CN108536101A - 一种智能化灌排循环利用系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种智能化灌排循环利用系统及方法，所述系统包括：信息采集系统，用于采集农作物冠层叶面信息，农作物田区的温度、湿度、光辐射度、风速、二氧化碳、二氧化氮和甲烷中的至少一个参数,以及土壤的含水率、电导率、含盐量和酸碱度中的至少一个参数；远程智能管控平台，根据采集的各种参数信息，计算出农作物水肥需求量、土壤与农作物的蒸腾量和土壤水分和肥力的变化情况，然后根据这些参数生成控制信息发送给所述水肥一体化装置和所述控制计量闸泵装置；水肥一体化装置，用于根据控制信息，按时间提供一定数量和配比的水和肥料，注入到农作物田；控制计量闸泵装置，用于根据控制信息，控制水肥一体化装置将水和肥料注入农作物田的进程。
Description
技术领域
本发明涉及农业灌溉领域，尤其涉及一种智能化灌排循环利用系统及方法。
背景技术
我国大部分地区水资源不足,河流断流加剧,水体污染,已严重影响到整个地区的生态环境及农业可持续发展。而现阶段,我国农业用水浪费现象仍很严重,各灌区灌溉水的利用系数平均仅为0.4左右，发达国家灌溉水的利用系数平均仅为0.8左右。粮食作物的灌溉水利用效率,即灌溉1m3水增产的粮食平均低于1kg,而发达国家可达2kg,以色列甚至可达2.3kg。
传统灌溉技术远远满足不了现代农业的节水要求，田间渠道渗水漏水占稻区用水的10％左右，无法实施水肥一体化；满灌或漫灌使水中的水肥利用率很低。有些地区开始使用控制灌溉，灌溉过程“浅、干、湿、晒”循环交替。农民可通过人工测量水层，观察土壤裂缝宽度、脚印深度等土壤表象进行判断。控制灌溉也是根据传统经验进行估算，加之农村劳动力能力和水平不断下降，无法根据土壤和作物生长真正的需水量进行灌溉和变量施肥。
发明内容
本发明为了解决上述问题，提供一种智能化灌排循环利用系统及方法。
第一方面，本发明提供了一种智能化灌排循环利用系统，包括：信息采集系统，包括至少一个第一采集单元和至少一个第二采集单元；所述至少一个第一采集单元用于采集农作物冠层叶面信息；所述至少一个第二采集单元用于测量农作物田区的温度、湿度、光辐射度、风速、二氧化碳、二氧化氮和甲烷中的至少一个参数,以及采集土壤的含水率、电导率、含盐量和酸碱度中的至少一个参数；远程智能管控平台，包括接收单元、处理单元和发送单元；所述接收单元用于接收所述信息采集系统的采集信息；所述处理单元用于根据农作物冠层叶面信息，计算出农作物水肥需求量；根据农作物田区的温度、湿度、光辐射度、风速、二氧化碳、二氧化氮和甲烷中的至少一个参数，计算出土壤与农作物的蒸腾量；根据土壤的含水率、电导率、含盐量和酸碱度中的至少一个参数，分析土壤水分和肥力的变化情况；所述发送单元用于根据所述农作物水肥需求量、所述土壤与农作物的蒸腾量和所述土壤水分和肥力的变化情况，生成控制信息发送给水肥一体化装置和控制计量闸泵装置；水肥一体化装置，用于根据所述控制信息，按时间提供一定数量和配比的水和肥料，注入到农作物田；控制计量闸泵装置，用于根据所述控制信息，控制水肥一体化装置将水和肥料注入农作物田的进程；当农作物田的水层和水量没有达到预定值时启动水泵进行按量抽水，并对水泵的抽水量进行计量；当到达预定值时自动关闭进排水渠道。
优选地，所述进排水渠道采用自愈式U型槽，其内表面设置有胶体耐腐蚀涂层。
优选地，所述第一采集单元可为多光谱仪，所述第二采集单元可为微波雷达。
