CN104663373B - 一种用于作物盆栽试验的自动灌溉与水分监控装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种用于作物盆栽试验的自动灌溉与水分监控装置，包括自动灌溉系统和数据采集传输系统。该装置通过自动灌溉系统，实现了农学试验中作物盆栽的自动化灌溉控制，使得盆栽试验中不同处理间各重复盆栽能缓慢、定量、均匀的灌溉且无表土扰动，降低了盆栽试验的系统误差；通过数据采集传输系统，实现了盆栽土水重量变化数据原位储存和数据远程传输的功能，保证了盆栽试验的实时监控，提高了科研人员的试验管理效率。
Description
(一)技术领域
本发明涉及一种用于作物盆栽试验的自动灌溉与水分监控装置，具体涉及到自动监测盆栽土水重量变化、自动控制灌溉量以及监测数据无线传输的一整套装置。
(二)背景技术
盆栽试验是农业科研人员惯用的农艺研究手段。盆栽土壤的含水含量的变化会影响作物生长和土壤养分的有效性。相关研究中，科研人员往往通过人工浇水来保证作物所需水分，即通过人工向盆栽中添加相同水量调控各处理的土壤含水量一致。作物在缺少水分初期难以人工观测，根据经验判断是否浇水并不科学，实际操作中作物常因缺水而枯死，或因过量浇水造成养分淋失，影响试验结果。部分科研工作者通过每天定时称量盆栽作物重量来计算应加水量来保证土壤含水量。人工灌溉工作量大，做不到即时补充作物所需水分，也无法实时记录和储存数据，并对数据进行远程传输。
目前已有的自动灌溉专利往往针对农业大田生产、温室生产或家庭花卉/盆景种植，如授权公告号为CN103210817B的发明专利“农田自动灌溉系统”、授权公告号为CN102487760B的发明专利“温室爬蔓作物有芯微管灌溉系统”和授权公告号为CN202179013U的实用新型专利“盆栽花卉自动浇水器”。具有土壤含水量监控的功能的相关专利(如授权公告号为CN103210817B的发明专利“农田自动灌溉系统”)均使用土壤湿度传感器作为土壤湿度的监测方法。此类传感器多基于频域反射法(TDR,Time DomainReflectometry)或时域传输(TDT,Time domain transmission)原理，其监控方式均源于其他领域，适用于观测均匀介质的含水量变化。土壤具有理化性状空间差异大的特点，用此类传感器监测其含水量存在较大误差，不适用于严谨的科学试验。土壤肥料学中的盆栽试验需要设置不同的土壤含水量，且需要准确的土壤含水量与加水量的数据记录；盆栽试验过程中需要采集数次土壤样品，目前已有专利的灌溉方式，容易冲击扰动表层土壤，造成盆中的土壤的空间变异，影响试验结果。
(三)发明内容
为了克服上述问题，本专利提供了一种用于作物盆栽试验的自动灌溉与水分监控装置，它可以通过监控盆栽作物土壤水分的蒸发量(因水分蒸发造成的重量损失)，根据预先设定的盆栽重量阈值(重量上限与重量下限)定量地为盆栽试验中的作物进行自动缓慢匀速定量浇水以保证试验中相同处理的土壤含水量保持一致，且加水过程对表层土壤无扰动现象，并对盆栽作物的土水重量数据现场记录储存并进行远程传输，保证了盆栽试验数据采集的准确性。现有的相关专利均无法同时实现上述的复杂功能。
为了实现上述目的，本发明通过下述技术方案实现：
一种用于作物盆栽试验的自动灌溉与水分监控装置，包括自动灌溉系统和数据采集传输系统。
所述的自动灌溉系统包括水管、普通盆、重量监控盆、防水常闭电磁阀、电子流量计、数字显示控制仪、盆栽作物、托盘、底托、称重传感器、支架和倒U型插销；普通盆和重量监控盆里种植有盆栽作物；水管按照试验需求组建成由水管总支和分支组成的灌溉网络并流经普通盆和重量监控盆侧上方；每个水管分支上设置一个重量监控盆和多个普通盆；每个重量监控盆连接有一个防水常闭电磁阀，防水常闭电磁阀与数字显示控制仪连接；重量监控盆放置于由底托、托盘和重量传感器组成的称重装置上；水管总支上设有电子流量计；水管使用倒U型插销与普通盆固定连接；重量监控盆和每个普通盆侧上方的水管上设有灌溉用稳流器；灌溉用稳流器连接有引线，引线另一端放置在重量监控盆和普通盆内土壤上；水管内的水通过引线实现水流导流，给土壤浇水，减少表层土壤扰动。
