CN106718695B - 一种智能节水灌溉物联网控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种智能节水灌溉物联网控制系统，该系统包括田间小气候自动观测仪、数据分析装置、控制装置和灌溉出水装置，田间小气候自动观测仪与数据分析装置连接，田间小气候自动观测仪用于对风速、风向、雨量、空气温度、空气湿度、光照强度、土壤温度、土壤湿度、蒸发量、大气压力、总辐射气象要素进行全天候现场监测，并且将监测到的数据全部传输给数据分析装置；所述的数据分析装置用于根据从所述的田间小气候自动观测仪接收到的数据实时预测作物蒸发蒸腾量，并且将实时预测的作物蒸发蒸腾量传输给控制装置，所述控制装置根据从所述数据分析装置接收到的作物蒸发蒸腾量控制灌溉出水装置实现自动灌溉。

Description

一种智能节水灌溉物联网控制系统

技术领域

本发明涉及节水灌溉技术领域，具体涉及一种智能节水灌溉物联网控制系统。

背景技术

节水灌溉是根据作物需水规律及当地供水条件，为了有效地利用降水和灌溉水，获取农业的最佳经济效益、社会效益、生态环境效益而采取的多种措施的总称。灌溉水从水源到田间要经过几个环节，每个环节中都存在水量无益损耗。凡是在这些环节中能够减少水量损失、提高灌溉水使用效率和经济效益的各种措施，均属于节水灌溉的范畴。

我国是一个水资源不丰富的国家，在各个用水部门中，灌溉用水最多，约占全国总用水量的70%以上，因此开展节水灌溉对缓解我国日益突出的水资源供需矛盾具有十分重要的战略意义。在推行节水灌溉方面，几十年来我国已经做了许多工作，取得了一定成效。近年来渠道防渗，喷、微灌等节水新技术和低压管道输水灌溉得到迅速发展。为了减少田间灌溉用水的损失，很多地区采用了平整土地、膜上灌、稻田湿润灌溉、改进畦沟灌等节水措施，效果也较显著。但是，节水灌溉在我国毕竟还处于发展阶段，发展不平衡，规模也不大。

现有技术中也已经发展出一种基于物联网的灌溉系统，例如公开号为CN204796355U的中国专利文献公开了一种基于物联网的智能大棚灌溉系统，包括总控中心、控制模块、数据采集模块、灌溉系统和雨水收集系统；所述的控制模块通过电连接并控制从蓄水池抽水的抽水泵、从水源或雨水过滤器抽水的抽水泵、施肥器、各个电磁阀和大棚天窗；所述的数据采集模块通过无线网络连接水位检测、水表、压力流量计、土壤墒情传感器、温湿度传感器、雨量传感器和室外气象站的各种实时信息；所述的灌溉系统由蓄水池、止回阀、抽水泵、电磁阀、施肥器、水表、压力流量计、电磁阀3～N、摇臂喷头1～N、滴灌管1～N通过水管连接构成；所述的雨水收集系统由雨水收集器1～N、雨水过滤器、抽水泵2通过水管连接构成。

但是现有技术中的灌溉系统并没有具体公开如何利用数据采集模块采集的数据控制灌溉系统的运行，无法预测作物蒸发蒸腾量，也就无法进一步预测灌水日期和灌水定额。

发明内容

为了克服现有技术中存在的问题，本发明提供一种智能节水灌溉物联网控制系统，该系统充分利用了田间小气候自动观测仪检测的雨量、空气温度、空气湿度、光照强度等气象参数，能够比较准确地预测作物蒸发蒸腾量，进而预测灌水日期和灌水定额。

