數(shù)的讀數(shù)。獲得了信號(hào)的初始峰值，并且值穩(wěn)定在特定值上，當(dāng)土壤再用250毫升第二次澆水時(shí)，該值會(huì)略有增加。以下是在澆灌土壤樣品之前和之后從這些組件獲得的值，以及信號(hào)穩(wěn)定后的信號(hào)噪聲（σ）。

在分別記錄了氮，磷，鉀，pH，電導(dǎo)率和濕度值的信號(hào)后，從5探頭傳感器獲得的圖表。

在N，P，K，電導(dǎo)率和濕度測(cè)量的情況下，在這些傳感器中觀察到0.38 mg / kg的低信號(hào)噪聲。加水后，這些傳感器需要20分鐘的時(shí)間才能使信號(hào)穩(wěn)定。該值用作設(shè)備的響應(yīng)時(shí)間，并針對(duì)該項(xiàng)目中測(cè)試的所有傳感器進(jìn)行了計(jì)算。但是，pH信號(hào)顯示出很高的噪聲，并且在7到9之間變化很大。與我們測(cè)試的其他傳感器獲得的值相比，從磷和氮的濃度獲得的值相同，并且濕度和電導(dǎo)率值較低。因此，盡管該系統(tǒng)可以檢測(cè)出土壤樣品中是否存在水，但我們可以預(yù)見，該設(shè)備的靈敏度較低，并且更適合于需要大量供水的環(huán)境。

2.2 土壤水分和溫度及EC傳感器

該工業(yè)級(jí)土壤傳感器的配置類似于先前描述的5探針土壤傳感器。在這種情況下，系統(tǒng)包含3個(gè)可插入土壤的耐腐蝕探針。該設(shè)備可以使用一系列金屬探針測(cè)量電導(dǎo)率和土壤水分，并且可以使用LTT設(shè)備與arduino微控制器接口。

土壤水分和溫度及EC傳感器，用于土壤表征。

與以前使用5探針傳感器的情況相反，該設(shè)備甚至可以在添加水之前就測(cè)量干燥土壤的電導(dǎo)率，這表明靈敏度更高，檢測(cè)極限更低。但是，所獲得的信號(hào)噪聲相對(duì)較高，為0.41 uS / cm。另外，與使用五探針傳感器獲得的電導(dǎo)率測(cè)量值相比，電導(dǎo)率的測(cè)量值高。加水前后電導(dǎo)率隨時(shí)間變化的結(jié)果如下所示。

監(jiān)測(cè)土壤樣品中的電導(dǎo)率后獲得的圖。

用250 mL水澆灌土壤樣品后，信號(hào)增加到大約3250 uS / cm。傳感器的響應(yīng)時(shí)間顯著縮短，為11分鐘，在干燥土壤中的響應(yīng)范圍為154 uS / cm。該結(jié)果表明靈敏度高于5探頭傳感器。但是，與以前的情況相比，該傳感器可以測(cè)量的參數(shù)范圍（電導(dǎo)率和濕度）受到限制。

2.3 電導(dǎo)率傳感器

使用模擬電導(dǎo)率傳感器（見下文）對(duì)土壤中的水分進(jìn)行了另一項(xiàng)測(cè)試。在這種情況下，在兩個(gè)電極之間施加電壓，并測(cè)量電流的變化。原則上，電流的這種變化可以歸因于土壤中水的存在，這會(huì)降低其電阻。但是，這種電導(dǎo)率也可能會(huì)受到土壤中鹽分濃度的影響，從而降低了檢測(cè)的特異性。

用于土壤特性的電導(dǎo)率傳感器。

與前面介紹的兩種方法相反，該設(shè)備只能使用arduino微控制器供電，并且不需要用于信號(hào)收集的其他硬件（例如LTT）。因此，可以更輕松地將其合并到我們的項(xiàng)目中。給干燥的土壤澆水后，該設(shè)備的響應(yīng)時(shí)間與前一種情況下的響應(yīng)時(shí)間相似，范圍為9分鐘。

使用arduino微控制器監(jiān)測(cè)土壤樣品中的電阻后獲得的圖。

盡管設(shè)備的響應(yīng)時(shí)間相對(duì)較短，但噪聲水平仍高于以前的情況，導(dǎo)致電壓標(biāo)準(zhǔn)變化為0.14 V / min。此外，給植物澆水時(shí)接收電壓的變化很小，從2.11到1.84 V不等。與以前的方法相比，這些結(jié)果表明該設(shè)備的靈敏度和檢測(cè)極限更低。

