CN101574053A - 一种智能式作物局部根区交替灌溉控制方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种智能式作物局部根区交替灌溉控制方法及系统，该系统包括信号采集模块，用于实时地采集作物不同根区的土壤含水率信息；及控制模块，用于利用各侧根区的水分差异交替阈值、土壤含水率的上限、下限和实测土壤含水率实时信息，对灌溉系统的电机进行控制。本发明的系统适用于玉米、棉花、马铃薯等大田沟灌作物以及果树和温室蔬菜作物局部根区交替灌溉的自动控制，具有节地、节水、节能的特点，成本低廉，操作简单，便于大面积推广应用。
Description
技术领域
本发明涉及地面灌溉技术领域，特别是涉及一种智能式作物局部根区交替灌溉控制方法及系统。
背景技术
康绍忠等于1997年基于节水灌溉技术原理与作物感知缺水的根源信号理论提出了一种根系分区交替灌溉技术，该技术主动控制作物根区土壤在水平或垂直剖面的某个区域的水分状况，使作物根区始终有一部分生长在干燥或较为干燥的环境中，限制该部分的根系吸水，同时通过人工控制使根系在水平或垂直剖面的干燥区域交替出现，使干燥区的根系产生水分胁迫信号传递到叶气孔从而有效调节气孔运动，而处于湿润区的根系从土壤中吸收水分以满足作物的生命健康需水，使对作物的伤害保持在临界限度以内。同时由于表层土壤总是仅有部分区域湿润，既可减少棵间全部湿润时的无效蒸发损失和总的灌溉用水量，也可降低土壤机械强度、改善土壤的通透性，促进根系的补偿生长，提高根系对水分、养分的利用率，提高矿质养分的有效性，以达到不牺牲作物的光合产物累积而大量节水的目的。
传统的地面灌溉技术存在劳动强度大、施肥粗放和水分养分浪费严重等问题，而滴灌、微喷灌等先进的节水灌溉技术虽然节省劳动力而且节水节肥效果显著，但同时又存在易于堵塞、盐分累积、造价较高以及管理复杂等缺陷。结合田间现有供水系统实施根系分区交替灌溉改造是一种节水、高效、简便易行的方式，而且进一步挖掘了作物自身的生理节水潜力并人为创造了一个高效用水的局部环境，是现代节水农业发展的新方向。目前，申请人与合作者设计了“一种地表间隔灌溉装置”(专利号：ZL 03219010.7，公开号：CN2618430)。此外，针对大田和温室滴灌、渗灌条件下在根区水平向和垂向实施交替灌溉，还提出了“一种果树根区交替滴灌的灌溉系统”(专利号：ZL200420041661.0，公开号：CN2696310)和“一种根系分层灌溉装置”(专利号：ZL 03219009.3，公开号：CN2618431)，设计了“一种适用于交替灌溉的灌水管”(专利号：ZL 200420041614.6，公开号：CN2681547)，但灌溉系统易出现机械故障、设备费用高、操作较复杂，而且自动化程度较低，限制了该技术的应用和推广。
因此，现有地面灌溉技术仍然存在以下几个方面的问题：
1.已有的根系分区交替灌溉装置需要借助其他试验观测资料判断作物根区的实际含水情况，确定是否需要灌水以及何时需要交替灌水，严重影响了控制的精度，往往会错过作物需水的关键期而造成减产。
2.已有的根系分区交替灌溉装置还停留在手动控制阶段，需通过机械或连杆的操作实现作物局部根区的交替灌溉，费时费力，响应速度较慢。
3.已有的根系分区交替灌溉装置自动化程度较低，没有实现人机交换和基于土壤水分实时监测的智能控制，不能真正满足作物健康生长的最佳水环境需求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种智能式作物局部根区交替灌溉控制系统，包括：