为实现上述目的，本发明所述的智能节水灌溉物联网控制系统包括田间小气候自动观测仪、数据分析装置、控制装置和灌溉出水装置，所述的田间小气候自动观测仪与数据分析装置连接，数据分析装置与控制装置连接，控制装置与灌溉出水装置连接，所述的田间小气候自动观测仪用于对风速、风向、雨量、空气温度、空气湿度、光照强度、土壤温度、土壤湿度、蒸发量、大气压力、总辐射气象要素进行全天候现场监测，并且将监测到的数据全部传输给数据分析装置；所述的数据分析装置用于根据从所述的田间小气候自动观测仪接收到的数据实时预测作物蒸发蒸腾量，并且将实时预测的作物蒸发蒸腾量传输给控制装置，所述控制装置根据从所述数据分析装置接收到的作物蒸发蒸腾量控制灌溉出水装置实现自动灌溉。

在一个优选实施例中，所述的数据分析装置根据第一公式实时预测作物蒸发蒸腾量，第一公式的内容为：

ET_i= ET_oi•K_oi•K_si

其中ET_i为第i天的作物蒸发蒸腾量，mm/d；ET_oi为第i天的参考作物腾发量，mm/d；K_oi为第i天的作物系数，K_si为第i天的土壤水分修正系数；

ET_oi根据第二公式计算，第二公式的内容为：

ET_oi = Ф_i•ET_um•exp[-[(I-I_m)/A]²]

其中，Ф_i为第i天的天气类型修正系数，通过查表获得；ET_um为多年平均最大旬参考作物腾发量平均值，mm/d，通过查询当地长期水文气象资料获得；I为日序数；I_m为历年中出现ET_um之日序数均值，根据经验，I_m在191至212的范围内取值；A为经验参数，A在96.8至150的范围内取值；

K_oi根据第三公式计算，第三公式的内容为：

K_oi=a+b•CC_i ⁿ

其中K_oi为第i天的作物系数，a为经验常数，b为经验系数，n为经验指数，CC_i为第i天的绿叶覆盖百分率，%；

CC_i根据第四公式计算，第四公式的内容为：

CC_i=CC₀+（CC_T – CC₀）i_f /T

其中CC_i为第i天的绿叶覆盖百分率，%，CC₀为初始日的作物绿叶覆盖百分率，%，CC_T为第T日的作物绿叶覆盖百分率，%，i_f为从初始日开始往后的日数；T为从初始日开始到达某一预定CC_T所需的日数；CC₀取自测报点当时测报的数值，CC_T、i_f和T均为根据作物生长特性和实际经验预估的经验值；

K_si根据第五公式计算，第五公式的内容为：

K_si=α•exp[(θ_i-θ_c2)]/ θ_c2+R•t_f+Q•h_f

其中K_si为第i天的土壤水分修正系数；α为0.8~0.95；θ_i为第i日的实际平均土壤湿度；θ_c2为土壤水分胁迫临界土壤含水率，稻田为饱和含水率的80%，旱田为第i日的实际平均土壤湿度的60%；R为空气温度经验系数，R取为0.005；Q为光照强度经验系数，Q取为0.026；t_f为日平均空气温度；h_f为日平均光照强度。

优选地，第三公式中a=0.507，b=2.32×10^-5；n=2.27。

优选地，第三公式中a=0.35，b=2.56×10^-5；n=2.27。

优选地，第三公式中a=0.9，b=0.74×10^-6；n=2.26。

所述的灌溉出水装置包括喷灌装置和滴灌装置，当所述的田间小气候自动观测仪检测到风速低于10m/s时，打开喷灌装置，并且将喷灌装置的喷头调成迎着风向的角度，关闭滴灌装置。

当所述的田间小气候自动观测仪检测到风速大于或等于10m/s时，关闭喷灌装置，打开滴灌装置。

所述的田间小气候自动观测仪包括气象传感器、气象数据记录仪、电源系统、野外防护箱和不锈钢支架，所述气象传感器、气象数据记录仪和电源系统均设置在野外防护箱中，野外防护箱固定设置在不锈钢支架上，气象传感器与气象数据记录仪连接，电源系统与气象传感器和气象数据记录仪分别连接。

