CN102870654A - 作物非充分灌溉控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及作物非充分灌溉预报及控制技术领域，公开了一种作物非充分灌溉控制系统及方法。本发明通过建立包括不同地区不同作物不同生育阶段作物需水量、蒸发皿系数及非充分灌溉允许的水分亏缺百分数等资料的数据库，通过数据自动采集系统采集蒸发皿水面蒸发量和降雨量数据，利用公式计算灌水开始时间和灌水持续时间，并通过控制器系统实现非充分灌溉的预报和控制。本发明适用于干旱半干旱地区大田作物、园林及设施农业的非充分灌溉预报及控制，适应于喷灌、滴灌、淹灌等多种灌溉方式。本发明应用范围广，方法简单，成本低，精度有保障，自动化程度高。

Description

作物非充分灌溉控制系统及方法

技术领域

本发明涉及作物灌溉预报及控制技术领域，特别是涉及一种作物非充分灌溉控制系统及方法。

背景技术

随着经济社会的不断发展，水资源供需矛盾越来越突出，为了缓解我国水资源供需矛盾，农业作为用水大户，节水潜力巨大。我国的灌溉水利用率低，浪费现象普遍存在。目前，我国灌溉水利用系数平均为0.50，远低于0.7~0.8的世界先进水平。为了提高灌溉水利用效率，除了采用先进的节水灌溉工程外，还要提高灌溉的管理水平。因此有必要进行灌溉预报及控制的研究，解决“什么时候灌水”及“灌多少水”的问题，实现水资源的高效管理和利用。

目前，灌溉预报及控制主要是以土壤含水量、土壤水势和水面蒸发量为依据。土壤含水量的测量方法有烘干法、TDR法、中子法等。土壤水势主要是使用负压计进行测量，根据负压计的压力计的差别，又分为真空压力表负压计、水银压力计负压计、电子负压计等。水面蒸发量的测量主要是使用蒸发皿，蒸发皿也有许多种规格，例如：国外的A级蒸发皿，我国的E-601型蒸发器、20cm口径的小型蒸发皿等。用土壤含水量和土壤水势进行灌溉预报及控制的不足之处主要在于，它只是测量某些点的土壤含水量或土壤水势，并不能准确反映大面积上的土壤水分状况，尤其对于土壤变异性大的地区，这两种方法就更有它的局限性。而蒸发皿具有气象要素“综合器”的作用，它可以反映温度、湿度、风速和太阳能辐射对蒸发力的综合影响，并且可以反映大尺度的蒸发情况。另外，由于蒸发皿的水面蒸发量易于获得并且比较稳定，用蒸发皿的水面蒸发量来估算作物需水量在我国有广泛的应用。

国内外很多研究者利用20cm小型蒸发皿水面蒸发量作为依据来控制灌溉。黄兴法等以20cm小型蒸发皿水面蒸发量控制灌溉，研究了充分灌溉与调亏灌溉条件下苹果树微喷灌的耗水量；雷廷武等利用20cm小型蒸发皿水面蒸发量控制西瓜的灌水量。研究者还设计了以蒸发皿为基础的灌溉预报装置，例如张振华设计的《一种水量自动补给衡水位蒸发测量装置》（公开号CN2788149Y）；张寄阳等设计的《基于蒸发量的灌溉预警装置及其操作方法》（公开号CN101236260A）。

但是，用蒸发皿的水面蒸发量进行灌溉预报和控制还存在一些问题需要进一步研究和解决。例如：

（1）现有的方法或只是测量蒸发量，或只是进行灌溉预警，没有实现智能式灌溉预报及控制；（2）现有的利用蒸发皿水面蒸发量进行灌溉预报的方法和系统没有应用于非充分灌溉；（3）由于蒸发皿的水面蒸发量值比较小，现有测量水面蒸发量的装置精度不够高。

发明内容

（一）要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是：如何提高非充分灌溉的预报及控制精度。

（二）技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供一种作物非充分灌溉控制系统，包括马氏瓶、集水桶、电磁阀、液位传感器、称重传感器、单片机以及PC机，所述液位传感器和称重传感器分别与单片机连接，所述单片机分别与电磁阀和PC机连接，所述液位传感器安装于马氏瓶上，所述集水桶位于称重传感器上；