优选地，所述处理单元还用于：通过将所述农作物水肥需求量、所述土壤与农作物的蒸腾量和所述土壤水分和肥力的变化情况进行耦合，得出土壤和农作物的最佳供水和供肥数量。
优选地，所述远程智能管控平台内还包括储存单元，用于储存本地历史遥感数据和本地区历史气象数据；通过所述处理单元进行深度学习，预测天气各种情况与农作物的长势。
优选地，还包括：排水口杀菌装置，用于对农作物田排出尾水中病毒进行消毒，减少农业病虫害。
优选地，还包括排水口超声波激化装置，所述排水口超声波激化装置用于将农作物田尾水中不易被农作物吸收的肥料大分子团进行处理，分解成可被农作物吸收的小分子肥料后，再次循环进入农作物田。
第二方面，本发明提供了一种智能化灌排循环利用方法，包括：采集农作物冠层叶面信息，测量农作物田区的温度、湿度、光辐射度、风速、二氧化碳、二氧化氮和甲烷中的至少一个参数,以及采集土壤的含水率、电导率、含盐量和酸碱度中的至少一个参数；根据农作物冠层叶面信息，计算出农作物水肥需求量；测量农作物田区的温度、湿度、光辐射度、风速、二氧化碳、二氧化氮和甲烷中的至少一个参数，计算出土壤与农作物的蒸腾量；根据土壤的含水率、电导率、含盐量和酸碱度中的至少一个参数，分析土壤水分和肥力的变化情况；根据所述农作物水肥需求量、所述土壤与农作物的蒸腾量和所述土壤水分和肥力的变化情况，生成控制信息发送出去；根据所述控制信息，按时间提供一定数量和配比的水和肥料，注入到农作物田；根据所述控制信息，控制将水和肥料注入农作物田的进程；当农作物田的水层和水量没有达到预定值时启动水泵进行按量抽水，并对水泵的抽水量进行计量；当到达预定值时自动关闭进排水渠道。
优选地，还包括：通过将所述农作物水肥需求量、所述土壤与农作物的蒸腾量和所述土壤水分和肥力的变化情况进行耦合，得出土壤和农作物的最佳供水和供肥数量。
优选地，还包括：对农作物田排出尾水中病毒进行消毒，减少农业病虫害；将农作物田尾水中不易被农作物吸收的肥料大分子团进行处理，分解成可被农作物吸收的小分子肥料后，再次循环进入农作物田。
本发明灌溉循环利用系统采用无人值守远程控制技术，以太阳能为动力来实现全程的自动化动作管控。根据水稻生长需求、土壤耗水量和田间蒸腾量的耦合关系进行按需自动供水和施肥，节约了大量人力和水资源；且在稻区排出的尾水经处理，使大分子变为小分子容易被作物吸收，进入循环利用，杜绝排水污染沟渠河道，水中剩余肥料经处理后更利于水稻生长。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种智能化灌排循环利用系统的结构框图；
图2为本发明实施例提供的远程智能管控平台的结构框图；
图3为本发明实施例提供的另一种智能化灌排循环利用系统的结构框图；
图4为本发明实施例提供的智能化灌排循环利用方法的流程图。
具体实施方式
为使本发明实施例的技术方案以及优点表达的更清楚，下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
本发明实施例中农作物田以稻田为例，农作物以水稻为例。
图1为本发明实施例提供的一种智能化灌排循环利用系统的结构框图。如图1所示，本发明提供了一种智能化灌排循环利用系统，所述系统包括：信息采集系统10、远程智能管控平台20、水肥一体化装置30、进排水渠道40和控制计量闸泵装置50。
