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第30卷增刊2
2008年11月
北京林业大学学报
JOURNALOFBEIJINGFORESTRYUNIVERSITY
Vol.30,Supp.2
Nov.,2008
收稿日期:200822062215
http:PPwww.bjfujournal.cn,http:PPjournal.bjfu.edu.cn
基金项目:北京市科委重大项目(D0706001000091)、“十一五”国家科技支撑计划项目(2006BAD03A0201)。
第一作者:焦一之,博士生。主要研究方向:水土保持、工程绿化、林业自动化。电话:13810028949Email:jyzbjfu@1261com地址:100083
北京林业大学416信箱。
责任作者:余新晓,博士,教授,博士生导师。主要研究方向:水土保持、生态学、生态水文。电话:0102262338846Email:yuxinxiao@bjfu.
edu.cn地址:100083北京林业大学水土保持学院。
生态工程自动灌溉系统的设计
焦一之1余新晓1关轶1李金海2武军2
(1北京林业大学水土保持与荒漠化防治教育部重点实验室2北京市园林绿化局防沙治沙办公室)
摘要:该文介绍了一种新型灌溉自动化系统的设计。该系统由控制系统和喷水系统两个串联的系统组成。手动控
制系统和由报警系统、开关式土壤水分传感器、开关式温度传感器构成的自动控制系统共同参与控制;并且可以提
供故障报警信号。该系统可长时间开启,自检、自控性好;可远程监控,节能、节水、省人力、实用,在较大程度上实
现了灌溉系统自动化。
关键词:生态工程;灌溉系统;开关式土壤水分传感器;开关式温度传感器
中图分类号:S774文献标识码:A文章编号:1000221522(2008)增刊22201882205
JIAOYi2zh1;YUXin2xiao1;GUANYi1;LIJin2hai2;WUJun2.Designofauto2irrigationsystemin
ecologicalengineering.JournalofBeijingForestryUniversity(2008)30(Supp.2)18822192[Ch,8ref.]
1KeyLaboratoryofSoilandWaterConservation&DesertificationCombatingofMinistryofEducation,Beijing
ForestryUniversity,100083,P.R.China;
2SandPreventionandControlOffice,BeijingGardeningandGreeningBureau,100029,P.R.China.
Theauthorsspecificallyelaboratedanewdesignedauto2irrigationsystemusedinecologicalengineering.
Thesystemisaconnectionofacontrolsystemandashowersystem.Theautomaticcontrolsystem,whichis
composedofalarmsystem,switchingsoilmoisturesensorandswitchingtemperaturesensor,makesjointcontrol
withthemanualcontrolsystem.Itcansoundthealarmbellwhenthesystemisintrouble.Thesystemnotonly
canbearlongtimeoperation,butalsocandoautomaticexamination,automaticcontrolandremotemonitor.
Thispracticalsystemcansaveenergy,water,manpower,andrealizetheautomationoftheirrigationsystem.
Keywordsecologicalengineering;irrigationsystem;switchingsoilmoisturesensor;switchingtemperature
sensor
生态工程(ecologicalengineering),这个概念是20