所述液位传感器用于测量马氏瓶的液位变化量并发送给单片机；

所述称重传感器用于测量集水桶的重量变化量并发送给单片机；

所述单片机用于将所接收的所述液位变化量和重量变化量发送给PC机，并在接收来自所述PC机的指令后控制电磁阀的开闭，从而实现对作物的灌溉控制；

所述PC机用于根据所接收的液位变化量和重量变化量判断是否需要对作物进行灌水，并且在需要灌水时计算灌水量和灌水持续时间，并根据灌水量、灌水开始时间和灌水持续时间发送指令给单片机。

优选地，所述单片机通过放大驱动电路与电磁阀连接，所述单片机具体用于通过所述放大驱动电路控制电磁阀的开闭。

优选地，所述马氏瓶上设有进气口，所述集水桶位于所述进气口的下方。

优选地，所述系统还包括蒸发皿和补水桶，所述蒸发皿与所述马氏瓶通过一软管连接，所述软管上设有一止水阀，马氏瓶与补水桶通过另一软管连接，所述另一软管上设有另一止水阀。

优选地，马氏瓶的半径比所述蒸发皿的半径小整数倍。

本发明还提供了一种利用所述系统对作物进行灌溉控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1，PC机根据预设地区的预定作物在第i个生育阶段的作物需水量和蒸发皿系数，计算作物允许的累积水面蒸发量；

S2，PC机根据液位传感器测得的马氏瓶液位变化量计算实际累积水面蒸发量，并根据称重传感器测得的集水桶重量变化量确定降雨量；

S3，PC机根据所述实际累积水面蒸发量、作物允许的累积水面蒸发量，判断是否需要对作物进行灌水，如果是，则执行步骤S4，否则返回步骤S2；

S4，PC机根据水泵的流量、灌溉面积及降雨量，计算灌水量和灌水持续时间；

S5，PC机根据所述灌水量、灌水开始时间和灌水持续时间发送指令给单片机，单片机接收到所述指令后控制电磁阀的开闭对作物进行灌溉，当达到所述灌水持续时间时，灌水结束。

优选地，在步骤S1中，作物允许的累积水面蒸发量的计算公式为：

ET_0i允=ET_i/α_i

其中，ET_0i允为作物在第i个生育阶段允许的累积水面蒸发量（mm），ET_i为作物在第i个生育阶段的作物需水量（mm），α_i为作物在第i个生育阶段的蒸发皿系数。

优选地，在步骤S2中，所述实际累积水面蒸发量的计算公式为：

ET_0实=(R²/100)H

其中，ET_0实为作物的实际累积水面蒸发量(mm)，R为马氏瓶的底面半径(cm)，H为液位传感器测得的马氏瓶液位变化量(mm)。

优选地，在步骤S4中，灌水量的计算公式为：

W＝D_p(α_iET_0实-βP)

灌水持续时间的计算公式为：

T=SW/(1000Q)，

即：

T=SD_p[α_i(R²/100)H-βP]/(1000Q)

其中，W为灌水量（mm），D_p为水分亏缺百分数，β为降雨入渗系数，P为降雨量（mm），T为灌水持续时间（h），S为灌溉面积（m²），Q为水泵的流量（m³/h），其它参数意义同上。

优选地，在步骤S3中，当ET_0实≥ET_0i允时，判断为需要对作物进行灌水；当ET_0实＜ET_0i允时，判断为不需要对作物进行灌水。

（三）有益效果

上述技术方案具有如下优点：1、利用水面蒸发量进行灌溉预报及控制，可以综合反映气象因素对作物需水量的影响，并且可以进行大尺度的灌溉预报及控制；2、利用20cm口径的标准小型蒸发皿测量水面蒸发量，既便捷，又可以利用已有的蒸发皿系数等试验资料；3、通过减小马氏瓶的底面半径，增大蒸发皿水面蒸发量在马氏瓶中的显示值，并通过超声波液位传感器测量马氏瓶液位的变化，可以提高监测蒸发皿累积水面蒸发量的精度；4、通过进气口将降雨排出，而不是直接在蒸发皿上开口，可以减小由于风、温度、气压等因素使蒸发皿中水面波动对蒸发皿蒸发量的影响；5、实现了非充分灌溉预报和控制的自动化，在水资源紧缺的干旱半干旱地区，可以根据非充分灌溉原理，进行非充分灌溉预报及控制，实现关键需水期灌关键水，使作物减产最小。总之，本发明可以提高农业水的利用率，达到省时省工，省水增效的目的。本发明适用于干旱半干旱地区大田作物喷灌、滴灌、淹灌的非充分灌溉及控制，也适用于干旱半干旱地区园林及设施农业的非充分灌溉预报及控制。本发明应用范围广，方法简单，投资低，精度有保障，自动化程度高。