信息采集系统10，包括第一采集单元101和第二采集单元102。第一采集单元101采集农作物周边气体含量和冠层叶面信息；第二采集单元102测量农作物田区的温度、湿度、光辐射度、风速、二氧化碳、二氧化氮和甲烷中的至少一个参数,以及采集土壤的含水率、电导率、含盐量和酸碱度中的至少一个参数。
其中，第一采集单元101可为至少一个多光谱仪，第二采集单元102可为至少一个微波雷达。多个多光谱仪和微波雷达均匀分布在农作物田中，测量的结果更准确。
图2为本发明实施例提供的远程智能管控平台的结构框图。如图2所示，远程智能管控平台20包括接收单元201、处理单元202、储存单元203和发送单元204。接收单元201用于接收所述信息采集系统的采集信息。处理单元202用于根据农作物冠层叶面信息，计算出农作物水肥需求量；根据农作物田区的温度、湿度、光辐射度、风速、二氧化碳、二氧化氮和甲烷中的至少一个参数，计算出土壤与农作物的蒸腾量；根据土壤的含水率、电导率、含盐量和酸碱度中的至少一个参数，分析土壤水分和肥力的变化情况。储存单元203用于储存本地遥感数据和本地区气象数据，通过处理单元202进行深度学习，预测各种天气情况与农作物的长势。根据采集的各种参数实时信息结合历史气象信息和历史作物长势，计算出农作物水肥需求量、土壤与农作物的蒸腾量和土壤水分和肥力的变化情况。发送单元204用于根据农作物水肥需求量、土壤与农作物的蒸腾量和土壤水分和肥力的变化情况，生成控制信息发送给水肥一体化装置30和控制计量闸泵装置50。
其中，处理单元202还将根据农作物水肥需求量信息、土壤与农作物的蒸腾量信息和土壤水分和肥力的变化情况信息进行耦合，得出土壤和农作物的最佳供水和供肥数量。
水肥一体化装置30用于根据控制信息，按时间提供一定数量和配比的水和肥料，通过控制计量闸泵装置50注入到农作物田。
其中，控制信息包括：根据农作物在某个时间需要多少水和肥料，然后按时间控制一定数量和配比的水和肥料加入水肥一体化装置30中。
进排水渠道40，进排水渠道一般采用混凝土，由于混凝土渠道易碎、接头多，漏水严重，一般损失水量在总用水量10％左右。本系统采用自愈式U型槽，全渠系一体化设计，渠道无渗漏，不生杂草，流速快，其内表面设置有胶体耐腐蚀涂层，便于提高肥料利用率。
控制计量闸泵装置50用于根据控制信息，控制水肥一体化装置30将水和肥料注入农作物田的进程；当农作物田的水层和水量没有达到预定值时启动水泵进行按量抽水，并对水泵的抽水量进行计量；当到达预定值时自动关闭进排水渠道40。
其中，控制信息包括：根据农作物在某个时间需要多少水，当农作物田的水层和水量没有达到预定值时，控制控制计量闸泵装置50启动水泵进行按量抽水，并对水泵的抽水量进行计量；当到达预定值时，控制控制计量闸泵装置50自动关闭进排水渠道40。
本发明灌溉循环利用系统采用无人值守远程控制技术，以太阳能为动力来实现全程的自动化动作管控。首先信息采集系统10中用多光谱仪采集农作物叶片叶绿素活动量、叶绿素、类胡萝卜素和氮含量信息；用微波雷达采集农作物田区的温度、湿度、光辐射度、风速、二氧化碳、二氧化氮和甲烷中的至少一个参数,以及采集采集土壤的含水率、电导率、含盐量和酸碱度中的至少一个参数。然后发送给远程智能管控平台20。远程智能管控平台20接收信息采集系统的采集信息后，根据农作物冠层叶面信息，计算出农作物水肥需求量；根据温度、湿度、光辐射度和风速中的至少一个参数，计算出土壤与农作物的蒸腾量；根据土壤的含水率、含盐量和酸碱度，分析土壤水分和肥力的变化情况。然后根据农作物水肥需求量信息、土壤与农作物的蒸腾量信息和土壤水分和肥力的变化情况信息进行耦合，得出土壤和农作物的最佳供水和供肥数量。