世纪60年代分别由美国生态学家OdumHT及我国
生态学家马世骏提出的[1222]。20世纪30年代之后
国际上多次公害事件的发生,引发了全球范围内对
人类发展对生态环境影响的深思,并进而在关注全
球性的粮食、人口、环境、资源等的背景下逐渐掀起
了生态工程的热潮[3]。
生态工程是指依据生态学和生态控制论原理,
针对自然资源环境特征和社会经济发展现状,设计、
建造与调控以植物措施为主体的人工复合生态系统
的工程技术,其目的在于保护、改善与持续利用自然
资源与环境。在促进良性循环的前提下,充分发挥
物质的生产潜力,防止环境污染,达到经济与生态效
益同步发展[4]。大型工程施工项目中都不可避免的
存在开挖土石、扰动地表的情况,会对生态环境造成
较大的破坏,尤其是在自然条件恶劣的干旱、半干旱
地区,生态环境一旦遭到破坏,便很难自然恢复[5],
所以在施工项目中后期需要实施生态工程以确保生
态环境的安全。现行的生态工程措施主要是工程措
施和生物措施。工程措施包括修梯田、挖截流沟、治
侵蚀沟等,是基础辅助措施。生物措施是生态工程
中的主体措施,它主要是利用植被的保水固土、改善
小气候、净化空气等特征,对工程区域生态环境进行
持续有效的改善。
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生物措施中,为保证地表覆植幼苗的成活率,首
要保证的就是水量供应充足,而天然降水受季节影
响较大,雨量又很难控制,大多都难以达到幼苗成活
成荫所需的用水量。因此,生态工程在幼苗生长初
期常使用人工辅助灌溉措施。我国人工辅助灌溉措
施主要分为粗放型的大水漫灌和相对节约型的现代
灌溉技术。漫灌既费水,灌溉效果也不佳,将渐渐退
出历史舞台;而现代灌溉技术主要以喷灌和滴灌为
主,虽然在一定意义上节约了灌溉用水量,但是无法
控制有效灌溉量和合适的灌溉时间,仍会导致水资
源的浪费,尤其是在干旱缺水、蒸发量大的西部地
区,还是难以达到预期效果。本文针对这一现状,对
现行的灌溉系统进行了一些改进,让灌溉系统更加
有效地达到节约化、智能化、可控制化的标准。
1系统设计
本系统在交流电灌溉系统的基础上,介入开关
式土壤水分传感器、开关式温度传感器和开关式故
障报警装置,在大回路上实现根据现场水热情况,自
动控制喷水时间和喷水量,从而达到省人力、节水和
可监视、可控制的目的。
在系统中,土壤水分的临界值和温度的临界值,
是让大系统喷水的两个必要条件,二者缺一不可。
对覆植幼苗的区域进行土壤水分和温度的监测,可
以有效地让水用在该用的时候,用到该用的量,还可
以根据气温状况选择是否用水。这大大增加了水的
利用率。
SA.开关式土壤水分传感器;SB.开关式温度传感器;
S.手动系统开关;A、B.接入口
图1生态工程自动喷灌系统示意图
FIGURE1Diagramofauto2irrigationsysteminecologicalengineering
系统整体是一个串联型回路(图1),当SA和SB
达到合适条件时,相对应的开关自动闭合,系统形成
一个通路,喷水系统供电,开始喷水。SA和SB至少
有一项条件不满足时系统自动关闭,喷水停止。若
遇特殊情况,如有消防或降尘任务时,可开启手动系
统开关S,系统直接喷水。
2元件设计
211开关式土壤水分传感器设计
开关式土壤水分传感器是利用张力计的原理制
成的,它利用特制的电接点真空表将土壤湿度信号
转换为开关式电信号。土壤水吸力的大小与土壤水
分含量有关。一般来说,土壤含水量愈小,吸力愈
大;土壤含水量愈大,吸力愈小。土壤水吸力大小与
水分对植物的有效性密切相关。因此,土壤水吸力
大小已被普遍用作植物是否需要灌溉的依据。传感
器提供的信号为开关电信号(触点信号),通过电接
点真空表上拨杆的定位,可获得0～85kPa范围内
任意点土壤水吸力的开关电信号。这个土壤湿度检
测范围,正好适合多数植物指示是否需要灌溉。
21111结构与工作原理
开关式土壤水分传感器(图2)主要由集气管、
陶土头、连接管、电接点真空表、水位检测杆等部分
组成。集气管上有注水口,使用时,打开橡皮塞,向
集气管里注满水,塞紧橡皮塞。当将陶土头埋入土
中后,土壤水吸力通过多孔陶土头内水膜的传递,作
用于仪器内部,仪器内部产生真空度(负压)。此真
空度作用于电接点真空表上,使其指针走动。当指
针走到预设的某一土壤水吸力值位置时,电接点真
