在該項目中，針對智能灌溉應用
，比較了用於量化計劃中可用水量的不同傳感器。

 

1.概要

 

灌溉係統的發展對於農業的正確維護和改善作物產量至關重要。迄今為止，商業上有多個傳感器可以通過不同的方式（例如，電導率

，電容）來(lai)測(ce)量(liang)土(tu)壤(rang)中(zhong)的(de)水(shui)分(fen)。但(dan)是(shi)
，這(zhe)些(xie)傳(chuan)感(gan)器(qi)的(de)性(xing)能(neng)可(ke)能(neng)會(hui)因(yin)為(wei)用(yong)於(yu)水(shui)檢(jian)測(ce)的(de)係(xi)統(tong)不(bu)同(tong)而(er)有(you)所(suo)不(bu)同(tong)。在(zai)這(zhe)個(ge)項(xiang)目(mu)中(zhong)


，我(wo)們(men)比(bi)較(jiao)了(le)用(yong)於(yu)測(ce)量(liang)植(zhi)物(wu)需(xu)水(shui)量(liang)的(de)不(bu)同(tong)係(xi)統(tong)。我們將這項研究分為兩個部分：turangshidudecelianghezhiwuneibushuifendeceliang。liangzhongfangfadoukeyiyonglaibijiaoqinruxinghefeiqinruxingfangfazaiquedingzhiwuxushuiliangfangmiandezhunquexing。zaisuoyouqingkuangxia，shiyongshuibengjiangbeicezhiwuyongshui250 mL澆水兩次。我們首先使用幹燥的土壤放置被測植物。使用水泵將土壤澆灌250 mL，並在1小時內測量傳感器的響應情況。然後，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。然後記錄響應，我們在靈敏度，噪聲水平和響應時間方麵對設備進行了比較。

 

2.基於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備，能夠從土壤中測量多達7種不同的參數（溫度，氮
，磷
，鉀

，pH，電導率和水分）。它由5個可以插入土壤中的金屬探針組成
，並且由於它使用RS485通訊進行操作，因此可以與使用LTT設備的arduino微控製器接口使用。

 

用於土壤分析的5探針NPK傳感器

 

這zhe樣yang
，它ta可ke以yi很hen好hao地di表biao征zheng土tu壤rang，從cong而er能neng夠gou估gu算suan出chu所suo用yong肥fei料liao的de數shu量liang
，質zhi量liang和he濕shi度du。但dan是shi，當dang我wo們men在zai添tian加jia任ren何he水shui之zhi前qian測ce試shi幹gan燥zao的de土tu壤rang樣yang品pin時shi
，氮dan，磷lin
，鉀jia，電dian導dao率lv和he濕shi度du傳chuan感gan器qi提ti供gong的de響xiang應ying信xin號hao為wei0

，而pH設置為7。用250 mL的土壤澆水後，傳感器開始發送不同土壤參數的讀數。獲得了信號的初始峰值，並且值穩定在特定值上，當土壤再用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後從這些組件獲得的值，以及信號穩定後的信號噪聲（σ）。

 

在分別記錄了氮，磷
，鉀

，pH，電導率和濕度值的信號後，從5探頭傳感器獲得的圖表。

 