所述的数据采集传输系统包括数字显示控制仪、数据采集器、不间断电源、3G/GPRS无线发射器、3G/GPRS无线接收器、服务器和显示器。所述的数字显示控制仪、3G/GPRS无线发射器和数据采集器均由不间断电源供电。电子流量计和重量传感器通过232线连接数据采集器，实时采集并储存监测数据，数据采集器通过RS485总线连接到3G/GPRS无线发射器，3G/GPRS无线发射器通过3G或 GPRS网络连接广域网，将数据发送给3G/GPRS无线接收器，3G/GPRS无线接收器通过232线与服务器连接，通过显示器显示采集到的数据。
所述的数字显示控制仪具有编程功能，支持USB数据储存和2组变送输出，可实现防水常闭电磁阀的自动开关控制与重量数据的自动记录。
所述的数字显示控制仪支持数据RS485/RS232/USB通讯，能实现数据储存和传输功能。
本发明的优点是具有系统性和多功能性，可实现自动灌溉、数据自动储存和数据无线传输的功能。本发明可以实时监测盆栽试验各处理的土水重量变化，根据预先设定的重量阈值，无表土扰动的自动灌溉，并将监测到的数据通过无线传输系统进行传输和接收。通过本发明可以及时方便的监控盆栽作物的土壤含水量变化，将其维持在预先设计的区间内，而且相同处理加水量一致，为盆栽试验科学严谨的水肥管理提供技术和设备支撑。本发明通过监控盆栽作物与土壤的重量变化，根据预先设定的重量阈值(重量上限与重量下限)，定量对作物盆栽自动灌溉，且加水过程对表层土壤无扰动。装置可根据试验内容，设不同的含水量或干湿交替处理；监测到的数据可通过数据采集传输系统进行储存、传送和接收。
本发明实现了作物盆栽试验的自动化灌溉控制，使得盆栽试验中不同处理间各重复盆栽能缓慢、定量、均匀的灌溉且无表土扰动，降低了盆栽试验的系统误差；通过数据采集传输系统，实现了盆栽土水重量变化数据原位储存和数据远程传输的功能，保证了盆栽试验的实时监控，提高了科研人员的试验管理效率。
(四)附图说明
下面结合附图对发明进一步说明。
图1是自动灌溉系统的主视图，
图2是自动灌溉系统左视图，
图3为装置的部分细节图，
图4是数据采集传输系统示意图，
图中，1为管堵，2为普通盆，3为PE材质水管，4为重量监控盆，5为防水常闭电磁阀，6为水表，7为直角弯管，8为三通，9为四通，10为电子流量计，11为滤水器，12为入水阀门，13为数字显示控制仪，14为不间断电源，15为盆栽作物，16为托盘，17为称重传感器，18为底托，19为3G/GPRS无线发射器，20为数据采集器，21为显示器，22为服务器，23为3G/GPRS无线接收器，24为支架，25为滴灌用稳流器，26为引线，27为倒U型插销。
(五)具体实施方式
本发明所使用的数字显示控制仪型号为MIC-1AB-AL2Z(上海天贺自动化仪表有限公司生产)；所述的水表、电子流量计、防水常闭电磁阀、无线发射器、无线接收器、不间断电源、服务器、显示器、数据采集器、过滤器、滴定用稳流器和水管等均可在市场上购买。水管采用PE材质。
结合附图具体实施方式如下：
选定试验小区，平整地面，自来水水管总支接入水阀门(12)，通过PE材质水管(3)接滤水器(11)，再接电子流量计(10)，后接四通(9)，按照试验设计通过直角弯管(7)、三通(8)、PE材质水管(3)和管堵(1)设置若干水管分支扩展灌溉处理网络。每个水管分支的连接方式为四通(9)，三通(8)或者直角弯管(7)，再通过PE材质水管(3)连接水表(6)，然后连接防水常闭电磁阀(5)，通过直角弯管(7)折出倒U型管路并通过支架(24)支撑和固定PE材质水管(3)，其下放置重量监控盆(4)，重量监控盆(4)放置于由底托(18)、托盘(16)和重量传感器(17)组成的称重装置上，其后根据试验设计每个水管分支一侧安放有多个普通盆(2)，普通盆内种植盆栽作物(15)，水管位置位于重量监控盆(4)与普通盆(2)的边侧，普通盆(2)上放置的水管通过倒U形插销(27)固定位置，重量监控盆(4)与每个普通盆(2)侧上方的PE材质水管(3)上安装有滴灌用稳流器(25)，滴灌用稳流器下面设有引线，水流可通过引线(26)缓慢进入重量监控盆(4)与普通盆(2)中。