其中，远程智能管控平台20还储存本地历史遥感数据和本地区历史气象数据；通过所述处理单元进行深度学习，预测天气各种情况与农作物的长势。
远程智能管控平台20根据农作物水肥需求量、土壤与农作物的蒸腾量和土壤水分和肥力的变化情况的数据信息，生成控制信息发送给水肥一体化装置30和控制计量闸泵装置50。水肥一体化装置30根据接收的控制信息确定相应的水和肥料，将水稻所需要的肥料种类和数量配置好，加入进排水渠道40的水中；远程智能管控平台20同时发送控制信息给远程控制控制计量闸泵装置50开启灌水指令，让混有肥料的水进入稻田中，当农作物田的水层和水量没有达到预定值时，启动水泵进行按量抽水，并对水泵的抽水量进行计量；当水量到达预定值时，控制计量闸泵装置50将自动关闭进排水渠道40。
本发明根据水稻生长需求、土壤耗水量和田间蒸腾量的耦合关系进行按需自动供水和施肥，节约了大量人力和水资源。
图3为本发明实施例提供的另一种智能化灌排循环利用系统的结构框图。如图3所示，本发明提供的智能化灌排循环利用系统还包括排水口杀菌装置60和排水口超声波激化装置70。
排水口杀菌装置60用于对农作物田排出尾水中病毒进行消毒，减少农业病虫害。
排水口超声波激化装置70用于将农作物田尾水中不易被农作物吸收的肥料大分子团进行处理，分解成可被农作物吸收的小分子肥料后，再次循环进入农作物田。
当稻田排出尾水时，为了避免排水污染沟渠河道，将尾水排到进排水渠道40中，然后排水口杀菌装置60释放出紫外线，对稻田尾水进行消毒，减少水稻病虫害；由于稻田尾水中还有一些肥料不易被农作物吸收的肥料大分子团，为了不浪费肥料，再将尾水通过排水口超声波激化装置70，利用超声振动可引起组织水体内物质运动，使水体流动、震荡、旋转、摩擦、从而产生电解作用，把肥料降解处理后，再随着水体进入稻田，进一步被作物吸收。
本发明在稻区排出的尾水经处理，使大分子变为小分子容易被作物吸收，进入循环利用，杜绝排水污染沟渠河道，水中剩余肥料经处理后更利于水稻生长。
图4为本发明实施例提供的智能化灌排循环利用方法的流程图。第二方面，本发明还提出了一种智能化灌排循环利用方法，其具体步骤包括：
步骤S401，采集农作物冠层叶面信息，测量农作物田区的温度、湿度、光辐射度、风速、二氧化碳、二氧化氮和甲烷中的至少一个参数,以及采集土壤的含水率、电导率、含盐量和酸碱度中的至少一个参数。
具体的，用多光谱仪采集农作物叶片叶绿素活动量、叶绿素、类胡萝卜素和氮含量信息；用微波雷达测量农作物田区的温度、湿度、光辐射度、风速、二氧化碳、二氧化氮和甲烷中的至少一个参数，以及采集土壤的含水率、电导率、含盐量和酸碱度中的至少一个参数。
其中，农作物田中有多个多光谱仪和微波雷达，可以均匀分布在农作物田中，使得测量的结果更准确。
步骤S402，根据农作物冠层叶面信息，计算出农作物水肥需求量；测量农作物田区的温度、湿度、光辐射度、风速、二氧化碳、二氧化氮和甲烷中的至少一个参数，计算出土壤与农作物的蒸腾量；根据土壤的含水率、电导率、含盐量和酸碱度中的至少一个参数，分析土壤水分和肥力的变化情况；根据所述农作物水肥需求量、所述土壤与农作物的蒸腾量和所述土壤水分和肥力的变化情况，生成控制信息发送出去。