在N，P

，K，電導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。加水後，這些傳感器需要20分鍾的時間才能使信號穩定。該值用作設備的響應時間
，並針對該項目中測試的所有傳感器進行了計算。但是
，pH信號顯示出很高的噪聲
，並且在7到9之(zhi)間(jian)變(bian)化(hua)很(hen)大(da)。與(yu)我(wo)們(men)測(ce)試(shi)的(de)其(qi)他(ta)傳(chuan)感(gan)器(qi)獲(huo)得(de)的(de)值(zhi)相(xiang)比(bi)，從(cong)磷(lin)和(he)氮(dan)的(de)濃(nong)度(du)獲(huo)得(de)的(de)值(zhi)相(xiang)同(tong)，並(bing)且(qie)濕(shi)度(du)和(he)電(dian)導(dao)率(lv)值(zhi)較(jiao)低(di)。因(yin)此(ci)
，盡(jin)管(guan)該(gai)係(xi)統(tong)可(ke)以(yi)檢(jian)測(ce)出(chu)土(tu)壤(rang)樣(yang)品(pin)中(zhong)是(shi)否(fou)存(cun)在(zai)水(shui)，但(dan)我(wo)們(men)可(ke)以(yi)預(yu)見(jian)，該(gai)設(she)備(bei)的(de)靈(ling)敏(min)度(du)較(jiao)低(di)，並(bing)且(qie)更(geng)適(shi)合(he)於(yu)需(xu)要(yao)大(da)量(liang)供(gong)水(shui)的(de)環(huan)境(jing)。

 

2.2 土壤水分和溫度及EC傳感器

 

該工業級土壤傳感器的配置類似於先前描述的5探針土壤傳感器。在這種情況下，係統包含3個可插入土壤的耐腐蝕探針。該設備可以使用一係列金屬探針測量電導率和土壤水分，並且可以使用LTT設備與arduino微控製器接口。

 

土壤水分和溫度及EC傳感器，用於土壤表征。

 

與以前使用5探(tan)針(zhen)傳(chuan)感(gan)器(qi)的(de)情(qing)況(kuang)相(xiang)反(fan)
，該(gai)設(she)備(bei)甚(shen)至(zhi)可(ke)以(yi)在(zai)添(tian)加(jia)水(shui)之(zhi)前(qian)就(jiu)測(ce)量(liang)幹(gan)燥(zao)土(tu)壤(rang)的(de)電(dian)導(dao)率(lv)，這(zhe)表(biao)明(ming)靈(ling)敏(min)度(du)更(geng)高(gao)，檢(jian)測(ce)極(ji)限(xian)更(geng)低(di)。但(dan)是(shi)，所(suo)獲(huo)得(de)的(de)信(xin)號(hao)噪(zao)聲(sheng)相(xiang)對(dui)較(jiao)高(gao)
，為(wei)0.41 uS / cm。另外
，與使用五探針傳感器獲得的電導率測量值相比，電導率的測量值高。加水前後電導率隨時間變化的結果如下所示。

 

監測土壤樣品中的電導率後獲得的圖。

 

用250 mL水澆灌土壤樣品後，信號增加到大約3250 uS / cm。傳感器的響應時間顯著縮短，為11分鍾，在幹燥土壤中的響應範圍為154 uS / cm。該結果表明靈敏度高於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範圍（電導率和濕度）受到限製。

 

2.3 電導率傳感器

 

使用模擬電導率傳感器（見下文）對dui土tu壤rang中zhong的de水shui分fen進jin行xing了le另ling一yi項xiang測ce試shi。在zai這zhe種zhong情qing況kuang下xia
，在zai兩liang個ge電dian極ji之zhi間jian施shi加jia電dian壓ya，並bing測ce量liang電dian流liu的de變bian化hua。原yuan則ze上shang，電dian流liu的de這zhe種zhong變bian化hua可ke以yi歸gui因yin於yu土tu壤rang中zhong水shui的de存cun在zai，這zhe會hui降jiang低di其qi電dian阻zu。但dan是shi

，這zhe種zhong電dian導dao率lv也ye可ke能neng會hui受shou到dao土tu壤rang中zhong鹽yan分fen濃nong度du的de影ying響xiang
，從cong而er降jiang低di了le檢jian測ce的de特te異yi性xing。

 

用於土壤特性的電導率傳感器。

 

與前麵介紹的兩種方法相反，該設備隻能使用arduino微控製器供電
，並且不需要用於信號收集的其他硬件（例如LTT）。因此，可以更輕鬆地將其合並到我們的項目中。給幹燥的土壤澆水後，該設備的響應時間與前一種情況下的響應時間相似，範圍為9分鍾。

 

