控制数路多路磁耦合Z80开关调节器数据、单板机1时钟土1Y壤/负压T地湿效传感器址据度传口电源总总线线磁病合感、开关囍A/DT信号e转换负压放大器传感器D打印机电源图2.9负压计土壤湿度监测系统（五）MP系列土壤水分探测仪现以澳大利亚产MP系列土壤水分探测仪为例加以介绍。MP应用王壤含水量随表观介电常数变化而变化的原理来测定土壤容积含水量（土壤水分容积与土壤容积之比，m2·m3或%）。介电常数变化被转换为直流电压，直流电压在广泛的工作范围内与土壤含水量直接相关。0m2m对应着完全干燥的土壤，而纯水的读数为1m·m。MP由一个内含电子元件的防水室和与之一端相连的四个不锈钢探针组成。测定土壤水分时，探针直接插入土壤，电缆接通配套电源，不断产生电信号并且以电压比表示土壤性质。MP通过特殊设计的传输线产生100MHz的信号。该传输线的阻抗随土壤阻抗变化而变化。主壤阻抗包括表观介电常数和离子传导率。选用电信号的频率使离子传导率的影响最小，以使传输线阻抗变化几乎仅依赖于土壤介电常数的变化。这些变化产生一个电压驻波。驻波随探针周围介质的变化而增强或削弱由晶体管振荡器产生的电压。MP利用振荡器产生的电压和探针返回电压的差值测量士璟的表观介电常数。Toop等人多年来的研究工作表明，介电常数的平方根与土壤容积含水量存在线性关系，且这种线性关系适宜于多种土壤。输出电压在0～1VDC表示土壤介电常数在1~32，这一范围代表一般矿质土壤的容积含水量为0～0.5m·m3。（六）土壤水分遥感监测对于裸地，可利用热红外遥感土壤水分，其内容包括：一是通过热红外遥感方法获取的热图象数据推算地表温度的时空分布，二是确定土壤水分含量与地表温度之间的定量关系，推算土壤湿度的地区分布。若地表有植被覆盖时，可用多谱段遥感技术来区分植物反射和土壤反射光谱，找出主壤含水量与多谱段反射率的关系，确定主壤含水量。此外，还可采用微波遥感土壤水分和应用NOAA一AVHRR数据探测壤水分。三、土壤养分成分的监测（一）土壤养分的连续流动分析土壤养分的测定一般将土样取回后，称取一部分浸提或消煮，加入有关试剂显色或屏蔽待测组分的影响组分，然后用比色计等检测仪器测定。传统的分析方法是逐个手动显色和检测，工作效率较低。连续流动分析系统（CONTIFLO）将样品显色与检36
36 图 2.9 负压计土壤湿度监测系统 （五）MP 系列土壤水分探测仪 现以澳大利亚产 MP 系列土壤水分探测仪为例加以介绍。MP 应用土壤含水量随 表观介电常数变化而变化的原理来测定土壤容积含水量（土壤水分容积与土壤容积之 比，m 3·m -3 或%）。介电常数变化被转换为直流电压，直流电压在广泛的工作范围内 与土壤含水量直接相关。0 m 3·m -3 对应着完全干燥的土壤，而纯水的读数为 1 m 3·m -3。 MP 由一个内含电子元件的防水室和与之一端相连的四个不锈钢探针组成。测定 土壤水分时，探针直接插入土壤，电缆接通配套电源，不断产生电信号并且以电压比 表示土壤性质。MP 通过特殊设计的传输线产生 100MHz 的信号。该传输线的阻抗随土 壤阻抗变化而变化。土壤阻抗包括表观介电常数和离子传导率。选用电信号的频率使 离子传导率的影响最小，以使传输线阻抗变化几乎仅依赖于土壤介电常数的变化。这 些变化产生一个电压驻波。驻波随探针周围介质的变化而增强或削弱由晶体管振荡器 产生的电压。MP 利用振荡器产生的电压和探针返回电压的差值测量土壤的表观介电常 数。Toop 等人多年来的研究工作表明，介电常数的平方根与土壤容积含水量存在线性 关系，且这种线性关系适宜于多种土壤。输出电压在 0～1VDC 表示土壤介电常数在 1～ 32，这一范围代表一般矿质土壤的容积含水量为 0～0.5 m 3·m -3。 （六）土壤水分遥感监测 对于裸地，可利用热红外遥感土壤水分，其内容包括：一是通过热红外遥感方法 获取的热图象数据推算地表温度的时空分布，二是确定土壤水分含量与地表温度之间 的定量关系，推算土壤湿度的地区分布。