CN103828690B - 一种微润灌溉水量自动控制系统 - Google Patents

一种微润灌溉水量自动控制系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种微润灌溉水量自动控制系统，该系统包括：水箱，连接进水主管和出水主管；进水主管安装进水电动球阀，以控制进水主管的进水流量；出水主管安装出水电动球阀，以控制出水主管的出水流量；输水支管由平行的两管组成，连接出水主管；输水支管之间通过三通管安装多条铺埋在土壤里的微润灌溉管；出水主管安装有液体流量传感器，以感测水流量信息；至少一个土壤水势传感器安装在以微润灌溉管为轴心沿垄的长度方向伸展形成的圆柱形润湿体内，以感测土壤水势值；微控制器对出水电动球阀、进水电动球阀进行控制。本发明使得微润灌溉过程实现无人值守，自动控制，有效地防止了人工操作的盲目性，特别是实现了对农田连续不间断的微润灌溉。

Description

一种微润灌溉水量自动控制系统
技术领域
本发明涉及一种微润灌溉水量自动控制系统，属于节水自动灌溉技术领域，是一种利用微润灌溉技术和自动控制技术相结合的新型灌溉系统。
背景技术
微润灌溉是用微量的水以缓慢渗透的方式向土壤给水，使土壤保持湿润的一种新型地下灌溉方式。它将半透膜技术原理引入灌溉领域，用半透膜的渗透原理模拟生物半透膜的吸水过程。半透膜壁上孔的大小允许水分子通过，而不允许较大的分子团和固体颗粒通过。微润灌溉管是一种以半透膜为核心材料制成的软管状给水器。当微润灌溉管内充满水时，水分子通过这些微孔向管壁外迁移，如果管子埋在土壤中，水分就会进一步向土壤迁移，使土壤湿润，起到灌溉作用。
微润灌溉管既是输水管，又是给水器，管上的每一点都是出水点，充水后，整个管体都是湿润的。如果将微润灌溉管按行铺埋在农作物的垄下，垄下的土壤与微润灌溉管接触的部分先受到润湿，随时间的延长和微润灌溉管出水量的增多，水分向周边迁移，土壤的润湿层越来越厚。最后在土壤中形成一个以微润灌溉管为轴心的，沿垄的长度方向伸展的圆柱形润湿体。
由于半透膜的孔径特征决定，微润灌溉管对外加压力非常敏感，微润灌溉管出水量对压力变化的响应呈明显的线性关系。当水位较低时，微润灌溉管内压力低，出水量小，形成润湿体的直径较小。当系统保持在高水位状态运行时，微润灌溉管内压力高，出水量大，形成润湿体的直径较大。
目前，润湿体直径大小通过水箱中的水位(或减压阀的压力)来调节。观察作物根区的润湿情况，当润湿体的体积全部包容了作物的主根层区后，停止高水位运行，将水位降至正常灌溉状态。由于土壤的孔隙率及含水量不同，水分在土壤中的运移速度有差异，润湿体直径的扩张速度及合适体积的润湿体形成时间，需经使用者观察确定。压力或水位的控制需要使用者根据经验人工设定，缺乏一种自动调节微润灌溉管压力的装置。
区别于以往的各种灌溉方式，微润灌溉以连续灌溉为特征，是一种可调控性很强的新型灌溉方式。如果将浇灌、喷灌、渗灌、滴灌等间歇式灌溉方式称为第一类灌溉方式，那么连续灌溉则可称为第二类灌溉方式。但由于第二类灌溉方式与第一类灌溉方式有着明显的区别，特别是在选取灌溉参数时，按以往第一类方式为基础所形成的某些理论思考和推算方法将失去意义，对农田实际耗水量、节水潜力的理解，以及新型灌溉自动控制系统也将发生新的变化，这就促进了本发明的产生。
发明内容
为了解决与微润灌溉技术相适应的新型灌溉自动控制系统问题，本发明提供了一种微润灌溉水量自动控制系统，以实现在农业灌溉中定量用水、定时微润灌溉，使土壤水势达到预定的最佳土壤水势(土壤水势是在等温条件下从土壤中提取单位水分所需要的能量，它用来描述土壤中的水分含量，土壤水分饱和，水势为零，含水量低于饱和状态，水势为负值，土壤越干旱，负值越大)。
本发明提出的一种微润灌溉水量自动控制系统包括：水箱，微控制器，输水支管，微润灌溉管，液体流量传感器和至少一个土壤水势传感器，其中：
所述水箱用于储存灌溉用水，其顶端连接进水主管，底端连接出水主管；
所述进水主管上安装有进水电动球阀，用于根据所述微控制器发出的流量调控指令控制所述进水主管的进水流量；
所述出水主管上安装有出水电动球阀，用于根据所述微控制器发出的阀门开闭指令打开或者关闭所述出水电动球阀的阀门，以控制出水主管的出水流量；
所述输水支管由平行的两根管子组成，用于连接所述出水主管；