信号采集模块，用于实时地采集作物不同根区的土壤含水率信息，上述根区的选择原则是：对于大田或温室作物隔沟交替灌溉一般是在左右两侧根区，对于果树一般是根据树龄，选择树冠投影内的1/3～1/6根区；及
控制模块，用于利用各侧根区的水分差异交替阈值、灌溉作物的土壤含水率的上限、下限和土壤含水率实时信息，对灌溉系统的电机进行控制，当存在土壤含水率低于该根区灌溉作物的土壤含水率下限的根区时，控制模块控制灌溉系统的电机开始启动，对该根区进行灌水，直至该根区的土壤含水率达到灌溉作物的土壤含水率上限。当判断所有待灌溉根区的土壤含水率均不低于该根区灌溉作物的土壤含水率下限时，进一步判断各侧根区的土壤含水率的差值是否低于各侧根区的水分差异交替阈值，若是，则控制模块控制灌溉系统的电机开始启动，对土壤含水率相对较低的根区灌水，直至该根区的土壤含水率达到灌溉作物的土壤含水率上限；若否，则判断土壤含水率相对较低的根区的土壤含水率是否低于灌溉作物的土壤含水率上限，若是，则控制模块控制灌溉系统的电机开始启动，对土壤含水率相对较低的根区灌水，直至该根区的土壤含水率达到灌溉作物的土壤含水率上限。
其中，所述系统还包括电机驱动模块，所述电机驱动模块用于接收所述控制模块的控制信号，以驱动所述灌溉系统的电机实现交替灌溉作物不同根区。
所述控制模块控制灌溉系统的电机开始启动具体为：开启所述灌溉系统的交替闸阀，启动控制模块的电机驱动模块，开启与需要灌水的根区相应的出水口或毛管，所述电机驱动模块驱动所述灌溉系统的电机进行工作。
所述信号采集模块为土壤水分传感器，所述土壤水分传感器用于实时地采集作物不同根区的土壤含水率信息，并将所述土壤含水率信息转化成电压信号。所述系统还包括信号放大电路，所述信号放大电路用于将来自所述土壤水分传感器的电压信号放大；
所述系统还包括采样保持电路和模数转换电路，所述采样保持电路用于稳定来自所述信号放大电路的电压信号，所述模数转换电路将来自采样保持电路的电压信号进行模数转换，然后传输到控制模块。
所述模数转换电路由ADC0809实现，所述电机驱动模块由L298N实现，所述控制模块由51系列单片机实现。所述灌溉系统为沟灌、滴灌或微喷灌，且控制系统由太阳能供电。
所述控制系统还包括显示屏，所述显示屏用于接收所述数据处理模块的控制信号，以显示所述控制模块中的数据，所显示的数据包括：通过所述信号采集模块采集的作物不同根区的实时土壤含水率；通过试验确定的各侧根区的水分差异交替阈值、灌溉作物的土壤含水率的上限、下限及当前灌水的根区相对位置。其中水分差异交替阈值因不同作物的不同生育期而变，利用人机交互功能进行输入和修改。
本发明的目的还在于提供一种智能式作物局部根区交替灌溉控制方法，包括以下步骤：
S1，利用信号采集模块实时地采集作物所有待灌溉根区的土壤含水率信息，并向控制模块传送该信息；上述根区的选择原则是：对于大田或温室作物隔沟交替灌溉一般是在左右两侧根区，对于果树一般是根据树龄，选择树冠投影内的1/3～1/6根区。