若地表有植被覆盖时，可用多谱段遥感技术 来区分植物反射和土壤反射光谱，找出土壤含水量与多谱段反射率的关系，确定土壤 含水量。此外，还可采用微波遥感土壤水分和应用 NOAA—AVHRR 数据探测土壤水分。 三、土壤养分成分的监测 （一）土壤养分的连续流动分析 土壤养分的测定一般将土样取回后，称取一部分浸提或消煮，加入有关试剂显色 或屏蔽待测组分的影响组分，然后用比色计等检测仪器测定。传统的分析方法是逐个 手动显色和检测，工作效率较低。连续流动分析系统（CONTIFLO）将样品显色与检
测合为一体，使浸提样品的检测效率成倍提高。该系统由取样器、蠕动泵、反应仓、检测器、记录仪、打印机等6台设备依次连接而成。检测仪器可选择光电比色计、火焰光度计、Ph计和原子吸收分光光度计。通用流程如图2.10所示。系统的氮分析线最具特色，其三通道分析装置能够实现氨态氮、硝态氮和全氮3个项目的测定。两个取样器，一个吸取全氮试样，另一个吸取氨态氮和硝态氮试样，由同一蠕动泵分别导入3个不同的反应仓，检测器由3个型号相同、滤色片各异的比色计组成。加上4通道记录仪和打印机等，每小时可完成60个样品180项次测定。端动泵品反应仓-1L国打印机1混合螺管试剂恒温渗析器检测器-SSSS仪加热减炎米空气！1废液111废液池图2.10土壤试样自动测试分析流程（薛敬贞等，1991）（二）土壤养分成分监测一一ISFET法ISFET（lonSensitiveFieldEffectTransistor）即离子敏场效应晶体管或称离子选择性场效应管。它是一种新型半导体器件，能在被测离子作用下产生相应的漏一源电流IDs，以显示该种离子的浓度。其离子的主要探测元件为固态或液态的离子敏感膜，选择不同的敏感膜，可以测定不同的离子浓度。也可以将H+、K+、Na、CI等离子敏感膜集成在一个芯片上，通过模拟开关使4个ISFET输出信号，分别测定离子的浓度。对于壤营养监测来说，ISFET器件的技术关键是在于离子选择性敏感膜的研制。可以将多ISFET传感器集成到FIA（FlowInjectionAnalysis）系统中进行土壤营养成分的监测。也可以用ISFET连续检测土壤pH值。四、智能化农田节水灌溉监控系统由中国科学院南京土壤研究所研制的智能化农田节水灌溉监控系统，可用于自动监测土壤水分、土壤温度、大气温度与湿度、土壤离子总浓度、地下水位等农田参数，对农田节水灌溉、作物适宜播种期、土壤肥力状况实施智能化管理。（一）系统构成该系统由多路传感器、系统信息采集主机、微机及外设等组成。1.传感器传感器包括水势、水位、温度、离子总浓度、相对湿度等5种传感器。水位与土壤水势传感器由陶土管负压计和半导体压力传感器组成，通过感知土壤吸水力来测量湿度的高低，当由1.5mA衡流电源供电时，输出0100mV电压（对应0~100Kpa压力范围）。温度传感器由单片集成温度传感器构成，以温度一电流转换输出，能工作在外加十4V～十30V电压范围内工作，高阻电流源（在一50℃～十100℃范围内）以37
37 测合为一体，使浸提样品的检测效率成倍提高。该系统由取样器、蠕动泵、反应仓、 检测器、记录仪、打印机等 6 台设备依次连接而成。检测仪器可选择光电比色计、火 焰光度计、Ph 计和原子吸收分光光度计。通用流程如图 2.10 所示。 系统的氮分析线最具特色，其三通道分析装置能够实现氨态氮、硝态氮和全氮 3 个项目的测定。两个取样器，一个吸取全氮试样，另一个吸取氨态氮和硝态氮试样， 由同一蠕动泵分别导入 3 个不同的反应仓，检测器由 3 个型号相同、滤色片各异的比 色计组成。加上 4 通道记录仪和打印机等，每小时可完成 60 个样品 180 项次测定。 图 2.10 土壤试样自动测试分析流程（薛敬贞等，1991） （二）土壤养分成分监测——ISFET 法 ISFET（Ion Sensitive Field Effect Transistor）即离子敏场效应晶体管或称离子选择 性场效应管。