Reflectometric连续和自动化监测系统的灌溉农业

文摘

在这项工作中,时域反射计(TDR)的连续系统和扩散监测土壤含水量在农业。拟议中的TDR-based系统采用延长传感元素(SEs)。在实际应用中,每个平衡SE是埋在种植行监控,并通过一个单一的热带病研究和培训特别规划测量可以获取水分的种植以及本身的长度。TDR-based监控系统通过连接到灌溉机,它可以自动启动/停止灌溉根据实际需水量的查看,因此有利于精准农业,提高灌溉效率。证明提出的监控解决方案的可行性,一个专门的硬件+软件平台开发和开放田地TDR-based系统尝试查看。

1。介绍

灌溉农业的经济和生产管理是至关重要的系统;因此,水的使用效率已成为一个优先级也由于增加这个自然资源限制(1]。为了缓解这个问题,有必要开发技术和实践,可以提供有效的解决方案,但这仍然可以访问(使用)的成本和从容的农民(2]。最近,精确灌溉技术被认为是一个潜在的战略来提高农作物产量增加缺水的条件下(3]。此外,机器学习的应用在传感器数据被认为是为农民提供预测灌溉建议(4]。

适当的设计和建造灌溉系统优化灌溉过程至关重要,增加盈利能力,培养理性的可用资源,减少浪费。在这种情况下,自动和实时监控的实际需水量是农业系统的优化管理战略。

评估种植需水量的第一步是评估土壤含水量。然而,在艺术的状态,土壤含水量传感器通常点传感器;因此,需要大量的传感器监测扩展种植地区。这最终限制实时监控的可能性,和自动灌溉控制只能(最多)依赖预先制定灌溉调度或气象站。

在这样一个背景下,这项工作的目标是开发和验证一个创新的系统基于时域反射计的使用(TDR)技术和伸长,低成本传感元素(SEs)连续、实时、扩散监测土壤含水量。SEs是深埋在土中,靠近查看被监控。一个SE几十米长,将允许评估含水量的种植。

发达监控系统将与灌溉系统,它能够自动控制阀门,根据土壤水分含量检测,可能只允许限制灌溉的区域需要水。在实际应用中,当测量土壤含水量低于警报阈值,系统将打开自动控制阀门,从而开始灌溉。同样,在土壤含水量过高的情况下(例如,因为下雨),该系统将防止泵水系统的开始,因此推迟灌溉。该系统可以包括三个主要组件的可持续农业管理中确定(5),即实时监控、决策和远程访问。

在下面,首先背景简要概述。先后,材料,方法,和硬件/软件平台上开发的详细描述。然后,系统的实验验证的结果报告两个实际应用场景(一组实验与种植的树木和其他与植物种植)。最后,讨论结果,得出结论。

热带病研究和培训特别规划是一种行之有效的测量技术用于几个字段。这种技术实现成本较低,并提供远程控制和连续监测的可能性。附加功能如实时响应和适应性使热带病研究和培训特别规划尤其吸引了无数的应用程序(例如,线故障定位6- - - - - -8),液位监控(9),材料的介电特性(10- - - - - -12),监测建筑结构(13在植物油)、质量控制(14],滑坡和地面运动监测[15,16),在地下管道泄漏检测17),等等)。

相关文献TDR-based土壤含水量测量是广泛的18- - - - - -22];然而,依靠传统的热带病研究和培训特别规划土壤含水量测量短,multirod为当地含水率测量探针。另一方面,所述监测系统依靠拉长SEs,类似于那些用于地下管道的泄漏定位(23和监测建筑结构24,25]。

热带病研究和培训特别规划依赖于信号的分析,反映当一个电磁信号(通常,电压阶跃信号快速上升时间或脉冲信号)传播以及探针或SE插入被测系统。特别是,热带病研究和培训特别规划传播信号反映在沿途遇到的电阻抗的变化26]。

热带病研究和培训特别规划的典型输出测量反射图,显示反射系数(ρ)被测系统的功能明显的距离( )。

作为一般规则,相对介电常数越高的介质插入SE,缓慢将沿着SE (TDR信号传播27]。这意味着热带病研究和培训特别规划行驶距离的信号将“出现”的时间比物理距离实际旅行( ),根据以下方程: (在哪里 )视/电气距离和吗被称为表观介电常数的介质中传播的信号。

关于ρ,这个量与相对介电常数的变化传播遇到的热带病研究和培训特别规划的信号。一个常数值的ρ意味着路径的介电特性,部分是统一的。反之亦然,变化的ρ的反射图表明,介电特性的变化以及旅行电气路径(稍后详细,根据热带病研究和培训特别规划工具的内部体系结构,不同的数量可能在的地方ρ)。

