CN105123447A - 一种基于田间水分平衡关系的灌溉决策系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于田间水分平衡关系的灌溉决策系统，包括地块内铺设的灌溉主管道，灌溉主管道的一端与水泵连接，水泵还依次连接有变频器、水泵控制器和第二供电装置，灌溉主管道上均连接有若干支管道，每根支管道首端均设置有电磁阀，电磁阀依次连接有阀门控制器和供电装置，水泵控制器、阀门控制器上均设置有超短波无线发射装置，水泵控制器、阀门控制器通过蜂窝状无线传输系统将超短波信号连接至终端的计算机，灌溉主管道覆盖范围内的地块内还设有若干土壤水分感应装置，本发明解决了现有灌溉决策技术中测量土壤水分状况易受限制和影响，操作繁琐且不够精确控制灌溉，远距离传输信号易受到干扰，浪费能源的问题。

Description

一种基于田间水分平衡关系的灌溉决策系统

技术领域

本发明属于农业节水灌溉技术领域，具体涉及一种基于田间水分平衡关系的灌溉决策系统。

背景技术

诊断作物水分缺失是节水灌溉的基础。国内灌溉决策系统常根据土壤水势或土壤含水量诊断作物水分缺失，通过自动控制系统对观测的土壤水分数据与预设的下限或上限临界值进行比较，判断是否需要灌溉或停止灌溉，然后实施操作。大田农业或设施农业采用土壤水分传感器或张力计分别测定土壤含水量或土壤水势，进而决策控制灌溉时间和灌溉量。目前市场供应的国产土壤水分传感器基本不能达到价廉物美的效果，应用后所测数据误差较大；进口水分传感器所测数据较准确，但价格昂贵。另外，常用的TDR、FD、SWR等水分传感器的探针体积较小，若金属探针与土壤接触不良，使两者之间存在空气隙，则金属探针所测的介电常数并不是所需测的土壤水介电常数，而是土壤孔隙间的空气介电常数，所以影响测量数据的准确性。张力计虽得到了广泛使用，但使用前需对其进行排气，此过程较麻烦，尤其对于操作不熟练的人员所需时间更长；使用中，当陶土头周围土壤水势较低时，张力计腔室内水位下降，当土壤复水后，由于张力计气密性和承受负压时腔室内水体中释放气体等原因，使张力计腔室内水位不易上升至满；而且用于粘接张力计各部分的胶粘剂容易被氧化和分解，使其气密性降低而失效；并且向张力计注水时对其周围土体扰动较大，破坏土壤结构，影响所测数据可靠性。另外，张力计体积较小，受到土壤埋深的限制，尤其感应部分(陶土头)体积更小，易受到各因素的干扰，如周围土壤存在大孔隙、土壤水分分布不均、现场条件复杂等因素均会影响所测土壤水势的准确性，进而影响决策的灌溉效果，不利于作物的生长和高产，或造成水资源浪费。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于田间水分平衡关系的灌溉决策系统，解决了现有灌溉决策技术中测量土壤水分状况易受限制和影响，操作繁琐且不够精确控制灌溉，远距离传输信号易受到干扰，浪费能源的问题。

本发明所采用的技术方案是，一种基于田间水分平衡关系的灌溉决策系统，包括地块内铺设的灌溉主管道，灌溉主管道的一端与水泵连接，水泵还依次连接有变频器、水泵控制器和第二供电装置，灌溉主管道上连接有若干支管道，每根支管道首端均设置有电磁阀，电磁阀依次连接有阀门控制器和供电装置，水泵控制器、阀门控制器上均设置有超短波无线发射装置，水泵控制器、阀门控制器通过超短波无线信号连接至终端的计算机，灌溉主管道覆盖范围内的地块内还设有若干土壤水分感应装置。