附图说明

图1是本发明智能式非充分灌溉预报及控制方法的流程图；

图2是本发明智能式非充分灌溉预报及控制系统的功能模块结构示意图；

图3是本发明智能式非充分灌溉预报及控制系统的机械装置结构示意图。

其中：1、超声波液位传感器；2、称重传感器；3，4、A/D转换器；5、单片机；6、LED显示装置；7、放大驱动电路；8、报警器；9、RS232接口；10、电磁阀；11、PC机；12、数据库；13、补水桶；14、软管；15、止水阀；16、密封塞；17、进气口；18、马氏瓶；19、软管；20、止水阀；21、网罩；22、止水阀；23、蒸发皿；24、集水桶；25、挡雨板。

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。

本发明提出一种作物非充分灌溉控制方法能实现非充分灌溉预报及控制，通过建立包括不同地区不同作物不同生育阶段作物需水量、蒸发皿系数及非充分灌溉允许的水分亏缺百分数等数据的数据库，通过数据自动采集系统采集蒸发皿水面蒸发量和降雨量数据，利用公式计算灌水开始时间和灌水持续时间，并通过控制器系统实现非充分灌溉的预报和控制；提出一种作物非充分灌溉控制系统，使用超声波液位传感器来测量蒸发皿水面蒸发量，并且可以通过减小马氏瓶的底面半径，放大蒸发皿的水面蒸发量在马氏瓶中的显示值，使用称重传感器测量降雨量。

图1是本发明的方法流程图，步骤如下：

S0：建立数据库，所述数据库包括不同地区的不同作物在不同生育阶段的作物需水量，蒸发皿系数及非充分灌溉允许的水分亏缺百分数等数据；

S1：根据作物种类、作物所处地区（主要是看气象条件指标）和作物所处的第i个生育阶段，从所述数据库中调用以下数据：作物需水量ET_i、蒸发皿系数α_i；并根据作物需水量ET_i、蒸发皿系数α_i计算作物允许的累积水面蒸发量：

ET_0i允=ET_i/α_i

其中，ET_0i允为作物在第i个生育阶段允许的累积水面蒸发量（mm），ET_i为作物在第i个生育阶段的作物需水量（mm），α_i为作物在第i个生育阶段的蒸发皿系数。

S2：根据超声波液位传感器测得的马氏瓶液位变化值H，计算实际累积水面蒸发量ET_0实=(R²/100)H，根据称重传感器测得的集水桶重量变化确定降雨量P；其中ET_0实为实际累积水面蒸发量（mm），R为马氏瓶的底面半径（cm），H为超声波液位传感器测得的水位变化值（mm）；

S3：根据实际累积水面蒸发量ET_0实、允许累积水面蒸发量ET_{0i 允}，判断是否需要进行灌溉，当ET_0实≥ET_0i允时，则执行S4，当ET_{0 实}＜ET_0i允时，则返回S2；

S4：根据水泵流量Q、灌溉面积S及降雨量P，计算灌水量和灌水持续时间T，

灌水量的计算公式为：

W＝D_p(α_iET_0实-βP)

灌水持续时间的计算公式为：

T=SW/(1000Q)，

即：

T=SD_p[α_i(R²/100)H-βP]/(1000Q)

式中：W为灌水量，D_p为水分亏缺百分数，β为降雨入渗系数，S为灌溉面积（m²）；T为灌水持续时间，R为马氏瓶半径（cm）；H为超声波液位传感器监测到的液位变化（mm）；P为称重传感器测得的降雨量（mm）；β为降雨入渗系数；Q为水泵流量（m³/h）；

S5：PC机根据灌水量、灌水开始时间（即当前时间）以及计算得出的T，向单片机发送指令，单片机则控制电磁阀的开闭进行灌溉，当达到灌水持续时间，即t=T时，灌水结束。