所述输水支管之间通过三通管安装有多条微润灌溉管，所述微润灌溉管铺埋在土壤里；
所述出水主管在出水电动球阀的外侧安装有液体流量传感器，用于感测水流量信息；
至少一个土壤水势传感器安装在以微润灌溉管为轴心的，沿垄的长度方向伸展形成的圆柱形润湿体内，用于感测相应位置的土壤水势值；
所述微控制器与所述液体流量传感器连接，以获取其感测的水流量信息；与所述至少一个土壤水势传感器连接，以获取其感测的土壤水势值；与出水电动球阀连接，用于将收到的水流量信息和所述微控制器记录的微润灌溉时间分别与预设的微润灌溉水量和预设的微润灌溉时间进行比较，并根据比较结果对所述出水电动球阀发出阀门开闭指令；与进水电动球阀连接，用于将收到的土壤水势值与预设的最佳土壤水势值进行比较，并根据比较结果对所述进水电动球阀发出流量调控指令，以间接调控水箱的水位高度。
本发明将微润灌溉技术与自动控制技术有效的结合起来，为微润灌溉提供了控制技术支持，不仅集成了微润灌溉的优点，而且通过引入自动控制技术，实现对农田连续不间断的灌溉，操作简单，适用范围广，通用性强等特点，特别是对于提升微涧灌溉自动化程度、高效节水，以及对微润灌溉技术的理解有着重要的意义。
附图说明
图1是本发明系统的原理结构框图。
图2是本发明系统的结构示意图。
图3是本发明系统微润灌溉水量控制框图。
图4是本发明系统土壤水势控制框图。
图2中：1、安装在进水主管上的电动球阀；2、水箱(标准2米)；3、安装在出水主管上的电动球阀；4、出水主管(PE或者PVC硬管)；5、微润管，即微润灌溉节水工作部件；6、输水支管，为￠16黑色PE管；7、三通管，口径￠16，用于连接微润管和输水支管；8、进水主管(PE或者PVC硬管)；9、液体流量传感器；10、液位传感器；11、土壤水势传感器；12、微控制器。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
本发明系统的原理结构框图如图1所示，其反映了控制系统的总体输入输出情况，本发明系统的结构示意图如图2所示，其展示了实际的控制装置。下面将结合图1和图2对本发明的微润灌溉水量自动控制系统进行说明，如图1和图2所示，所述微润灌溉水量自动控制系统包括：水箱2，微控制器12，输水支管6，微润灌溉管5，液体流量传感器9和至少一个土壤水势传感器11，其中：
所述水箱2用于储存灌溉用水，其顶端连接进水主管8，底端连接出水主管4；
所述进水主管8上安装有进水电动球阀1，用于根据所述微控制器12发出的流量调控指令控制所述进水主管8的进水流量；
所述出水主管4上安装有出水电动球阀3，用于根据所述微控制器12发出的阀门开闭指令打开或者关闭所述出水电动球阀3的阀门，以控制出水主管4的出水流量；
所述输水支管6由平行的两根管子组成，用于连接出水主管4；
所述输水支管6之间通过三通管7安装有多条微润灌溉管5，值得注意的是，所述微润灌溉管5铺埋在土壤里，即农作物的垄下；
所述出水主管4在出水电动球阀3的外侧安装有液体流量传感器9，用于感测水流量信息；
至少一个土壤水势传感器11安装在以微润灌溉管5为轴心的，沿垄的长度方向伸展形成的圆柱形润湿体内，用于感测相应位置的土壤水势值；
所述微控制器12与所述液体流量传感器9连接，以获取其感测的水流量信息；与所述至少一个土壤水势传感器11连接，以获取其感测的土壤水势值；与出水电动球阀3连接，用于将收到的水流量信息和所述微控制器12记录的微润灌溉时间分别与预设的微润灌溉水量和预设的微润灌溉时间进行比较，并根据比较结果对所述出水电动球阀3发出阀门开闭指令；与进水电动球阀1连接，用于将收到的土壤水势值与预设的最佳土壤水势值进行比较，并根据比较结果对所述进水电动球阀1发出流量调控指令，以间接调控水箱2的水位高度。
所述微润灌溉水量自动控制系统还包括液位传感器10，所述液位传感器10安装在所述出水主管4与水箱2的内侧连接处，并与所述微控制器12连接，以将感测到的所述水箱2和出水主管4上方的水位高度传输给所述微控制器12。
下面从两个层面对本发明的微润灌溉水量自动控制系统的工作原理进行说明：
