比较智能灌溉系统中的不同传感器

在该项目中，我们将对用于量化计划中可用水量的不同传感器在智能灌溉应用中的应用进行比较。

1. 概要
灌溉系统的发展在农业中对于正确维护植物和提高作物产量至关重要。迄今为止，市面上有多种传感器可用于通过不同方式（即电导率、电容）测量土壤中的水分。但是，这些传感器的性能可能会因用于检测水的系统而异。在这个项目中，我们比较了用于测量植物用水需求的不同系统。我们将这项研究分为两部分；测量土壤水分和测量植物内部的水分。这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，使用蠕动泵用 250 mL 给测试植物浇水两次。我们首先使用放置被测植物的干燥土壤（Caathea）。使用蠕动泵用 250 mL 浇灌该土壤，并在 1 小时内测量传感器的响应。然后，我们在测量水传感器检测到的变化时提供了额外的 250 mL。然后记录响应，我们在灵敏度、噪音水平和响应时间方面比较了这些设备。

2. 基于土壤的含水量检测方法
2.1 5探针NPK传感器
5 探针 NPK 传感器是一种多功能设备，能够测量土壤中多达 7 种不同的参数（温度、氮、磷、钾、pH、电导率和水分）。它由 5 个可以插入土壤的金属探针组成，并且可以使用 LTT 设备与 arduino 微控制器接口，因为它使用 RS485 通信进行操作。

因此，它可以很好地表征土壤，从而能够估计所用肥料的数量、质量和水分。然而，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 值设置为 7。用 250 mL 浇灌土壤后，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，该值稳定在特定值上，当土壤再次浇水 250 mL 时，该值略有增加。以下是土壤样品浇水前后这些成分的所得值，以及信号稳定后的信号噪声 (σ)。

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 分钟的时间来稳定信号。该值用作设备的响应时间，并针对本项目中测试的所有传感器进行计算。然而，pH 信号显示出高噪声，并且在 7 到 9 之间变化很大。从磷和氮浓度获得的值是相同的，与我们测试的其他传感器获得的值相比，湿度和电导率值较低。因此，尽管该系统可以检测土壤样本中是否存在水，但我们预计该设备的灵敏度较低，更适合供应大量水的环境。

2.2. 土壤湿度&温度&EC传感器
这种工业级土壤传感器的配置类似于前面描述的 5 探针土壤传感器。在这种情况下，该系统包含 3 个可插入土壤中的耐腐蚀探头。该设备可以使用一系列金属探针测量电导率和土壤湿度，并且可以使用 LTT 设备与 arduino 微控制器连接。

与之前使用 5 探针传感器的情况相反，该设备甚至能够在加水之前测量干燥土壤的电导率，表明灵敏度更高，检测限更低。但是，获得的信号噪声比前一种情况要高，为 0.41 uS/cm。此外，与使用 5 探针传感器获得的值相比，电导率的测量值更高。加水前后电导率随时间变化的结果如下所示：

用 250 mL 浇灌土壤样品后，信号增加到大约 3250 uS/cm。传感器的响应时间明显更短，为 11 分钟，在干燥土壤中的响应在 154 uS/cm 范围内。该结果表明比 5 探针传感器具有更高的灵敏度。但是，与前一种情况相比，该传感器可以测量的参数范围（电导率和湿度）是有限的。

2.3. 电导率传感器
另一项测量土壤水分的测试是使用模拟电导率传感器（见下文）进行的。在这种情况下，在 2 个电极之间施加电压，并测量电流的变化。原则上，电流的这种变化可归因于土壤中水的存在，这会降低其电阻。然而，这种电导率也会受到土壤中盐分浓度的影响，这会降低检测的特异性。

与前面描述的 2 种方法相反，该设备可以仅使用 arduino 微控制器供电，并且不需要额外的硬件来收集信号，例如 LTT。因此，它可以更容易地整合到我们的项目中。给干燥的土壤浇水后，设备的响应时间与前一种情况相似，在 9 分钟范围内。

尽管设备的响应时间相对较短，但噪声水平高于前一种情况，导致电压的标准变化为 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。这些结果表明，与以前的方法相比，该设备的灵敏度和检测限较低。