S2，控制模块利用各侧根区的水分差异交替阈值、灌溉作物的土壤含水率的上限、下限和土壤含水率实时信息，对灌溉系统的电机进行控制，当存在土壤含水率低于该根区灌溉作物的土壤含水率下限的根区时，控制模块控制灌溉系统的电机开始启动，对该根区进行灌水，直至该根区的土壤含水率达到灌溉作物的土壤含水率上限。当判断所有待灌溉根区的土壤含水率均不低于该根区灌溉作物的土壤含水率下限时，进一步判断各侧根区的土壤含水率的差值是否低于各侧根区的水分差异交替阈值，若是，则控制模块控制灌溉系统的电机开始启动，对土壤含水率相对较低的根区灌水，直至该根区的土壤含水率达到灌溉作物的土壤含水率上限；若否，则判断土壤含水率相对较低的根区的土壤含水率是否低于灌溉作物的土壤含水率上限，若是，则控制模块控制灌溉系统的电机开始启动，对土壤含水率相对较低的根区灌水，直至该根区的土壤含水率达到灌溉作物的土壤含水率上限。
其中，所述控制模块控制灌溉系统的电机开始启动的步骤具体为：开启所述灌溉系统的交替闸阀，启动控制模块的电机驱动模块，开启与需要灌水的根区相应的出水口或毛管，所述电机驱动模块驱动所述灌溉系统的电机进行工作。
所述步骤S1与步骤S2之间还包括：
S12，利用信号采集模块将所述土壤含水率信息转化成电压信号，然后利用信号放大电路将所述电压信号放大，并传输给采样保持电路；
S13，利用所述采样保持电路实现所述电压信号的稳定，并利用模数转换电路将所述电压信号进行模数转换，然后传输到控制模块。
所述步骤S2之后还包括：步骤S21，利用显示屏接收所述控制模块的控制信号，以显示存储在所述控制模块中的数据，所显示的数据包括：通过所述信号采集模块采集的作物不同根区的实时土壤含水率；通过试验确定的各侧根区的水分差异交替阈值、灌溉作物的土壤含水率的上限、下限及当前灌水的根区相对位置。其中水分差异交替阈值因不同作物的不同生育期而变，利用人机交互功能进行输入和修改。
上述技术方案具有如下优点：本发明利用已有试验研究结果实现了对作物交替灌溉周期和灌水时间的智能判断和自动控制，适用于玉米、棉花、马铃薯等大田沟灌作物以及果树和温室蔬菜植物，具有节地、节水、节能的特点，成本低廉，操作简单，性能精确，便于大面积推广应用。
附图说明
图1是本发明实施例的智能式作物局部根区交替灌溉控制方法流程图；
图2是本发明实施例的数据处理模块的控制流程图；
图3是本发明实施例的智能式作物局部根区交替灌溉控制系统的结构示意图；
图4是本发明实施例的智能式作物局部根区交替灌溉控制系统的电路原理图；
图5是本发明实施例的智能式作物局部根区交替灌溉控制系统在沟灌条件下的田间应用示意图；
图6是本发明实施例的智能式作物局部根区交替灌溉控制系统在滴灌或微喷灌条件下的田间应用示意图。
图中，为闸阀，
为本控制系统的安装位置。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
如图1所示，为本发明实施例的智能式作物局部根区交替灌溉控制方法流程图，包括以下步骤：
步骤101，利用信号采集模块实时地采集作物不同根区的土壤含水率信息，并将其转化成电压信号，该电压信号范围在0～1V，利用信号放大电路将所述电压信号进行放大至0～5V，并传输给采样保持电路；上述根区的选择原则是：由于本实施例的灌溉对象选择大田隔沟交替灌溉，因此选择作物的左右两侧根区。其中信号采集模块为土壤水分传感器。
步骤102，利用所述采样保持电路实现所述电压信号的稳定，并利用模数转换电路将所述电压信号进行模数转换，转换为8位数字信号，然后传输到控制模块；
步骤103，所述控制模块利用各侧根区的水分差异交替阈值、灌溉作物的土壤含水率的上限、下限和所接收的电压信号，根据判断流程对电机驱动模块进行控制，并控制显示屏显示数据，所述电机驱动模块驱动灌溉系统中的电机实现交替灌溉作物。控制系统的电源由太阳能供电。
其中，所述步骤103中的判断流程即本发明实施例的数据处理模块的控制流程图，如图2所示，为：
