CN106665290A - 一种智能草地补充灌溉管理系统 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种草地智能补充灌溉系统，属于牧草水分管理领域，通过土壤水分传感器指示土壤的水分亏缺状况，主控制器根据牧草的需水特性、近期的天气状况计算适宜的灌溉时间及灌溉量，当低于设定的含水量阈值时，控制打开相应水泵及灌溉管道上的阀门，将灌溉水输送到相应的灌溉设施进行灌溉，灌溉过程中有水表计量灌溉量，当达到灌溉量时，控制器关闭水泵及阀门，停止灌溉并继续监测土壤水分状况准备下一次灌溉，此系统中的控制通过无线模块进行传输。本智能补充灌溉系统可长期无人值守自动运行，提高牧草灌溉自动化水平。

Description

一种智能草地补充灌溉管理系统

技术领域

本发明涉及一种放牧草地智能补充灌溉系统，具体涉及利用机井或沟渠、水泵、管道、水箱及机电一体自动化技术来实现牧草生长周期内水分需求全自动补给灌溉。此系统属于草地畜牧业管理领域，通过对水分灌溉的自动化管理，及时按需补充水分，提高牧草的产量，并节省大量灌溉的人力成本，实现草地灌溉的智能化与自动化。

背景技术

草地是地球陆地最重要、分布最广的生态系统之一，全球草地面积约为34亿公顷，占全球陆地面积的25%，我国草地面积约4亿公顷，占我国总面积的约42%，是我国畜牧业的重要支柱，草地生产力的大小直接影响我国畜牧业的产出。

政府间气候变化专业委员会(IPCC)是气候变化研究的最权威机构，其第5次评估报告指出，从1880年到2012年，全球地表平均温度升高了0.85℃，中国自1913年以来地表平均温度升高了0.91℃。现有的研究表明气候变化导致我国90%的可利用天然草地呈现不同程度退化，草地在总面积减少的同时，草地质量也在不断下降。在天然草地生产力不断退化的情况下，人工草地的建设对畜牧业生产的不断增长起到了重要的支撑作用，我国人工草地面积近660万公顷，占全国草地面积的2%，人工草地的产量约是天然草地的1~5倍。水分的亏缺状况直接影响牧草的产量，灌溉是增加草地生产力的重要措施之一，据现有的灌溉研究显示，合理的灌溉将使天然草地牧草的产量增加10%～150%甚至更多，人工草地对灌溉的依赖性更大，草地种植初期必须依赖灌溉，合理灌溉对人工草地产草量的增加最高可达5倍之多，因而加强草地灌溉是增加草地产草量的重要途径。

草地面积广，水源地状况条件差异大，人工灌溉耗费人力和财力也相当巨大，必须找到合理有效的灌溉方式，使草地灌溉达到低成本高产出的效果。我国草地实行灌溉的比例仅在5%左右，且大多采用粗犷式的人工大水灌溉，本发明旨在依据我国放牧草地的特点，设计出一种智能补充灌溉系统，依靠水分探头和机电一体自动化技术，降低草地灌溉的人力成本，提高草地的生产力。

发明内容

针对我国草地灌溉，本发明创造设计出了一种智能补充灌溉系统，在需要灌溉及有条件的草地或草场，因草地环境条件选取适宜的灌溉方案，铺设灌溉管道，使用土壤水分含量传感器及温度传感器监测土壤的水分亏缺状况及土壤潜在蒸发，并结合不同牧草的需水特点和短期的天气预报情况，当水分亏缺及近期无降水的条件下，需要灌溉时，由太阳能及风力发电装置提供电源（如果有交流电也可以直接使用），自动灌溉控制系统控制水泵从水井、水塘或河流沟渠抽取水，经储水器、管道、电控阀门、水表及相应的灌溉设施如喷头喷灌带等进行灌溉，当达到设定的灌溉量后，关闭水泵及阀门，停止灌溉，系统继续实时监测土壤含水量，当显示水分再次亏缺并符合灌溉条件时再次启动灌溉系统进行灌溉。

