CN105993862A - 一种基于水分运移的自动喷灌系统与方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于水分运移的自动喷灌系统与方法，属于农业节水灌溉与自动控制领域。传统的灌溉模式控制方式简单，容易发生深层渗漏，给植物的成长带来不利影响而且造成水资源的浪费。本发明将植物茎直径变差作为植物水分状况监测指标，控制水泵和电磁阀的开启；用Z1处的土壤湿度变化情况控制水泵的关闭，从而实现对不同地区的喷灌。本发明能够实现植物自动精确灌溉，满足植物水分的需求，不至于造成深层渗漏，提高了水分的利用效率。

Description

一种基于水分运移的自动喷灌系统与方法
技术领域
本发明涉及农业节水灌溉与自动控制领域，特别涉及一种基于水分运移的自动喷灌系统与方法。
背景技术
植物的生长过程中离不开水分的吸收，而植物是通过根系来吸收水分，故位于根系以下的水分是无效水。目前在实际生产中多数实习的灌溉方法还是大水漫灌，这种灌溉方法依赖于操作人员的实际经验，没有理论的支持。灌溉开启和关闭的时机依然靠人工摸索，有时会发生滞后，导致灌溉不及时，损失作物；会发生深层渗漏，导致不必要的水资源浪费。为了节约用水，缓解水资源短缺的问题，喷灌技术在灌溉领域中得到大力推广。
申请号201410560607.5的中国专利公开了一种草地自动灌溉的方法，该专利中提到土壤湿度感应器采集到草地上各个区域的土壤湿度后，将其与警戒湿度比较，挑选出土壤湿度低于警戒湿度的土壤湿度感应器，控制其对应的灌溉喷头进行灌溉，直至土壤湿度高于警戒湿度。该专利仅仅是根据土壤湿度的警戒湿度进行灌溉控制，但在该警戒湿度下植物是否处于缺水状态，而且未考虑深层渗漏的影响。
申请号201510598783.2的中国专利公开了一种全自动喷灌滴灌控制系统，该专利中提到当某一个区域中的湿度降低时，那里所需区域最近的所述灌溉装置在所述灌溉架上移动至所需区域，进行灌溉。但是没有考虑到该湿度降低时是否就是植物干旱的时刻，而且该专利中也尚未提及灌溉停止的时刻。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于水分运移的自动喷灌系统与方法，以实现不同区域喷灌的自动化和精准话，节约水资源。
为了解决以上的技术问题，本发明采用的技术方案如下：
一种基于水分运移的自动喷灌系统，包括主管(1)、水泵(2)、逆止阀(3)、过滤器(4)、流量表(5)、干管(6)、支管(7)、电磁阀(8)、压力表(9)，其特征在于还包括：植物茎杆直径变化传感器(10)、土壤水分传感器(11)、温度传感器(12)、净辐射传感器(13)、竖管(14)、喷头(15)、泄水阀(16)、控制器(17)；所述主管(1)上依次连接有水泵(2)、逆止阀(3)、过滤器(4)、流量表(5)、压力表(9)；所述干管(6)上分别连接有多个支管(7)；所述支管(7)上依次连接有电磁阀(8)、压力表(9)、竖管(14)、泄水阀(16)；各个竖管(14)连接喷头(15)。
所述喷头(15)位于植物冠层的上方，根据喷灌强度选择喷头(15)的型号；喷灌强度为2mm/h可以选择型号为3103的喷头(15)，喷灌强度为4mm/h时可以选择型号为3430的喷头(15)，喷灌强度为6mm/h时可以选择型号为5022的喷头(15)。
各植物茎杆直径变化传感器(10)、土壤水分传感器(11)、温度传感器(12)和净辐射传感器(13)置于田间需要喷灌的区域，每个所述区域均放置有植物茎杆直径变化传感器(10)、土壤水分传感器(11)、温度传感器(12)和净辐射传感器(13)，植物茎杆直径变化传感器(10)、土壤水分传感器(11)、温度传感器(12)和净辐射传感器(13)均分别与控制器(17)输入端连接；水泵(2)、各电磁阀(8)均与控制器(17)输出端连接。