具体的，远程控制管控平台20接收信息采集系统的采集信息后，根据农作物冠层叶面信息，计算出农作物水肥需求量；测量农作物田区的温度、湿度、光辐射度、风速、二氧化碳、二氧化氮和甲烷中的至少一个参数，计算出土壤与农作物的蒸腾量；根据土壤的含水率、电导率、含盐量和酸碱度中的至少一个参数，分析土壤水分和肥力的变化情况；根据所述农作物水肥需求量、所述土壤与农作物的蒸腾量和所述土壤水分和肥力的变化情况。然后根据农作物水肥需求量信息、土壤与农作物的蒸腾量信息和土壤水分和肥力的变化情况信息进行耦合，得出土壤和农作物的最佳供水和供肥数量。远程智能管控平台20根据农作物水肥需求量、土壤与农作物的蒸腾量和土壤水分和肥力的变化情况的数据信息，生成控制信息发送给水肥一体化装置30和控制计量闸泵装置50。
其中，远程智能管控平台20还储存本地历史遥感数据和本地区历史气象数据，通过所述处理单元进行深度学习，预测天气各种情况与农作物的长势。
步骤S403，根据控制信息，按时间提供一定数量和配比的水和肥料，注入到农作物田。
具体的，根据接收的控制信息确定相应的水和肥料，将水稻所需要的肥料种类和数量配置好，加入进排水渠道40的水中。
其中，控制信息包括：根据农作物在某个时间需要多少水和肥料，然后按时间控制一定数量和配比的水和肥料加入水肥一体化装置30中。
步骤S404，根据控制信息，控制将水和肥料注入农作物田的进程；当农作物田的水层和水量没有达到预定值时启动水泵进行按量抽水，并对水泵的抽水量进行计量；当到达预定值时自动关闭进排水渠道。
具体的，远程智能管控平台20同时发送控制信息给远程控制控制计量闸泵装置50开启灌水指令，让混有肥料的水进入稻田中，当农作物田的水层和水量没有达到预定值时，启动水泵进行按量抽水，并对水泵的抽水量进行计量；当水量到达预定值时，控制计量闸泵装置50将自动关闭进排水渠道40。
其中，控制信息包括：根据农作物在某个时间需要多少水，当农作物田的水层和水量没有达到预定值时，控制控制计量闸泵装置50启动水泵进行按量抽水，并对水泵的抽水量进行计量；当到达预定值时，控制控制计量闸泵装置50自动关闭进排水渠道40。
另外，当稻田排出尾水时，为了避免排水污染沟渠河道，将尾水排到进排水渠道40中，然后排水口杀菌装置60释放出紫外线，对稻田尾水进行消毒，减少水稻病虫害；由于稻田尾水中还有一些肥料不易被农作物吸收的肥料大分子团，为了不浪费肥料，再将尾水通过排水口超声波激化装置70，利用超声振动可引起组织水体内物质运动，使水体流动、震荡、旋转、摩擦、从而产生电解作用，把肥料降解处理后，再随着水体进入稻田，进一步被作物吸收。
本发明灌溉循环利用系统采用无人值守远程控制技术，利用太阳能为动力来实现全程的自动化动作管控。根据水稻生长需求、土壤耗水量和田间蒸腾量的耦合关系进行按需自动供水和施肥，节约水资源。稻区排出的尾水经处理，使大分子变为小分子容易被作物吸收，进入循环利用，杜绝排水污染沟渠河道，水中剩余肥料经处理后更利于水稻生长。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种智能化灌排循环利用系统，其特征在于，包括：
信息采集系统，包括至少一个第一采集单元和至少一个第二采集单元；所述至少一个第一采集单元用于采集农作物冠层叶面信息；所述至少一个第二采集单元用于测量农作物田区的温度、湿度、光辐射度、风速、二氧化碳、二氧化氮和甲烷中的至少一个参数,以及采集土壤的含水率、电导率、含盐量和酸碱度中的至少一个参数；
