Measuring soil moisture and designing a automatic watering system

jpkc.bupt.edu.cn

Measuring soil moisture and designing a automatic watering system

Measuring soil moisture and designing a

automatic watering system

Wang Xin, Yang Hu-jiang and Li Teng

School of Science,

Beijing University of Posts and Telecommunications,

Beijing 100876, China

yanghj@bupt.edu.cn

Abstract - We measure the soil moisture by a 时 电 阻 值 大 , 因 此 可 通 过 测 定 土 壤 电 阻 值 来 衡 量 其 湿 度

Resistance-frequency converter circuit. By this means, we design

大 小 。 但 是 如 直 接 用 常 规 的 直 流 电 法 测 量 , 将 无 法 测 得

an automatic watering system. It can water the flowers

automatically by monitoring the soil moisture.

Keywords - soil moisture; soil resistivity; automatic watering

system

稳 定 的 电 阻 值 。 因 为 土 壤 中 的 水 分 可 视 为 电 解 液 , 在 直

流 电 压 作 用 下 将 发 生 极 化 , 造 成 阴 阳 离 子 的 分 离 和 聚 集 ,

从 而 使 土 壤 电 阻 值 不 能 反 映 土 壤 的 湿 度 。

I. 引 言

土 壤 湿 度 , 作 为 反 映 土 壤 状 态 的 一 个 基 本 物 理 量 ,

对 人 类 的 生 产 与 生 活 , 尤 其 是 对 农 业 有 着 举 足 轻 重 的 意

义 。 土 壤 湿 度 的 定 义 有 两 种 : 一 种 是 一 定 质 量 土 壤 中 含

水 质 量 的 百 分 比 。 另 一 种 是 一 定 体 积 土 壤 中 含 水 体 积 的

百 分 比 , 用 PCT 来 表 示 , 范 围 为 0 至 50%。 本 文 采 用 第 二

种 定 义 。

土 壤 含 水 量 的 测 定 方 法 [1,2], 从 传 统 的 烘 干 法 ,

到 电 测 法 , 直 至 现 代 的 核 技 术 手 段 等 , 共 有 几 十 种 , 并

且 均 以 田 间 采 样 后 的 烘 干 法 为 标 准 测 量 方 法 [3], 也 可 以

采 用 微 波 炉 来 测 量 土 壤 的 湿 度 [4]。 但 是 , 这 些 方 法 大 都

是 长 年 累 月 地 定 点 观 测 土 壤 水 分 的 动 态 分 布 。 对 于 土 壤

湿 度 的 即 时 测 量 , 一 直 没 有 一 种 简 便 高 效 并 且 精 确 的 方

法 。

本 文 提 出 一 种 即 时 测 量 土 壤 湿 度 的 方 法 , 还 基 于 该

方 法 设 计 了 供 灌 溉 试 验 站 及 家 庭 花 卉 浇 灌 使 用 的 智 能 、

自 动 浇 灌 系 统 。

II. 电 阻 - 频 率 转 换 电 路 工 作 原 理

土 壤 电 阻 值 与 其 湿 度 有 关 , 潮 湿 时 电 阻 值 小 , 干 燥

图 1 湿 度 测 量 电 路

本 文 提 出 的 测 量 电 路 如 图 1 所 示 , 土 壤 电 阻 R 与 电

路 内 部 电 容 C

1

构 成 RC 回 路 , 又 与 NE555 构 成 完 整 的 振 荡

电 路 ; 同 时 , 由 于 NE555 的 输 出 信 号 是 数 字 信 号 , 相 当

于 将 RC 振 荡 的 波 形 整 形 为 脉 冲 信 号 , 方 便 于 与 数 字 控 制