P1，根据所述电压信号判断是否存在土壤含水率低于灌溉作物的土壤含水率下限的根区，如果是，执行步骤P3，对土壤含水率低于灌溉作物的土壤含水率下限的根区进行灌水，否则执行步骤P2；
P2，根据所述电压信号判断各侧根区的土壤含水率的差值是否低于各侧根区的水分差异交替阈值，如果是，执行步骤P3，对土壤含水率相对较低的根区进行灌水，否则执行步骤P4；
P3，开启所述灌溉系统的交替闸阀，启动控制模块的电机驱动模块，开启与需要灌水的根区相应的出水口或毛管，电机驱动模块驱动灌溉系统的电机进行工作，对该根区进行灌水，开始灌水后，执行步骤P4；
P4，判断进行灌水的根区的土壤含水率是否低于灌溉作物的土壤含水率上限，若是，执行步骤P3，否则，停止灌水，结束本次流程。
其中，利用显示屏接收所述控制模块的控制信号，以显示所述控制模块中的数据，所显示的数据包括：通过所述土壤水分传感器采集的作物不同根区的实时土壤含水率；通过试验确定的各侧根区的水分差异交替阈值、灌溉作物的土壤含水率的上限、下限及当前灌水的根区相对位置。
上述方法中根区的选择原则可以替换为：若灌溉对象选择温室作物隔沟交替灌溉，则根区选择作物左右两侧根区；若灌溉对象选择果树，则根据果树的树龄，选择树冠投影内的1/3～1/6的根区。上述灌溉系统可以替换为滴灌或微喷灌。
图3是本发明实施例的智能式作物局部根区交替灌溉控制系统的结构示意图，如图3所示，包括：
土壤水分传感器301和信号放大电路302，所述土壤水分传感器用于实时地采集作物不同根区的土壤含水率信息，并将其转化成电压信号，该电压信号范围在0～1V，所述信号放大电路用于将所述电压信号进行放大至0～5V，并传输给采样保持电路；上述根区的选择原则是：由于本实施例的灌溉对象选择大田的隔沟交替灌溉，因此选择作物左右两侧根区。
采样保持电路303和模数转换电路304，所述采样保持电路实现所述电压信号的稳定，所述模数转换电路用于将所述电压信号进行模数转换，转换为8位数字信号，并传输到控制模块；
控制模块305，利用各侧根区的水分差异交替阈值和灌溉作物的土壤含水率的上限、下限和来自所述信号采集模块的电压信号，根据判断流程利用所接收的电压信号对电机驱动模块进行控制，并控制显示屏显示数据；
电机驱动模块306，用于驱动灌溉系统307中的电机实现交替灌溉作物。控制系统的电源由太阳能供电；及
显示屏308，所述显示屏用于接收所述控制模块的控制信号，以显示存储在所述控制模块中的数据，所显示的数据包括：通过所述土壤水分传感器采集的作物不同根区的实时土壤含水率；通过试验确定的各侧根区的水分差异交替阈值、灌溉作物的土壤含水率的上限、下限及当前灌水的根区相对位置。所述显示屏为中文液晶显示模块。
其中，所述模数转换电路由ADC0809实现。所述电机驱动模块由L298N实现。所述控制模块由51系列单片机实现。所述灌溉系统为沟灌。
其中，所述判断流程为：
P1，根据所述电压信号判断是否存在土壤含水率低于灌溉作物的土壤含水率下限的根区，如果是，执行步骤P3，否则执行步骤P2；
P2，根据所述电压信号判断各侧根区的土壤含水率的差值是否低于各侧根区的水分差异交替阈值，如果是，执行步骤P3，否则执行步骤P4；
P3，开启所述灌溉系统的交替闸阀，启动控制模块的电机驱动模块，开启与需要灌水的根区相应的出水口或毛管，电机驱动模块驱动灌溉系统的电机进行工作，对该根区进行灌水；
P4，根据所述电压信号判断是否存在土壤含水率低于灌溉作物的土壤含水率上限的根区，如果是执行步骤P3，否则，结束所述判断流程。