远程智能管控平台，包括接收单元、处理单元和发送单元；所述接收单元用于接收所述信息采集系统的采集信息；所述处理单元用于根据农作物冠层叶面信息，计算出农作物水肥需求量；根据农作物田区的温度、湿度、光辐射度、风速、二氧化碳、二氧化氮和甲烷中的至少一个参数，计算出土壤与农作物的蒸腾量；根据土壤的含水率、电导率、含盐量和酸碱度中的至少一个参数，分析土壤水分和肥力的变化情况；所述发送单元用于根据所述农作物水肥需求量、所述土壤与农作物的蒸腾量和所述土壤水分和肥力的变化情况，生成控制信息发送给水肥一体化装置和控制计量闸泵装置；
水肥一体化装置，用于根据所述控制信息，按时间提供一定数量和配比的水和肥料，注入到农作物田；
控制计量闸泵装置，用于根据所述控制信息，控制水肥一体化装置将水和肥料注入农作物田的进程；当农作物田的水层和水量没有达到预定值时启动水泵进行按量抽水，并对水泵的抽水量进行计量；当到达预定值时自动关闭进排水渠道。
2.根据权利要求1所述的智能化灌排循环利用系统，其特征在于，所述进排水渠道采用自愈式U型槽，其内表面设置有胶体耐腐蚀涂层。
3.根据权利要求1所述的智能化灌排循环利用系统，其特征在于，所述第一采集单元可为多光谱仪，所述第二采集单元可为微波雷达。
4.根据权利要求1所述的智能化灌排循环利用系统，其特征在于，所述处理单元还用于：通过将所述农作物水肥需求量、所述土壤与农作物的蒸腾量和所述土壤水分和肥力的变化情况进行耦合，得出土壤和农作物的最佳供水和供肥数量。
5.根据权利要求1所述的智能化灌排循环利用系统，其特征在于，所述远程智能管控平台内还包括储存单元，用于储存本地历史遥感数据和本地区历史气象数据；通过所述处理单元进行深度学习，预测天气各种情况与农作物的长势。
6.根据权利要求1所述的智能化灌排循环利用系统，其特征在于，还包括：排水口杀菌装置，用于对农作物田排出尾水中病毒进行消毒，减少农业病虫害。
7.根据权利要求1所述的智能化灌排循环利用系统，其特征在于，还包括排水口超声波激化装置，所述排水口超声波激化装置用于将农作物田尾水中不易被农作物吸收的肥料大分子团进行处理，分解成可被农作物吸收的小分子肥料后，再次循环进入农作物田。
8.一种智能化灌排循环利用方法，其特征在于，包括：
采集农作物冠层叶面信息，测量农作物田区的温度、湿度、光辐射度、风速、二氧化碳、二氧化氮和甲烷中的至少一个参数,以及采集土壤的含水率、电导率、含盐量和酸碱度中的至少一个参数；
根据农作物冠层叶面信息，计算出农作物水肥需求量；测量农作物田区的温度、湿度、光辐射度、风速、二氧化碳、二氧化氮和甲烷中的至少一个参数，计算出土壤与农作物的蒸腾量；根据土壤的含水率、电导率、含盐量和酸碱度中的至少一个参数，分析土壤水分和肥力的变化情况；根据所述农作物水肥需求量、所述土壤与农作物的蒸腾量和所述土壤水分和肥力的变化情况，生成控制信息发送出去；
根据所述控制信息，按时间提供一定数量和配比的水和肥料，注入到农作物田；
根据所述控制信息，控制将水和肥料注入农作物田的进程；当农作物田的水层和水量没有达到预定值时启动水泵进行按量抽水，并对水泵的抽水量进行计量；当到达预定值时自动关闭进排水渠道。
9.根据权利要求8所述的智能化灌排循环利用方法，其特征在于，还包括：通过将所述农作物水肥需求量、所述土壤与农作物的蒸腾量和所述土壤水分和肥力的变化情况进行耦合，得出土壤和农作物的最佳供水和供肥数量。
10.根据权利要求8所述的智能化灌排循环利用方法，其特征在于，还包括：对农作物田排出尾水中病毒进行消毒，减少农业病虫害；
将农作物田尾水中不易被农作物吸收的肥料大分子团进行处理，分解成可被农作物吸收的小分子肥料后，再次循环进入农作物田。
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