图2是本发明系统的功能结构示意图。本发明包括超声波液位传感器1和称重传感器2，通过A/D转换器3和A/D转换器4将感应的信号进行模数转换后传输给单片机5，其中：A/D转换器3和A/D转换器4芯片选用中速、低廉的逐次逼近式ADC0809模数转换芯片，单片机5采用AT89C51型单片机。单片机5通过RS232接口9与PC机11相连，在PC机11上建立数据库12。当装置安装完成后，超声波液位传感器1定期将马氏瓶18的液位数据传送给单片机5，称重传感器2也定期将集水桶24重量数据传送给单片机5，单片机5再通过RS232接口9传输给PC机11，在PC机11上计算开始灌水时间和灌水持续时间，然后PC机11将计算结果发送到单片机5，单片机5接到指令后，通过放大驱动电路7控制电磁阀10的开闭，实现灌溉预报及控制，报警器用于发出缺水和需要灌溉的信号，例如红灯亮表示作物缺水，需要灌溉，LED显示装置也可以用于发出缺水和需要灌溉的信号，例如LED显示装置点亮表示作物缺水，需要灌溉，报警器和LED显示装置的工作状态由单片机控制。

图3是本发明系统的机械结构示意图。本发明的马氏瓶18的半径R比所述蒸发皿23的半径小整数倍，根据马氏瓶原理，蒸发皿中由于水蒸发而降低的水位值与马氏瓶由于向蒸发皿中补水而降低的水位值的比值等于马氏瓶的底面半径与蒸发皿的底面半径比值的平方即：H_皿/H_瓶=（R_瓶/R_皿）2，因而可以通过减小马氏瓶的底面半径来放大蒸发皿的水面蒸发量在马氏瓶中的显示值。本发明的蒸发皿23为口径20cm的标准小型蒸发皿。马氏瓶18的半径为5cm，为蒸发皿23半径的1/2，这样就可以将蒸发皿23中的水面蒸发量放大4倍，根据不同灌溉方式和不同地区的蒸发量可以设置不同的马氏瓶18的高度，另外超声波液位传感器1在测量液位变化时存在20cm盲区，在给马氏瓶18注水时要预留一定高度，所以马氏瓶18的高度设为1m；测量蒸发皿累积水面蒸发量的超声波液位传感器1安装在马氏瓶18上；进气口17下方设置有集水桶24，集水桶24置于称重传感器2之上，当降雨发生，使所述蒸发皿23的液位升高时，蒸发的水从进气口17流入所述集水桶24，通过称重传感器2测得集水桶24的重量变化，反映降雨量的大小，此处通过进气口17可以将降雨排出，而不是直接在蒸发皿23上开口，可以减少由于风、温度、气压等因素使蒸发皿23中水面波动对蒸发皿23蒸发量的影响。设置向马氏瓶18补水的补水桶13，使补水更加方便，并且有利于提高系统的气密性；蒸发皿23与马氏瓶18通过软管20连接，软管20上有止水阀19，马氏瓶18与补水桶13通过软管15连接，软管15上有止水阀14。集水桶24上设有挡雨板25，蒸发皿23上设有防鸟兽啄水的网罩21。系统运行时超声波液位传感器1将信号通过A/D转换器3传送到单片机5，超声波液位传感器2将信号通过A/D转换器4传送到单片机5；单片机5将信号传送到PC机11，PC机11经过计算将灌水开始时间和灌水持续时间的指令传送到单片机5，单片机5通过放大驱动电路7控制电磁阀10的开闭，进行灌溉。

由以上实施例可以看出，本发明：1、利用水面蒸发量进行灌溉预报及控制，可以综合反映气象因素对作物需水量的影响，并且可以进行大尺度的灌溉预报及控制；2、利用20cm口径的标准小型蒸发皿测量水面蒸发量，既便捷，又可以利用已有的蒸发皿系数等试验资料；3、通过减小马氏瓶的底面半径，增大蒸发皿水面蒸发量在马氏瓶中的显示值，并通过超声波液位传感器测量马氏瓶液位的变化，可以提高监测蒸发皿累积水面蒸发量的精度；4、通过进气口将降雨排出，而不是直接在蒸发皿上开口，可以减小由于风、温度、气压等因素使蒸发皿中水面波动对蒸发皿蒸发量的影响；5、实现了非充分灌溉预报和控制的自动化，在水资源紧缺的干旱半干旱地区，可以根据非充分灌溉原理，进行非充分灌溉预报及控制，实现关键需水期灌关键水，使作物减产最小。总之，本发明可以提高农业水的利用率，达到省时省工，省水增效的目的。本发明适用于干旱半干旱地区大田作物喷灌、滴灌、淹灌的非充分灌溉及控制，也适用于干旱半干旱地区园林及设施农业的非充分灌溉预报及控制。本发明应用范围广，方法简单，投资低，精度有保障，自动化程度高。