采用上述系统的本发明具有以下二个主要优点：1）对土壤水分及温度的实时监测，并结合牧草需水特点、天气状况等进行灌溉，可以高效利用水源，提高水分利用率或使用有限的水源灌溉更大的面积；2）灌溉是全自动进行，可以极大地节省人力，适宜于大面积草场使用。

附图说明

图1是本发明草地智能补充灌溉系统示意图。

具体实施方式

如图1所示为发明草地智能补充灌溉系统示意图，其主要包含有充电设施1、电源2、主控制器3、水源4、水泵5、总水表6、总水阀7、储水器8、增压泵9、分控制器10、分水表11、分水阀12、草地温度探头13、草地水分探头14、储水器水压探头15、储水器水温探头16、水源水压探头17、无线模块18、水管20、灌溉设施21组成，这些组成部件中，有些部件是必备的，有些部件是依据草地实际情况进行配置和选择的，而有些部件是可根据草地实际情况进行取舍的。

现结合图1对此系统中各主要部件的功用及其依条件取舍情况作一下说明。对于充电设施1，可以采用光能、风能或是水能中的一种或多种组成，但如果草地附近本身就有电力供应，就可以不必要使用；电源2是必备的，如果需灌溉草地附近有电力供应，就直接作为电源2使用，如果草地附近没有电力供应，电源2就可以由充电电池组及相应的电力逆变装置购成，它与充电设施1一同构成此系统的电能供应系统；主控制器3是本系统中必备的部件，它通过电缆22与电源2相连，控制整个智能补充灌溉系统的运行；水源4在系统中是必备的，没有相应的水源就无法灌溉，水源4可以是水塘、河流、沟渠或机井，依草地的地理位置条件而定；水泵5是用于给管道系统输送动力，如果草地水源4的地理位置较低，如机井或低洼地的水塘或河流沟渠，必须要使用水泵5来提水，但如果水源4的位置较高，如处于山上的融雪水，通过筑坝形成的小水塘，本身能提供足够的压力势能，则可以不需要水泵5提供动力；总水表6用于计量灌溉系统总的灌溉量，是必须的部件；总水阀7是整个灌溉系统的水流开关，也是必须的，并且此水阀是一种自保持的电磁阀，即只在执行打开或关闭动作的时候耗费电能，一旦打开或关闭动作完成，能在不通电的情况下保持其打开或关闭状态，以便节省电能；储水器8是一个起储水蓄积及增温双重功效的部件，它一般是建于高处的防渗或密闭的容器，一般可采用防渗池、水箱或水塔等来实现，一般情况下这个部件在系统中是必须的，一方面如果水源4的水温较低，如从机井、低洼地或融雪产生的水流，过低的水温灌溉到草地上对牧草的生长有一定的不利影响，通过储水器8在太阳照射下能增加水温，更适宜灌溉，储水器8的另一个重要作用是对水的蓄积作用，有时水源4的水源量不大，如山上融雪或小流量的沟渠，是一种长期小流量的水流过程，通过水泵5提水或建坝拦水，将小股的水流积蓄起来并输送到储水器8中保存，等到需要灌溉时有足够的水提供给草地灌溉之用，如果水的来源本身地势很高，通过建立拦坝形成的贮水器能提供足够的压力，其也可以直接当作水源4使用；增压泵9是一个可选的部件，当储水器8不能提供足够的灌溉水压力时，可采用它来提供额外的动力，保证灌溉的顺利进行；分控制器10是必备部件，由它来控制灌溉某一片区域，其上连接有必备的指示草地温度及含水量的草地温度探头13和草地水分探头14；分水表11用来计量其后端灌溉区域的水量，分水阀12分别用来打开或关闭其后端的灌溉管道，也是采用节能的自保持电磁阀；储水器水压探头15用来指示储水器8中的水位压力是否能满足灌溉的要求，是否需要从水源4补充水量的作用，依储水器8的有无进行取舍；储水器水温探头16用来指示储水器8中水体的温度，可作为灌溉时间选择的辅助依据，也是根据储水器8的有无进行取舍；水源水压探头17用来指示水源水体的水压及水位，同时还可防止在无水的情况下启动水泵；无线模块18在主控制器3、总水表6、总水阀7、分控制器10、分水表11和分水阀12上都有配置，它是此系统的必备部件，通过它们与主控制器3通讯，能获得灌溉的总水量、分水量及发送阀开关的相关指令，采用无线传输的方式，可以大大节省线缆的费用，也防止可能存在的有线电缆鼠咬、虫啃及电线老化的风险；水管20用来输送灌溉水，是必备部件；灌溉设施21也是必备部件，但其采用的方式依所需要的条件进行选择，喷灌的范围较广，需要的水压较大，水量也要充足，如果现场具备这样的条件就可以采用，但如果水压不是很足，水量也不是很大，灌溉设施21也可采用微喷、喷灌带、滴灌或分区漫灌等方式。而且此系统中的总水表6、总水阀7、分水表11、分水阀12这几个部件内部都带有小的水力发电装置及可充电电池，可以通过灌溉水流补充能量来满足运行时的电能需求，分控制器10的内部有可充电电池，其有导线与分水表11和分水阀12相连（图1中未示），其电力的供给通过分水表11、分水阀12中的水流发电来提供。