上述系统中根区的选择原则可以替换为：若灌溉对象选择温室作物隔沟交替灌溉，则根区选择作物左右两侧根区；若灌溉对象选择果树，则根据果树的树龄，选择树冠投影内的1/3～1/6的根区。上述灌溉系统可以替换为滴灌或微喷灌。
本发明实施例的智能式作物局部根区交替灌溉控制系统的电路原理图如图4所示，其中(1)为土壤水分传感器和信号放大电路；(2)为采样保持电路和模数转换电路；(3)为显示屏；(4)为控制模块CPU；(5)为电机驱动模块；(6)为灌溉系统中的电机。图5和图6为本发明实施例的智能式作物局部根区交替灌溉控制系统在沟灌、滴灌或微喷灌条件下的田间应用示意图。如图5和图6所示，本发明实施例的控制系统安装于沟灌、滴灌或微喷灌的支管上，图5中灌溉系统为沟灌，其中的作物，即灌溉对象，为玉米、棉花、马铃薯等大田沟灌作物或果树、温室蔬菜作物等，图6中灌溉系统为滴灌或微喷灌。其中，灌溉对象为果树。
由以上实施例可以看出，本发明的实施例利用已有试验研究结果实现了对作物交替灌溉周期和灌水时间的智能判断和自动控制，适用于玉米、棉花、马铃薯等大田沟灌作物以及果树和温室蔬菜作物，具有节地、节水、节能的特点，成本低廉，操作简单，性能精确，便于大面积推广应用。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (14)
1、一种智能式作物局部根区交替灌溉控制系统，其特征在于，包括：
信号采集模块，所述信号采集模块用于实时地采集作物不同根区的土壤含水率信息；及
控制模块，所述控制模块用于利用各侧根区的水分差异交替阈值、土壤含水率的上限、下限和土壤含水率实时信息，对灌溉系统的电机进行控制，当存在土壤含水率低于该根区灌溉作物的土壤含水率下限的根区时，控制模块控制灌溉系统的电机开始启动，对该根区进行灌水，直至该根区的土壤含水率达到灌溉作物的土壤含水率上限。
2、如权利要求1所述的智能式作物局部根区交替灌溉控制系统，其特征在于，当判断所有待灌溉根区的土壤含水率均不低于该根区灌溉作物的土壤含水率下限时，进一步判断各侧根区的土壤含水率的差值是否低于各侧根区的水分差异交替阈值，若是，则控制模块控制灌溉系统的电机开始启动，对土壤含水率相对较低的根区灌水，直至该根区的土壤含水率达到灌溉作物的土壤含水率上限；若否，则判断土壤含水率相对较低的根区的土壤含水率是否低于灌溉作物的土壤含水率上限，若是，则控制模块控制灌溉系统的电机开始启动，对土壤含水率相对较低的根区灌水，直至该根区的土壤含水率达到灌溉作物的土壤含水率上限。
3、如权利要求1所述的智能式作物局部根区交替灌溉控制系统，其特征在于，所述系统还包括电机驱动模块，所述电机驱动模块用于接收所述控制模块的控制信号，以驱动所述灌溉系统的电机实现交替灌溉作物不同根区。
4、如权利要求1或2所述的智能式作物局部根区交替灌溉控制系统，其特征在于，所述控制模块控制灌溉系统的电机开始启动具体为：开启所述灌溉系统的交替闸阀，启动控制模块的电机驱动模块，开启与需要灌水的根区相应的出水口或毛管，所述电机驱动模块驱动所述灌溉系统的电机进行工作。
5、如权利要求1所述的智能式作物局部根区交替灌溉控制系统，其特征在于，所述信号采集模块为土壤水分传感器，所述土壤水分传感器用于实时地采集作物不同根区的土壤含水率信息，并将所述土壤含水率信息转化为电压信号。
6、如权利要求3所述的智能式作物局部根区交替灌溉控制系统，其特征在于，所述系统还包括信号放大电路，所述信号放大电路用于将来自所述土壤水分传感器的电压信号放大；