本发明的特点还在于，

土壤水分感应装置具体结构为：包括空心圆柱形的多孔容器，多孔容器的两端面分别覆盖有第一盖板和第二盖板，多孔容器内部还设置有螺丝拉杆，螺丝拉杆的两端分别与第一盖板和第二盖板中心位置通过螺帽相连，第一盖板和第二盖板上靠近多孔容器边沿位置处均开有连接孔，第一盖板通过连接孔与注水管一端连接，注水管另一端连接第一阀门，第二盖板通过连接孔与排气管的一端连接，排气管的另一端与三通的第一接口连接，三通的第二接口与第二阀门连接，三通的第三接口与压力传感器连接，压力传感器还依次与水情无线采样器、第一供电装置连接，水情无线采样器上也设置有超短波无线发射装置，水情无线采样器也通过超短波无线信号连接至终端的计算机，土壤水分感应装置内的水情无线采样器与阀门控制器、水泵控制器共同组成了一个蜂窝状无线传输系统，每个水情无线采样器、阀门控制器和水泵控制器不仅实施本身控制的信号接收和发射传输，还同时实施邻近的水情无线采样器、阀门控制器和水泵控制器的无线信号发射和接收的中继传输。

多孔容器的长度大于20cm，外径大于5cm，内径与外径比为1:3。

第一盖板和第二盖板的直径与多孔容器的外径相等。

注水管的第一阀门和排气管上的第二阀门水平高度一致。

本发明的有益效果是，田间地块设置的多孔容器不受埋深限制，避免扰动其周围土体、破坏土壤结构，提高了测量数据的可靠性；利用蜂窝状无线传输系统实现了远距离的超短波无线信号中继传输，令水情无线采样器、阀门控制器和水泵控制器与终端计算机命令控制形成闭环系统，及时控制田间地块水情需求，易于操作，避免干扰，解决了现有灌溉决策技术中测量土壤水分状况易受限制和影响，操作繁琐且不够精确控制灌溉，远距离传输信号易受到干扰，浪费能源的问题。

附图说明

图1是本发明一种基于田间水分平衡关系的灌溉决策系统灌溉系统的结构示意图；

图2是本发明一种基于田间水分平衡关系的灌溉决策系统的土壤水分感应部分示意图。

图中，1.多孔容器，2.第一盖板，3.螺丝拉杆，4.螺帽，5.排气管与多孔容器连接孔，6.第二盖板，7.注水管，8.第一阀门，9.排气管，10.三通，11.第二阀门，12.压力传感器，13.水情无线采样器，14.第一供电装置，15.电磁阀，16.阀门控制器，17.阀门控制器的供电装置，18.水泵，19.变频器，20.水泵控制器，21.第二供电装置，22.支管道，23.计算机，24.土壤水分感应部分，25.灌溉主管道，26.超短波无线发射装置。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明一种基于田间水分平衡关系的灌溉决策系统，如图1所示，包括地块内铺设的灌溉主管道25，灌溉主管道25的一端与水泵18连接，水泵18还依次连接有变频器19、水泵控制器20和第二供电装置21，灌溉主管道25上均连接有若干支管道22，每根支管道22上均设置有电磁阀15，电磁阀15依次连接有阀门控制器16和供电装置17，水泵控制器20、阀门控制器16上均设置有超短波无线发射装置26，水泵控制器20、阀门控制器16通过超短波无线信号连接至终端的计算机23，灌溉主管道25覆盖范围内的地块内还设有若干土壤水分感应装置24，如图2所示，土壤水分感应装置24具体结构为：包括空心圆柱形的多孔容器1，多孔容器1的长度大于20cm，外径大于5cm，内径与外径比为1:3，多孔容器1的两端面分别覆盖有第一盖板2和第二盖板6，多孔容器1的两端面与第一盖板2和第二盖板6之间均采用柔性密封材料粘接，避免漏水透气第一盖板2和第二盖板6的直径与多孔容器1的外径相等，多孔容器1内部还设置有螺丝拉杆3，螺丝拉杆3的两端分别与第一盖板2和第二盖板6中心位置通过螺帽4相连，螺帽4和螺丝拉杆3的连接分别采用柔性衬垫密封，避免漏水透气，第一盖板2和第二盖板6上靠近多孔容器1边沿位置处均开有连接孔5，连接孔5孔径大于1cm，连接孔5孔边缘紧邻多孔容器1内壁，当多孔容器1水平放置时，使连接孔5处于多孔容器1内部最高处，第一盖板2通过连接孔5与注水管7一端连接，注水管7另一端连接有第一阀门8，第二盖板6通过连接孔5与排气管9的一端连接，排气管9的另一端与三通10的第一接口连接，三通10的第二接口与第二阀门11连接，三通10的第三接口与压力传感器12连接，压力传感器12还依次与水情无线采样器13、第一供电装置14连接，压力传感器12的量程为-0.1MPa～0MPa，注水管7的第一阀门8和排气管9上的第二阀门11水平高度一致，水情无线采样器13上也设置有超短波无线发射装置26，水情无线采样器13也通过超短波无线信号连接至终端的计算机23，土壤水分感应装置24内的水情无线采样器13与阀门控制器16、水泵控制器20共同组成了一个蜂窝状无线传输系统，每个水情无线采样器13、阀门控制器16和水泵控制器20不仅实施本身控制的信号接收和发射传输，还同时实施邻近的水情无线采样器13、阀门控制器16和水泵控制器20的无线信号发射和接收的中继传输。