图1中给出的也是一种较为典型的草地补充灌溉的实施例示意图，下面结合图1来说明此实施例的工作方式。在此系统中，没有交流电能的供应，充电设施1采用了太阳能，电源2采用电池加逆变装置（图中未示）给主控制器供电，水源4为低洼地的水塘，系统带有水箱作为储水器8使用，设有增压泵9，灌溉设施21采用可调节角度及方向的自动喷头，当此系统如图1连接好并开始自动运行后，分控制器10读取与之相连的草地温度探头13、草地水分探头14的值，并通过无线模块18传送给主控制器3，主控制器3中存储有草地各个生长时期需要灌溉的草地最低土壤含水量阈值、每次灌溉需要的水量、适宜的灌溉时间及温度等信息，还能接收到通过无线终端如手机无线网（图中未示）所发送过来的近期天气状况，当草地水分探头14的值低于主控制器3中存储的最低土壤含水量阈值时，主控制器3再查看近期是否有降水，如果没有降水或降水量不能满足需求，则准备启动灌溉，但灌溉的启动时间会根据储水器水温探头16的值是否满足需求在一天内可能会作一定的推迟，一般夜间不进行灌溉，并且主控制器还根据当时的草地温度探头13指示的温度及未来几天的天气情况计算潜在蒸散量并最终给出本次灌溉的水量及灌溉启动的最佳时间，当主控制器3启动灌溉指令后，通过无线模块18发送指令打开总水阀7和分水阀12，启动水泵5，水泵5从水源4中抽取灌溉水送入储水器8水箱中，通过增压泵9增压后由管道20输送到灌溉设施21的喷头中喷出，喷头可以调节出水的角度及方向喷向草地19进行灌溉，图1中的虚线23指示的是喷头喷水的边界，调节好的喷头角度及方向可以保证最大限度地利用好灌溉水，覆盖整个灌溉区域。在喷灌的过程中，总水表6和分水表11分别计量灌溉的量并通过无线模块18传送到主控制器3中，当达到主控制器3中计算好的灌溉量后，主控制器3会发送停止灌溉的指令，关闭水泵5及增压泵9，并无线控制关闭总水阀7和分水阀12，此时系统处于停止灌溉状态，而主控制器3及分控制器10会一直通过侦测草地水分探头14的值并与存储的最低灌溉含水量阈值进行比较，如果低于此阈值就会启动下一次灌溉。而且主控制器3在侦测草地水分探头14的过程中，如果草地土壤含水量指示值达不到需要灌溉的空闲时段，而此时储水器水压探头15指示的储水量不足，主控制器会自动启动水泵5及打开总水阀7对储水器8补充水量，特别是当水源4的水流量很小的情况下，通过这种方式可将零散的水源4中的水逐渐积累到储水器8中蓄积起来，保证灌溉时有足够的灌溉用水，当储水器水压探头15指示储水器已充满，达到额定水压后，主控制器3则会关闭水泵5及总水阀7，停止对储水器补水。

