DRIP IRRIGATION AUTOMATION WITH AWATER LEVEL SENSING SYSTEM IN A GREENHOUSE

窗体底端

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Automated control systems in irrigation have in recent years made considerable progress, offering a wide range of new options. In this experiment, drip irrigation system automatically governed irrigation in accordance with a water level sensing system in the mini-pan with the help of evaporation. Data acquisition was performed by an electronic circuit, which processed data and then sent the data to the microcontroller (Pic16f877). In the system, a closed loop control system based on sensing water level in the mini-pan was used to activate irrigation, thereby the system started irrigation whenever water level in the mini-pan dropped to the set level. The performance of the automated system can be increased as the irrigation timing in the software is adjusted according to plant growth stages.

Keywords: automated irrigation; drip irrigation; water level sensor; irrigation controller; mini-pan.

INTRODUCTION

Pressurized irrigation systems when combining by an automation systems have become more effective in irrigation practices. Nowadays, the current trend has been swithcing from a manual system to automatic operations in a pressurized system and also that automation and electronics in agriculture become more popular all around the world (Josi and Gokhale, 2006). Energy savings, reduced labor cost and control in fertilizer application are among some of the major advantages in adopting auotomated techniques in drip irrigation systems (Yildirim and Demirel, 2011). Automated irrigation systems provide high crop yield, save water usage (Mulas ,1986), facilitate high frequency and low volume irrigation (Abraham et al. 2000), and also reduce human errors (Castanon, 1992). Many methods have been described and sensors developed to manage irrigation systems objectively (Salas and Urrestarazu, 2001). Recent irrigation technologies have used sophisticated equipment to supply water to the root area of plants as they need it. However, the use of these sophisticated methods is not possible for all growers. A simple irrigation system, called the irrigation control tray, was developed by Caceres et al. (2007), which activated the irrigation system with the aid of a level-control relay. Gieling (1995) stated that automation systems should be used both to measure the environmental conditions and to use in irrigation. Irrigation can be performed according to the methods of solar radiation and Class-A pan. Class-A pan has been used succesfully in all over the world to estimate evapotranspiration. Hanan (1990) reported that Class-A pan used in an greenhouse to estimate evapotranspiration has achieved the similar results as musch as the methods of radiation (FAO) and Priestley- Taylor. Jain (1975) and Sharma et al. (1975) stated Class- A pan is not appropriate for farmers to be used in an open field, so that they used a mini-pan (10.5 cm in diameter and 13.5 cm in height) to irrigate wheat and maize in an open field and obtained the correlation coefficient of 0.82 between mini-pan and Class-A pan. Palacios and Quevedo (1996) used a mini-pan consisting of double ring (the inner ring was 27.5 cm in diameter and 7.5 cm in height, the outer ring 55 cm in diameter and 22 cm in height) to schedule the irrigation program in an open field and reported to be used for irrigation. Cemek et al.(2004) observed a strong relationship between mini-pan and Class-A pan.

The objective of this study was to test a prototype of a mini-pan and a water level sensor and also to modify the irrigation controller, triggered by the water level sensor in the pan, and thereby develop a simple and economical automated irrigation system appropriate for greenhouse growing of high-value crops.

MATERIALS AND METHODS

The experiment was conducted outdoor of a greenhouse from May to August, 2011 at Canakkale Onsekiz Mart University, Turkey. The geographical location of the experimental area is 40°0632.64 N latitude, 26°2445.31 E longtitude, and has a 5-m elevation (Figure 1).

Temperature (^oC) and relative humidity (%) at the site were measured 1.5 m above the canopy of the plants by using a HOBO U12 instrument (Figure 2), and measurement range was from -20 ⁰C to 70 ⁰C for temperature, 5% to 95% for humidity.

The quality of the irrigation water is given in table 1. A standard soil must have a pH value between 6.5 and 7.2 and electrical conductivity (EC) of less than 4 mS cm^-1 (Ayers and Westcot, 1994). According to these values, the salinity level of the substrate was in the normal range. The irrigation water, however, was in the moderately tolerable range; it had already been used for irrigation at the site. Each pot in the experiment was applied with the same amount of fertilizers: triple super phosphate (3 g per pot), potassium sulfate (3 g per pot) and urea (3 g per pot). Urea was applied again at 15 and 20 day intervals respectively after planting at the same dosage.

