应用智能灌溉的测量传感器系统

在该项目中，针对智能灌溉应用，比较了用于量化计划中可用水量的不同传感器。

1.概要

灌溉系统的发展对于农业的正确维护和改善作物产量至关重要。迄今为止，商业上有多个传感器可以通过不同的方式（例如，电导率，电容）来测量土壤中的水分。但是，这些传感器的性能可能会因为用于水检测的系统不同而有所不同。在这个项目中，我们比较了用于测量植物需水量的不同系统。我们将这项研究分为两个部分：土壤湿度的测量和植物内部水分的测量。两种方法都可以用来比较侵入性和非侵入性方法在确定植物需水量方面的准确性。在所有情况下，使用水泵将被测植物用水250 mL浇水两次。我们首先使用干燥的土壤放置被测植物。使用水泵将土壤浇灌250 mL，并在1小时内测量传感器的响应情况。然后，我们在测量水传感器检测到的变化的同时提供了另外的250 mL。然后记录响应，我们在灵敏度，噪声水平和响应时间方面对设备进行了比较。

2.基于土壤的水含量检测方法

2.1 5探头NPK传感器

5探头NPK传感器是一种多功能设备，能够从土壤中测量多达7种不同的参数（温度，氮，磷，钾，pH，电导率和水分）。它由5个可以插入土壤中的金属探针组成，并且由于它使用RS485通讯进行操作，因此可以与使用LTT设备的arduino微控制器接口使用。

用于土壤分析的5探针NPK传感器

这样，它可以很好地表征土壤，从而能够估算出所用肥料的数量，质量和湿度。但是，当我们在添加任何水之前测试干燥的土壤样品时，氮，磷，钾，电导率和湿度传感器提供的响应信号为0，而pH设置为7。用250 mL的土壤浇水后，传感器开始发送不同土壤参数的读数。获得了信号的初始峰值，并且值稳定在特定值上，当土壤再用250毫升第二次浇水时，该值会略有增加。以下是在浇灌土壤样品之前和之后从这些组件获得的值，以及信号稳定后的信号噪声（σ）。

在分别记录了氮，磷，钾，pH，电导率和湿度值的信号后，从5探头传感器获得的图表。

在N，P，K，电导率和湿度测量的情况下，在这些传感器中观察到0.38 mg / kg的低信号噪声。加水后，这些传感器需要20分钟的时间才能使信号稳定。该值用作设备的响应时间，并针对该项目中测试的所有传感器进行了计算。但是，pH信号显示出很高的噪声，并且在7到9之间变化很大。与我们测试的其他传感器获得的值相比，从磷和氮的浓度获得的值相同，并且湿度和电导率值较低。因此，尽管该系统可以检测出土壤样品中是否存在水，但我们可以预见，该设备的灵敏度较低，并且更适合于需要大量供水的环境。

2.2 土壤水分和温度及EC传感器

该工业级土壤传感器的配置类似于先前描述的5探针土壤传感器。在这种情况下，系统包含3个可插入土壤的耐腐蚀探针。该设备可以使用一系列金属探针测量电导率和土壤水分，并且可以使用LTT设备与arduino微控制器接口。

土壤水分和温度及EC传感器，用于土壤表征。

与以前使用5探针传感器的情况相反，该设备甚至可以在添加水之前就测量干燥土壤的电导率，这表明灵敏度更高，检测极限更低。但是，所获得的信号噪声相对较高，为0.41 uS / cm。另外，与使用五探针传感器获得的电导率测量值相比，电导率的测量值高。加水前后电导率随时间变化的结果如下所示。

监测土壤样品中的电导率后获得的图。

用250 mL水浇灌土壤样品后，信号增加到大约3250 uS / cm。传感器的响应时间显着缩短，为11分钟，在干燥土壤中的响应范围为154 uS / cm。该结果表明灵敏度高于5探头传感器。但是，与以前的情况相比，该传感器可以测量的参数范围（电导率和湿度）受到限制。

2.3 电导率传感器

使用模拟电导率传感器（见下文）对土壤中的水分进行了另一项测试。在这种情况下，在两个电极之间施加电压，并测量电流的变化。原则上，电流的这种变化可以归因于土壤中水的存在，这会降低其电阻。但是，这种电导率也可能会受到土壤中盐分浓度的影响，从而降低了检测的特异性。

用于土壤特性的电导率传感器。

与前面介绍的两种方法相反，该设备只能使用arduino微控制器供电，并且不需要用于信号收集的其他硬件（例如LTT）。因此，可以更轻松地将其合并到我们的项目中。给干燥的土壤浇水后，该设备的响应时间与前一种情况下的响应时间相似，范围为9分钟。

使用arduino微控制器监测土壤样品中的电阻后获得的图。

尽管设备的响应时间相对较短，但噪声水平仍高于以前的情况，导致电压标准变化为0.14 V / min。此外，给植物浇水时接收电压的变化很小，从2.11到1.84 V不等。与以前的方法相比，这些结果表明该设备的灵敏度和检测极限更低。

2.4 电容式传感器

用于土壤湿度测量的基于电容的传感器是用于智能园艺应用的最广泛的传感器之一。该设备由单个探针组成，由于介质介电常数的变化，其电容在有水的情况下也会发生变化。因此，该信号受土壤介质中离子的影响较小，而对土壤中水含量的变化更具特异性。