使用arduino微控製器監測土壤樣品中的電阻後獲得的圖。

 

盡管設備的響應時間相對較短

，但噪聲水平仍高於以前的情況，導致電壓標準變化為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
，這些結果表明該設備的靈敏度和檢測極限更低。

 

2.4 電容式傳感器

 

yongyuturangshiduceliangdejiyudianrongdechuanganqishiyongyuzhinengyuanyiyingyongdezuiguangfandechuanganqizhiyi。gaishebeiyoudangetanzhenzucheng
，youyujiezhijiedianchangshudebianhua，qidianrongzaiyoushuideqingkuangxiayehuifashengbianhua。yinci
，gaixinhaoshouturangjiezhizhonglizideyingxiangjiaoxiao，erduiturangzhongshuihanliangdebianhuagengjuteyixing。

 

用於土壤表征的電容式傳感器。

 

與之前的情況類似
，該設備可以與arduino微控製器接口

，而無需額外的硬件或外部電源。此外，該設備的測量噪聲水平顯著低於電導率傳感器的先前情況，僅為0.01 V / min。

 

使用arduino微控製器監測土壤樣品中的電容後獲得的圖。

 

向土壤中加水後，所獲得的信號從3.05變為2.66V，表明其靈敏度高於電導率傳感器的靈敏度。此外，響應時間在所有用於土壤測量的測試設備中最低
，約為1分鍾。

 

3.基於植物的水含量檢測方法

 

3.1 力傳感器附在葉子上

 

huodeyouguanzhiwushuifenzhuangkuangxinxideyizhongyouqiantudefeiqinruxingfangfashijinxingpengzhangfenxi。zhiwujingyedejiegouyouyuqineibudeliutiyalierdeyiweichi。raner
，dangkeyongshuiliangdishi，shuiyajiangdi，bingqiezhiwujiegouneibudeyaliquyujiangdi。shuiyalidezhexiechayikeyitongguoshiyongruxiasuoshideligancedianzuqitongguowanquyepianlaijianjiepinggu。

 

 

用於葉片表征的力傳感器。

 

將(jiang)該(gai)力(li)感(gan)測(ce)電(dian)阻(zu)器(qi)放(fang)置(zhi)在(zai)葉(ye)片(pian)表(biao)麵(mian)，並(bing)使(shi)用(yong)參(can)考(kao)電(dian)阻(zu)器(qi)評(ping)估(gu)電(dian)阻(zu)，如(ru)下(xia)所(suo)示(shi)。這(zhe)種(zhong)設(she)置(zhi)使(shi)我(wo)們(men)能(neng)夠(gou)通(tong)過(guo)葉(ye)片(pian)上(shang)傳(chuan)感(gan)器(qi)上(shang)的(de)作(zuo)用(yong)力(li)來(lai)確(que)定(ding)植(zhi)物(wu)內(nei)部(bu)的(de)水(shui)壓(ya)。這(zhe)種(zhong)力(li)是(shi)由(you)於(yu)水(shui)分(fen)條(tiao)件(jian)導(dao)致(zhi)葉(ye)片(pian)彎(wan)曲(qu)的(de)結(jie)果(guo)。盡(jin)管(guan)這(zhe)種(zhong)方(fang)法(fa)使(shi)我(wo)們(men)能(neng)夠(gou)以(yi)無(wu)創(chuang)方(fang)式(shi)檢(jian)測(ce)何(he)時(shi)澆(jiao)水(shui)，但(dan)靈(ling)敏(min)度(du)很(hen)低(di)，加(jia)入(ru)250 mL水後信號從3.35 V變為3.33V。但(dan)是(shi)，我(wo)們(men)預(yu)見(jian)到(dao)
，如(ru)果(guo)將(jiang)植(zhi)物(wu)長(chang)時(shi)間(jian)保(bao)持(chi)在(zai)幹(gan)燥(zao)條(tiao)件(jian)下(xia)，並(bing)且(qie)葉(ye)片(pian)彎(wan)曲(qu)明(ming)顯(xian)，這(zhe)些(xie)變(bian)化(hua)將(jiang)更(geng)高(gao)。下(xia)圖(tu)顯(xian)示(shi)了(le)對(dui)來(lai)自(zi)葉(ye)片(pian)的(de)信(xin)號(hao)力(li)的(de)監(jian)視(shi)。