从系统信息I／O流看，在系统的输入端，微控制器12与液体流量传感器9连接，以获取水流量信息，与至少一个土壤水势传感器11连接，以获取土壤水势值，与液位传感器10连接，以获取水箱2出水主管4上方的水位高度。在系统控制决策方面，微控制器12一方面将系统输入端提供的水流量信息和微控制器记录的微润灌溉时间分别与预设微润灌溉水量和预设微润灌溉时间进行比较，并根据比较结果对出水电动球阀3发出阀门开闭指令，另一方面，将系统输入端提供的土壤水势与预设最佳土壤水势值进行比较，并根据比较结果对进水电动球阀1发出流量调控指令，间接调控水箱2水位高度。在系统输出端，出水电动球阀3接收来自微控制器12发出的阀门开闭指令打开或者关闭电动球阀阀门，进水电动球阀1接收来自微控制器12发出的流量调控指令调节其流量。
从上述系统控制模式看，本发明的微润灌溉水量自动控制系统实现了预设微润灌溉水量、定时微润灌溉时间以及预设最佳土壤水势三种控制模式。其中，控制模式一为当液体流量传感器9检测到通过的水量与之前预设的水量相等时，关闭出水电动球阀3和进水电动球阀1，停止灌溉；控制模式二为当所述微控制器12记录的微润灌溉时间达到之前预设的灌溉时间时，关闭出水电动球阀3和进水电动球阀1，停止灌溉；控制模式三为当土壤水势传感器11检测到的土壤水势达到最佳土壤水势时，保持当前出水电动球阀3和进水主管8的流量，使水箱液位保持恒定。
为便于结合图3和图4描述和理解三种控制模式，本发明做出两个说明：其一，系统运行伊始，水箱水位略高于出水电动球阀3所安装的位置，且出水电动球阀3和进水电动球阀1均处于关闭状态；其二，系统调控过程中水箱水位既不会低于最低水位，也不会高于最高水位。对于上述第二条，微控制器12可以获取液位传感器10检测到的液位高度，对安装在进水主管8上的进水电动球阀1发出流量调控指令：当液位高度位于高位运行时，微控制器12发出流量调控指令，使安装在进水主管8上的进水电动球阀1减少水流量；当液位位于低位运行时，微控制器12发出流量调控指令，使安装在进水主管8上的进水电动球阀1增加水流量。
(1)模式一：微润灌溉水量控制
微润灌溉水量控制框图如图3所示，首先微控制器12对出水电动球阀3和进水电动球阀1发出阀门打开指令，然后接收来自液体流量传感器9检测到通过出水主管4的水量信息，并判断是否达到预设定的微润灌溉水量。如果判断已经达到预设的微润灌溉水量，则对出水电动球阀3和进水电动球阀1发出阀门关闭指令，否则继续保持出水电动球阀3和进水电动球阀1处于打开状态。
(2)模式二：微润灌溉时间控制
首先微控制器12对出水电动球阀3和进水电动球阀1发出阀门打开指令，并记录灌溉初始时间。然后微控制器根据预设的微润灌溉时间计算出灌溉结束时间。当微控制器判断到达灌溉结束时间时，对出水电动球阀3和进水电动球阀1发出阀门关闭指令，否则继续保持出水电动球阀3和进水电动球阀1处于打开状态。
(3)模式三：土壤水势控制
土壤水势控制框图如图4所示，首先微控制器对出水电动球阀3和进水电动球阀1发出阀门打开指令，然后接收来自土壤水势传感器11检测到的土壤水势值，并将其与预设定的最佳的土壤水势进行比较，微控制器根据比较结果小于零或大于零，调节进水电动球阀1的给水流量增加或减小，以使水箱水位上升或下降，从而使微润灌溉管出水量增加或减少，进而导致土壤水势值增加或减少，直到土壤水势值达到最佳土壤水势值，此时，保持当前出水电动球阀3的给水流量，同时保持所述进水主管8的流量，使水箱的水位保持恒定。特别地，如果水箱的水位到达最高水位时，微控制器发出流量调控指令，使进水电动球阀1关闭。
从技术角度看，目前应用最广的节水灌溉技术是滴灌技术。一般采用轮灌或间歇式灌溉方法，比普通灌溉节水50％，比漫灌溉节水80％。而本发明采用的微润灌溉以连续灌溉为特征，是一种可调控性很强的新型灌溉方式。以北京市某大白菜示范基地为例，对两个面积均为一亩的大棚分别采用常规地下滴灌和本发明的微润灌溉水量自动控制系统进行地下微润灌溉。实验结果表明，采用本发明的微润灌溉水量自动控制系统进行微润灌溉更节水，滴灌每亩农作物一年所需大约200立方米的水，微润灌溉只需70立方米左右，且采用本发明的微润灌溉水量自动控制系统进行微润灌溉的大棚所收获的单个大白菜平均鲜重比采用滴灌的大棚所收获的单个大白菜重1.3倍左右。实验表明，在保证产量的同时，采用本发明的控制系统节水效果是滴灌节水能力的3倍左右。这进一步说明，基于微润灌溉的水量自动控制系统，比传统的灌溉自动控制系统更节水。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种微润灌溉水量自动控制系统，其特征在于，该系统包括：水箱，微控制器，输水支管，微润灌溉管，液体流量传感器和至少一个土壤水势传感器，其中：