所述土壤水分传感器(11)位于所述区域地表以下Z1深度处，土壤水分传感器(11)的探头平行于地面水平放置。
所述温度传感器(12)和净辐射表(13)位于所述区域的喷灌高度以上，无障碍物遮挡，以能够准确测得所述区域的温度和太阳辐射强度。
所述植物茎杆直径变化传感器(10)的类型是根据植物根茎直径进行选择；当植物根茎直径为5mm至25mm时选择SD-5M，当植物根茎直径为20mm至70mm时选择SD-6M；所述植物茎杆直径变化传感器(10)埋于活跃根系深度处，将植物茎杆直径变化传感器(10)加持在植物根系上。
一种基于水分运移的自动喷灌方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤1，在控制器(17)中输入理想的渗透深度，即所述植物的根系深度；输入各个喷灌区域的坡度、各个喷灌区域的喷灌强度和土壤的类型；
步骤2，当某区域的植物茎直径增长变负时，即当天植物茎直径低于前一天时，启动水泵(2)，并打开该区域支管(7)上的电磁阀(8)；否则使该区域的电磁阀(8)保持关闭；
步骤3，喷灌系统运行后，当根据数学模型得到的Z1处的土壤水分变化时，关闭该区域支管(7)上的电磁阀(8)。
步骤4，当所有喷灌区域Z1处的土壤水分均变化时，关闭水泵(2)；
步骤5，喷灌结束后，保持控制器(17)开启，等待下一个灌溉周期。
8.根据权利要求7所述的一种基于水分运移的自动喷灌方法，其特征在于所述步骤3中的数学模型为：
Z1＝αβλZF；
参数α为环境参数，通过温度传感器(12)和净辐射传感器(13)实时测得的数据查询相应的模糊控制查询表，得到参数α的数值；
参数β为系统参数，通过输入各个区域的坡度和各个喷灌区域的喷灌强度查询相应的模糊控制查询表，得到参数β的数值；
参数λ为土壤参数，根据输入的土壤类型得到相对应的参数λ；
参数ZF为输入理想的渗透深度，即所述植物的根系深度。
本发明的工作原理和过程。作物水分状况反映根区土壤水分供应和作物蒸腾需求的平衡动态，当蒸腾速率大于根系吸水速率时，体内出现水分亏缺，这时作物动用贮藏水分器官(茎、叶等)内的贮藏水分，导致贮藏水分器官体积减小。所以当茎直径出现负增长(某一天的茎直径最大值小于前一天的最大值)，这一天即为水分胁迫的开始。故用植物茎直径变差作为水泵(2)和电磁阀(8)开启的时机能够准确的判断植物水分缺失的情况。当Z1处的土壤水分变化时关闭电磁阀(8)，水分渗透结束后最终的渗透深度能够达到理想的渗透深度。
本发明在控制器(17)中输入理想的渗透深度、各个区域的坡度、各个喷灌区域的喷灌强度和土壤的类型，当某区域的植物茎杆直径变化传感器(10)检测到植物茎直径增长变负时，控制器(17)控制水泵(2)启动，系统运行，打开该区域支管(7)上的电磁阀(8)。水流依次通过主管(1)、干管(6)、支管(7)，最后经过喷头(15)向下喷洒到植物冠层和土壤上。当该区域Z1深度处的土壤水分情况发生变化时，控制器(17)关闭该区域处的电磁阀(8)，停止喷灌，打开支管(7)上的泄水阀(16)，排干管路中的水。当所有喷灌区域的Z1处的土壤水分均发生变化时，控制器(17)关闭所有的电磁阀(8)和水泵(2)，结束灌溉，等待下一次灌溉周期。
本发明具有的有益效果。本发明利用种植植物的土壤类型，坡度等条件的变化，会影响灌溉过程后水分的运移的特点，而且由于不同区域中天气因素的差异对植物的需水与否起着重要的影响，通过对各个区域分别监测植物茎杆直径变化，从而有效地对植物进行精准灌溉。本发明也为喷灌中如何确定灌溉起停的时机提供了理论依据，能够使得喷灌自主化和精准化，能够节约大量的劳动力和水资源。
附图说明
图1为本发明喷灌系统组成与结构示意图。
图2为本发明喷灌控制系统流程图。
