CN104472321A - 一种灌溉自动控制方法及其装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及作物灌溉控制和管理技术领域，尤其涉及一种依据土壤基质势进行作物灌溉的自动控制方法及其装置。该方法包括设定灌水下限以及灌水上限；测量当前的土壤基质势；当所述土壤基质势达到所述灌水下限，发出灌水控制信号，并记录灌水开始时间ti1和水量Wi1；当所述土壤基质势达到所述灌水上限，发出停止灌水控制信号，并记录灌水结束时间ti2和水量Wi2；其中，所述灌水下限为灌水开始时的土壤基质势，所述灌水上限为灌水结束时的土壤基质势。本发明提供的灌溉自动控制方法及其装置可以有效提高灌溉的自动化，以及农业水管理的科学化水平，提高灌溉水的利用效率。

Description

一种灌溉自动控制方法及其装置
技术领域
本发明涉及作物灌溉控制和管理技术领域，尤其涉及一种依据土壤基质势进行作物灌溉的自动控制方法及其装置。
背景技术
水是生命之源、生产之要、生态之基。但是随着人口膨胀、经济社会迅猛发展及水资源的不合理开发利用，水的供需矛盾越来越突出。我国作为一个人口大国、农业大国、发展中大国，面临的水资源供需矛盾也更为尖锐。农业作为用水大户，节水潜力巨大。我国农业中的灌溉水利用率低，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。发展现代节水农业是保障我国人口高峰期粮食安全、水安全、生态安全及整个国家安全的重大战略。现代节水农业除了采用科学的灌水方法、先进的灌水技术、完善的灌水工程外，自动化的灌溉控制和管理也非常重要。实现自动预报“什么时候开始灌水”及“什么时候停止灌水”并实现自动控制，不但可以减少人工劳动力，还可以提高灌溉的科学化水平，防止由于盲目灌水而造成水资源浪费。农业用水管理中，作物灌溉制度的制订至关重要，关系到作物产量以及水资源利用效率等。
目前，进行灌溉控制有三类方法：依据土壤水分状况进行灌溉控制；依据水面蒸发量进行灌溉控制；以及依据植物生理反应进行灌溉控制。其中，依据土壤水分状况进行灌溉控制又分为两种，一种是依据土壤含水量，一种是依据土壤基质势。然而依据土壤含水量进行灌溉控制在实际应用当中有一定局限性，例如利用土壤含水量来确定灌水时间，一般是以计划湿润层土壤含水量达到田间持水量的某百分率下限时开始灌水。但是不同质地的土壤田间持水量差异很大，每个地区每个地块甚至地块中每个点的田间持水量都不同。当田间持水量未知，或者地块土壤质地空间变异性很大时，用土壤含水量来确定灌溉时间就有其局限性。土壤基质势从能量角度出发来反映土壤的干旱程度，受土壤质地的影响较小，因此更具代表性和普遍性。而且可以更直观地反映作物吸水的难易程度，便于实际应用。国内外对于依据土壤基质势进行灌溉拟定灌溉制度有许多研究，已经获得了不同作物、不同灌溉方式灌水开始时适宜的土壤基质势。
通过田间试验获得了作物适宜土壤基质势，研究者开始探索依据土壤基质势的变化通过自动灌溉控制装置进行灌溉控制和管理。目前这些装置的结构一般比较复杂，成本相对较高。对于经济效益低的作物不太适应，因此不适宜做推广应用。
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简化传统的灌溉控制方法及其装置，进而降低成本的问题。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种灌溉自动控制方法。该自动控制方法具体包括以下步骤：
S1：设定灌水下限以及灌水上限；
S2：测量当前的土壤基质势；
S3：当所述土壤基质势达到所述灌水下限，发出灌水控制信号，并记录灌水开始时间ti1和水量Wi1；当所述土壤基质势达到所述灌水上限，发出停止灌水控制信号，并记录灌水结束时间ti2和水量Wi2；
其中，所述灌水下限为灌水开始时的土壤基质势，所述灌水上限为灌水结束时的土壤基质势。
优选地，所述方法还包括：
S4：根据所述步骤S3中的数据，获得作物全生育期第i次的灌水时间ti＝ti2-ti1，灌水量Wi＝Wi2-Wi1，并计录、显示。
本发明还提供了一种灌溉自动控制装置，用于上述灌溉自动控制方法，包括：