系 统 连 接 以 测 量 电 路 振 荡 频 率 , 达 到 测 量 湿 度 的 目 的 。

R

B

是 电 路 内 部 的 固 定 电 阻 。

根 据 NE555 的 工 作 原 理 , 我 们 可 以 知 道 , 当

U 1/ 3

C

V CC

1 < 时 ,3 端 输 出 为 高 电 平 ,7 端 相 当 于 开 路 ,

电 容 C

1

处 于 充 电 状 态 , 电 压 逐 渐 升 高 ; 当

A

U > 2 / C1 3V

CC

978-1-4244-9438-5/11/$26.00 ©2011 IEEE

3220


时 ,3 端 输 出 为 低 电 平 ,7 端 相 当 于 通 过 一 个 三 极 管 接 地 ,

电 容 C

1

处 于 放 电 状 态 , 电 压 逐 渐 降 低 。 当

U 1/ 3

C

V CC

1 < ,3 端 再 次 输 出 高 电 平 ,7 端 相 当 于 开 路 ,

电 容 C

1

处 于 充 电 状 态 , 电 压 逐 渐 升 高 。 因 此 , 电 容 C

1


充 电 和 放 电 之 间 转 换 , 导 致 NE555 的 输 出 电 压 也 相 应 变

化 , 是 一 定 频 率 的 脉 冲 信 号 , 其 高 电 平 持 续 的 时 间 取 决

于 充 电 时 间 的 长 短 , 其 低 电 平 的 持 续 时 间 与 放 电 的 快 慢

有 关 。

同 理 可 得 :

图 3 电 容 C1 的 放 电 等 效 电 路

dV

1

+ R

C (5)

C1

1

+ VC1

=

dt RB

D

0

当 土 壤 湿 度 改 变 时 , 相 当 于 土 壤 电 阻

R

A

的 阻 值 改

变 , 从 而 导 致 电 路 的 充 电 时 间 变 化 , 输 出 的 脉 冲 信 号 高

电 平 持 续 时 间 改 变 , 而 放 电 时 间 保 持 不 变 , 因 而 振 荡 频

率 也 相 应 变 化 。

充 电 时 , 充 电 电 路 可 等 效 为 图 2:

由 于

R

B

>> RD

, 故

L

t = C ( R + R ) ln 2 (6)

L

t 可 简 化 为

1 B D

t = C R ln 2 (7)

L

1 B

事 实 上 , 一 个 周 期 是 充 电 时 间 和 放 电 时 间 的 总 和 ,

即 :

T = t + t = .693C

( R + 2R

) (8)

H

L

0

1 A B

图 2 电 容 C1 的 充 电 等 效 电 路

分 析 电 路 , 得 :

dV

C

dt

C1

V

−V

CC C1

=

RA

+ RB

1

(1)

根 据 NE555 的 工 作 原 理 , 我 们 可 以 知 道 , 电 容 C1 从

电 压 为 1 /3V

CC

时 开 始 充 电 , 至 电 压 为 2 / 3V

CC

时 停 止 充


f

1

=

T ( R

1.44

2R

= (9)

A +

B

) C

1

电 。 因 此 , 方 程 (1) 的 初 始 条 件 是 :

解 得 :

1

V C 1

(0 ) = V CC

3

2

V ( t ) V

3

+

(2)

C1 H

=

CC

(3)

t = C ( R + R )ln 2 (4)

H

1 A B

当 输 出 为 低 电 平 时 , 电 容 C

1

从 高 电 平 2 / 3V

CC

开 始 放

电 , 至 电 压 低 于 1 时 重 新 开 始 充 电 , 其 放 电 过 程 的

/3V

CC

等 效 电 路 如 图 3 所 示 :

图 4 电 路 振 荡 频 率 与 电 阻 关 系 曲 线

这 样 , 我 们 就 建 立 了 土 壤 电 阻 值 与 系 统 频 率 f 之

间 的 运 算 关 系 , 进 而 可 以 用 电 路 振 荡 频 率 衡 量 土 壤 的 湿

度 .

为 了 验 证 公 式 (9), 我 们 用 不 同 阻 值 的 电 阻 代 替 不

同 湿 度 的 土 壤 样 本 , 测 量 输 出 信 号 的 频 率 , 结 果 如 图 4

所 示 :