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智能园艺应用中最广泛使用的传感器之一。该设备由单个探头组成，其电容在有水的情况下由于介质介电常数的变化而变化。因此，信号受土壤介质中离子存在的影响较小，更具体地受土壤含水量变化的影响。

与前一种情况类似，该设备可以与 arduino 微控制器连接，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明显低于之前使用电导率传感器的情况，为 0.01 V/min。

向土壤中加水后，获得的信号从 3.05 变为 2.66V，表明其灵敏度高于电导传感器的灵敏度。此外，响应时间是土壤测量测试设备中最低的，约为 1 分钟。

3. 基于植物的含水量检测方法
3.1 附着在叶子上的力传感器
获得植物水分状况信息的一种有前途的非侵入性方法是膨压分析。由于它们内部的流体压力，植物的茎和叶的结构可以保持。然而，当可用水量低时，水压降低，植物结构内的压力往往较低。水压的这些差异可以通过叶片的弯曲来间接评估，使用如下所示的力感应电阻器：

将该力感应电阻器放置在叶子表面，并使用如下所示的参考电阻器评估电阻。这种设置使我们能够通过叶子对传感器施加的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。虽然这种方法让我们能够以非侵入性方式检测植物何时浇水，但灵敏度较低，并且在添加 250 mL 水后信号从 3.35 V 变为 3.33 V。然而，我们预计，如果植物长时间保持在干燥条件下，叶片明显弯曲，这些变化将显着提高。下图显示了对来自叶片的信号力的监测：

在给植物浇水后，从传感器获得的电压从 3.35 V 降至 3.33 V。尽管传感器在用于测量叶子运动时灵敏度较低，但噪声水平明显低于以前的方法，为 40 mV/min。此外，响应时间在被测传感器中最短，为 40 秒。因此，尽管该系统的灵敏度较低，但通过叶子施加的力来测量膨压仍然是一种有前途的非侵入性方法来测量植物的水分需求。

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茎内电阻的变化中。当盐浓度高时，这是由于茎内水量低的结果，由于组织的电导率较高，电阻会降低。相反，当水的体积较大时，这可能发生在植物浇水时，这种电阻会降低。因此，这种测量可以很好地指示我们工厂的用水需求。最终设置与下图类似：

将3电极电池插入被测植物的茎内，通过对茎施加多个电压后测量接收到的信号，进行溶出伏安法测定。然后计算得到的图的斜率，然后可以推断出茎的阻力。正如预期的那样，当植物浇水时，这种阻力会增加，从初始值 370.4 kOhm 上升到 500.0 kOhm，并在添加第一笔水后随着时间的推移稳步增加。在植物第二次种植后，没有观察到对这种增加趋势的影响。

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

3.3. 茎部的开路电位测量
通过使用开路电位测量 (OCP) 进行测量植物吸水量的最终方法。当没有电流在两者之间流动时，该 OCP 与电极与参考相比的电势有关。由于溶液中的离子是带电的，当它们被吸附到电极上时，它们会产生电化学势，可以测量并与浓度相关联。为了进行这些测量，我们采用了 arduino pH 传感器的标准电位计，并将参考电极和工作电极连接到丝网印刷电极，类似于之前使用低成本恒电位仪的方法。

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 下降，从 2.44 下降到 2.03 V，表明茎中的离子浓度下降。

因此，该方法也可用于以良好的灵敏度确定植物的浇水需求。通过测量植物茎内离子的变化，可以更准确地评估需水量。然而，噪音水平很高，这可能会导致设备灵敏度低下。

4.总结
下面提供了不同测试传感器的性能摘要。

虽然 5 探针传感器在测试中提供的信息量最大，但灵敏度较低，需要较长时间才能达到稳定读数。相反，用于土壤水分测量的电容传感器结合了快速响应、相对较低的噪声和良好的灵敏度。然而，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，因为正如我们所观察到的，信号不受土壤条件的影响，而是受植物内部水分供应的影响。然而，这些方法通常是嘈杂的。在恒电位仪的情况下，由于伏安法期间收集的大量数据点，每 15 分钟仅进行 1 次测量。尽管使用 OCP 测量可以克服连续监测植物内电解质的挑战，但这种方法会导致高电化学噪声。我们测试的传感器的优点和局限性总结如下：