它是一种新型半导体器件，能在被测离子作用下产生相应的漏—源电流 IDS，以显示该种离子的浓度。其离子的主要探测元件为固态或液态的离子敏感膜，选 择不同的敏感膜，可以测定不同的离子浓度。也可以将 H ＋、K ＋、Na ＋、Cl－等离子敏 感膜集成在一个芯片上，通过模拟开关使 4 个 ISFET 输出信号，分别测定离子的浓度。 对于土壤营养监测来说，ISFET 器件的技术关键是在于离子选择性敏感膜的研制。可 以将多 ISFET 传感器集成到 FIA（Flow Injection Analysis）系统中进行土壤营养成分的 监测。也可以用 ISFET 连续检测土壤 pH 值。 四、智能化农田节水灌溉监控系统 由中国科学院南京土壤研究所研制的智能化农田节水灌溉监控系统，可用于自动 监测土壤水分、土壤温度、大气温度与湿度、土壤离子总浓度、地下水位等农田参数， 对农田节水灌溉、作物适宜播种期、土壤肥力状况实施智能化管理。 （一）系统构成 该系统由多路传感器、系统信息采集主机、微机及外设等组成。 1．传感器 传感器包括水势、水位、温度、离子总浓度、相对湿度等 5 种传感器。水位与土 壤水势传感器由陶土管负压计和半导体压力传感器组成，通过感知土壤吸水力来测量 湿度的高低，当由 1.5mA 衡流电源供电时，输出 0～100mV 电压（对应 0～100Kpa 压 力范围）。温度传感器由单片集成温度传感器构成，以温度—电流转换输出，能工作在 外加＋4V～＋30V 电压范围内工作，高阻电流源（在－50℃～＋100℃范围内）以
1μA/℃来反映温度的变化，适宜于远距离传输温度信息。相对湿度传感器采用湿敏陶瓷片传感变送一体化结构，直接将被测定系统对湿度转换为0～1V标准信号。土离子总浓度传感器，由分别在两面紧贴白金丝网的多孔陶瓷片烧结而成，测量0～5KQ电阻范围，利用土壤含盐量成分与电阻关系换算得到土壤中的含盐量。2.系统主机主机由程控多路开关阵列、衡流源、隔离变送放大器和12位A/D变换器等组成。当系统主机在计算机应用程序驱动下，对多路传感器进行周期巡回检测，传感器的输出信号由程控多路开关送入隔离变送放大器，各传感器测得的微弱信号被放大，正负输出电平在土5V之间。放大后的信号电压经A/D转换器转换为12BIT数字信号，经计算机进行信息采集、处理分析并存储，测量结果能以表格或曲线方式显示和复制。（二）系统功能1.信息采集采用32通道定时和实时自动多点采集土壤水分、土壤温度、大气温湿度、土壤离子总浓度、地下水位等参数。用户可利用数据管理程序对采集的数据进行更新、打印、删除。2.信息处理与显示：在有关模型支撑下，根据采集数据计算土壤含水量、有效储水量、田间持水量、土壤空隙度、需灌水量及水泵运行需时、适宜播种期、适宜追肥期等数据。可显示或打印数据表格与动态变化曲线，包括壤水势、土壤温度、气温、大气相对湿度、离子总浓度、地下水位和土壤含水量等参数随时间动态变化曲线。3.信息管理可以确定作物灌水时期、灌水量、排水措施、预报灌溉期及水泵及动力提示、适宜播期、追肥期及追肥后土壤离子总浓度动态变化过程、地下水资源平衡状况、农田耗水速率、降水入渗速率与影响深度等。4.灌溉管理通过灌溉参数设置程序设置每块农田的灌溉面积、需灌时间、水泵出水量、警戒水势、阀门和水泵开启时间等灌溉参数。灌溉管理数据程序通过用户界面显示与灌溉有关的数据，如中午采集的气温、相对湿度以及每个灌区的需灌水量、需灌时间，并根据最近3天的水势值进行1～7天的灌溉预报。灌溉控制程序根据系统灌溉参数自动启动灌区的电磁阀和水泵进行灌溉，灌溉结束后关闭阀门和水泵，所有动作均由系统自动控制完成。五、区域水盐监测预报信息系统一一PWSIS中国农业大学石元春等在区域性的水盐运动监测预报研究基础上，借助GIS技术，建立了区域水盐监测预报信息系统PWSIS，其功能是对与区域水盐运动有关的区域基本属性数据，即气候、地学和人为因子的各类数据与水盐监测系统获取的数据，进行统一存储、管理、计算、统计、分析和应用，可以对区域地下水水盐动态、土壤旱涝、盐渍化程度作出预报，并自动绘制各种专题图幅。图2.11是PWSIS总体结构图。38