在一个优选实施例中，所述气象传感器至少包括风速传感器、风向传感器、雨量传感器和/或蒸发量传感器。

所述的智能节水灌溉物联网控制系统还通过标准 USB 通讯接口与监测中心 PC机有线连接，实时传送采集的数据。

本发明具有如下优点：本发明所述的智能节水灌溉物联网控制系统与现有技术相比，充分利用了田间小气候自动观测仪检测的雨量、空气温度、空气湿度、光照强度等气象参数，能够比较准确地预测短期作物蒸发蒸腾量，进而预测灌水日期和灌水定额，以充分利用田间水分状况、作物生长状况、天气条件等实时动态信息，为计划用水或节水灌溉条件下灌溉管理和减产率预测、某一次灌溉时水量最优分配提供依据。

附图说明

图1是本发明所述的智能节水灌溉物联网控制系统的整体结构示意图。

具体实施方式

以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

本发明所述的智能节水灌溉物联网控制系统包括田间小气候自动观测仪、数据分析装置、控制装置和灌溉出水装置，所述的田间小气候自动观测仪与数据分析装置连接，数据分析装置与控制装置连接，控制装置与灌溉出水装置连接，所述的田间小气候自动观测仪用于对风速、风向、雨量、空气温度、空气湿度、光照强度、土壤温度、土壤湿度、蒸发量、大气压力、总辐射气象要素进行全天候现场监测，并且将监测到的数据全部传输给数据分析装置；所述的数据分析装置用于根据从所述的田间小气候自动观测仪接收到的数据实时预测作物蒸发蒸腾量，并且将实时预测的作物蒸发蒸腾量传输给控制装置，所述控制装置根据从所述数据分析装置接收到的作物蒸发蒸腾量控制灌溉出水装置实现自动灌溉。

在一个优选实施例中，所述的数据分析装置根据第一公式实时预测作物蒸发蒸腾量，第一公式的内容为：

ET_i= ET_oi•K_oi•K_si

其中ET_i为第i天的作物蒸发蒸腾量，mm/d；ET_oi为第i天的参考作物腾发量，mm/d；K_oi为第i天的作物系数，K_si为第i天的土壤水分修正系数；

ET_oi根据第二公式计算，第二公式的内容为：

ET_oi = Ф_i•ET_um•exp[-[(I-I_m)/A]²]

其中，Ф_i为第i天的天气类型修正系数，通过查表获得；ET_um为多年平均最大旬参考作物腾发量平均值，mm/d，通过查询当地长期水文气象资料获得；I为日序数；I_m为历年中出现ET_um之日序数均值，根据经验，I_m在191至212的范围内取值；A为经验参数，A在96.8至150的范围内取值；

K_oi根据第三公式计算，第三公式的内容为：

K_oi=a+b•CC_i ⁿ

其中K_oi为第i天的作物系数，a为经验常数，b为经验系数，n为经验指数，CC_i为第i天的绿叶覆盖百分率，%；

CC_i根据第四公式计算，第四公式的内容为：

CC_i=CC₀+（CC_T – CC₀）i_f /T

其中CC_i为第i天的绿叶覆盖百分率，%，CC₀为初始日的作物绿叶覆盖百分率，%，CC_T为第T日的作物绿叶覆盖百分率，%，i_f为从初始日开始往后的日数；T为从初始日开始到达某一预定CC_T所需的日数；CC₀取自测报点当时测报的数值，CC_T、i_f和T均为根据作物生长特性和实际经验预估的经验值；

K_si根据第五公式计算，第五公式的内容为：

K_si=α•exp[(θ_i-θ_c2)]/ θ_c2+R•t_f+Q•h_f

其中K_si为第i天的土壤水分修正系数；α为0.8~0.95；θ_i为第i日的实际平均土壤湿度；θ_c2为土壤水分胁迫临界土壤含水率，稻田为饱和含水率的80%，旱田为第i日的实际平均土壤湿度的60%；R为空气温度经验系数，R取为0.005；Q为光照强度经验系数，Q取为0.026；t_f为日平均空气温度；h_f为日平均光照强度。