空表上触点接通,即得到触点(开关)电信号。当集
气管内水量少于一定量,传感器不能正常工作时,管
内水位低于水位检测杆某预设高度,通过连接线导
通报警设置,并自动断开土壤水分传感器的开关,同
时将报警信号发送出去。传感器连接管的长度,按
不同植物材料根系分布深度的不同,有20、30、40、
50、60、70cm等不同规格可供选用。
11橡皮塞;21集气管;31电接点真空表;41真空表连接线;
51连接管;61陶土头;71水位检测杆;81检测杆连接线
图2开关式土壤水分传感器示意图
FIGURE2Diagramofswitchingsoilmoisturesensor
21112使用方法
2111211传感器的准备
为使传感器达到最大灵敏度,使用前必须将传
感器内部的空气除净,操作步骤如下:
981增刊2焦一之等:生态工程自动灌溉系统的设计
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1)将陶土头浸于水中24h以上。
2)从集气管注入无气水(刚冷却的冷开水),注
满后塞上橡皮塞。
3)让陶土头在空气中蒸发,至集气管一半空间
被空气充满时为止。拍打塑料杆,使仪器下部与真
空表腔体内的空气集中于传感器上部。然后,将陶
土头浸入冷开水中,使真空表指针回零,再打开橡皮
塞,向传感器里注满水。
4)再一次让陶土头蒸发,重复上述操作2～3
次,这样传感器内空气基本上被除净。
5)将传感器的陶土头垂直浸入一水杯中(水浸
没陶土头一半高度处),待真空表指针移动结束后,
指针所指读数即为该传感器的零位读数。然后将传
感器的陶土头浸于清水内备用[6]。
2111212现场安装
1)根据地形、植物长势、行株距、土壤岩石情况
以及灌溉水分布状况等,将传感器埋设于具有代表
性的地段。再根据坡度、土壤结构、层次性及植物种
类等,确定每支传感器所能控制的面积。
2)用稍大于传感器直径的土钻,在已选定的地
方开孔,根据作物根系分布状况和灌溉水入渗深度
等参数,将洞打至一定深度,在洞内倒入少许细沙类
泥浆,将传感器插入。再在传感器四周将土塞实,以
免雨水和灌溉水漏入。埋设传感器的地方,表土勿
踩实,表土状况应保持与周围土地一样。
3)将电接点真空表的拨杆拨到预定的吸力数值
位置上。例如,在早熟禾(Eremopoapersica)生长的
前期,当土壤水吸力达50kPa时需灌溉,如果传感
器的零位读数为2kPa时,则应将拨杆拨到52kPa
位置处。
2111213日常管理
1)在传感器运行过程中,集气管内空气容量太
多时,系统会通过水位检测系统报警。收到报警信
号时,需注入冷开水将气排出去。
2)为防止雨水或灌溉水进入电接点真空表,使
用中最好用塑料袋套住真空表。
3)要注意防止陶土头沾上油污,以免其细孔堵
塞而造成灵敏度下降。
212集气管内水位检测系统设计
水位检测系统是位于集气管内的水位监测杆和
外接系统的总称,它利用水是导体的特征,将两条不
相接的引线分别布置于集气管底和最低水位线上。
管内水、气处于相对平衡状态时,水位较高,引线导
通;水位低于最低水位线,两引线便断开。
21211结构与工作原理
水位检测系统电路(图3)是用CMOS与非门组
成的。当集气管内水位高于预设值时,管底引线U
和预设值引线a通过水接通,这时与非门G的输入
为高电平,输出为低电平,相应发光二极管D亮,表
示工作正常,同时向故障报警系统输入状态1。当
水位低于预设值引线时,a端和U端之间断开,G的
输入端变为低电平,输出端为高电平,三级管T因而
导通,开关Ka受电,通路即被中断,送往故障报警
系统的状态变为0。
图3水位检测系统电路示意图
FIGURE3Circuitdiagramofwater2levelmonitoringsystem
21212使用方法
2121211水位检测系统的安装
1)将水位监测杆竖直的放入集气管内,尽量保
持紧贴管壁,并予以固定。
2)检查开关Ka,确认其处于无电闭合状态。
3)检查系统,除集气管内引线外,其余元件均需
绝缘,以免发生漏电或短路。
2121212日常管理
1)在接到报警信号、向集气管注水时,一定要保
证将两条引线均浸没,使其再次处于导通状态。
2)在部分高寒地区,二极管、三极管在冬季露天
时需要密封保护,以免低温损坏晶体管。
213开关式温度传感器
开关式温度传感器采用现有的XMK22010型双
