CN112493100A - 基于土壤水势的棉花水分监测滴灌控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于土壤水势的棉花水分监测滴灌控制方法及系统，涉及农业种植技术领域，其技术方案要点是：建立土壤水势日分布曲线；建立温度日分布曲线；计算得到前一日的日消耗量分布曲线；建立单位温度消耗量关联曲线图；计算得到实际温度日差值曲线；从历史温度日差值曲线中匹配历史温度日差值线段，并截取单位温度消耗量关联线段，以及对单位温度消耗量关联线段重组后建立预测消耗量关联曲线图；计算当前日的日消耗量预测曲线，并根据日消耗量预测曲线实时控制向监测对象滴灌的滴灌量。本发明依据历史数据对当前日的日消耗量进行预测，无需实时计算监测对象滴灌的滴灌量，整体实现复杂度较低，网络要求较低，能够适应网络较差的种植区域。

Description

基于土壤水势的棉花水分监测滴灌控制方法及系统

技术领域

本发明涉及农业种植技术领域，更具体地说，它涉及基于土壤水势的棉花水分监测滴灌控制方法及系统。

背景技术

近些年，我国针对农业综合开发而引起水土不平衡的问题，引进和大面积安装了喷、滴灌系统。这些先进的灌溉方式的引进，在节水和提高农作物产量方面发挥了较大的作用。在拥有了大量的、先进的灌溉设施的同时，显现出了缺乏与之相配套的精准灌溉技术，灌溉仍凭人为的经验进行。灌水定额高达40m³，甚至60m³，灌溉定额高达400m³。不仅造成灌溉水的浪费，在棉花的主要时期还不能及时灌水，造成不可低估的减产；此外，部分地区采用基于土壤水势的智能监测方法进行精准灌溉，然而，现有的基于土壤水势的智能监测大都为实时监测方式，其不仅实时计算量较大，复杂程度高，且对网络资要求高，因此导致难以在偏远地区推广应用。缺乏与灌溉设施相配套的精准灌溉技术，是灌概设施不能发挥其技术优势进而造成生产效益差的主要原因。因此，如何研究设计一种基于土壤水势的棉花水分监测滴灌控制方法及系统是我们目前急需解决的问题。

发明内容

为解决现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供基于土壤水势的棉花水分监测滴灌控制方法及系统。

本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：

第一方面，提供了基于土壤水势的棉花水分监测滴灌控制方法，包括以下步骤：

S101：通过土壤水势传感器获取监测对象每日的土壤水势分布数据，并根据土壤水势分布数据建立土壤水势日分布曲线；

S102：通过温度传感器获取监测对象环境每日的温度分布数据，并根据温度分布数据建立温度日分布曲线；

S103：根据前两日与前一日的土壤水势日分布曲线、前一日的日滴灌量分布曲线计算得到前一日的日消耗量分布曲线；

S104：根据前两日与前一日的温度日分布曲线计算得到历史温度日差值曲线，并根据历史温度日差值曲线、前一日的日消耗量分布曲线建立单位温度消耗量关联曲线图；

S105：获取当前日的气象温度预测信息，并结合前一日的温度日分布曲线计算得到实际温度日差值曲线；

S106：根据实际温度日差值曲线从预设周期内的至少一个历史温度日差值曲线中匹配在预设偏差值范围内的对应时间轴的历史温度日差值线段，并根据历史温度日差值线段从相应的单位温度消耗量关联曲线图中截取单位温度消耗量关联线段，以及根据时间轴分布先后顺序对单位温度消耗量关联线段重组后建立预测消耗量关联曲线图；

S107：根据实际温度日差值曲线、预测消耗量关联曲线图计算当前日的日消耗量预测曲线，并根据日消耗量预测曲线实时控制向监测对象滴灌的滴灌量。

进一步的，所述温度分布数据、气象温度预测信息均通过温度变换系数转换为同一标准的温度参考值。

进一步的，所述温度变换系数与监测对象的风力等级、温度值、光照强度、生长周期消耗值呈正相关。

进一步的，所述温度变换系数具体为：

式中，θ为温度变换系数；w₁、w₂、w₃、w₄分别为风力等级、温度值、光照强度、生长周期消耗值的权重系数；

分别为一天内风力等级、温度值、光照强度、生长周期消耗值的平均值；f、c、g、x分别为风力等级、温度值、光照强度、生长周期消耗值的比例系数。

进一步的，所述预设周期为3-5天，并选取全天内无降水时段的历史温度日差值曲线进行匹配。

进一步的，所述土壤水势传感器以每3m×3m的单元格设置一个，土壤水势分布数据为多个土壤水势传感器测量的平均值。

进一步的，所述日消耗量分布曲线具体为：

VX_n-1＝δ(W_n-2-W_n-1)+VD_n-1

式中，VX_n-1表示前一日的日消耗量分布曲线；W_n-2、W_n-1分别表示前两日、前一日的土壤水势日分布曲线；δ为常数，表示土壤水势与滴灌量之间的单位变换参数；VD_n-1表示前一日的日滴灌量分布曲线。