上文中的第i日的实际平均土壤湿度、日平均空气温度、日平均光照强度均由田间小气候自动观测仪检测获得。

第二公式中的第i天的天气类型修正系数Ф_i通过查下表获得：

对于类似于棉花的作物，第三公式中a=0.507，b=2.32×10^-5；n=2.27。

对于类似于玉米的作物，第三公式中a=0.35，b=2.56×10^-5；n=2.27。

对于类似于水稻及冬小麦的作物，第三公式中a=0.9，b=0.74×10^-6；n=2.26。

确定了实时预测的作物蒸发蒸腾量，即可按照现有技术中的方法（例如亨特蒸散系统，即ET系统）确定灌溉程序，获得具体的灌溉日期和灌水定额，根据灌溉日期和灌水定额控制灌溉出水装置实现自动灌溉。

所述的灌溉出水装置包括喷灌装置和滴灌装置，当所述的田间小气候自动观测仪检测到风速低于10m/s时，打开喷灌装置，并且将喷灌装置的喷头调成迎着风向的角度，关闭滴灌装置。

当所述的田间小气候自动观测仪检测到风速大于或等于10m/s时，关闭喷灌装置，打开滴灌装置。

由于滴灌装置受风力的影响较小，喷灌装置受风力的影响较大，因此在风速低时采用喷灌，在风力高时采用滴灌有利于保证节水效率。将喷灌装置的喷头调成迎着风向的角度有利于扩大水滴的落点范围，避免水滴被顺风吹离农作物过远，失去灌溉效果。

所述的田间小气候自动观测仪包括气象传感器、气象数据记录仪、电源系统、野外防护箱和不锈钢支架，所述气象传感器、气象数据记录仪和电源系统均设置在野外防护箱中，野外防护箱固定设置在不锈钢支架上，气象传感器与气象数据记录仪连接，电源系统与气象传感器和气象数据记录仪分别连接。

在一个优选实施例中，所述气象传感器至少包括风速传感器、风向传感器、雨量传感器和/或蒸发量传感器。

风速传感器、风向传感器、雨量传感器、蒸发量传感器为气象专用传感器，具有高精度、高可靠性的特点。

气象数据记录仪具有气象数据采集、气象数据定时存储、参数设定、友好的软件人机界面和标准通信功能，图形数据显示，有线通讯方式，在Windows2000以上系统环境即可运行,存储数据，数据存储格式为EXCEL标准格式，可生成气象数据图表，供其它软件调用。

所述的智能节水灌溉物联网控制系统还通过标准 USB 通讯接口与监测中心 PC机有线连接，实时传送采集的数据。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (9)

1.一种智能节水灌溉物联网控制系统，其特征在于，所述智能节水灌溉物联网控制系统包括田间小气候自动观测仪、数据分析装置、控制装置和灌溉出水装置，所述的田间小气候自动观测仪与数据分析装置连接，数据分析装置与控制装置连接，控制装置与灌溉出水装置连接，所述的田间小气候自动观测仪用于对风速、风向、雨量、空气温度、空气湿度、光照强度、土壤温度、土壤湿度、蒸发量、大气压力、总辐射气象要素进行全天候现场监测，并且将监测到的数据全部传输给数据分析装置；所述的数据分析装置用于根据从所述的田间小气候自动观测仪接收到的数据实时预测作物蒸发蒸腾量，并且将实时预测的作物蒸发蒸腾量传输给控制装置，所述控制装置根据从所述数据分析装置接收到的作物蒸发蒸腾量控制灌溉出水装置实现自动灌溉；