本发明中的多孔容器1的容器壁为多孔材质，用于装水，当多孔容器壁吸水后，外界与多孔容器1的容器内部存在很小的压力差(进气值较低)时，即可允许水分通过多孔容器壁进行流动；容器内部承受小于0.8MPa～1MPa的负压时透水但不漏气，可正常使用。

本发明中注水管7和排气管9均采用可变形的硬质管材，注水管7为“L”型，水平方向与第一盖板2的连接孔5连通，竖直方向上端固定第一阀门8，排气管9为“L”型，水平方向与第二盖板6的连接孔5连通。

本发明中第一供电装置14、第二供电装置21可由太阳能电池板或普通电池供电。

本发明中电磁阀15采用双稳态电磁阀，在电磁阀开启和关闭的一瞬间，阀门控制器提供电脉冲切换脉冲的电极触点改变电磁阀的开、关状态，待机状态时无需供电。

本发明中的水情无线采样器13是采集土壤水情，即土壤含水量或水势，然后将水情信息经过初步处理转换成数字信号，再将数字信号通过超短波无线发射装置发射出去。

本发明一种基于田间水分平衡关系的灌溉决策系统，工作原理如下：

土壤水分感应装置24反映出的水情先由压力传感器12转换成电压或电流信号，再由水情无线采样器13转换成数字信号，最后通过超短波无线发射装置将信号发射出，途径蜂窝状无线传输系统，将信号最终传输至控制中心的计算机；根据计算机预先设定的灌溉方案，控制中心经过判断后将决策灌溉系统开闭的命令信号通过蜂窝状无线传输系统发送至水泵控制器和各个所述阀门控制器，则水泵控制器控制变频器开启或关闭，进而变频器缓慢驱动或停止抽水泵，当灌溉管道内有水流或无水流后，各个阀门控制器按照命令信号控制与其一一对应的电磁阀执行开启或关闭，此时即可完成灌溉系统的启动或停止。

由于田间土壤蒸发和作物根系耗水造成田间土壤水分损失，致使安放于土壤中的多孔容器内部同样失水，其内部水势达到预设下限临界值时，经过控制系统判断决策启动灌溉系统，使田间土壤复水，进而多孔容器内部同样复水，其内部水势达到预设上限临界值，再经过控制系统判断决策关闭灌溉系统，根据上述内容，提出一种基于田间水分平衡关系的灌溉决策系统可以通过作物根区水分消耗量进行灌溉。设计的多孔容器体积较大，可以避免各种因素的干扰；多孔容器的注水管和排气管不受埋深限制；在复水后，由于存在基质势，土壤中的孔隙水通过多孔容器的多孔壁进入其内部，不需取出多孔容器进行注水，避免了扰动其周围土体，破坏土壤结构，提高测量数据的可靠性，基于田间水分平衡关系的灌溉决策系统既操作简易，降低成本，又可达到节水和提高作物生产力的效果。