进一步的，所述日消耗量预测曲线通过日消耗量上限曲线、日消耗量下限曲线进行限值检测处理：

若日消耗量预测曲线超出日消耗量上限曲线，则超出部分选取日消耗量上限曲线中的相应部分进行替换；

若日消耗量预测曲线低于日消耗量下限曲线，则低于部分选取日消耗量下限曲线中的相应部分进行替换。

进一步的，若选取的所述历史温度日差值线段存在多个，则第一优先级选择偏差值小的历史温度日差值线段，第二优先级选择距离当前日时间间隔短的历史温度日差值线段。

第二方面，提供了基于土壤水势的棉花水分监测滴灌控制系统，包括：

土壤水势监测模块，用于通过土壤水势传感器获取监测对象每日的土壤水势分布数据，并根据土壤水势分布数据建立土壤水势日分布曲线；

温度监测模块，用于通过温度传感器获取监测对象环境每日的温度分布数据，并根据温度分布数据建立温度日分布曲线；

日消耗量计算模块，用于根据前两日与前一日的土壤水势日分布曲线、前一日的日滴灌量分布曲线计算得到前一日的日消耗量分布曲线；

关联曲线计算模块，用于根据前两日与前一日的温度日分布曲线计算得到历史温度日差值曲线，并根据历史温度日差值曲线、前一日的日消耗量分布曲线建立单位温度消耗量关联曲线图；

温度预测模块，用于获取当前日的气象温度预测信息，并结合前一日的温度日分布曲线计算得到实际温度日差值曲线；

关联曲线预测模块，用于根据实际温度日差值曲线从预设周期内的至少一个历史温度日差值曲线中匹配在预设偏差值范围内的对应时间轴的历史温度日差值线段，并根据历史温度日差值线段从相应的单位温度消耗量关联曲线图中截取单位温度消耗量关联线段，以及根据时间轴分布先后顺序对单位温度消耗量关联线段重组后建立预测消耗量关联曲线图；

滴灌控制模块，用于根据实际温度日差值曲线、预测消耗量关联曲线图计算当前日的日消耗量预测曲线，并根据日消耗量预测曲线实时控制向监测对象滴灌的滴灌量。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明依据历史数据对当前日的日消耗量进行预测，无需实时计算监测对象滴灌的滴灌量，整体实现复杂度较低，网络要求较低，能够适应网络较差的种植区域；

2、本发明以历史的土壤水势、温度数据、滴灌量数据为依据，计算得到的日消耗量预测曲线能够满足种植区域适应性生长的水分需求，其预测结果准确、可靠；

3、本发明考虑监测对象环境中的风力等级、温度值、光照强度、生长周期消耗值等因素，其计算得到的日消耗量预测曲线能够满足监测对象在不同环境下对水量存在的不同需求，节约了水资源，同时可保证监测对象高效生长。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例中的流程图；

图2是本发明实施例中的系统框图。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。

实施例1：基于土壤水势的棉花水分监测滴灌控制方法，如图1所示，包括以下步骤：

S101：通过土壤水势传感器获取监测对象每日的土壤水势分布数据，并根据土壤水势分布数据建立土壤水势日分布曲线；

S102：通过温度传感器获取监测对象环境每日的温度分布数据，并根据温度分布数据建立温度日分布曲线；

S103：根据前两日与前一日的土壤水势日分布曲线、前一日的日滴灌量分布曲线计算得到前一日的日消耗量分布曲线；

S104：根据前两日与前一日的温度日分布曲线计算得到历史温度日差值曲线，并根据历史温度日差值曲线、前一日的日消耗量分布曲线建立单位温度消耗量关联曲线图；

S105：获取当前日的气象温度预测信息，并结合前一日的温度日分布曲线计算得到实际温度日差值曲线；

S106：根据实际温度日差值曲线从预设周期内的至少一个历史温度日差值曲线中匹配在预设偏差值范围内的对应时间轴的历史温度日差值线段，并根据历史温度日差值线段从相应的单位温度消耗量关联曲线图中截取单位温度消耗量关联线段，以及根据时间轴分布先后顺序对单位温度消耗量关联线段重组后建立预测消耗量关联曲线图；