38 1µA/℃来反映温度的变化，适宜于远距离传输温度信息。相对湿度传感器采用湿敏陶 瓷片传感变送一体化结构，直接将被测定系统相对湿度转换为 0～1V 标准信号。土壤 离子总浓度传感器，由分别在两面紧贴白金丝网的多孔陶瓷片烧结而成，测量 0～5K Ω电阻范围，利用土壤含盐量成分与电阻关系换算得到土壤中的含盐量。 2．系统主机 主机由程控多路开关阵列、衡流源、隔离变送放大器和 12 位 A/D 变换器等组成。 当系统主机在计算机应用程序驱动下，对多路传感器进行周期巡回检测，传感器的输 出信号由程控多路开关送入隔离变送放大器，各传感器测得的微弱信号被放大，正负 输出电平在±5V 之间。放大后的信号电压经 A/D 转换器转换为 12BIT 数字信号，经 计算机进行信息采集、处理分析并存储，测量结果能以表格或曲线方式显示和复制。 （二）系统功能 1．信息采集 采用 32 通道定时和实时自动多点采集土壤水分、土壤温度、大气温湿度、土壤离 子总浓度、地下水位等参数。用户可利用数据管理程序对采集的数据进行更新、打印、 删除。 2．信息处理与显示： 在有关模型支撑下，根据采集数据计算土壤含水量、有效储水量、田间持水量、 土壤空隙度、需灌水量及水泵运行需时、适宜播种期、适宜追肥期等数据。可显示或 打印数据表格与动态变化曲线，包括土壤水势、土壤温度、气温、大气相对湿度、离 子总浓度、地下水位和土壤含水量等参数随时间动态变化曲线。 3．信息管理 可以确定作物灌水时期、灌水量、排水措施、预报灌溉期及水泵及动力提示、适 宜播期、追肥期及追肥后土壤离子总浓度动态变化过程、地下水资源平衡状况、农田 耗水速率、降水入渗速率与影响深度等。 4．灌溉管理 通过灌溉参数设置程序设置每块农田的灌溉面积、需灌时间、水泵出水量、警戒 水势、阀门和水泵开启时间等灌溉参数。灌溉管理数据程序通过用户界面显示与灌溉 有关的数据，如中午采集的气温、相对湿度以及每个灌区的需灌水量、需灌时间，并 根据最近 3 天的水势值进行 1～7 天的灌溉预报。灌溉控制程序根据系统灌溉参数自动 启动灌区的电磁阀和水泵进行灌溉，灌溉结束后关闭阀门和水泵，所有动作均由系统 自动控制完成。 五、区域水盐监测预报信息系统——PWSIS 中国农业大学石元春等在区域性的水盐运动监测预报研究基础上，借助 GIS 技术， 建立了区域水盐监测预报信息系统 PWSIS，其功能是对与区域水盐运动有关的区域基 本属性数据，即气候、地学和人为因子的各类数据与水盐监测系统获取的数据，进行 统一存储、管理、计算、统计、分析和应用，可以对区域地下水水盐动态、土壤旱涝、 盐渍化程度作出预报，并自动绘制各种专题图幅。图 2.11 是 PWSIS 总体结构图
信息源1基础图幅数据野外观测数据1t矢量数据管理数据库管理子系统子系统11矢量数据文件观测数据库信息应用子系统-地下水水位地下水水质土壤水动态土壤盐动态动态预报模型动态预报模型预报模型预报模型信息输出子系统磁带与磁盘文件各种表格系列图件图2.11PWSIS总体结构第五节设施农业环境监控与管理、温室环境监控与管理温室是用人工方法模拟温度、湿度、光照、空气成分和风速等生态因子，创造一个适宜生物生长、繁育的良好生态环境，实现农业生物一年四季均衡生产。其类型包括日光温室和人工光照室。模拟温室要求对温室内温度、湿度、光照、CO，等环境因子进行监控，需要采集环境信息和实现实时控制。计算机监控系统的构成如下。（一）温室环境监测系统1.温度、湿度监测温、湿度的监测是选择集成温度传感器AD590组成干湿球表综合进行的，一个温度传感器称为干球，另一个相同的温度传感器感应部位包有湿润纱布称为湿球，于球直接监测环境温度，根据干湿球温度差值计算相对湿度。2．光合有效辐射的监测光合有效辐射的测量需要选择光量子传感器，它由硅太阳能电池和匹配滤光片系统组成，在光的照射下，输出变化十分微弱的电流（约几个微安）信号，光电流与辐射强度呈线性关系。3.CO,浓度监测模拟温室内的CO2浓度日变化较剧烈。CO，气体对4.28um的红外光有强烈的吸39