感应模块，探入土壤中，用于感知土壤中的含水量；
测量模块，与所述感应模块相连，用于测量土壤基质势的大小；以及设定灌水下限和灌水上限；
电源控制模块，与所述测量模块相连，用于控制灌水的开始与结束；
记录及显示模块，与所述电源控制模块相连，用于记录及显示灌水开始时间、灌水结束时间、灌水开始水量以及灌水结束水量。
优选地，所述感应模块包括：
陶土头，下端与所述陶土头相连的连接管，与所述连接管上端相连的集气管，以及密封所述集气管的橡皮塞。
优选地，所述测量模块包括：
与所述集气管相连的电接点压力表，所述电接点压力表上设置有旋钮，用于设定所述灌水下限和所述灌水上限。
优选地，所述电接点压力表测量范围为-0.1～0Mpa，精度等级为2.5级，仪表连接M14×1.5，最高工作电压为AC380V或DC220V，最大电流为1A，触点功率为30VA。
优选地，所述记录及显示模块包括：
远传水表，用于测量显示所述灌水开始水量以及所述灌水结束水量；
单片机，一端与所述远传水表相连，另一端与所述电源控制模块相连，用于记录所述灌水开始时间、所述灌水结束时间、所述灌水开始水量以及所述灌水结束水量；
液晶显示屏，用于显示所述单片机上的数据。
优选地，所述单片机为MSP430单片机。
优选地，所述远传水表为远传发讯水表，公称压力1.0Mpa，信号为脉冲信号，每流过10升水，由干簧管发送一个信号，常用工作电流为5mA。
(三)有益效果
本发明的上述技术方案具有如下优点：通过检测土壤基质势来反应作物的缺水程度，受土壤质地影响较小且更加直观；对于非充分灌溉技术，可以通过电接点压力表上的旋钮，简单快捷地设定作物不同生育期的土壤基质势，实现非充分灌溉的预报和控制；装置结构简单、设计灵活、成本低廉，使用及维护方便，可以满足多种用户的不同需求。因此，本发明提供的灌溉自动控制方法及其装置可以有效提高灌溉的自动化，以及农业水管理的科学化水平，提高灌溉水的利用效率。
附图说明
图1是本发明实施例提供的灌溉自动控制方法的步骤流程图；
图2是本发明实施例提供的灌溉自动控制方法的具体步骤流程图；
图3是本发明实施例提供的灌溉自动控制装置的结构示意图；
图4是本发明实施例提供的灌溉自动控制装置中的电接点压力表示意图；
图5是本发明实施例提供的灌溉自动控制装置中的电源控制电路示意图。
图中：1：陶土头；2：连接管；3：集气管；4：橡皮塞；5：电接点压力表；6：电源控制电路；7：单片机；8：液晶显示屏；9：远传水表；10：示数指针；11：下限指针；12：上限指针；13：上下限调节按钮；14：水泵。
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，为本发明实施例提供的灌溉自动控制方法的步骤流程图。
该自动控制方法具体包括以下步骤：
S1：设定灌水下限以及灌水上限；
S2：测量当前的土壤基质势；
S3：当所述土壤基质势达到所述灌水下限，发出灌水控制信号，并记录灌水开始时间ti1和水量Wi1；当所述土壤基质势达到所述灌水上限，发出停止灌水控制信号，并记录灌水结束时间ti2和水量Wi2；
其中，所述灌水下限为灌水开始时的土壤基质势，所述灌水上限为灌水结束时的土壤基质势。
该方法还包括：S4：根据所述步骤S3中的数据，获得作物全生育期第i次的灌水时间ti＝ti2-ti1，灌水量Wi＝Wi2-Wi1，并计录、显示。
进一步地，在步骤S3及S4中，通过单片机7记录灌水开始时间ti1和远传水表9的读数水量Wi1，以及灌水结束时间ti2和远传水表9的水量Wi2，进而通过液晶显示屏8进行显示。
进一步地，在步骤S2中，灌水下限以及灌水上限是根据作物的种类、土壤质地、灌溉方式和感应模块埋设深度不同而进行设定的。灌水下限和灌水上限的值，可根据田间实验数据或相关参考资料得出，并将其变成纸质表格或存储于单片机7中供使用者使用。
进一步地，如图2所示，为本发明实施例提供的灌溉自动控制方法的具体步骤流程图。根据作物种类、土壤质地和灌溉方式，设定灌水开始时的土壤基质势即灌水下限和灌水结束时的土壤基质势即灌水上限；然后测量土壤基质势大小；田间蒸发蒸腾使土壤基质势减小，当土壤基质势达到灌水下限，通过自动控制电路进行操作控制，控制灌溉系统开始灌水，随着灌水进行土壤基质势增大，当土壤基质势达到灌水上限时，通过自动控制电路进行控制操作，控制灌溉系统停止灌水；随着开始灌水(或停止灌水)的操作，土壤基质势实时变化(增大或减小)，进而本发明提供的自动控制装置重复以上的操作；同时，外部设备同时可以记录并显示灌水开始时间、结束时间、每次灌水量和总灌水量等，为以后的作物灌溉提供相关数据。