Components of the automated irrigation system: Nurseries planted with peppers (Capsicum annuum L.) were transplanted into pots. The substrate was a mixture of peat (1:4, v/v) and soil (3:4, v/v).), each pot contained 4L of substrate and the layout of the experiments components is given in figure 3. The irrigation system included the following components; water storage tank (50

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附录A 译 文

基于水位传感系统的温室滴灌自动化

在最近这些年，灌溉自动化控制系统取得了很大的进步，提供了很多新的选择。在这个实验中,滴灌系统根据小盘中的水位传感系统在蒸发的帮助下自动控制灌溉。 数据采集是通过电子电路来实现的，处理好数据然后发送到微控制器(Pic16f877)。 在这个系统里，闭环控制基于迷你盘的水位感应，在水位降至设定水位时开始灌溉。根据植物生长阶段来调整灌溉时间，自动控制系统的发展能够得到提升。

关键词：自动灌溉；滴灌；水位传感器；灌溉控制器；微型盘。

当自动化系统结合的时候加压灌溉会变得更有效果。如今的趋势已经从手动转变为加压的自动化系统，并且在农业上世界的自动化和电子产品变得越来越流行（Josi 和 Gokhale, 2006)。自动化灌溉系统可提供高作物产量、节约用水，促进高频率和低容量灌溉，并且减少了人为错误，描述了许多方法，并开发了传感器来客观管理灌溉系统。最近的灌溉技术使用先进的设备向植物的根部供水。然而，并非所有种植者都能使用这些复杂的方法。Caceres等人开发了一种简单的灌溉系统，称为灌溉控制，这种系统通过水位控制继电器启动灌溉系统。Gieling（1995）指出，自动化系统应同时用于测量环境条件和灌溉。灌溉可按太阳辐射法和甲级锅法进行。A级蒸发皿已成功地应用于世界各地的蒸散量估算。Hanan（1990）报告说，在温室中使用A级pan估算蒸散量，取得了与musch和Priestley-Taylor辐射法相似的结果。Jain（1975）和Sharma等人说明A级锅不适合农民在开阔地使用，因此他们使用一个小锅（直径10.5厘米，高度13.5厘米）在开阔地灌溉小麦和玉米，得到了小锅和A级锅之间的相关系数为0.82。Palacios和Quevedo（1996）使用一个由双环（内环直径27.5厘米，高度7.5厘米，外圈直径55厘米，高度22厘米）组成的小平底锅来安排露天灌溉计划，并报告用于灌溉。Cemek等人（2004年）观察到微型pan和a级pan之间存在很强的关系。

本研究的目的是测试一个微型水盘和一个水位传感器的原型，并修改由水盘中的水位传感器触发的灌溉控制器，从而开发一个简单、经济的适用于温室种植高价值作物的自动灌溉系统。

材料和方法

这项实验于2011年5月至8月在土耳其卡纳卡莱Onsekiz-Mart大学的温室室外，进行。试验区地理位置北纬is 40°0632.64 ，东经26°2445.31 ，海拔5米（图1）。用HOBO U12仪器（图2）在距植物冠层1.5米的地方测量温度（^oC）和相对湿度（%），温度测量范围为-20℃至70℃，湿度测量范围为5%至95%。灌溉水的质量见表1。标准土壤的pH值必须在6.5到7.2之间，电导率（EC）必须小于4 mS cm^-1。根据这些值，基质的盐度水平在正常范围内。然而，灌溉水处于中等的容许范围内；它已经在现场用于灌溉。试验中每盆施肥量相同：三重超级磷酸盐（3g/盆）、硫酸钾（3g/盆）和尿素（3g/盆）。同一剂量种植后，每隔15天和20天再施一次尿素。

自动灌溉系统的组成部分：将辣椒苗圃移栽到花盆中。基质是泥炭（1:4，v/v）和土壤（3:4，v/v）的混合物，每个罐子含有4L基质，实验组分的布局如图3所示。灌溉系统包括以下部件：储水罐（50L）；其中一个用于灌溉，另一个用于填充小平底锅，每个储水罐有以12V直流电运行的潜水泵和2.05A，电源（12V直流电），底部有一个平底锅（250x210 mm，9L）用于收集排出的水，16根管道以33厘米的间隔使用滴头（4升/小时），每罐一个滴头。阀门和连接装置用于整合灌溉系统的所有项目。小平底锅由双环组成，双环高20cm，内环直径27cm，外环长32cm，内环底部有一个凹口，使水在两环之间流动。确定允许蒸发水量的传感器安装在内环内。将顶管焊接在小平底锅的上端，当小平底锅允许的水量蒸发时，灌水控制器将水从储水箱中抽出。排水管正在清除多余的水，以便在每次充水后将小平底锅的顶部水位固定在13.5厘米。

自动灌溉系统最重要和最基本的组成部分是传感器，它可以检测小盆中的水位。它由两根钢棒组成，一根固定，一根螺杆上下移动，以调节允许蒸发的水量。两棒之间的距离是2.5厘米。他们被放在一个塑料盒（宽3x3厘米，高1厘米），然后填充硅胶。在控制棒的末端，连接电缆以在控制棒和单片机之间提供电气通信。