在这样的基础上,提出TDR-based系统依赖于传感介质介电常数的变化,发生在土壤的灌溉。事实上,水的相对介电常数约为7828),而干土的相对介电常数通常在3 - 10(取决于类型的土壤)。当土壤水,滋润滋润土壤的介电常数会增加。特别是,含水量越高,越高将介质介电常数的增加。在输出反射图,增加土壤介电常数将出现下降(通常,倾斜的反射图)26]。通过识别这种倾斜发生的横坐标,也可能本地化的区域土壤湿润。

2。材料和方法

两套主要的实验进行了验证该系统:(我)土壤含水量测量树木的种植;(2)土壤含水量测量工厂查看。

在下面几节中,这些实验中使用的材料和方法详细描述。

2.1。热带病研究和培训特别规划监测系统的描述

扩散的土壤水分测量,tdr - 307使用了usb仪器。这个乐器之所以入选,是因为最优的测量精度与低成本之间的权衡(约000欧元);因此,它是理想的农业的应用程序通常具有严格的成本要求。tdr - 307 usb是一种便携式仪器,生成一个脉冲信号,它的持续时间可以从10个不同的ns - 50μ美国这个乐器有崎岖的车载电子产品,它是直接通过笔记本电脑的USB端口。

至于拉长,传感部分包含一个RG59同轴电缆和导线(W1),这是相互绝缘,并相互平行运行。图1显示了schematisation轴侧的横截面。在同轴电缆内导体是铜做的,直径为1.6毫米;绝缘子是由聚乙烯和直径7.1毫米;外导体屏蔽铜箔;最后,保护塑料覆盖的PE和有一个直径15毫米。至于W1,线是铜做的,直径约2毫米。

同轴电缆只校准距离的目的。事实上,第一TDR信号传播沿同轴电缆的实际长度传感部分(这样,SE可以削减根据种植的长度,没有初步建立SE的长度)。

相反,SE本身包含的双线传输线是由两个拉长导体:RG59和电线的外导体W1。

2.2。发展控制硬件和软件监控系统的实际应用

提出了系统的实际应用,也为控制灌溉系统专用的硬件平台实现。的核心硬件平台包括热带病研究和培训特别规划ri - 307 - usb、覆盆子π,继电器模块(SMTRELAY08)和electrovalves。硬件平台还包括必要的外围设备,也就是说,触摸屏监控显示,2 5 v电源和记忆卡。

至于开发的软件,除了获取和存储测量数据,开发的软件可以控制阀门的灌溉系统,根据土壤含水量的测量值。操作系统选择与桌面版软件是Raspbian伸展:所选择的编程语言来编写算法Python 3。该软件允许(我)选择一个距离范围检查土壤含水量;(2)土壤含水量的设置阈值,在对应的阀门开启/关闭。

关于监控系统的输出,实验部分中提供具体的数据。然而,它是有用的描述的典型输出的行为。默认情况下,横坐标轴报告明显的距离( );然而,通过一个适当的校准,实际的物理距离(d)可以显示。

至于纵轴,通常在前一节中提到的,反射系数(ρ显示)。实际上,根据热带病研究和培训特别规划工具的内部体系结构,不同的数量可能在的地方ρ。这可能是反射电压、阻抗、或任何其他数量与反射信号有关。热带病研究和培训特别规划ri - 307使用usb仪器提供了一个无量纲的量(K),这是一个比例系数反映热带病研究和培训特别规划之间的信号和参考使用的a / D转换器的热带病研究和培训特别规划工具。显然,的行为K是严格与反射系数有关。

2.3。实验设置为# 1的描述

在第一组实验中,树种植被认为是。树木大约是20米之间的分离。SE与长度318米被沿着排树,如图2。滴灌栽培是装有发射器。之前和之后的灌溉,SE是连接到热带病研究和培训特别规划ri - 307 usb和审问通过发达的硬件和软件平台。

2.4。# 2的描述设置实验

这个实验也进行了在一个开放田地种植。特别是,12 SEs定位以及许多成排的植物;每个伸长的长度SE= 35米。SEs被埋在地下大约20厘米。图3显示了实验装置的草图。这些信件和显示每个拉长SE的开始和结束。

热带病研究和培训特别规划测量,TDR - 307的usb连接到每个SE的开始,从而获得一个为每个植物反射图行。

除了延长SEs,八two-rod探测器( )垂直插入土壤中,对应显示在图8测量分3(一个)。这样做是为了有一个当地的土壤含水量的阻挡。每个垂直探测了两个长45厘米的平行杆(直径6毫米)不锈钢做的。聚四氟乙烯块使杆平行和机械稳定,它还包含电气连接器连接热带病研究和培训特别规划工具。