S107：根据实际温度日差值曲线、预测消耗量关联曲线图计算当前日的日消耗量预测曲线，并根据日消耗量预测曲线实时控制向监测对象滴灌的滴灌量。

温度分布数据、气象温度预测信息均通过温度变换系数转换为同一标准的温度参考值。

温度变换系数与监测对象的风力等级、温度值、光照强度、生长周期消耗值呈正相关。

温度变换系数具体为：

式中，θ为温度变换系数；w₁、w₂、w₃、w₄分别为风力等级、温度值、光照强度、生长周期消耗值的权重系数；

分别为一天内风力等级、温度值、光照强度、生长周期消耗值的平均值；f、c、g、x分别为风力等级、温度值、光照强度、生长周期消耗值的比例系数。

预设周期为3-5天，并选取全天内无降水时段的历史温度日差值曲线进行匹配。

土壤水势传感器以每3m×3m的单元格设置一个，土壤水势分布数据为多个土壤水势传感器测量的平均值。

日消耗量分布曲线具体为：

VX_n-1＝δ(W_n-2-W_n-1)+VD_n-1

式中，VX_n-1表示前一日的日消耗量分布曲线；W_n-2、W_n-1分别表示前两日、前一日的土壤水势日分布曲线；δ为常数，表示土壤水势与滴灌量之间的单位变换参数；VD_n-1表示前一日的日滴灌量分布曲线。

日消耗量预测曲线通过日消耗量上限曲线、日消耗量下限曲线进行限值检测处理：若日消耗量预测曲线超出日消耗量上限曲线，则超出部分选取日消耗量上限曲线中的相应部分进行替换；若日消耗量预测曲线低于日消耗量下限曲线，则低于部分选取日消耗量下限曲线中的相应部分进行替换。

若选取的历史温度日差值线段存在多个，则第一优先级选择偏差值小的历史温度日差值线段，第二优先级选择距离当前日时间间隔短的历史温度日差值线段。

实施例2：基于土壤水势的棉花水分监测滴灌控制系统，包括：土壤水势监测模块，用于通过土壤水势传感器获取监测对象每日的土壤水势分布数据，并根据土壤水势分布数据建立土壤水势日分布曲线；温度监测模块，用于通过温度传感器获取监测对象环境每日的温度分布数据，并根据温度分布数据建立温度日分布曲线；日消耗量计算模块，用于根据前两日与前一日的土壤水势日分布曲线、前一日的日滴灌量分布曲线计算得到前一日的日消耗量分布曲线；关联曲线计算模块，用于根据前两日与前一日的温度日分布曲线计算得到历史温度日差值曲线，并根据历史温度日差值曲线、前一日的日消耗量分布曲线建立单位温度消耗量关联曲线图；温度预测模块，用于获取当前日的气象温度预测信息，并结合前一日的温度日分布曲线计算得到实际温度日差值曲线；关联曲线预测模块，用于根据实际温度日差值曲线从预设周期内的至少一个历史温度日差值曲线中匹配在预设偏差值范围内的对应时间轴的历史温度日差值线段，并根据历史温度日差值线段从相应的单位温度消耗量关联曲线图中截取单位温度消耗量关联线段，以及根据时间轴分布先后顺序对单位温度消耗量关联线段重组后建立预测消耗量关联曲线图；滴灌控制模块，用于根据实际温度日差值曲线、预测消耗量关联曲线图计算当前日的日消耗量预测曲线，并根据日消耗量预测曲线实时控制向监测对象滴灌的滴灌量。

本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。

Claims (10)

1.基于土壤水势的棉花水分监测滴灌控制方法，其特征是，包括以下步骤：

S101：通过土壤水势传感器获取监测对象每日的土壤水势分布数据，并根据土壤水势分布数据建立土壤水势日分布曲线；

S102：通过温度传感器获取监测对象环境每日的温度分布数据，并根据温度分布数据建立温度日分布曲线；

S103：根据前两日与前一日的土壤水势日分布曲线、前一日的日滴灌量分布曲线计算得到前一日的日消耗量分布曲线；

S104：根据前两日与前一日的温度日分布曲线计算得到历史温度日差值曲线，并根据历史温度日差值曲线、前一日的日消耗量分布曲线建立单位温度消耗量关联曲线图；

S105：获取当前日的气象温度预测信息，并结合前一日的温度日分布曲线计算得到实际温度日差值曲线；

S106：根据实际温度日差值曲线从预设周期内的至少一个历史温度日差值曲线中匹配在预设偏差值范围内的对应时间轴的历史温度日差值线段，并根据历史温度日差值线段从相应的单位温度消耗量关联曲线图中截取单位温度消耗量关联线段，以及根据时间轴分布先后顺序对单位温度消耗量关联线段重组后建立预测消耗量关联曲线图；