从水位传感器发出的信号被发送到微控制器单元（单片机-Pic16F877），然后根据嵌入在微控制器中的逻辑启动和停止灌溉。该电路包括一个发出警告声音的蜂鸣器和一个显示诸如“1.pump run”或“2.pump run”等信息的LCD。单片机单元是一个具有可编程能力、读取传感器和控制诸如连接到泵的继电器等设备的设备（图3）。在这个实验中，单片机实际上是一个控制器，在收到水位传感器的信号后，它运行水泵并在程序结束后关闭。单片机有一个20兆赫兹的pic处理器，带有40针双列直插式封装，在相对较低的5伏直流电压下运行。单片机的一个引脚被指定为一个输入，以在一整天和整个实验过程中每秒监测小平底锅中的水位。即使电路有4个继电器，单片机的两个管脚也被指定为输出管脚，既可以将水泵送到植物的根部区域，也可以将水泵送到小平底锅中。

控制器软件：用PicBasic-Pro软件编写灌溉控制器程序，将逻辑中定义的自动灌溉的一般策略加载到单片机的存储器中。因此，灌溉策略的逻辑被定义在具有2K存储器的单片机中，该单片机随后接管并详细决定何时应用水和应用多少水。当小平底锅水位下降至临界水位时，根据灌水时间确定灌水量。在系统中，根据传感器的反馈，不断地进行反馈和控制。无论何时向单片机发送信号，灌水动作都是在整个实验期间进行的，软件中的数据流程图如图6所示。小平底锅的最高水位是13.5厘米，当水位降到12厘米时就会产生一个信号，然后单片机开始灌溉，首先运行灌溉泵15分钟和2秒钟，注满小平底锅。完成这些过程后，它会检查迷你盘是否已满。如果是，它返回读取传感器。如果没有，它会在LCD上发送信息“系统出故障，请检查”。

灌溉应用：灌溉处理安排如下：由于30%的有效土壤水分被耗尽，将水抽到植物根部所需的时间（15分钟）是每次灌溉将基质的含水量提高到田间容量（FC）所需的时间。每次灌溉后，人工称量所有盆，然后根据盆的重量确定水量，以确定蒸散量。日蒸散量（ET）采用两种灌溉方式（Yıldırım和Demirel，2011）之间的水量平衡法进行估算。

ET=[（Wi-1--Wi） I--D）/A]I=1,2,3，hellip;n（1）

式中：ET为第i-1天和第i天盆栽的蒸散量（mm）、Wi-1和Wi质量（kg），i为灌溉水量（kg），D为排水量（kg），A为盆栽表面积（m2）。

观察处理后各植株的植株和果实发育参数。茎、叶等的重量（以克计）通过使用灵敏的重量（0.01克）测定

基于主从分布式的温室环境参数监控系统

根据温室环境参数监测与控制的实际需要，设计了以PC机为主机的主从式分布式测控系统。本系统由土壤水分测控模块、温湿度和CO2监测控制模块组成。系统中PC机具有数据存储，便于使用模糊控制专家系统，采用组态软件组态王为PC机开发软件，缩短了开发周期，提供了友好的人机交互，每个监控模块由STC12系列单片机、传感器、继电器等组成，根据系统的需要选择不同的模块，实现温室的分区、分块控制。

一、介绍

对现代室内农业来说，环境参数的自动测控是实现温室作物产量和品质的关键，近年来，我国设施农业蓬勃发展，与之相配套，温室测控仪器也有了一定的发展，经过近10年的不懈努力，我们的农业环境参数测控系统研究团队，设计了一套智能化的温室配水测控系统，可在我国农业生产中推广应用该系统主要用于控制温室的温度、湿度、CO2浓度、土壤湿度和光照，单片机由于数据存储量小，显示界面单一，信息量有限，但容量价格比高，所以作为数据采集和控制的前端单元，而PC机则具有大量的数据存储、丰富的软件、方便的人机交互等，如果使用过时的、价格低廉的PC机，以PC机为上位机，以多台微机组成的不同功能控制模块为下位机，在此基础上，设计了一种基于微机的主从式分布式智能控制系统，实现了对系统的监控、显示、数据采集和管理，并根据实际需要降低了系统成本。

二、系统结构及原理

分布式组合智能控制系统温室最显著的特点是集数据采集、控制和管理为一体，模块组合，结构简单，人机交互方便，采用智能专家模糊控制技术，能够适应温室多种作物管理控制。

分布式系统的结构分为上下两层，以价格最高的PC机为主机，使系统管理和专家模糊操作智能化，提供友好的人机界面，实现温室的统一监控和管理；下位机由一系列功能不同的模块组成，每个模块采用AT89C单片机作为下位机，利用RS485与所有的AT89C进行PC机通讯，实现温室参数的采集、处理和控制，每个功能模块在电气上完全隔离，任何故障发生在结节不会对其它模块产生影响，系统通过各个监控模块分别采集环境信息，通过RS485接口发送到上位机，在上位机组态控制系统中，将采集到的参数与设定值进行比较，然后根据不同的情况，在作物不同生长阶段的专家智能模糊控制系统中，给出了环境温度、湿度、CO2浓度、土壤含水量的模糊控制指令和相应的操作指令或报警。