所述系统还包括采样保持电路和模数转换电路，所述采样保持电路用于稳定来自所述信号放大电路的电压信号，所述模数转换电路将来自采样保持电路的电压信号进行模数转换，然后传输到控制模块。
7、如权利要求6所述的智能式作物局部根区交替灌溉控制系统，其特征在于，所述模数转换电路由ADC0809实现，所述电机驱动模块由L298N实现，所述控制模块由51系列单片机实现。
8、如权利要求1所述的智能式作物局部根区交替灌溉控制系统，其特征在于，所述系统还包括显示屏，所述显示屏用于接收所述控制模块的控制信号，以显示所述控制模块中的数据，所显示的数据包括：通过所述信号采集模块采集的作物不同根区的实时土壤含水率；通过试验确定的各侧根区的水分差异交替阈值、土壤含水率的上限、下限及当前灌水的根区相对位置。
9、如权利要求1所述的智能式作物局部根区交替灌溉控制系统，其特征在于，所述灌溉系统为沟灌、滴灌或微喷灌，且所述控制系统由太阳能供电。
10、一种智能式作物局部根区交替灌溉控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，利用信号采集模块实时地采集作物所有待灌溉根区的土壤含水率信息，并向控制模块传送该信息；
S2，控制模块利用各侧根区的水分差异交替阈值、土壤含水率的上限、下限和土壤含水率实时信息，对灌溉系统的电机进行控制，当存在土壤含水率低于该根区灌溉作物的土壤含水率下限的根区时，控制模块控制灌溉系统的电机开始启动，对该根区进行灌水，直至该根区的土壤含水率达到灌溉作物的土壤含水率上限。
11、如权利要求10所述的智能式作物局部根区交替灌溉控制方法，其特征在于，当判断所有待灌溉根区的土壤含水率均不低于该根区灌溉作物的土壤含水率下限时，进一步判断各侧根区的土壤含水率的差值是否低于各侧根区的水分差异交替阈值，若是，则控制模块控制灌溉系统的电机开始启动，对土壤含水率相对较低的根区灌水，直至该根区的土壤含水率达到灌溉作物的土壤含水率上限；若否，则判断土壤含水率相对较低的根区的土壤含水率是否低于灌溉作物的土壤含水率上限，若是，则控制模块控制灌溉系统的电机开始启动，对土壤含水率相对较低的根区灌水，直至该根区的土壤含水率达到灌溉作物的土壤含水率上限。
12、如权利要求10或11所述的智能式作物局部根区交替灌溉控制方法，其特征在于，所述控制模块控制灌溉系统的电机开始启动的步骤具体为：开启所述灌溉系统的交替闸阀，启动控制模块的电机驱动模块，开启与需要灌水的根区相应的出水口或毛管，所述电机驱动模块驱动所述灌溉系统的电机进行工作。
13、如权利要求10所述的智能式作物局部根区交替灌溉控制方法，其特征在于，所述步骤S1与步骤S2之间还包括：
S12，利用信号采集模块将所述土壤含水率信息转化成电压信号，然后利用信号放大电路将所述电压信号放大，并传输给采样保持电路；
S13，利用所述采样保持电路实现所述电压信号的稳定，并利用模数转换电路将所述电压信号进行模数转换，然后传输到控制模块。
14、如权利要求10所述的智能式作物局部根区交替灌溉控制方法，其特征在于，所述步骤S2之后还包括：步骤S21，利用显示屏接收所述控制模块的控制信号，以显示存储在所述控制模块中的数据，所显示的数据包括：通过所述信号采集模块采集的作物不同根区的实时土壤含水率；通过试验确定的各侧根区的水分差异交替阈值、土壤含水率的上限、下限及当前灌水的根区相对位置。
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