限数显温度控制仪,该仪器有如下功能:被控对象的
温度测量和显示,温度下限、上限的设定和被控设备
开、停控制,温度传感器故障显示(开路或短路)。
21311工作原理
设置温度下限,例如在0℃以上才可以进行灌
溉,即可将0℃设为开关点。温度高于0℃,可以根
据土壤含水量进行灌溉;温度低于0℃,即便土壤很
干燥,灌溉系统仍不工作。该控制仪可能出现的故
障主要是电导线与元件接触不良,故将控制仪的通
路一端接入故障报警系统,正常通电时输出状态1,
接触不良时输出状态0。
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21312使用方法
2131211双限数显温度控制仪的安装
1)参数设定时,为防止误操作,需连按“set”键3
下,方可进入设定状态。
2)在模式上选择制冷模式,根据需要设定下限
温度。
3)检查仪器线路的通断,保证运行正常。
2131212日常管理
1)若要退出自动工作状态,需切断电源才能退
出。
2)修改设定值时,重新按“set”键3下,修改后需
再按1下,使设定值确认并保存。
3)温度传感器应置于空旷区域,以免受人为活
动的干扰,影响温度测量的准确。
214故障报警系统设计
故障报警系统串联于两个传感器的同侧,两个
传感器正常通电时,报警器处于通路状态;当传感器
有断路信号,报警器收到信号,即断开系统通路,发
出报警声音信号,并显示发生故障。
21411结构与工作原理
故障报警系统(图4)工作正常时,输入端A、B
均为1(表示温度和土壤传感器工作均为正常)。这
时,三级管T1导通,系统为通路;三级管T2截止,蜂
鸣报警器DL不响;状态指示灯HLA和HLB全亮。
如果系统中某路出现断路故障,其状态将由1状态
变为0状态。这时,T1截止,系统变为断路;T2导
通,蜂鸣报警器DL报警;故障端对应的指示灯熄
灭,让人对故障源一目了然。
A.土壤水分传感器接入点;B.温度传感器接入点;HLA.土壤水分传感器状态指示灯;
HLB.温度传感器状态示意灯;K.触电开关
图4故障报警系统示意图
FIGURE4Diagramofalarmsystem
21412使用方法
2141211故障报警系统的安装
1)将指示灯和蜂鸣报警器置于监控室内,方便
观测和远程控制。
2)初始状态保证A、B端接受状态均为1。
2141212日常管理
1)定期清洁报警系统中的尘土等,避免有水渗
入系统,而发生短路或者误报现象。
2)在部分高寒地区,二极管、三极管在冬季露天
时需要密封保护,以免低温损坏晶体管。
2.5手动系统开关设计
手动系统开关并联于自动控制系统,直接与喷
水系统串联,设置于监控室内。在紧急情况(如火
情、扬尘等)时,可直接开启喷水系统,完成地表覆水
任务。
216喷水系统
喷水系统采用当前较为节水的喷灌或滴灌[7],
串联于整体控制系统,直接受控制系统操控。
3结论与讨论
自动灌溉系统分为控制系统和喷水系统两大部
分,控制系统又由自动控制和手动控制两部分组成。
自动控制部分分别由开关式土壤水分传感器、开关
式温度传感器和故障报警系统构成,可令该系统更
加自动化、人性化的完成灌溉任务。
与目前普遍采用的智能灌溉系统相比,该系统
不仅继承了自动化、节水、省人力的优点,还具有以
下优点:
1)有效地将土壤水分传感器和温度传感器结合
在一起,实现两种传感器对灌溉系统的同时、同步控
制,进一步向智能化系统迈进。
2)增加了故障报警装置,令系统更加有效的运
行,而且远程报警、故障定位等功能让人更加及时准
确地掌握故障信息。
3)手动开关功能的设置,令该灌溉系统更加人
性化,具备了在特殊情况的自主操控性能。
191增刊2焦一之等:生态工程自动灌溉系统的设计
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近年来,随着工农业发展脚步的加快、人类活动
能力的加深,生态环境问题日趋紧迫[8]。该系统在
进行生态修复工程中,响应国家“发展和谐社会,提
倡节约型生产”的号召,有效节约了水资源,在节水
生产的实践中可起到一定的积极作用。
参考文献
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(责任编辑李文军)
291北京林业大学学报第30卷
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