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替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种作物非充分灌溉控制系统，其特征在于，包括马氏瓶、集水桶、电磁阀、液位传感器、称重传感器、单片机以及PC机，所述液位传感器和称重传感器分别与单片机连接，所述单片机分别与电磁阀和PC机连接，所述液位传感器安装于马氏瓶上，所述集水桶位于称重传感器上；

所述液位传感器用于测量马氏瓶的液位变化量并发送给单片机；

所述称重传感器用于测量集水桶的重量变化量并发送给单片机；

所述单片机用于将所接收的所述液位变化量和重量变化量发送给PC机，并在接收来自所述PC机的指令后控制电磁阀的开闭，从而实现对作物的灌溉控制；

所述PC机用于根据所接收的液位变化量和重量变化量判断是否需要对作物进行灌水，并且在需要灌水时计算灌水量和灌水持续时间，并根据灌水量、灌水开始时间和灌水持续时间发送指令给单片机。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述单片机通过放大驱动电路与电磁阀连接，所述单片机具体用于通过所述放大驱动电路控制电磁阀的开闭。

3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述马氏瓶上设有进气口，所述集水桶位于所述进气口的下方。

4.如权利要求1~3中任一项所述的系统，其特征在于，所述系统还包括蒸发皿和补水桶，所述蒸发皿与所述马氏瓶通过一软管连接，所述软管上设有一止水阀，马氏瓶与补水桶通过另一软管连接，所述另一软管上设有另一止水阀。

5.如权利要求4所述的系统，其特征在于，马氏瓶的半径比所述蒸发皿的半径小整数倍。

6.一种利用权利要求1~5中任一项所述的系统对作物进行灌溉控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1，PC机根据预设地区的预定作物在第i个生育阶段的作物需水量和蒸发皿系数，计算作物允许的累积水面蒸发量；

S2，PC机根据液位传感器测得的马氏瓶液位变化量计算实际累积水面蒸发量，并根据称重传感器测得的集水桶重量变化量确定降雨量；

S3，PC机根据所述实际累积水面蒸发量、作物允许的累积水面蒸发量及降雨量，判断是否需要对作物进行灌水，如果是，则执行步骤S4，否则返回步骤S2；

S4，PC机根据水泵的流量、灌溉面积及降雨量，计算灌水量和灌水持续时间；

S5，PC机根据所述灌水量、灌水开始时间和灌水持续时间发送指令给单片机，单片机接收到所述指令后控制电磁阀的开闭对作物进行灌溉，当达到所述灌水持续时间时，灌水结束。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，在步骤S1中，作物允许的累积水面蒸发量的计算公式为：

ET_0i允=ET_i/α_i

其中，ET_0i允为作物在第i个生育阶段允许的累积水面蒸发量，ET_i为作物在第i个生育阶段的作物需水量，α_i为作物在第i个生育阶段的蒸发皿系数。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，在步骤S2中，所述实际累积水面蒸发量的计算公式为：

ET_0实=(R²/100)H

其中，ET_0实为作物的实际累积水面蒸发量，R为马氏瓶的底面半径，H为液位传感器测得的马氏瓶液位变化量。

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，在步骤S4中，灌水量的计算公式为：

W＝D_p(α_iET_0实-βP)

灌水持续时间的计算公式为：

T=SW/(1000Q)，

即：

T=SD_p[α_i(R²/100)H-βP]/(1000Q)

其中，W为灌水量，Dp为水分亏缺百分数，β为降雨入渗系数，P为降雨量，T为灌水持续时间，S为灌溉面积，Q为水泵的流量。

10.如权利要求8所述的方法，其特征在于，在步骤S3中，当ET_0实≥ET_0i允时，判断为需要对作物进行灌水；当ET_0实＜ET_0i允时，判断为不需要对作物进行灌水。

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