 

使用arduino微控製器監控力後獲得的設備設置和曲線圖。

 

給植物澆水後，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於以前的方法
，僅為40 mV / min。此外，在經過測試的傳感器中，響應時間最短，為40s。因此
，盡管該係統的靈敏度較低，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，用於測量植物的需水量。

 

3.2 恒電位儀

 

木mu質zhi部bu汁zhi液ye中zhong離li子zi濃nong度du的de變bian化hua也ye可ke以yi指zhi示shi植zhi物wu中zhong的de水shui分fen含han量liang。這zhe種zhong變bian化hua通tong常chang反fan映ying在zai杆gan內nei部bu電dian阻zu的de變bian化hua中zhong。當dang鹽yan濃nong度du高gao時shi
，這zhe是shi莖jing內nei水shui分fen少shao的de結jie果guo，鑒jian於yu組zu織zhi的de電dian導dao率lv較jiao高gao

，電dian阻zu會hui降jiang低di。相xiang反fan，當dang水shui量liang較jiao高gao時shi（在給植物澆水時會發生這種情況），電dian阻zu會hui降jiang低di。因yin此ci，這zhe種zhong測ce量liang可ke以yi很hen好hao地di表biao明ming我wo們men工gong廠chang的de水shui需xu求qiu。對dui於yu此ci測ce量liang
，我wo們men按an照zhao此ci處chu先xian前qian報bao告gao的de工gong作zuo的de指zhi示shi使shi用yong了le定ding製zhi的de恒heng電dian位wei儀yi。最zui終zhong設she置zhi與yu以yi下xia所suo示shi類lei似si。

 

該圖取自我們先前的項目“一種用於傳感應用的低成本恒電位儀”。

 

jiangsandianjidianchicharubeicezhiwudejingzhong，bingtongguozaijingshangshijiaduogedianyahouceliangjieshoudaodexinhao，jinxingrongchufuanfaceding。ranhoujisuansuohuodedikuaidexielv，ranhoukeyiwaituijingdezuli。ruyuqidenayang，danggeizhiwujiaoshuishi

，gaizulizengjia，congchushizhi370.4 kOhm上升到500.0 kOhm，並在添加第一批水後隨時間穩定增加。植株第二次後未觀察到對這種增加趨勢的影響。

 

恒電位儀的抗性表征結果，以及在澆水前後監測植物莖後獲得的圖。

 

在這種情況下
，由於每15分fen鍾zhong進jin行xing一yi次ci測ce量liang，因yin此ci無wu法fa估gu算suan設she備bei對dui水shui狀zhuang態tai變bian化hua的de響xiang應ying時shi間jian。如ru觀guan察cha到dao的de
，當dang植zhi物wu第di二er次ci澆jiao水shui時shi
，莖jing的de阻zu力li以yi相xiang同tong的de速su率lv保bao持chi增zeng加jia。這zhe種zhong行xing為wei可ke能neng表biao明ming即ji使shi土tu壤rang中zhong的de水shui豐feng度du發fa生sheng了le變bian化hua，植zhi物wu對dui水shui的de吸xi收shou也ye不bu斷duan增zeng加jia。

 

3.3 閥杆的開路電位測量

 

通過使用開路電勢測量（OCP）進行測量植物水分吸收的最終方法。當兩者之間沒有電流流動時，與參考相比

，該OCPyudianjidedianweiyouguan。youyurongyezhongdelizishidaidiande
，yincidangtamenxifudaodianjishangshikeyichanshengdianhuaxueshi
，gaidianshikeyiceliangbingyunongduxiangguan。weilejinxingzhexieceliang，womenshiyonglelaiziarduino pHchuanganqidebiaozhundianshiji，bingjiangcanbidianjihegongzuodianjilianjiedaosiwangyinshuadianjishang，gaisiwangyinshuadianjileisiyushiyongdichengbenhengdianweiyidexianqianfangfazhongshiyongdedianji。