本智能补充灌溉系统的启动是根据插入到草地土壤中的草地水分探头14来感知土壤的水分亏缺状况，由于不同类型的草地土壤的质地、保水性能不一样，而且生长在其上面的牧草的需水特性也不一样，因而在使用前应对土壤的物理性状及牧草的需水状况进行综合评判，设定合理的灌溉起始土壤含水量阈值，防止设定的最低土壤含水量值过低，系统难以达到而无法启动；另一方面也要防止设定的最高含水量过高，即使灌溉量达到后草地仍没有达到或超过最高含水量，导致系统不停灌溉的状况。

本系统运行的核心是基于草地水分探头14指示土壤含水量的亏缺状况来实现的，因而必须保证草地水分探头14的准确性及可靠性，草地水分探头14在使用前必须经过筛选校准保证其精度；另外，由于草原上可能存在较多老鼠或其它小动物，潜在的啃咬会造成传感器损坏，因而此关键部件应做好防护，对其传输线要加PVC管或不锈钢软管进行防护处理，并且地埋防止鼠啃虫咬或牛羊踩踏造成的损害，提高系统运行的可靠性。

Claims (4)

1.一种草地智能补充灌溉管理系统，其涉及的主要组成部件包括：充电设施、电源、主控制器、水源、水泵、总水表、总水阀、储水器、增压泵、分控制器、分水表、分水阀、草地温度探头、草地水分探头、储水器水压探头、储水器水温探头、水源水压探头、无线模块、水管、灌溉设施，其中充电设施、水泵、储水器、增压泵、储水器水压探头、储水器水温探头是可选部件，其选择条件依草地的立地条件而灵活选取和配置；此系统的主要特征在于使用土壤含水量传感器指示草地土壤的水分状况，由控制系统结合牧草的生长特点设定灌溉的阈值，并根据近期的可能温度和降水情况确定灌溉的时间及灌溉量，当土壤含水量低于设定的阈值时，由已编制好控制程序的控制器控制打开灌溉管道上的相应阀门及与之相连水泵，水泵将灌溉水从机井或沟渠等水源中抽取，经储水器、管道和水表到达灌溉设施进行灌溉，当水表记录的灌溉量达到设定的灌溉水量时，控制器再关闭水泵、管道上的阀门，停止灌溉，整个过程不需要人的参与，达到草地智能补充灌溉的目的。

2.如权利要求1所述的草地智能补充灌溉管理系统，其中主控制器程序是根据牧草的生长需水特性，并结合近期的天气状况，考虑未来可能降水及潜在蒸散状况，由系统计算出相应的灌溉时间及灌溉量，并可通过无线传输进行控制和自动灌溉。

3.如权利要求1所述的草地智能补充灌溉管理系统，其中总水表、分水表、总水阀及分水阀均带有小的水力发电装置、可充电电池，可在灌溉时通过灌溉水流补充电能，其中总水阀及分水阀均带有自保持功能。

4.如权利要求1所述的草地智能补充灌溉管理系统，其中控制器、水表、分水阀均带有无线传输功能，能极大地降低硬件成本及有线传输可能带来的鼠咬虫啃电线老化等故障风险，提高系统自动化的可靠性。