图中：1主管，2水泵，3逆止阀，4过滤器，5流量表，6干管，7支管，8电磁阀，9压力表，10植物茎杆直径变化传感器，11土壤水分传感器，12温度传感器，13净辐射传感器，14竖管，15喷头，16泄水阀，17控制器。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本方法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方法，但不用来限制本方法的范围。
以茶园中的茶树为例。
本发明的系统组成和结构如图1所示，包括主管1、水泵2、逆止阀3、过滤器4、流量表5、干管6、支管7、电磁阀8、压力表9、植物茎杆直径变化传感器10、土壤水分传感器11、温度传感器12、净辐射传感器13、竖管14、喷头15、泄水阀16、控制器17；主管1上依次连接水泵2、逆止阀3、过滤器4、压力表9、流量表5；干管6分别连接各区域的支管7；在各支管7上依次连接电磁阀8、压力表9、竖管14、泄水阀16；竖管14上连接喷头15；各植物茎杆直径变化传感器10、土壤水分传感器11、温度传感器12和净辐射传感器13置于田间不同区域，每个区域均放置有植物茎杆直径变化传感器10、土壤水分传感器11、温度传感器12和净辐射传感器13，各个传感器均与控制器17输入端连接；水泵2、各电磁阀8均与控制器17输出端连接。
在本例中，喷头15选用摇臂式喷头3430，设置在茶树冠层上方30到50cm处；控制器17采用三菱FX2N-32MR-001型可编程控制器；植物茎杆直径变化传感器10型号为SD-5M，选择茶树活跃层的根系进行加持传感器；土壤水分传感器11型号是CS616；温度传感器12型号为WZP-Pt100；净辐射传感器13型号为NR LITE2。根据茶园不同的环境参数将试验区域分为三个区域，分别为试验区域一、区域二和区域三。
喷灌区域土壤为壤粘土，供试茶树为安吉白茶，树龄约7年。试验测得的茶树根系深度为35cm。下面进一步介绍下喷灌的工作过程。
第一步：在控制器17中输入理想的渗透深度，即茶树的根系深度35cm；输入试验区域一、区域二和区域三的坡度0°、5°、15°；输入各个喷灌区域的喷灌强度，均为4mm/h；输入土壤的类型，均为壤粘土。
第二步：当某区域的植物茎直径增长变负时，即当天植物茎直径低于前一天时，启动水泵2，并打开该区域支管7上的电磁阀8；否则使该区域的电磁阀8保持关闭。在本例中测得区域二中的植物茎直径增长为负值，其余区域增长均为正值，故打开区域二支管7上的电磁阀8和水泵2。
第三步：计算Z1的值。区域二中温度传感器12数据为35℃，净辐射传感器13数据为400wat/m2，查询相应的模糊控制查询表，得到参数α为0.8；区域二的坡度为5°，喷灌强度为4mm/h，查询相应的模糊控制查询表，得到参数β为1；区域二的土壤为壤粘土，故参数λ为0.6；故Z1＝αβλZF＝0.8×1×0.6×35＝16.8cm，在地面以下16.8cm处埋设土壤水分传感器11。
第四步：喷灌系统运行45分钟后，16.8cm处的土壤水分传感器11检测到土壤水分发生变化，关闭区域二支管7上的电磁阀8。
第五步：关闭水泵2。
第六步：喷灌结束后，保持控制器17开启，等待下一个灌溉周期。
以上实施方式仅用于说明本方法，而并非对本方法的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本方法的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本方法的范畴，本方法的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims (8)

