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：土tu壤rang濕shi度du的de測ce量liang和he植zhi物wu內nei部bu水shui分fen的de測ce量liang。兩liang種zhong方fang法fa都dou可ke以yi用yong來lai比bi較jiao侵qin入ru性xing和he非fei侵qin入ru性xing方fang法fa在zai確que定ding植zhi物wu需xu水shui量liang方fang麵mian的de準zhun確que性xing。在zai所suo有you情qing況kuang下xia，使shi用yong水shui泵beng將jiang被bei測ce植zhi物wu用yong水shui250 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

 

zheyang，takeyihenhaodibiaozhengturang，congernenggougusuanchusuoyongfeiliaodeshuliang
，zhiliangheshidu。danshi


，dangwomenzaitianjiarenheshuizhiqianceshiganzaodeturangyangpinshi
，dan，lin
，jia
，diandaolvheshiduchuanganqitigongdexiangyingxinhaowei0，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wei0.41 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

 

用yong於yu土tu壤rang濕shi度du測ce量liang的de基ji於yu電dian容rong的de傳chuan感gan器qi是shi用yong於yu智zhi能neng園yuan藝yi應ying用yong的de最zui廣guang泛fan的de傳chuan感gan器qi之zhi一yi。該gai設she備bei由you單dan個ge探tan針zhen組zu成cheng，由you於yu介jie質zhi介jie電dian常chang數shu的de變bian化hua，其qi電dian容rong在zai有you水shui的de情qing況kuang下xia也ye會hui發fa生sheng變bian化hua。因yin此ci，該gai信xin號hao受shou土tu壤rang介jie質zhi中zhong離li子zi的de影ying響xiang較jiao小xiao，而er對dui土tu壤rang中zhong水shui含han量liang的de變bian化hua更geng具ju特te異yi性xing。

 

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

 

獲huo得de有you關guan植zhi物wu水shui分fen狀zhuang況kuang信xin息xi的de一yi種zhong有you前qian途tu的de非fei侵qin入ru性xing方fang法fa是shi進jin行xing膨peng脹zhang分fen析xi。植zhi物wu莖jing葉ye的de結jie構gou由you於yu其qi內nei部bu的de流liu體ti壓ya力li而er得de以yi維wei持chi。然ran而er，當dang可ke用yong水shui量liang低di時shi，水shui壓ya降jiang低di，並bing且qie植zhi物wu結jie構gou內nei部bu的de壓ya力li趨qu於yu降jiang低di。水shui壓ya力li的de這zhe些xie差cha異yi可ke以yi通tong過guo使shi用yong如ru下xia所suo示shi的de力li感gan測ce電dian阻zu器qi通tong過guo彎wan曲qu葉ye片pian來lai間jian接jie評ping估gu。

 

 

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ru250 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”。

 

將jiang三san電dian極ji電dian池chi插cha入ru被bei測ce植zhi物wu的de莖jing中zhong，並bing通tong過guo在zai莖jing上shang施shi加jia多duo個ge電dian壓ya後hou測ce量liang接jie收shou到dao的de信xin號hao，進jin行xing溶rong出chu伏fu安an法fa測ce定ding。然ran後hou計ji算suan所suo獲huo得de地di塊kuai的de斜xie率lv，然ran後hou可ke以yi外wai推tui莖jing的de阻zu力li。如ru預yu期qi的de那na樣yang，當dang給gei植zhi物wu澆jiao水shui時shi，該gai阻zu力li增zeng加jia，從cong初chu始shi值zhi370.4 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 pH傳(chuan)感(gan)器(qi)的(de)標(biao)準(zhun)電(dian)勢(shi)計(ji)，並(bing)將(jiang)參(can)比(bi)電(dian)極(ji)和(he)工(gong)作(zuo)電(dian)極(ji)連(lian)接(jie)到(dao)絲(si)網(wang)印(yin)刷(shua)電(dian)極(ji)上(shang)，該(gai)絲(si)網(wang)印(yin)刷(shua)電(dian)極(ji)類(lei)似(si)於(yu)使(shi)用(yong)低(di)成(cheng)本(ben)恒(heng)電(dian)位(wei)儀(yi)的(de)先(xian)前(qian)方(fang)法(fa)中(zhong)使(shi)用(yong)的(de)電(dian)極(ji)。

 

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。

 

 

jinguanwutantouchuanganqizaiceshizhongtigongdexinxiliangzuida，danlingmindujiaodi
，bingqiexuyaoxiangduijiaochangdeshijiancainengdadaowendingdedushu。xiangfan，yongyuturangshuiceliangdedianrongshichuanganqijuyouxiangyingsudukuai
，zaoshengxiangduijiaodihelingmindugaodeyoudian。danshi，celiangjinxianyuyizhongturangcanshu（濕度）。

 

zaijiyuzhiwudechuanganqideqingkuangxia，jieshoudaodexinhaogengnengzhishizhiwudeshenglizhuangtai。zhezhongfangfashiwomennenggougengzhunquediceliangzhiwudexushuiliang，yinweizhengruwomenguanchadaodenayang，xinhaobushouturangtiaojiandeyingxiang，danshouzhiwuneibushuifendekeyongxingdeyingxiang。danshi
，zhexiefangfatongchangdouhenchao。zaihengdianweiyideqingkuangxia

，youyuzaifuanfaqijianshoujiledaliangshujudian，yincimei15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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