重量传感器(17)通过232线与数字显示控制仪(13)相连，数字显示控制仪设置重量监控盆的重量上限和重量下限来控制防水常闭电磁阀(5)的启闭， 设置重量记录间隔后，通过232线接至数据采集器(20)，同样电子流量计(10)也通过232线接至数据采集器(20)，从而实现实时储存数据，数据采集器(20)也通过232线接至3G/GPRS无线发射器(19)。3G/GPRS无线发射器(19)、数据采集器(20)和数字显示控制仪(13)都与不间断电源(14)相连。采集的数据经3G/GPRS无线发射器(19)编码通过3G或者GPRS广域网传输。3G/GPRS无线接收器(23)接受到数据后，通过232线与服务器(22)相连，通过显示器(21)展示而实现数据的实时监控。
重量阈值设置方法为：设试验前测定的供试土壤田间持水量100％时的重量含水量为wg0，试验初始添加的土壤重量含水量为wg1；根据试验要求称取一定质量(m0)的土壤到重量监控盆(4)和普通盆(2)中，此时每盆中干土质量为m0·(1-wg1)；设重量监控盆(4)和普通盆(2)的质量为m1；根据试验设计要求的相对含水量要求(W％)设置初始临界重量为M＝m1+m0·(1-wg1)·(1+wg0·W％)；此时分别设置数字显示控制仪(13)的重量上限和重量下限为M·(1+1％)和M·(1-1％)，即当土水重量低于浇水重量下限时，防水常闭电磁阀(5)会通电开启而开始浇水，滴灌用稳流器(25)会保证各处理的重量监控盆(4)和普通盆(2)缓慢加水并均匀等速，当土水重量到达浇水重量上限时，防水常闭电磁阀(5)会断电而停止浇水。
随着盆栽作物的生长，初始设置的重量阈值会有所偏移，必须根据种植的作物长势及试验精度设置校正间隔，校正时称取普通盆(2)重量为m2，则校正值ΔM＝m2-M；则数字显示控制仪的新临界重量为M2＝M+ΔM，此时新的重量上限和重量下限分别为M2·(1+1％)和M2·(1-1％)。
验证例:
为了研究不同土壤含水量对缓控释肥料对黑麦草生长的影响，设置4个土壤含水量，分别为相对含水量100％、70％、40％和20％。为达到精准控制土壤含水量条件，试验于山东农业大学缓控释肥料中试中心温室内安装所述的“作物盆栽自动灌溉与水分监控装置”，同时布置人工浇水对比试验，试验时间为2014年4月15日至2014年5月28日，共43天。
平整地面后，自来水水管总支接入水阀门，通过PE材质水管接滤水器，再接电子流量计，后接四通，按照试验设计通过直角弯管、三通、PE材质水管和管堵设置4个水管分支构成灌溉处理网络。每个水管分支的连接方式为四通，三通或者直角弯管，再通过PE材质水管连接水表，然后连接防水常闭电磁阀(上海卡玫龙阀门，2W系列)，通过直角弯管折出倒U型管路并通过支架支撑和固定PE材质水管，其下放置重量监控盆，重量监控盆放置于由底托、托盘和重量传感器(上海天贺自动化仪表有限公司，LCS-S3型)组成的称重装置上，其后根据试验设计每个水管分支一侧安放有多个普通盆，普通盆内种植黑麦草，水管位置位于重量监控盆与普通盆的边侧，普通盆上放置的水管通过倒U形插销固定位置，重量监控盆与每个普通盆侧上方的PE材质水管上安装有滴灌用稳流器(SUPERTIF PC Dripper,2.2L/h型)，滴灌用稳流器下面设有引线，水流可通过引线缓慢进入重量监控盆与普通盆中。重量传感器通过232线与数字显示控制仪相连，数字显示控制仪设置重量监控盆的重量上限和重量下限来控制防水常闭电磁阀的启闭，设置重量记录间隔为2h，通过232线接至数据采集器，同样电子流量计(北京华控兴业，DN15mm型)也通过232线接至数据采集器(上海天贺自动化仪表有限公司，DAC2011A)，从而实现实时储存数据，数据采集器也通过232线接至3G/GPRS无线发射器(3GTrack Ltd.,GS902P)。3G/GPRS无线发射器、数据采集器和数字显示控制仪都与不间断电源(深圳山特电源有限公司,C10KS)相连。采集的数据经3G/GPRS无线发射器编码通过3G或者GPRS广域网传输。3G/GPRS无线接收器接收到数据后，通过232线与服务器(浪潮，英信NF5240M3E5-2407V2/4G/2T SATA/单电)相连，通过显示器(联想，ThinkVisionLT1953)展示而实现数据的实时监控。