1.一种基于水分运移的自动喷灌系统，包括主管(1)、水泵(2)、逆止阀(3)、过滤器(4)、流量表(5)、干管(6)、支管(7)、电磁阀(8)、压力表(9)，其特征在于还包括：植物茎杆直径变化传感器(10)、土壤水分传感器(11)、温度传感器(12)、净辐射传感器(13)、竖管(14)、喷头(15)、泄水阀(16)、控制器(17)；所述主管(1)上依次连接有水泵(2)、逆止阀(3)、过滤器(4)、流量表(5)、压力表(9)；所述干管(6)上分别连接有多个支管(7)；所述支管(7)上依次连接有电磁阀(8)、压力表(9)、竖管(14)、泄水阀(16)；各个竖管(14)连接喷头(15)。
2.根据权利要求1所述的一种基于水分运移的自动喷灌系统，其特征在于：所述喷头(15)位于植物冠层的上方，根据喷灌强度选择喷头(15)的型号；喷灌强度为2mm/h可以选择型号为3103的喷头(15)，喷灌强度为4mm/h时可以选择型号为3430的喷头(15)，喷灌强度为6mm/h时可以选择型号为5022的喷头(15)。
3.根据权利要求1所述的一种基于水分运移的自动喷灌系统，其特征在于：各植物茎杆直径变化传感器(10)、土壤水分传感器(11)、温度传感器(12)和净辐射传感器(13)置于田间需要喷灌的区域，每个所述区域均放置有植物茎杆直径变化传感器(10)、土壤水分传感器(11)、温度传感器(12)和净辐射传感器(13)，植物茎杆直径变化传感器(10)、土壤水分传感器(11)、温度传感器(12)和净辐射传感器(13)均分别与控制器(17)输入端连接；水泵(2)、各电磁阀(8)均与控制器(17)输出端连接。
4.根据权利要求1所述的一种基于水分运移的自动喷灌系统，其特征在于：所述土壤水分传感器(11)位于所述区域地表以下Z1深度处，土壤水分传感器(11)的探头平行于地面水平放置。
5.根据权利要求1所述的一种基于水分运移的自动喷灌系统，其特征在于：所述温度传感器(12)和净辐射表(13)位于所述区域的喷灌高度以上，无障碍物遮挡，以能够准确测得所述区域的温度和太阳辐射强度。
6.根据权利要求1所述的一种基于水分运移的自动喷灌系统，其特征在于：所述植物茎杆直径变化传感器(10)的类型是根据植物根茎直径进行选择；当植物根茎直径为5mm至25mm时选择SD-5M，当植物根茎直径为20mm至70mm时选择SD-6M；所述植物茎杆直径变化传感器(10)埋于活跃根系深度处，将植物茎杆直径变化传感器(10)加持在植物根系上。
7.根据权利要求1-6所述的一种基于水分运移的自动喷灌系统的喷灌方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤1，在控制器(17)中输入理想的渗透深度，即所述植物的根系深度；输入各个喷灌区域的坡度、各个喷灌区域的喷灌强度和土壤的类型；
步骤2，当某区域的植物茎直径增长变负时，即当天植物茎直径低于前一天时，启动水泵(2)，并打开该区域支管(7)上的电磁阀(8)；否则使该区域的电磁阀(8)保持关闭；
步骤3，喷灌系统运行后，当根据数学模型得到的Z1处的土壤水分变化时，关闭该区域支管(7)上的电磁阀(8)。
步骤4，当所有喷灌区域Z1处的土壤水分均变化时，关闭水泵(2)；
步骤5，喷灌结束后，保持控制器(17)开启，等待下一个灌溉周期。
8.根据权利要求7所述的一种基于水分运移的自动喷灌方法，其特征在于所述步骤3中的数学模型为：
Z1＝αβλZF；
参数α为环境参数，通过温度传感器(12)和净辐射传感器(13)实时测得的数据查询相应的模糊控制查询表，得到参数α的数值；
参数β为系统参数，通过输入各个区域的坡度和各个喷灌区域的喷灌强度查询相应的模糊控制查询表，得到参数β的数值；
参数λ为土壤参数，根据输入的土壤类型得到相对应的参数λ；
参数ZF为输入理想的渗透深度，即所述植物的根系深度。
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