CN113273477A - 一种智能滴灌系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种智能滴灌系统，包括用于处理数据并发送控制指令的主控器，用于收集植物生长环境参数的数据采集系统，用于将实时采集的数据信息进行融合反演的腾发量反演模块，用于推算滴灌最优化方案的智能灌溉优化处理模块以及用于执行灌溉指令的灌溉系统；主控制器分别与数据采集系统、腾发量反演模块、智能灌溉优化处理模块和灌溉系统信号连接。本发明还对植物生长需水的影响要素进行分析，设计相应的腾发量反演智能控制策略的滴灌方法，实现依据生长期需求对植物生长进行精准灌溉，达到节水和智能灌溉的目的，具有广泛的应用前景和实用价值。

Description

一种智能滴灌系统及方法
技术领域
本发明涉及植物灌溉，尤其涉及一种基于物联网的智能滴灌系统及方法。
背景技术
传统意义上的灌溉技术存在对水、肥资源极度浪费的情况，这种粗放式的灌溉不仅仅不能对资源进行有效利用，而且对番茄的生长也是不利的。传统的灌溉技术，无论是沟灌、壶灌、渗灌等技术都是需要有人值守，并不能真正意义上解放劳动力而且不方便大规模的农事活动的管理。
智能滴灌系统是根据传感器采集各种现场数据，将采集回来的数据进行打包处理通过物联网总线设备发送到远程监控终端。用户在远程监控终端既能看到所有的传感器的各项数据，也能通过观测数据采用智能算法反演番茄生长所需要腾发量，从而作为远程开启或关闭自动滴灌系统的决策依据。
对于设施番茄的生长方面，传统的灌溉技术只能实现对设施番茄的定时定量的灌溉，这样有可能会导致番茄错过最好的生长时期或者作物生长过快，或者会导致农作的病虫灾害的发生等，同时也不利于节水。
在节能降耗这个大的背景下，智能滴灌技术的研究显得尤为重要，使用电子信息技术，自动化控制技术和农业相结合，一方面使用智能滴灌技术和多传感器参数融和的方法避免了水资源的浪费，另一方面智能滴灌技术可以实现完全无人值守也将节省人力投入。
伴随着物联网时代的发展，越来越多物联网方面的技术被运用到现代农业方面，对于滴灌来说已经不简简单单的是一种滴灌方法，将物联网与传统农业结合必将是未来农业增加产值的突破口。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提供一种智能滴灌系统，为植物生长基本需求提出最优的智能灌溉装置，本发明的另外一个目的是提供一种智能滴灌方法，根据植物生长提出智能灌溉策略，在植株最需要灌溉的时机施加最合适的灌溉量，实现智能节水灌溉。
技术方案：一种智能滴灌系统，包括用于处理数据并发送控制指令的主控器，用于收集植物生长环境参数的数据采集系统，用于将实时采集的数据信息进行融合反演的腾发量反演模块，用于推算滴灌最优化方案的智能灌溉优化处理模块以及用于执行灌溉指令的灌溉系统；主控制器分别与数据采集系统、腾发量反演模块、智能灌溉优化处理模块和灌溉系统信号连接。
进一步地，数据采集系统包括温度采集装置、湿度采集装置以及光照强度采集装置。
一种用于上述的智能滴灌系统的方法，包括如下步骤：
步骤1：将温度采集装置、湿度采集装置以及光照强度采集装置采集到的数据信息作为输入因子传输至反演模型进行数据的融合反演；
步骤2：作物的蒸发蒸腾量受温室内的环境条件和土壤水份的影响，确定土壤水份修正系数Kβ，得出作物的蒸发蒸腾量；
步骤3：通过监测温室的温度和湿度的环境参数，确定单次灌溉的时间模型；
步骤4：主控制器根据智能灌溉策略控制灌溉系统的电磁阀开关，控制灌溉时间和灌溉量。
进一步地，反演模型表达式为：
Figure BDA0003026137310000021
其中：
ET0表示参考作物蒸发蒸腾量，单位：mm/d；
Rn表示太阳净辐射，单位：MJ/(m2·d)；
G表示土壤热通量，单位：MJ/(m2·d)；
es表示饱和水汽压，ea表示实际水汽压，单位：kPa；
Δ表示饱和水汽压曲线斜率，单位：kPa/℃；
γ表示干湿表常数，单位：kPa/℃；
Ta表示2m高度处平均气温，单位：℃；
进一步地，蒸发蒸腾量表达式为：
ETC＝KCET0