该系统应用于秦皇岛市农村温室，一般在温室东西两端1/4处，北半（靠近湿帘）和南半（靠近风机）中间距地1.5米处，是一个空气温湿度的模块，设置CO2浓度和土壤含水量模块，温室中间根据实际情况增加土壤含水量模块，在主入口1.5m处设置水箱，水箱根据需要设置滴管螺线管，由土壤含水量模块控制电脑被放置在温室的主入口。

材料和方法

这项实验于2011年5月至8月在土耳其卡纳卡莱Onsekiz-Mart大学的温室室外进行。试验区地理位置北纬40°0632.64，东经26°2445.31，海拔5米（图1）。

用HOBO U12仪器（图2）在距植物冠层1.5米的地方测量温度（^oC）和相对湿度（%），温度测量范围为-20℃至70℃，湿度测量范围为5%至95%。

灌溉水的质量见表1。标准土壤的pH值必须在6.5到7.2之间，电导率（EC）必须小于4 mS cm^-1。根据这些值，基质的盐度水平在正常范围内。然而，灌溉水处于中等的容许范围内；它已经在现场用于灌溉。试验中每盆施肥量相同：三重超级磷酸盐（3g/盆）、硫酸钾（3g/盆）和尿素（3g/盆）。同一剂量种植后，每隔15天和20天再施一次尿素。

自动化灌溉系统的组成部分：将种植辣椒的苗圃移栽到花盆中。基质是泥炭（1:4，v/v）和土壤（3:4，v/v）的混合物，每个罐子含有4L基质，实验组分的布局如图3所示。灌溉系统包括以下部件：储水罐（50L）；其中一个用于灌溉，另一个用于填充小平底锅，每个储水罐中以12V直流电运行的潜水泵和2.05A，电源（12V直流电），底部有一个平底锅（250x210 mm，9L）用于收集排水，16根管道以33厘米的间隔使用滴头（4升/小时），每罐一个滴头。阀门和连接装置用于整合灌溉系统的所有项目。小平底锅由双环组成，双环高20cm，内环直径27cm，外环长32cm，内环底部有一个凹口，使水在两环之间流动。确定允许蒸发水量的传感器安装在内环内。将顶管焊接在小平底锅的上端，当小平底锅允许的水量蒸发时，灌水控制器将水从储水箱中抽出。排水管正在清除多余的水，以便在每次充水后将小平底锅的顶部水位固定在13.5cm，如图4所示。

自动灌溉系统最重要和最基本的组成部分是传感器，它可以检测小盆中的水位。它由两根钢棒组成，一根固定，一根螺杆上下移动，以调节允许蒸发的水量。两棒之间的距离是2.5厘米。他们被放在一个塑料盒（宽3x3厘米，高1厘米），然后填充硅胶。在控制棒的末端，连接电缆以在控制棒和单片机之间提供电气通信（图5）。

从水位传感器发出的信号被发送到微控制器单元（单片机-Pic16F877），然后根据嵌入在微控制器中的逻辑启动和停止灌溉。该电路包括一个发出警告声音的蜂鸣器和一个显示诸如“1.pump run”或“2.pump run”等信息的LCD。单片机单元是一个具有可编程能力、读取传感器和控制诸如连接到泵的继电器等设备的设备（图3）。在这个实验中，单片机实际上是一个控制器，在收到水位传感器的信号后，它运行水泵并在程序结束后关闭。单片机有一个20兆赫的pic处理器，带有40针双列直插式封装（DIP），在相对较低的5伏直流电压下运行。单片机的一个引脚被指定为一个输入，以在一整天和整个实验过程中每秒监测小平底锅中的水位。即使电路有4个继电器，单片机的两个管脚也被指定为输出管脚，既用来向植物根部抽水，又用来向小平底锅注水。

控制器软件：用PicBasic-Pro软件编写灌溉控制器程序，将逻辑中定义的自动灌溉的一般策略加载到单片机的存储器中。因此，灌溉策略的逻辑被定义在具有2K存储器的单片机中，该单片机随后接管并详细决定何时应用水和应用多少水。当小平底锅水位下降到临界水位时，根据灌水时间确定灌水量。在系统中，根据传感器的反馈，不断地进行反馈和控制。无论何时向单片机发送信号，灌水动作都是在整个实验期间进行的。软件中的数据流程图如图6所示。小平底锅的最高水位是13.5厘米，当水位降到12厘米时就会产生一个信号，然后单片机开始灌溉，首先运行灌溉泵15分钟和2秒钟，注满小平底锅。完

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