39 图 2.11 PWSIS 总体结构 第五节 设施农业环境监控与管理 一、温室环境监控与管理 温室是用人工方法模拟温度、湿度、光照、空气成分和风速等生态因子，创造一 个适宜生物生长、繁育的良好生态环境，实现农业生物一年四季均衡生产。其类型包 括日光温室和人工光照室。模拟温室要求对温室内温度、湿度、光照、CO2 等环境因 子进行监控，需要采集环境信息和实现实时控制。计算机监控系统的构成如下。 （一）温室环境监测系统 1．温度、湿度监测 温、湿度的监测是选择集成温度传感器 AD 590 组成干湿球表综合进行的，一个 温度传感器称为干球，另一个相同的温度传感器感应部位包有湿润纱布称为湿球，干 球直接监测环境温度，根据干湿球温度差值计算相对湿度。 2．光合有效辐射的监测 光合有效辐射的测量需要选择光量子传感器，它由硅太阳能电池和匹配滤光片系 统组成，在光的照射下，输出变化十分微弱的电流（约几个微安）信号，光电流与辐 射强度呈线性关系。 3．CO2浓度监测 模拟温室内的 CO2 浓度日变化较剧烈。CO2 气体对 4.28µm 的红外光有强烈的吸
收，而对3.9um的红外光基本不吸收，利用双波长的光分别通过气室，由红外探测器检测两束光的光强变化，即可得到气室中CO，浓度。（二）温室环境控制系统计算机控制系统融合了自动控制技术、计算机技术和通信技术，通过检测装置获得被测对象变化过程的有关信息，经过由计算机承担的控制器分析、处理和决策，由执行装置去进行调控影响被控对象，使被控对象的变化过程满足特定的要求。模拟温室环境因子的调节控制包括温度调节（加热、冷却）、湿度调节（加湿、去湿）、光照调节（补光、遮荫）、CO2浓度调节（通风、人工增施CO2）等。温室控制属于多参数控制，一般以温度控制为主，同时辅以湿度、光照和CO浓度的控制。温室环境控制系统如图2.12所示。太阳辐射通风口人造光温度湿度记录器模拟监测仪A/D中输入转换器红外温度计记录器通心加热电信风热+口器处数字继电器输出电碰真空管理水泵计储水池算口热盘技风机机2整流器D/A转换器反馈放大器图2.12温室环境控制系统示意图（三）群体温室的网络管理白广存等研制的群体温室网络管理系统，以计算机为中心组成局部网络，系统通过应用程序软件实现网络管理。温室的各监控单元通过网络与管理机连接起来，组成两级管理系统。其程序模块包括实时数据采集程序模块、数据存储程序模块、数据处40
40 收，而对 3.9µm 的红外光基本不吸收，利用双波长的光分别通过气室，由红外探测器 检测两束光的光强变化，即可得到气室中 CO2浓度。 （二）温室环境控制系统 计算机控制系统融合了自动控制技术、计算机技术和通信技术，通过检测装置获 得被测对象变化过程的有关信息，经过由计算机承担的控制器分析、处理和决策，由 执行装置去进行调控影响被控对象，使被控对象的变化过程满足特定的要求。模拟温 室环境因子的调节控制包括温度调节（加热、冷却）、湿度调节（加湿、去湿）、光照 调节（补光、遮荫）、CO2浓度调节（通风、人工增施 CO2）等。温室控制属于多参数 控制，一般以温度控制为主，同时辅以湿度、光照和 CO2 浓度的控制。温室环境控制 系统如图 2.12 所示。 图 2.12 温室环境控制系统示意图 （三）群体温室的网络管理 白广存等研制的群体温室网络管理系统，以计算机为中心组成局部网络，系统通 过应用程序软件实现网络管理。温室的各监控单元通过网络与管理机连接起来，组成 两级管理系统。其程序模块包括实时数据采集程序模块、数据存储程序模块、数据处