其中，KC是作物系数。
进一步地，土壤水份修正系数表达式为：
Figure BDA0003026137310000022
其中，β表示计算时段内，单位：mm；βwp表示凋萎系数，βj表示作物蒸发蒸腾开始受影响时的临街土壤含水量，单位：mm。
进一步地，当室内有灌溉时，t时间内的蒸发蒸腾量的表达式为：
Figure BDA0003026137310000031
其中，β0表示初始时刻t＝0时作物根系平均土壤含水量。
进一步地，单次灌溉的时间模型如下：
Figure BDA0003026137310000032
其中，t为单次灌溉的时间，单位：min；S1表示滴灌管间距，S2表示滴头间距，单位：mm；Q为滴头流量，单位mm2/h。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下显著的优点：本发明对植物生长需水的影响要素进行分析，指定相应的腾发量反演智能控制策略，并据此设计并实现一套基于物联网的腾发量反演智能滴灌系统，使用户在室内即可监测到植物的环境信息，同时可以拓展到PC端或者手机端操控设施大棚内的滴灌设施，通过腾发量反演智能控制策略对电磁阀的操作，按植物生长期需求进行精准灌溉，从而实现节水和植物的生长控制。本发明滴灌系统解决了由于土壤环境比较复杂，单一传感器测量结果不精确问题，采用多传感器数据融合技术实现对土壤环境中存在的多个影响土壤土壤湿度值的因子进行数据融合，具有显著的实用价值。
附图说明
图1为本发明的控制系统示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明。
如图1所示，基于物联网的腾发量反演智能滴灌系统，包括STM32主控制器，数据采集系统、腾发量反演模块、智能灌溉优化处理模块、灌溉系统、报警模块、通信模块、显示模块、GPRS模块等。其中土壤环境传感器采集模块设计包括土壤湿度传感器硬件电路接口设计、土壤湿度传感器硬件电路接口设计、光照强度传感器硬件电路接口设计。而通信模块电路设计包括ZigBee无线通信模块设计、RS485有线通信模块设计,标准数据协议采用MODBUSRTU。
数据采集系统包括温度采集装置、湿度采集装置以及光照强度采集装置；腾发量反演模块分别与主控制器、温度采集装置、湿度采集装置以及光照强度采集装置通信连接；
腾发量反演模块将实时采集的数据信息进行融合反演后传输至智能灌溉优化处理模块进行最优化方案的推算并将最终推算出的最优方案信息发送至主控制器，由主控制器根据接收到的最优方案发送相应控制命令至灌溉系统以控制灌溉时间和灌溉量。
基于上述的智能滴灌系统，一种智能滴灌方法，包括如下步骤：
步骤1：将温度采集装置、湿度采集装置以及光照强度采集装置采集到的数据信息作为输入因子传输至反演模型进行数据的融合反演；
反演模型表达式为：
Figure BDA0003026137310000041
ET0表示参考作物蒸发蒸腾量，单位：mm/d；
Rn表示太阳净辐射，单位：MJ/(m2·d)；
G表示土壤热通量，单位：MJ/(m2·d)；
es和ea分别表示饱和水汽压和实际水汽压，单位：kPa；
Δ表示饱和水汽压曲线斜率，单位：kPa/℃；
γ表示干湿表常数，单位：kPa/℃；
Ta表示2m高度处平均气温，单位：℃；
ETC＝KCET0 (1)
式中，KC是作物系数，对于番茄，取0.8。ETC为作物蒸发蒸腾量。
步骤2：作物的蒸发蒸腾量不仅受温室内的气象条件的影响，而且受土壤水份的影响，确定土壤水份修正系数Kβ，进一步精确确定作物的蒸发蒸腾量；
土壤水份修正系数Kβ。
Figure BDA0003026137310000042
ETa＝K(β)ETC (3)
式中，β为计算时段内作物根系平均土壤含水量，单位：mm；βwp为凋萎系数，单位：mm，βj为作物蒸发蒸腾开始受影响是的临街土壤含水量，ETa为土壤水份作用下的作物蒸发蒸腾量。
温室内无灌溉是，作物蒸发蒸腾量可表位为单位时间的土壤水份变化量，可写成
Figure BDA0003026137310000043
将式(2)、(4)代入(3)得到：