表1
表1所示为，国内外相关技术文献中得出的各作物灌水开始时，适宜的土壤基质势值即适宜的灌水下限。其中，Serrano等(1992)利用土壤基质势控制灌溉，研究了不同处理对草莓产量和水分利用效率的影响。Peng等(1998)利用土壤基质势，研究了无核小蜜橘的灌溉制度。Shock等(2000)研究利用土壤基质势来制订洋葱灌溉制度的适宜土壤基质势，得出20cm处土壤基质势为-20kpa可以获得较高的洋葱产量。Thompson等(2002)研究西兰花种植适宜的土壤基质势，得出砂壤土条件下土壤基质势控制为-10kpa可以获得最高产量。Wang等(2007)研究得滴头正下方20cm处土壤基质势控制在-20kpa，适合马铃薯生长。Wang等(2011)研究得马铃薯块茎形成期和膨胀期目标土壤基质势设定为-25kpa，块茎成熟期设定为-35kpa更有利于提高马铃薯产量和水分利用效率。
如图3所示，为本发明实施例提供的灌溉自动控制装置的结构示意图。
本发明还提供了一种灌溉自动控制装置，用于上述灌溉自动控制方法，包括：
感应模块，探入土壤中，用于感知土壤中的含水量；
测量模块，与感应模块相连，用于测量土壤基质势的大小；以及设定灌水下限和灌水上限；
电源控制模块，与测量模块相连，用于控制灌水的开始与结束；
记录及显示模块，与电源控制模块相连，用于记录及显示灌水开始时间、灌水结束时间、灌水开始水量以及灌水结束水量。
进一步地，感应模块包括：陶土头1，下端与陶土头1相连的连接管2，与连接管2上端相连的集气管3，以及密封集气管3的橡皮塞4。陶土头1与土壤紧密接触，当土壤水分不饱和时，感应模块中的水通过陶土头1流入土壤，达到水力平衡时，感应模块的压力即为土壤基质势的大小。
进一步地，测量模块包括：与集气管3相连的电接点压力表5，用来测量土壤基质势的大小。如图4所示，为本发明实施例提供的灌溉自动控制装置中的电接点压力表示意图。电接点压力表5上设置有旋钮即上下限调节按钮13，用于设定灌水下限和灌水上限。其中，手动调节电接点压力表5的下限指针11和电接点压力表5的上限指针12，设定灌水下限和灌水上限，当电接点压力表5的示数指针10到达灌水下限和灌水上限点时，即可实现上述方法中的灌溉自动控制。
进一步地，本实施例中电接点压力表5可以选用北京布莱迪仪器仪表有限公司生产的YXC-63H电接点压力表，测量范围为-0.1～0Mpa，精度等级为2.5级，仪表连接M14×1.5，最高工作电压为AC380V或DC220V，最大电流为1A，触点功率为30VA。
进一步地，记录及显示模块包括：远传水表9，用于测量显示灌水开始水量以及灌水结束水量；单片机7，一端与远传水表9相连，另一端与电源控制电路6相连，用于记录灌水开始时间、灌水结束时间、灌水开始水量以及灌水结束水量；液晶显示屏8，用于显示单片机7上的数据。进一步地，单片机7可选用MSP430单片机，但并不以此为限。
进一步地，本实施例中远传水表9可选用北京京源水仪器仪表有限公司生产的型号为LXSY-15C/E-50C/E的远传发讯水表，精度等级2级，公称压力1.0Mpa，水流温度不超过40℃，信号为脉冲信号，每流过10升水，发送一个信号，用干簧管发送信号，常用工作电流为5mA左右。
所图5所示，为本发明实施例提供的灌溉自动控制装置中的电源控制电路示意图。当需要手动控制时，开关SA与手动接点接通，需要灌水时按下开关SC，交流接触器KM线圈带电，常开接点KM21、KM22闭合自锁，交流接触器的主触点KM1闭合，电源电路接通开始灌水，当需要停止灌水时，将开关SB断开即可。
当使用自动控制时，开关SA与自动接点接通，随着作物耗水，土壤基质势逐渐减小，电接点压力表5的示数指针10逆时针转动。当土壤基质势达到设定的灌水下限时，中间继电器输入回路中的KA1线圈带电，常开接点KA11闭合，交流接触器KM线圈带电，常开接点KM21、KM22闭合，交流接触器主触点KM1闭合，电源电路接通，水泵14开始工作，配电箱上的绿灯亮。当水泵14工作时，单片机7自动记录灌水开始时间，以及灌水开始时远传水表9的读数。