2.4 電容式傳感器

用于土壤濕度測(cè)量的基于電容的傳感器是用于智能園藝應(yīng)用的最廣泛的傳感器之一。該設(shè)備由單個(gè)探針組成，由于介質(zhì)介電常數(shù)的變化，其電容在有水的情況下也會(huì)發(fā)生變化。因此，該信號(hào)受土壤介質(zhì)中離子的影響較小，而對(duì)土壤中水含量的變化更具特異性。

用于土壤表征的電容式傳感器。

與之前的情況類似，該設(shè)備可以與arduino微控制器接口，而無(wú)需額外的硬件或外部電源。此外，該設(shè)備的測(cè)量噪聲水平顯著低于電導(dǎo)率傳感器的先前情況，僅為0.01 V / min。

使用arduino微控制器監(jiān)測(cè)土壤樣品中的電容后獲得的圖。

向土壤中加水后，所獲得的信號(hào)從3.05變?yōu)?.66V，表明其靈敏度高于電導(dǎo)率傳感器的靈敏度。此外，響應(yīng)時(shí)間在所有用于土壤測(cè)量的測(cè)試設(shè)備中最低，約為1分鐘。

3.基于植物的水含量檢測(cè)方法

3.1 力傳感器附在葉子上

獲得有關(guān)植物水分狀況信息的一種有前途的非侵入性方法是進(jìn)行膨脹分析。植物莖葉的結(jié)構(gòu)由于其內(nèi)部的流體壓力而得以維持。然而，當(dāng)可用水量低時(shí)，水壓降低，并且植物結(jié)構(gòu)內(nèi)部的壓力趨于降低。水壓力的這些差異可以通過(guò)使用如下所示的力感測(cè)電阻器通過(guò)彎曲葉片來(lái)間接評(píng)估。

用于葉片表征的力傳感器。

將該力感測(cè)電阻器放置在葉片表面，并使用參考電阻器評(píng)估電阻，如下所示。這種設(shè)置使我們能夠通過(guò)葉片上傳感器上的作用力來(lái)確定植物內(nèi)部的水壓。這種力是由于水分條件導(dǎo)致葉片彎曲的結(jié)果。盡管這種方法使我們能夠以無(wú)創(chuàng)方式檢測(cè)何時(shí)澆水，但靈敏度很低，加入250 mL水后信號(hào)從3.35 V變?yōu)?.33V。但是，我們預(yù)見到，如果將植物長(zhǎng)時(shí)間保持在干燥條件下，并且葉片彎曲明顯，這些變化將更高。下圖顯示了對(duì)來(lái)自葉片的信號(hào)力的監(jiān)視。

使用arduino微控制器監(jiān)控力后獲得的設(shè)備設(shè)置和曲線圖。

給植物澆水后，從傳感器獲得的電壓從3.35 V降低至3.33V。盡管傳感器在測(cè)量葉片運(yùn)動(dòng)時(shí)靈敏度較低，但噪聲水平卻明顯低于以前的方法，僅為40 mV / min。此外，在經(jīng)過(guò)測(cè)試的傳感器中，響應(yīng)時(shí)間最短，為40s。因此，盡管該系統(tǒng)的靈敏度較低，但是通過(guò)葉片施加的力來(lái)測(cè)量膨脹度仍然是一種有前途的非侵入性方法，用于測(cè)量植物的需水量。

3.2 恒電位儀

木質(zhì)部汁液中離子濃度的變化也可以指示植物中的水分含量。這種變化通常反映在桿內(nèi)部電阻的變化中。當(dāng)鹽濃度高時(shí)，這是莖內(nèi)水分少的結(jié)果，鑒于組織的電導(dǎo)率較高，電阻會(huì)降低。相反，當(dāng)水量較高時(shí)（在給植物澆水時(shí)會(huì)發(fā)生這種情況），電阻會(huì)降低。因此，這種測(cè)量可以很好地表明我們工廠的水需求。對(duì)于此測(cè)量，我們按照此處先前報(bào)告的工作的指示使用了定制的恒電位儀。最終設(shè)置與以下所示類似。

