應(yīng)用智能灌溉的測量傳感器系統(tǒng)

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

1.概要

灌溉系統(tǒng)的發(fā)展對于農(nóng)業(yè)的正確維護和改善作物產(chǎn)量至關(guān)重要。迄今為止，商業(yè)上有多個傳感器可以通過不同的方式（例如，電導(dǎo)率，電容）來測量土壤中的水分。但是，這些傳感器的性能可能會因為用于水檢測的系統(tǒng)不同而有所不同。在這個項目中，我們比較了用于測量植物需水量的不同系統(tǒng)。我們將這項研究分為兩個部分：土壤濕度的測量和植物內(nèi)部水分的測量。兩種方法都可以用來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植物。使用水泵將土壤澆灌250 mL，并在1小時內(nèi)測量傳感器的響應(yīng)情況。然后，我們在測量水傳感器檢測到的變化的同時提供了另外的250 mL。然后記錄響應(yīng)，我們在靈敏度，噪聲水平和響應(yīng)時間方面對設(shè)備進(jìn)行了比較。

2.基于土壤的水含量檢測方法

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)我們在添加任何水之前測試干燥的土壤樣品時，氮，磷，鉀，電導(dǎo)率和濕度傳感器提供的響應(yīng)信號為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，該值會略有增加。以下是在澆灌土壤樣品之前和之后從這些組件獲得的值，以及信號穩(wěn)定后的信號噪聲（σ）。

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

在N，P，K，電導(dǎo)率和濕度測量的情況下，在這些傳感器中觀察到0.38 mg / kg的低信號噪聲。加水后，這些傳感器需要20分鐘的時間才能使信號穩(wěn)定。該值用作設(shè)備的響應(yīng)時間，并針對該項目中測試的所有傳感器進(jìn)行了計算。但是，pH信號顯示出很高的噪聲，并且在7到9之間變化很大。與我們測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量干燥土壤的電導(dǎo)率，這表明靈敏度更高，檢測極限更低。但是，所獲得的信號噪聲相對較高，為0.41 uS / cm。另外，與使用五探針傳感器獲得的電導(dǎo)率測量值相比，電導(dǎo)率的測量值高。加水前后電導(dǎo)率隨時間變化的結(jié)果如下所示。

監(jiān)測土壤樣品中的電導(dǎo)率后獲得的圖。

用250 mL水澆灌土壤樣品后，信號增加到大約3250 uS / cm。傳感器的響應(yīng)時間顯著縮短，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）對土壤中的水分進(jìn)行了另一項測試。在這種情況下，在兩個電極之間施加電壓，并測量電流的變化。原則上，電流的這種變化可以歸因于土壤中水的存在，這會降低其電阻。但是，這種電導(dǎo)率也可能會受到土壤中鹽分濃度的影響，從而降低了檢測的特異性。

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目中。給干燥的土壤澆水后，該設(shè)備的響應(yīng)時間與前一種情況下的響應(yīng)時間相似，范圍為9分鐘。

使用arduino微控制器監(jiān)測土壤樣品中的電阻后獲得的圖。

盡管設(shè)備的響應(yīng)時間相對較短，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)備的靈敏度和檢測極限更低。

2.4 電容式傳感器

用于土壤濕度測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發(fā)生變化。因此，該信號受土壤介質(zhì)中離子的影響較小，而對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，而無需額外的硬件或外部電源。此外，該設(shè)備的測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)時間在所有用于土壤測量的測試設(shè)備中最低，約為1分鐘。

3.基于植物的水含量檢測方法

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，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使用如下所示的力感測電阻器通過彎曲葉片來間接評估。

用于葉片表征的力傳感器。

將該力感測電阻器放置在葉片表面，并使用參考電阻器評估電阻，如下所示。這種設(shè)置使我們能夠通過葉片上傳感器上的作用力來確定植物內(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創(chuàng)方式檢測何時澆水，但靈敏度很低，加入250 mL水后信號從3.35 V變?yōu)?.33V。但是，我們預(yù)見到，如果將植物長時間保持在干燥條件下，并且葉片彎曲明顯，這些變化將更高。下圖顯示了對來自葉片的信號力的監(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。盡管傳感器在測量葉片運動時靈敏度較低，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)過測試的傳感器中，響應(yīng)時間最短，為40s。因此，盡管該系統(tǒng)的靈敏度較低，但是通過葉片施加的力來測量膨脹度仍然是一種有前途的非侵入性方法，用于測量植物的需水量。

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，這是莖內(nèi)水分少的結(jié)果，鑒于組織的電導(dǎo)率較高，電阻會降低。相反，當(dāng)水量較高時（在給植物澆水時會發(fā)生這種情況），電阻會降低。因此，這種測量可以很好地表明我們工廠的水需求。對于此測量，我們按照此處先前報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植物的莖中，并通過在莖上施加多個電壓后測量接收到的信號，進(jìn)行溶出伏安法測定。然后計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，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間穩(wěn)定增加。植株第二次后未觀察到對這種增加趨勢的影響。

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)行一次測量，因此無法估算設(shè)備對水狀態(tài)變化的響應(yīng)時間。如觀察到的，當(dāng)植物第二次澆水時，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，植物對水的吸收也不斷增加。

3.3 閥桿的開路電位測量

通過使用開路電勢測量（OCP）進(jìn)行測量植物水分吸收的最終方法。當(dāng)兩者之間沒有電流流動時，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可以產(chǎn)生電化學(xué)勢，該電勢可以測量并與濃度相關(guān)。為了進(jìn)行這些測量，我們使用了來自arduino pH傳感器的標(biāo)準(zhǔn)電勢計，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量。

然后記錄電極電壓隨時間的變化。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。通過測量植物莖中離子的變化，可以對水的需求進(jìn)行更準(zhǔn)確的評估。但是，噪聲水平很高，這可能會導(dǎo)致設(shè)備靈敏度下降。

4.總結(jié)

下面提供了不同測試傳感器的性能摘要。

盡管五探頭傳感器在測試中提供的信息量最大，但靈敏度較低，并且需要相對較長的時間才能達(dá)到穩(wěn)定的讀數(shù)。相反，用于土壤水測量的電容式傳感器具有響應(yīng)速度快，噪聲相對較低和靈敏度高的優(yōu)點。但是，測量僅限于一種土壤參數(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)確地測量植物的需水量，因為正如我們觀察到的那樣，信號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，因此每15分鐘僅進(jìn)行1次測量。盡管通過使用OCP測量可以克服對工廠內(nèi)部電解質(zhì)進(jìn)行連續(xù)監(jiān)控的挑戰(zhàn)，但這種方法會導(dǎo)致較高的電化學(xué)噪聲。下面總結(jié)了我們測試的傳感器的優(yōu)缺點。

編輯：hfy