由 上 图 可 知 , 电 路 振 荡 频 率 与 土 壤 电 阻 成 反 比 例 函

数 关 系 , 与 理 论 公 式 (9) 式 基 本 一 致 。

3221


III. 土 壤 湿 度 的 测 量

V. 结 论

本 文 运 用 电 阻 - 频 率 (R-F) 转 换 电 路 测 定 土 壤 湿 度

的 方 法 , 利 用 可 编 程 器 件 或 单 片 机 系 统 测 量 芯 片 NE555 产

生 的 整 形 方 波 的 频 率 , 实 现 了 对 电 路 频 率 的 即 时 测 量 , 同

时 保 证 了 测 量 土 壤 湿 度 的 准 确 性 。 值 得 一 提 的 是 , 在 土

壤 湿 度 较 低 时 , 本 文 提 出 的 方 法 克 服 了 传 统 的 四 电 极 法

测 土 壤 电 阻 率 方 法 的 弊 端 , 通 过 测 量 频 率 间 接 测 量 土 壤

电 阻 , 避 免 了 由 于 直 接 测 量 土 壤 电 阻 造 成 的 不 稳 定 性 , 提

高 了 测 量 的 灵 敏 度 。 另 外 , 本 文 提 出 的 方 法 在 土 壤 湿 度

图 5 土 壤 湿 度 与 电 路 频 率 的 关 系

我 们 采 集 了 不 同 湿 度 的 土 壤 ( 其 PCT 值 用 Decagon

Devices 公 司 的 ech2o 土 壤 含 水 量 传 感 器 测 定 ) 与 电 路 频

率 的 关 系 , 如 图 5 所 示 .

由 图 5 可 知 , 电 路 振 荡 的 频 率 f 与 土 壤 湿 度 PCT 服 从

负 指 数 规 律 , 极 限 电 路 振 荡 频 率 约 为 15kHz, 拟 合 方 程 为 :

= 1.528×

10 (1 − e

4 −0.1038PCT

f (10)

f

= − .1038ln(1 −

1.528×

10

0

4

PCT (11)

因 此 , 测 出 振 荡 电 路 的 频 率 , 就 可 根 据 公 式 (11) 计 算 土

壤 的 湿 度 , 将 单 片 机 系 统 与 振 荡 电 路 相 连 接 , 就 可 以 实

时 测 量 土 壤 湿 度 的 变 化 。

IV. 智 能 浇 灌 系 统

基 于 本 文 提 出 的 湿 度 测 量 方 法 , 作 者 设 计 并 制 作 了

一 个 智 能 浇 灌 系 统 。 该 智 能 浇 灌 系 统 有 以 下 优 点 :

(1) 电 阻 — 频 率 (R-F) 转 换 法 测 量 土 壤 湿 度 原 理 清 晰 ,

设 备 简 单 , 可 实 现 即 时 自 动 测 量 , 工 作 稳 定 , 精 度 满

足 日 常 生 活 使 用 ;

(2) 采 用 常 见 的 耳 机 电 极 作 为 探 测 电 极 , 克 服 了 普 通 电 极

在 土 壤 中 距 离 易 发 生 改 变 的 缺 点 , 同 时 不 易 腐 蚀 , 可

靠 耐 用 ;

(3) 可 根 据 植 物 的 种 类 , 设 定 不 同 的 湿 度 值 , 具 有 较 强 的

拓 展 性 和 实 用 性 。

)

)

适 中 或 偏 低 时 都 可 正 常 使 用 , 实 验 效 果 优 于 传 统 方 法 , 且

造 价 低 廉 , 值 得 推 广 。

REFERENCES

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Method of Soil Water Content, Journal of Agricultural

Mechanization Research, 2007(12): 213-217 (In Chinese).

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Bulletin, 2006(2): 110-112 (In Chinese).

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[6] Gao Feng, Hu Ji-chao and Jia Hong, Review on measurement and

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17(5) (In Chinese).

[8] Wang Xiao-lei, Hu Jian-dong, Jiang Min, Zhao Xiang-yang, Hu

Jing-fang and Zhao Yuan-yuan, Experiment on fast-measurement of

soil moisture based on additional resistance method, Transactions of

the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2009 25(10) (In

Chinese).

总 体 上 看 , 该 系 统 能 够 实 现 即 时 监 控 并 长 时 间 稳 定

工 作 , 测 量 精 度 满 足 实 际 需 要 , 可 用 于 实 现 如 供 灌 溉 试 验

站 或 家 庭 花 卉 的 高 效 智 能 浇 灌 。

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