該圖取自我們先前的項(xiàng)目“一種用于傳感應(yīng)用的低成本恒電位儀”。

將三電極電池插入被測(cè)植物的莖中，并通過(guò)在莖上施加多個(gè)電壓后測(cè)量接收到的信號(hào)，進(jìn)行溶出伏安法測(cè)定。然后計(jì)算所獲得地塊的斜率，然后可以外推莖的阻力。如預(yù)期的那樣，當(dāng)給植物澆水時(shí)，該阻力增加，從初始值370.4 kOhm上升到500.0 kOhm，并在添加第一批水后隨時(shí)間穩(wěn)定增加。植株第二次后未觀察到對(duì)這種增加趨勢(shì)的影響。

恒電位儀的抗性表征結(jié)果，以及在澆水前后監(jiān)測(cè)植物莖后獲得的圖。

在這種情況下，由于每15分鐘進(jìn)行一次測(cè)量，因此無(wú)法估算設(shè)備對(duì)水狀態(tài)變化的響應(yīng)時(shí)間。如觀察到的，當(dāng)植物第二次澆水時(shí)，莖的阻力以相同的速率保持增加。這種行為可能表明即使土壤中的水豐度發(fā)生了變化，植物對(duì)水的吸收也不斷增加。

3.3 閥桿的開路電位測(cè)量

通過(guò)使用開路電勢(shì)測(cè)量（OCP）進(jìn)行測(cè)量植物水分吸收的最終方法。當(dāng)兩者之間沒(méi)有電流流動(dòng)時(shí)，與參考相比，該OCP與電極的電位有關(guān)。由于溶液中的離子是帶電的，因此當(dāng)它們吸附到電極上時(shí)可以產(chǎn)生電化學(xué)勢(shì)，該電勢(shì)可以測(cè)量并與濃度相關(guān)。為了進(jìn)行這些測(cè)量，我們使用了來(lái)自arduino pH傳感器的標(biāo)準(zhǔn)電勢(shì)計(jì)，并將參比電極和工作電極連接到絲網(wǎng)印刷電極上，該絲網(wǎng)印刷電極類似于使用低成本恒電位儀的先前方法中使用的電極。

OCP傳感器用于基于植物的水測(cè)量。

然后記錄電極電壓隨時(shí)間的變化。在這種情況下，傳感器的噪聲水平在0.29 V / min的范圍內(nèi)，這是所研究傳感器中發(fā)現(xiàn)的最高噪聲水平之一。給植物澆水后，設(shè)備的OCP值從2.44 V下降到2.03 V，這表明莖中離子的濃度降低了。

這樣，該方法也可以用于以良好的靈敏度確定植物的澆水需求。通過(guò)測(cè)量植物莖中離子的變化，可以對(duì)水的需求進(jìn)行更準(zhǔn)確的評(píng)估。但是，噪聲水平很高，這可能會(huì)導(dǎo)致設(shè)備靈敏度下降。

4.總結(jié)

下面提供了不同測(cè)試傳感器的性能摘要。

盡管五探頭傳感器在測(cè)試中提供的信息量最大，但靈敏度較低，并且需要相對(duì)較長(zhǎng)的時(shí)間才能達(dá)到穩(wěn)定的讀數(shù)。相反，用于土壤水測(cè)量的電容式傳感器具有響應(yīng)速度快，噪聲相對(duì)較低和靈敏度高的優(yōu)點(diǎn)。但是，測(cè)量?jī)H限于一種土壤參數(shù)（濕度）。

在基于植物的傳感器的情況下，接收到的信號(hào)更能指示植物的生理狀態(tài)。這種方法使我們能夠更準(zhǔn)確地測(cè)量植物的需水量，因?yàn)檎缥覀冇^察到的那樣，信號(hào)不受土壤條件的影響，但受植物內(nèi)部水分的可用性的影響。但是，這些方法通常都很吵。在恒電位儀的情況下，由于在伏安法期間收集了大量數(shù)據(jù)點(diǎn)，因此每15分鐘僅進(jìn)行1次測(cè)量。盡管通過(guò)使用OCP測(cè)量可以克服對(duì)工廠內(nèi)部電解質(zhì)進(jìn)行連續(xù)監(jiān)控的挑戰(zhàn)，但這種方法會(huì)導(dǎo)致較高的電化學(xué)噪聲。下面總結(jié)了我們測(cè)試的傳感器的優(yōu)缺點(diǎn)。

編輯：hfy