S107：根据实际温度日差值曲线、预测消耗量关联曲线图计算当前日的日消耗量预测曲线，并根据日消耗量预测曲线实时控制向监测对象滴灌的滴灌量。

2.根据权利要求1所述的基于土壤水势的棉花水分监测滴灌控制方法，其特征是，所述温度分布数据、气象温度预测信息均通过温度变换系数转换为同一标准的温度参考值。

3.根据权利要求2所述的基于土壤水势的棉花水分监测滴灌控制方法，其特征是，所述温度变换系数与监测对象的风力等级、温度值、光照强度、生长周期消耗值呈正相关。

4.根据权利要求3所述的基于土壤水势的棉花水分监测滴灌控制方法，其特征是，所述温度变换系数具体为：

式中，θ为温度变换系数；w₁、w₂、w₃、w₄分别为风力等级、温度值、光照强度、生长周期消耗值的权重系数；

分别为一天内风力等级、温度值、光照强度、生长周期消耗值的平均值；f、c、g、x分别为风力等级、温度值、光照强度、生长周期消耗值的比例系数。

5.根据权利要求1所述的基于土壤水势的棉花水分监测滴灌控制方法，其特征是，所述预设周期为3-5天，并选取全天内无降水时段的历史温度日差值曲线进行匹配。

6.根据权利要求1所述的基于土壤水势的棉花水分监测滴灌控制方法，其特征是，所述土壤水势传感器以每3m×3m的单元格设置一个，土壤水势分布数据为多个土壤水势传感器测量的平均值。

7.根据权利要求1所述的基于土壤水势的棉花水分监测滴灌控制方法，其特征是，所述日消耗量分布曲线具体为：

VX_n-1＝δ(W_n-2-W_n-1)+VD_n-1

式中，VX_n-1表示前一日的日消耗量分布曲线；W_n-2、W_n-1分别表示前两日、前一日的土壤水势日分布曲线；δ为常数，表示土壤水势与滴灌量之间的单位变换参数；VD_n-1表示前一日的日滴灌量分布曲线。

8.根据权利要求1所述的基于土壤水势的棉花水分监测滴灌控制方法，其特征是，所述日消耗量预测曲线通过日消耗量上限曲线、日消耗量下限曲线进行限值检测处理：

若日消耗量预测曲线超出日消耗量上限曲线，则超出部分选取日消耗量上限曲线中的相应部分进行替换；

若日消耗量预测曲线低于日消耗量下限曲线，则低于部分选取日消耗量下限曲线中的相应部分进行替换。

9.根据权利要求1所述的基于土壤水势的棉花水分监测滴灌控制方法，其特征是，若选取的所述历史温度日差值线段存在多个，则第一优先级选择偏差值小的历史温度日差值线段，第二优先级选择距离当前日时间间隔短的历史温度日差值线段。

10.基于土壤水势的棉花水分监测滴灌控制系统，其特征是，包括：

土壤水势监测模块，用于通过土壤水势传感器获取监测对象每日的土壤水势分布数据，并根据土壤水势分布数据建立土壤水势日分布曲线；

温度监测模块，用于通过温度传感器获取监测对象环境每日的温度分布数据，并根据温度分布数据建立温度日分布曲线；

日消耗量计算模块，用于根据前两日与前一日的土壤水势日分布曲线、前一日的日滴灌量分布曲线计算得到前一日的日消耗量分布曲线；

关联曲线计算模块，用于根据前两日与前一日的温度日分布曲线计算得到历史温度日差值曲线，并根据历史温度日差值曲线、前一日的日消耗量分布曲线建立单位温度消耗量关联曲线图；

温度预测模块，用于获取当前日的气象温度预测信息，并结合前一日的温度日分布曲线计算得到实际温度日差值曲线；

关联曲线预测模块，用于根据实际温度日差值曲线从预设周期内的至少一个历史温度日差值曲线中匹配在预设偏差值范围内的对应时间轴的历史温度日差值线段，并根据历史温度日差值线段从相应的单位温度消耗量关联曲线图中截取单位温度消耗量关联线段，以及根据时间轴分布先后顺序对单位温度消耗量关联线段重组后建立预测消耗量关联曲线图；

滴灌控制模块，用于根据实际温度日差值曲线、预测消耗量关联曲线图计算当前日的日消耗量预测曲线，并根据日消耗量预测曲线实时控制向监测对象滴灌的滴灌量。

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