随着灌水进行，土壤基质势开始增大，电接点压力表5的示数指针10顺时针转动，当土壤基质势达到设定的灌水上限时，中间继电器输入回路中的KA2线圈带电，常闭接点KA21断开，交流接触器KM线圈失电，接触器主触点KM1断开。电源电路断开，水泵14停止工作，配电箱上绿灯熄灭。当水泵14停止工作时，单片机7自动记录灌水结束时间，以及灌水结束时远传水表9的读数。
需要说明的是，本文中所使用的“左”、“右”、“上”、“下”等方位词是以图中所示的构件相对位置为基准定义的，显然，上述方位词的应用仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
综上所述，本发明提供的灌溉自动控制方法及其装置通过检测土壤基质势来反应作物的缺水程度，受土壤质地影响较小且更加直观；对于非充分灌溉技术，可以通过电接点压力表上的旋钮，简单快捷地设定作物不同生育期的土壤基质势，实现非充分灌溉的预报和控制；装置结构简单、设计灵活、成本低廉，使用及维护方便，可以满足多种用户的不同需求。因此，本发明提供的灌溉自动控制方法及其装置可以有效提高灌溉的自动化，以及农业水管理的科学化水平，提高灌溉水的利用效率。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种灌溉自动控制方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
S1：设定灌水下限以及灌水上限；
S2：测量当前的土壤基质势；
S3：当所述土壤基质势达到所述灌水下限，发出灌水控制信号，并记录灌水开始时间ti1和水量Wi1；当所述土壤基质势达到所述灌水上限，发出停止灌水控制信号，并记录灌水结束时间ti2和水量Wi2；
其中，所述灌水下限为灌水开始时的土壤基质势，所述灌水上限为灌水结束时的土壤基质势。
2.根据权利要求1所述的灌溉自动控制方法，其特征在于，所述方法还包括：
S4：根据所述步骤S3中的数据，获得作物全生育期第i次的灌水时间ti＝ti2-ti1，灌水量Wi＝Wi2-Wi1，并计录、显示。
3.一种灌溉自动控制装置，用于上述灌溉自动控制方法，其特征在于，包括：
感应模块，探入土壤中，用于感知土壤中的含水量；
测量模块，与所述感应模块相连，用于测量土壤基质势的大小；以及设定灌水下限和灌水上限；
电源控制模块，与所述测量模块相连，用于控制灌水的开始与结束；
记录及显示模块，与所述电源控制模块相连，用于记录及显示灌水开始时间、灌水结束时间、灌水开始水量以及灌水结束水量。
4.根据权利要求3所述的灌溉自动控制装置，其特征在于，所述感应模块包括：
陶土头，下端与所述陶土头相连的连接管，与所述连接管上端相连的集气管，以及密封所述集气管的橡皮塞。
5.根据权利要求3所述的灌溉自动控制装置，其特征在于，所述测量模块包括：
与所述集气管相连的电接点压力表，所述电接点压力表上设置有旋钮，用于设定所述灌水下限和所述灌水上限。
6.根据权利要求5所述的灌溉自动控制装置，其特征在于，所述电接点压力表测量范围为-0.1～0Mpa，精度等级为2.5级，仪表连接M14×1.5，最高工作电压为AC380V或DC220V，最大电流为1A，触点功率为30VA。
7.根据权利要求3所述的灌溉自动控制装置，其特征在于，所述记录及显示模块包括：
远传水表，用于测量显示所述灌水开始水量以及所述灌水结束水量；
单片机，一端与所述远传水表相连，另一端与所述电源控制模块相连，用于记录所述灌水开始时间、所述灌水结束时间、所述灌水开始水量以及所述灌水结束水量；
液晶显示屏，用于显示所述单片机上的数据。
8.根据权利要求7所述的灌溉自动控制装置，其特征在于，所述单片机为MSP430单片机。
9.根据权利要求7所述的灌溉自动控制装置，其特征在于，所述远传水表为远传发讯水表，公称压力1.0Mpa，信号为脉冲信号，每流过10升水，由干簧管发送一个信号，常用工作电流为5mA。
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