本发明基于田间水分平衡关系的灌溉决策系统，由于作物蒸散发和灌溉使田间土壤水分和埋设于土壤中的多孔容器内部水分经历了失水和复水过程，形成了田间水分平衡关系，基于这种关系，根据灌溉管理决策系统的控制软件中预先设置的决策方案，利用蜂窝状无线传输系统实现超短波无线信号中继传输，进而决策控制各个电磁阀和水泵的启动和关闭，同时结合双稳态电磁阀，可实现节能、节电效果；将土壤水分感应装置中的多孔容器加大尺寸，注水管和排气管长度根据实际情况设置，避免了土体的各种因素的干扰，不受埋深的限制，提高了测量数据的可靠性。基于田间水分平衡关系的灌溉决策系统操作简易，降低成本，节水、节电，数据可靠，可提高作物生产力。

Claims (5)

1.一种基于田间水分平衡关系的灌溉决策系统，其特征在于，包括地块内铺设的灌溉主管道(25)，所述灌溉主管道(25)的一端与水泵(18)连接，水泵(18)还依次连接有变频器(19)、水泵控制器(20)和第二供电装置(21)，所述灌溉主管道(25)上均连接有若干支管道(22)，每根支管道(22)上均设置有电磁阀(15)，电磁阀(15)依次连接有阀门控制器(16)和供电装置(17)，所述水泵控制器(20)、阀门控制器(16)上均设置有超短波无线发射装置(26)，水泵控制器(20)、阀门控制器(16)通过超短波无线信号连接至终端的计算机(23)，所述灌溉主管道(25)覆盖范围内的地块内还设有若干土壤水分感应装置(24)。

2.根据权利要求1所述的一种基于田间水分平衡关系的灌溉决策系统，其特征在于，所述土壤水分感应装置(24)具体结构为：包括空心圆柱形的多孔容器(1)，多孔容器(1)的两端面分别覆盖有第一盖板(2)和第二盖板(6)，多孔容器(1)内部还设置有螺丝拉杆(3)，螺丝拉杆(3)的两端分别与第一盖板(2)和第二盖板(6)中心位置通过螺帽(4)相连，所述第一盖板(2)和第二盖板(6)上靠近多孔容器(1)边沿位置处均开有连接孔(5)，所述第一盖板(2)通过连接孔(5)与注水管(7)一端连接，注水管(7)的另一端连接有第一阀门(8)，所述第二盖板(6)通过连接孔(5)与排气管(9)的一端连接，排气管(9)的另一端与三通(10)的第一接口连接，三通(10)的第二接口与第二阀门(11)连接，三通(10)的的第三接口与压力传感器(12)连接，压力传感器(12)还依次与水情无线采样器(13)、第一供电装置(14)连接，水情无线采样器(13)上也设置有超短波无线发射装置(26)，水情无线采样器(13)也通过超短波无线信号连接至终端的计算机(23)，所述土壤水分感应装置(24)内的水情无线采样器(13)与所述阀门控制器(16)、水泵控制器(20)共同组成了一个蜂窝状无线传输系统，每个水情无线采样器(13)、阀门控制器(16)和水泵控制器(20)不仅实施本身控制的信号接收和发射传输，还同时实施邻近的水情无线采样器(13)、阀门控制器(16)和水泵控制器(20)的无线信号发射和接收的中继传输。

3.根据权利要求2所述的一种基于田间水分平衡关系的灌溉决策系统，其特征在于，所述多孔容器(1)的长度大于20cm，外径大于5cm，内径与外径比为1:3。

4.根据权利要求2所述的一种基于田间水分平衡关系的灌溉决策系统，其特征在于，所述第一盖板(2)和第二盖板(6)的直径与所述多孔容器(1)的外径相等。

5.根据权利要求2所述的一种基于田间水分平衡关系的灌溉决策系统，其特征在于，所述注水管(7)的第一阀门(8)和所述排气管(9)上的第二阀门(11)水平高度一致。