图3 (b)显示对应的纵切面拉长SEs之一。可以看出,土壤中的垂直探针完全插入。

数据4(一)和4 (b)显示的图片安排一个拉长SEs和垂直的探针,分别。

重要的是要指出,热带病研究和培训特别规划与垂直探测器进行测量通过TDR200反射计。这种便携式工具生成一个梯状信号上升时间快。热带病研究和培训特别规划工具包括一个更复杂的电子;因此,TDR200的成本大约是5 ' 000欧元。虽然这段设备的成本较高,它的优点是可以连接到多路复用器,可以控制多达512 se,从而大大降低实现成本。

3所示。实验验证系统的:结果与讨论

3.1。实验# 1

定位后,拉长SE如图2前,反射图获得灌溉(图5(一个))。横坐标是校准的实际距离。第一个峰值信号反射图对应于事件热带病研究和培训特别规划。垂直标记在图中注明abscissae对应的开始和结束。峰值约为= 318对应的结束。可以看出,在干旱条件下,的价值K通常不变的事实出现干土的相对介电常数几乎是均匀的。

先后,树木是滴灌几个小时。灌溉后,另一个反射图(图5 (b))。添加水对应的树导致了当地土壤的相对介电常数的增加。因此,多个极小值点的外观K在对应的位置树木可以被注意到。

它可以观察到,尽管相同数量的水(约50公升)是提供给每棵树,随着距离的增加峰不太突出。这是由于传播的衰减热带病研究和培训特别规划电磁信号沿着318米长。

由于电磁损失,最小值在不同的距离d(例如,一个沿着SE在较短的距离,另一个在更远的距离沿SE)可能表现出不同的振幅,即使土壤水分含量是相同的。特别是,它是观察到的最小值K似乎遵循这一趋势的一个可以被描述为指数曲线 在哪里 , ,和τ拟合系数。事实上,拟合曲线(在这里没有报告简洁)类似于典型的衰减系数的行为,这是一种电磁波的衰减传播通过媒介单位距离源(29日]。显然,对于高质量的(更昂贵的)SEs,损失低,最小值的振幅会更少依赖于距离。

就像前面提到的2。3,开发的软件允许设置的阈值 ,后观察指数的行为。标记指数曲线在图5 (b)表明最优K -的范围内。显然,同样的阈值(和 )必须考虑电磁损耗的影响,为了补偿他们。这样,通过一个简单的在现场校准,操作员可以建立经验之间的关系最优参考特定的土壤和水的比例栽培和距离。这些标记曲线必须确定特定的栽培和土壤。这些输入数据可以存储在控制软件,用于灌溉的自动优化。

的阈值K_正和K_吃晚饭使用“动态”对土壤水分的变化。如果一个反射(即。,a dip in the reflectogram) is above the threshold set by theK_正标记,然后种植的TDR监测系统的感官需要水和土壤的灌溉开始。热带病研究和培训特别规划监测系统定期获得更新后的反射图。自动更新的灌溉流程将继续,直到反射图,的价值K低于K_吃晚饭。

另一方面,如果下降较低K_吃晚饭(例如,因为下雨的水),然后监测系统的感官,过多的水分含量和灌溉是预防。

当倾斜上升(再次)高于K_正,那么灌溉开始。灌溉时停止更新的反射图倾向降低K_吃晚饭

这个循环重复培养一生。这个程序允许维护所需的土壤含水量,从而满足种植需水量。

3.2。实验2号

在第二组实验中,SEs的布置如图3。热带病研究和培训特别规划测量进行了在接下来的日子里和条件:(我)# 1天:大约一个星期后播种确保土壤被解决;(2)# 14天:长3.5 h灌溉后一个小时;(3)# 20天:前灌溉;(iv)# 21天:约。10个小时后长3.5 h灌溉;(v)# 24天:灌溉。

只为了简洁的结果与伸长SEs报告之一。特别是,图6显示了一个比较的反射图获得从一个SE(即SE₃在观察期间)。然而,从其他SEs获得的结果一致。(我)# 1天:在这种情况下,土壤干燥。从反射图,在约= 10 m,典型的峰值与事件相关的热带病研究和培训特别规划信号能被注意到。SE是大约的开始= 17.8 m, SE下跌约的结束= 78.4 m。随后的峰值,事实上,典型的签名与开放式相关联的终止。它可以注意到相对应的部分反射图SE几乎是恒定的。这意味着干土的相对介电常数是均匀的。(2)# 14天:3.5 h的植物灌溉。热带病研究和培训特别规划测量进行了等待大约一小时后,为了让水分散和稳定。可以看出,虽然的价值,一直保持相同的吗增加了97.1米。明显的延长的长度本身是一个整体的直接结果增加介质介电常数的湿土,按照(1)。它也可以注意到的价值K沿着SE是恒定的。这意味着没有重大变化的土壤的介电常数SE;因此,水沿着SE扩散均匀土壤中。(3)# 20天:一天前预定的灌溉,另一个热带病研究和培训特别规划进行了测量。从反射图,可以看出减少了约90.2米,从而导致整体下降明显的长度。这表明,土壤已经枯竭。也在这种情况下,土壤含水量是同质的,可以推导出曲线的平坦。(iv)# 21天:灌溉持续了3.5小时,等待额外的10个小时之后,另一个反射图。正如所料,由于灌溉,SE的长度明显增加了,转移到95.1米。(v)# 24天:灌溉后的一天,另一个热带病研究和培训特别规划执行测量。再一次,SE的长度明显下降( 91.3米)。