购置的重量监控盆和普通盆质量相同，均为0.5kg，填装土壤重量含水量为3.8％的棕壤(普通简育湿润淋溶土Typic Hapli-Udic Argosols)5.0kg，此时重量监控盆和普通盆的干土重均为4.84kg；土壤填装后测得相对含水量100％时的重量含水量为25％，则100％、70％、40％和20％相对含水量处理的临界重量分别为6.55kg、6.19kg、5.82kg和5.58kg；此时各处理设置数字显示控 制仪的重量上限分别为6.62kg、6.25kg、5.88kg和5.64kg,重量下限分别为6.48kg、6.13kg、5.76kg和5.52kg。当重量监控盆中土水重量低于浇水重量下限时，防水常闭电磁阀会通电开启，各水管分支开始浇水，滴灌用稳流器会保证各处理的重量监控盆和普通盆缓慢、均匀、等速的加水，当土水重量到达浇水重量上限时，防水常闭电磁阀会断电而停止灌溉。
因黑麦草生物量相对较小，试验开始后第24d进行了重量校正，以100％含水量处理种植后24d的重量校正为例，称取100％含水量处理普通盆整体重量(含作物)为6.54kg，则校正值为0.04kg，此时100％含水量处理的新临界值为6.59kg，重量上限和重量下限分别设置为6.66kg和6.52kg。
人工浇水对比试验采用人工浇水，每天定时称量盆栽重量，补齐因水分挥发和作物蒸腾作用所失的水分，并人工记录数据。试验结束后，作物盆栽自动灌溉与水分监控装置各处理土壤含水量误差控制在5％以内；而人工浇水处理土壤含水量误差高达16.83％，若温度高时，人工灌溉的误差更大。
Claims (1)
1.一种作物盆栽自动灌溉与水分监控装置，包括数据采集传输系统和自动灌溉系统；所述的数据采集传输系统包括数字显示控制仪、数据采集器、不间断电源、3G/GPRS无线发射器、3G/GPRS无线接收器、服务器和显示器；所述的数字显示控制仪、3G/GPRS无线发射器和数据采集器均由不间断电源供电；电子流量计和重量传感器通过232线连接数据采集器，实时采集并储存监测数据，数据采集器通过RS485总线连接到3G/GPRS无线发射器，3G/GPRS无线发射器通过3G或GPRS网络连接广域网，将数据发送给3G/GPRS无线接收器，3G/GPRS无线接收器通过232线与服务器连接，通过显示器显示采集到的数据；
其特征在于所述的自动灌溉系统包括水管、普通盆、重量监控盆、防水常闭电磁阀、电子流量计、数字显示控制仪、盆栽作物、托盘、底托、称重传感器、支架和倒U型插销；普通盆和重量监控盆里种植有盆栽作物；水管按照试验需求组建成由水管总支和分支组成的灌溉网络并流经普通盆和重量监控盆侧上方；每个水管分支上设置一个重量监控盆和多个普通盆；每个重量监控盆连接有一个防水常闭电磁阀，防水常闭电磁阀与数字显示控制仪连接；重量监控盆放置于由底托、托盘和重量传感器组成的称重装置上；水管总支上设有电子流量计；水管使用倒U型插销与普通盆固定连接；重量监控盆和每个普通盆侧上方的水管上设有灌溉用稳流器；灌溉用稳流器连接有引线，引线另一端放置在重量监控盆和普通盆内土壤上；水管内的水通过引线给土壤浇水；所述的称重传感器通过232线与数字显示控制仪相连；数字显示控制仪设置重量监控盆的重量上限和重量下限；通过重量上限和重量下限来控制防水常闭电磁阀的启闭；根据预先设定的重量阈值，无表土扰动的自动灌溉，并将监测到的数据通过无线传输系统进行传输和接收；
所述重量阈值设置方法为：设试验前测定的供试土壤田间持水量100％时的重量含水量为wg0，试验初始添加的土壤重量含水量为wg1；根据试验要求称取一定质量m0的土壤到重量监控盆和普通盆中，此时每盆中干土质量为m0·(1-wg1)；设重量监控盆和普通盆的质量为m1；根据试验设计要求的相对含水量要求(W％)设置初始临界重量为M＝m1+m0·(1-wg1)·(1+wg0·W％)；此时 分别设置数字显示控制仪的重量上限和重量下限为M·(1+1％)和M·(1-1％)，即当土水重量低于浇水重量下限时，防水常闭电磁阀会通电开启而开始浇水，滴灌用稳流器会保证各处理的重量监控盆和普通盆缓慢加水并均匀等速，当土水重量到达浇水重量上限时，防水常闭电磁阀会断电而停止浇水。
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