所述水箱用于储存灌溉用水，其顶端连接进水主管，底端连接出水主管；
所述进水主管上安装有进水电动球阀，用于根据所述微控制器发出的流量调控指令控制所述进水主管的进水流量；
所述出水主管上安装有出水电动球阀，用于根据所述微控制器发出的阀门开闭指令打开或者关闭所述出水电动球阀的阀门，以控制出水主管的出水流量；
所述输水支管由平行的两根管子组成，用于连接所述出水主管；
所述输水支管之间通过三通管安装有多条微润灌溉管，所述微润灌溉管铺埋在土壤里；
所述出水主管在出水电动球阀的外侧安装有液体流量传感器，用于感测水流量信息；
至少一个土壤水势传感器安装在以微润灌溉管为轴心的，沿垄的长度方向伸展形成的圆柱形润湿体内，用于感测相应位置的土壤水势值；
所述微控制器与所述液体流量传感器连接，以获取其感测的水流量信息；与所述至少一个土壤水势传感器连接，以获取其感测的土壤水势值；与出水电动球阀连接，用于将收到的水流量信息和所述微控制器记录的微润灌溉时间分别与预设的微润灌溉水量和预设的微润灌溉时间进行比较，并根据比较结果对所述出水电动球阀发出阀门开闭指令；与进水电动球阀连接，用于将收到的土壤水势值与预设的最佳土壤水势值进行比较，并根据比较结果对所述进水电动球阀发出流量调控指令，以间接调控水箱的水位高度。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述微润灌溉水量自动控制系统还包括液位传感器，所述液位传感器安装在所述出水主管与水箱的内侧连接处，并与所述微控制器连接，以将感测到的所述水箱和出水主管上方的水位高度传输给所述微控制器。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，最初所述水箱的水位略高于所述出水电动球阀所安装的位置。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，最初所述出水电动球阀和进水电动球阀均处于关闭状态。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统工作过程中，水箱的水位既不会低于最低水位，也不会高于最高水位。
6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统能够进行微润灌溉水量控制，在该控制过程中，首先微控制器对出水电动球阀和进水电动球阀发出阀门打开指令，然后接收来自液体流量传感器检测到的通过出水主管的水量信息，并判断是否达到预设的微润灌溉水量，如果判断已经达到，则对出水电动球阀和进水电动球阀发出阀门关闭指令，关闭出水电动球阀和进水电动球阀，停止灌溉，否则继续保持出水电动球阀和进水电动球阀处于打开状态。
7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统能够进行微润灌溉时间控制，在该控制过程中，首先微控制器对出水电动球阀和进水电动球阀发出阀门打开指令，并记录灌溉初始时间，微控制器根据预设的微润灌溉时间计算出灌溉结束时间，当微控制器判断记录的微润灌溉时间到达灌溉结束时间时，对出水电动球阀和进水电动球阀发出阀门关闭指令，关闭所述出水电动球阀和进水电动球阀，停止灌溉，否则继续保持出水电动球阀和进水电动球阀处于打开状态。
8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统能够进行土壤水势控制，在该控制过程中，首先微控制器对出水电动球阀和进水电动球阀发出阀门打开指令，然后接收来自土壤水势传感器检测到的土壤水势值，并将其与预设的最佳土壤水势进行比较，微控制器根据比较结果，调节进水电动球阀的给水流量，进而调节水箱的水位、微润灌溉管的出水量和土壤水势值，直到达到最佳土壤水势值，此时，保持当前出水电动球阀的给水流量，同时保持所述进水主管的流量，使水箱的水位保持恒定。
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