观察持续了约三个月,整个生命周期的查看。的趋势明显的延长/缩短长度的SE确认整个观察期。与所有12个SEs的行为是一致的。

应该提到,从这些测量,它是不可能辨别含水率较高的区域。这是由于这样的事实:植物之间的相互距离大约30厘米,因此灌溉水中植物之间的扩散也在。然而,明显的延长的长度本身是一个一致的指标,土壤含水量的变化。

为了示例,图7v显示了从探测器获得的反射图₁。在图中,相对应的abscissae开始和结束点的垂直探测器表示。可以看出,在整个观测期间,有一个非常小的变化明显的探针的长度。因此,如果我们要使用(1)来确定土壤含水量垂直探测器,其结果将是,相对介电常数并没有改变在观察期内。换句话说,根据垂直探测结果,应该得出这样的结论:土壤总是湿的。这是由于这样的事实,“传统”垂直探针提供了一个总体价值的含水率沿着它的长度。因为水提供给植物的浅层饱和土壤和扩散下,垂直探测器感官含水量的整体存在。然而,这没有水植物根部,但下面的扩散。

4所示。考虑在实际应用

针对提出的可能的应用系统,重要的是要做一些考虑实施成本和模式。

关于SE的成本,它从大约可能有所不同。0.20€7€/ m / m,取决于本身的质量(内部损失、可重用性、健壮性和耐久性)为特定的应用程序所必需的。例如,对于季节性查看,或应采用低成本的一次性SEs,用于一个赛季,然后从土壤和处置中删除。监控查看的树木,另一方面,更健壮的和持久的(和成本)SEs可以使用。事实上,在这种情况下,本身的生命周期应该是类似与树。

关于热带病研究和培训特别规划测量仪器,正如上面提到的,一些热带病研究和培训特别规划工具(如200年热带病研究和培训特别规划),可以采用多路复用设备。这些允许控制512 se与单个测量仪,从而大大降低实施成本。图8显示了一个示意图的可能的配置多路复用TDR-based监测系统。

至于SE的安装,它只包含在埋葬SE大约10 - 50厘米地下(取决于培养)。这个过程非常简单,只需要让SE的一端从土壤中出现,为了允许连接到测量仪器。

最后,关于安装SEs(即“密度”。,number of SEs per ha), thanks to the modularity of the proposed system, it follows that a high degree of freedom is available. Based on the experimental validation carried out so far, large farms could be entirely monitored with hundreds of SEs; however, the farmer could choose to monitor the moisture content profile on selected zones in the cultivations. The operator may as well choose not to install a SE along each row, but, for example, one SE every 0.5 ha. In the experience of the authors so far, for a given cultivation, an optimal trade-off for the density of installation may be one SE every 10-15 rows. And, if multiple cultivations are present, then the aforementioned procedure should be followed for each cultivation.

5。结论

在这项工作中,TDR-based系统连续和扩散监测土壤含水量在农业。以不同的方式从传统角度传感器,该系统允许监测土壤水分剖面沿拉长SEs埋培养一行。发达TDR-based系统是否适合实际开放田地查看目标应用程序进行了测试。

该系统拥有相当大的潜力成为具有成本效益的解决方案农业土壤水分含量的实时监控。在实际应用程序中,通过连接灌溉机提出的测量系统,它可以自动启动/停止灌溉根据实际需水量的查看。这种集成的系统和灌溉系统可以支持精准农业,提高灌溉效率。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

这项研究是由Regione Puglia-Area Politiche每lo Sviluppo Rurale-Servizio Agricoltura内公告”呼吁为农业研究和实验项目提案,”作为活动的一部分,研究项目“SCOPRI - Sistema / il Controllo ed Ottimizzazione一些工艺di Irrigazione”(Eng。:“灌溉”过程的控制和优化系统,项目编号:100年PRS)。论文反映了作者的观点,而不是Regione普利亚区。

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