用于土壤表征的电容式传感器。

与之前的情况类似，该设备可以与arduino微控制器接口，而无需额外的硬件或外部电源。此外，该设备的测量噪声水平显着低于电导率传感器的先前情况，仅为0.01 V / min。

使用arduino微控制器监测土壤样品中的电容后获得的图。

向土壤中加水后，所获得的信号从3.05变为2.66V，表明其灵敏度高于电导率传感器的灵敏度。此外，响应时间在所有用于土壤测量的测试设备中最低，约为1分钟。

3.基于植物的水含量检测方法

3.1 力传感器附在叶子上

获得有关植物水分状况信息的一种有前途的非侵入性方法是进行膨胀分析。植物茎叶的结构由于其内部的流体压力而得以维持。然而，当可用水量低时，水压降低，并且植物结构内部的压力趋于降低。水压力的这些差异可以通过使用如下所示的力感测电阻器通过弯曲叶片来间接评估。

用于叶片表征的力传感器。

将该力感测电阻器放置在叶片表面，并使用参考电阻器评估电阻，如下所示。这种设置使我们能够通过叶片上传感器上的作用力来确定植物内部的水压。这种力是由于水分条件导致叶片弯曲的结果。尽管这种方法使我们能够以无创方式检测何时浇水，但灵敏度很低，加入250 mL水后信号从3.35 V变为3.33V。但是，我们预见到，如果将植物长时间保持在干燥条件下，并且叶片弯曲明显，这些变化将更高。下图显示了对来自叶片的信号力的监视。

使用arduino微控制器监控力后获得的设备设置和曲线图。

给植物浇水后，从传感器获得的电压从3.35 V降低至3.33V。尽管传感器在测量叶片运动时灵敏度较低，但噪声水平却明显低于以前的方法，仅为40 mV / min。此外，在经过测试的传感器中，响应时间最短，为40s。因此，尽管该系统的灵敏度较低，但是通过叶片施加的力来测量膨胀度仍然是一种有前途的非侵入性方法，用于测量植物的需水量。

3.2 恒电位仪

木质部汁液中离子浓度的变化也可以指示植物中的水分含量。这种变化通常反映在杆内部电阻的变化中。当盐浓度高时，这是茎内水分少的结果，鉴于组织的电导率较高，电阻会降低。相反，当水量较高时（在给植物浇水时会发生这种情况），电阻会降低。因此，这种测量可以很好地表明我们工厂的水需求。对于此测量，我们按照此处先前报告的工作的指示使用了定制的恒电位仪。最终设置与以下所示类似。

该图取自我们先前的项目“一种用于传感应用的低成本恒电位仪”。

将三电极电池插入被测植物的茎中，并通过在茎上施加多个电压后测量接收到的信号，进行溶出伏安法测定。然后计算所获得地块的斜率，然后可以外推茎的阻力。如预期的那样，当给植物浇水时，该阻力增加，从初始值370.4 kOhm上升到500.0 kOhm，并在添加第一批水后随时间稳定增加。植株第二次后未观察到对这种增加趋势的影响。

恒电位仪的抗性表征结果，以及在浇水前后监测植物茎后获得的图。

在这种情况下，由于每15分钟进行一次测量，因此无法估算设备对水状态变化的响应时间。如观察到的，当植物第二次浇水时，茎的阻力以相同的速率保持增加。这种行为可能表明即使土壤中的水丰度发生了变化，植物对水的吸收也不断增加。

3.3 阀杆的开路电位测量

通过使用开路电势测量（OCP）进行测量植物水分吸收的最终方法。当两者之间没有电流流动时，与参考相比，该OCP与电极的电位有关。由于溶液中的离子是带电的，因此当它们吸附到电极上时可以产生电化学势，该电势可以测量并与浓度相关。为了进行这些测量，我们使用了来自arduino pH传感器的标准电势计，并将参比电极和工作电极连接到丝网印刷电极上，该丝网印刷电极类似于使用低成本恒电位仪的先前方法中使用的电极。

OCP传感器用于基于植物的水测量。

然后记录电极电压随时间的变化。在这种情况下，传感器的噪声水平在0.29 V / min的范围内，这是所研究传感器中发现的最高噪声水平之一。给植物浇水后，设备的OCP值从2.44 V下降到2.03 V，这表明茎中离子的浓度降低了。

这样，该方法也可以用于以良好的灵敏度确定植物的浇水需求。通过测量植物茎中离子的变化，可以对水的需求进行更准确的评估。但是，噪声水平很高，这可能会导致设备灵敏度下降。

4.总结

下面提供了不同测试传感器的性能摘要。

尽管五探头传感器在测试中提供的信息量最大，但灵敏度较低，并且需要相对较长的时间才能达到稳定的读数。相反，用于土壤水测量的电容式传感器具有响应速度快，噪声相对较低和灵敏度高的优点。但是，测量仅限于一种土壤参数（湿度）。

在基于植物的传感器的情况下，接收到的信号更能指示植物的生理状态。这种方法使我们能够更准确地测量植物的需水量，因为正如我们观察到的那样，信号不受土壤条件的影响，但受植物内部水分的可用性的影响。但是，这些方法通常都很吵。在恒电位仪的情况下，由于在伏安法期间收集了大量数据点，因此每15分钟仅进行1次测量。尽管通过使用OCP测量可以克服对工厂内部电解质进行连续监控的挑战，但这种方法会导致较高的电化学噪声。下面总结了我们测试的传感器的优缺点。

编辑：hfy