 

OCP傳感器用於基於植物的水測量。

 

然後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的範圍內，這是所研究傳感器中發現的最高噪聲水平之一。給植物澆水後，設備的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zhe樣yang，該gai方fang法fa也ye可ke以yi用yong於yu以yi良liang好hao的de靈ling敏min度du確que定ding植zhi物wu的de澆jiao水shui需xu求qiu。通tong過guo測ce量liang植zhi物wu莖jing中zhong離li子zi的de變bian化hua
，可ke以yi對dui水shui的de需xu求qiu進jin行xing更geng準zhun確que的de評ping估gu。但dan是shi，噪zao聲sheng水shui平ping很hen高gao，這zhe可ke能neng會hui導dao致zhi設she備bei靈ling敏min度du下xia降jiang。

 

4.總結

 

下麵提供了不同測試傳感器的性能摘要。

 

 

盡jin管guan五wu探tan頭tou傳chuan感gan器qi在zai測ce試shi中zhong提ti供gong的de信xin息xi量liang最zui大da

，但dan靈ling敏min度du較jiao低di，並bing且qie需xu要yao相xiang對dui較jiao長chang的de時shi間jian才cai能neng達da到dao穩wen定ding的de讀du數shu。相xiang反fan
，用yong於yu土tu壤rang水shui測ce量liang的de電dian容rong式shi傳chuan感gan器qi具ju有you響xiang應ying速su度du快kuai
，噪zao聲sheng相xiang對dui較jiao低di和he靈ling敏min度du高gao的de優you點dian。但dan是shi，測ce量liang僅jin限xian於yu一yi種zhong土tu壤rang參can數shu（濕度）。

 

在(zai)基(ji)於(yu)植(zhi)物(wu)的(de)傳(chuan)感(gan)器(qi)的(de)情(qing)況(kuang)下(xia)，接(jie)收(shou)到(dao)的(de)信(xin)號(hao)更(geng)能(neng)指(zhi)示(shi)植(zhi)物(wu)的(de)生(sheng)理(li)狀(zhuang)態(tai)。這(zhe)種(zhong)方(fang)法(fa)使(shi)我(wo)們(men)能(neng)夠(gou)更(geng)準(zhun)確(que)地(di)測(ce)量(liang)植(zhi)物(wu)的(de)需(xu)水(shui)量(liang)，因(yin)為(wei)正(zheng)如(ru)我(wo)們(men)觀(guan)察(cha)到(dao)的(de)那(na)樣(yang)，信(xin)號(hao)不(bu)受(shou)土(tu)壤(rang)條(tiao)件(jian)的(de)影(ying)響(xiang)，但(dan)受(shou)植(zhi)物(wu)內(nei)部(bu)水(shui)分(fen)的(de)可(ke)用(yong)性(xing)的(de)影(ying)響(xiang)。但(dan)是(shi)

，這(zhe)些(xie)方(fang)法(fa)通(tong)常(chang)都(dou)很(hen)吵(chao)。在(zai)恒(heng)電(dian)位(wei)儀(yi)的(de)情(qing)況(kuang)下(xia)

，由(you)於(yu)在(zai)伏(fu)安(an)法(fa)期(qi)間(jian)收(shou)集(ji)了(le)大(da)量(liang)數(shu)據(ju)點(dian)，因(yin)此(ci)每(mei)15分鍾僅進行1次測量。盡管通過使用OCP測量可以克服對工廠內部電解質進行連續監控的挑戰

，但這種方法會導致較高的電化學噪聲。下麵總結了我們測試的傳感器的優缺點。

 

 

 

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