所述的数据分析装置根据第一公式实时预测作物蒸发蒸腾量，第一公式的内容为：

ET_i= ET_oi•K_oi•K_si

其中ET_i为第i天的作物蒸发蒸腾量，mm/d；ET_oi为第i天的参考作物腾发量，mm/d；K_oi为第i天的作物系数，K_si为第i天的土壤水分修正系数；

ET_oi根据第二公式计算，第二公式的内容为：

ET_oi= Фi•ET_um•exp[-[(I-Im)/A]²]

其中，Фi为第i天的天气类型修正系数，通过查表获得；ET_um为多年平均最大旬参考作物腾发量平均值，mm/d，通过查询当地长期水文气象资料获得；I为日序数；I_m为历年中出现ET_um之日序数均值，根据经验，I_m在191至212的范围内取值；A为经验参数，A在96.8至150的范围内取值；

K_oi根据第三公式计算，第三公式的内容为：

K_oi=a+b•CCiⁿ

其中K_oi为第i天的作物系数，a为经验常数，b为经验系数，n为经验指数，CC_i为第i天的绿叶覆盖百分率，%；

CC_i根据第四公式计算，第四公式的内容为：

CC_i=CC₀+（CC_T–CC₀）i_f /T

其中CC_i为第i天的绿叶覆盖百分率，%，CC₀为初始日的作物绿叶覆盖百分率，%，CC_T为第T日的作物绿叶覆盖百分率，%，i_f为从初始日开始往后的日数；T为从初始日开始到达某一预定CC_T所需的日数；CC₀取自测报点当时测报的数值，CC_T、i_f和T均为根据作物生长特性和实际经验预估的经验值；

K_si根据第五公式计算，第五公式的内容为：

K_si=α•exp[(θ_i-θ_c2)]/ θ_c2+R•t_f+Q•h_f

其中K_si为第i天的土壤水分修正系数；α为0.8~0.95；θ_i为第i日的实际平均土壤湿度；θ_c2为土壤水分胁迫临界土壤含水率，稻田为饱和含水率的80%，旱田为第i日的实际平均土壤湿度的60%；R为空气温度经验系数，R取为0.005；Q为光照强度经验系数，Q取为0.026；t_f为日平均空气温度；h_f为日平均光照强度。

2.如权利要求1所述的智能节水灌溉物联网控制系统，其特征在于，第三公式中a=0.507，b=2.32×10-5；n=2.27。

3.如权利要求1所述的智能节水灌溉物联网控制系统，其特征在于，第三公式中a=0.35，b=2.56×10-5；n=2.27。

4.如权利要求1所述的智能节水灌溉物联网控制系统，其特征在于，第三公式中a=0.9，b=0.74×10-6；n=2.26。

5.如权利要求1-4任一项所述的智能节水灌溉物联网控制系统，其特征在于，所述的灌溉出水装置包括喷灌装置和滴灌装置，当所述的田间小气候自动观测仪检测到风速低于10m/s时，打开喷灌装置，并且将喷灌装置的喷头调成迎着风向的角度，关闭滴灌装置。

6.如权利要求5所述的智能节水灌溉物联网控制系统，其特征在于，当所述的田间小气候自动观测仪检测到风速大于或等于10m/s时，关闭喷灌装置，打开滴灌装置。

7.如权利要求6所述的智能节水灌溉物联网控制系统，其特征在于，所述的田间小气候自动观测仪包括气象传感器、气象数据记录仪、电源系统、野外防护箱和不锈钢支架，所述气象传感器、气象数据记录仪和电源系统均设置在野外防护箱中，野外防护箱固定设置在不锈钢支架上，气象传感器与气象数据记录仪连接，电源系统与气象传感器和气象数据记录仪分别连接。

8.如权利要求7所述的智能节水灌溉物联网控制系统，其特征在于，所述气象传感器至少包括风速传感器、风向传感器、雨量传感器和/或蒸发量传感器。

9.如权利要求8所述的智能节水灌溉物联网控制系统，其特征在于，所述的智能节水灌溉物联网控制系统还通过标准 USB 通讯接口与监测中心 PC 机有线连接，实时传送采集的数据。