Figure BDA0003026137310000051
已知初始时刻t＝0，β＝β0(β0<βj),经过t时间后土壤水份状态为β＝βt，将式(5)两边同时积分后得到：
Figure BDA0003026137310000052
积分得到：
Figure BDA0003026137310000053
当室内有灌溉时，t时间内的蒸发蒸腾量可以通过土壤储水变化量计算得：
ETa＝β0-βt (8)
将式(8)代入式(7)可得
Figure BDA0003026137310000054
步骤3：一般认为作物的需水量就是作物的蒸发蒸腾量，由于灌溉水量也决定灌溉时间，通过监测温室的温度和湿度的环境参数，确定单次灌溉的时间模型；
单次灌溉的时间模型如下：
Figure BDA0003026137310000055
式中，t为单次灌溉的时间，单位：min；S1、S2分别指滴灌管间距和滴头间距，单位mm；Q为滴头流量，单位mm2/h。
步骤4：主控制器根据智能灌溉策略控制灌溉系统的电磁阀开关，控制灌溉时间和灌溉量。
本实施例滴灌系统实现的技术指标：腾发量反演误差±10％；滴管无人干预时间>95％；灌溉节水相对传统人工灌溉或常规定时定量灌溉节水>10％。

Claims (8)

1.一种智能滴灌系统，其特征在于，包括用于处理数据并发送控制指令的主控器，用于收集植物生长环境参数的数据采集系统，用于将实时采集的数据信息进行融合反演的腾发量反演模块，用于推算滴灌最优化方案的智能灌溉优化处理模块以及用于执行灌溉指令的灌溉系统；所述主控制器分别与数据采集系统、腾发量反演模块、智能灌溉优化处理模块和灌溉系统信号连接。
2.根据权利要求1所述的智能滴灌系统，其特征在于，所述数据采集系统包括温度采集装置、湿度采集装置以及光照强度采集装置。
3.一种根据权利要求1所述的智能滴灌方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：将温度采集装置、湿度采集装置以及光照强度采集装置采集到的数据信息作为输入因子传输至反演模型进行数据的融合反演；
步骤2：作物的蒸发蒸腾量受温室内的环境条件和土壤水份的影响，确定土壤水份修正系数Kβ，得出作物的蒸发蒸腾量；
步骤3：通过监测温室的温度和湿度的环境参数，确定单次灌溉的时间模型；
步骤4：主控制器根据智能灌溉策略控制灌溉系统的电磁阀开关，控制灌溉时间和灌溉量。
4.根据权利要求3所述的智能滴灌方法，其特征在于，所述反演模型表达式为：
Figure FDA0003026137300000011
其中：
ET0表示参考作物蒸发蒸腾量，单位：mm/d；
Rn表示太阳净辐射，单位：MJ/(m2·d)；
G表示土壤热通量，单位：MJ/(m2·d)；
es表示饱和水汽压，ea表示实际水汽压，单位：kPa；
Δ表示饱和水汽压曲线斜率，单位：kPa/℃；
γ表示干湿表常数，单位：kPa/℃；
Ta表示2m高度处平均气温，单位：℃。
5.根据权利要求3所述的智能滴灌方法，其特征在于，所述蒸发蒸腾量表达式为：
ETC＝KCET0
其中，KC是作物系数。
6.根据权利要求3所述的智能滴灌方法，其特征在于，所述土壤水份修正系数表达式为：
Figure FDA0003026137300000021
其中，β表示计算时段内，单位：mm；βwp表示凋萎系数，βj表示作物蒸发蒸腾开始受影响时的临街土壤含水量，单位：mm。
7.根据权利要求3所述的智能滴灌方法，其特征在于，当室内有灌溉时，t时间内的蒸发蒸腾量的表达式为：
Figure FDA0003026137300000022
其中，β0表示初始时刻t＝0时作物根系平均土壤含水量。
8.根据权利要求3所述的智能滴灌方法，其特征在于，所述单次灌溉的时间模型表达式为：
Figure FDA0003026137300000023
其中，t为单次灌溉的时间，单位：min；S1表示滴灌管间距，S2表示滴头间距，单位：mm；Q为滴头流量，单位mm2/h。
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