CN114916355B - 基于土壤-植物-大气连续体水势梯度的温室水分管理决策系统 - Google Patents

基于土壤-植物-大气连续体水势梯度的温室水分管理决策系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了基于土壤‑植物‑大气连续体水势梯度的温室水分管理决策系统，包括数据采集模块、土壤水势传感器、叶片水势传感器、空气温度传感器、空气湿度传感器、净辐射传感器、水分管理决策模块、输入输出模块、键盘、显示器、供电模块、继电器和水分调控执行模块；本发明提供的温室水分管理决策系统，是按需控制，能够实时依据温室内土壤水势、空气温度、空气湿度和净辐射强度对温室内植物进行精准灌溉，并始终将土壤、植物和大气水势差调控到植物生长最适范围内；本发明的系统全程自动运行，具有自动化、智能化的特点，可避免植物出现缺水而引起的气孔关闭和产量下降，大幅降低生产成本，提高经济效益。

Description

基于土壤-植物-大气连续体水势梯度的温室水分管理决策 系统
技术领域
本发明涉及温室环境监测管理技术领域，具体为基于土壤-植物-大气连续体水势梯度的温室水分管理决策系统。
背景技术
水分作为一个重要的环境因子，对植物生长、产量和品质形成等起着决定性作用，但我国水资源相对匮乏，且农业用水占比最大，如何减少农业用水量、提高农业用水效率，已成为我国农业生产中面临的一个重要问题；设施农业是现代农业发展的重要方向，但在现有的设施栽培中，水分管理依然靠传统的大水漫灌，浪费了大量的水资源，传统的经验水分管理法已不适合农业现代化的生产需求。
发明内容
本发明的目的在于提供基于土壤-植物-大气连续体水势梯度的温室水分管理决策系统，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：基于土壤-植物-大气连续体水势梯度的温室水分管理决策系统，包括数据采集模块、水分管理决策模块、输入输出模块、供电模块、继电器和水分调控执行模块，所述数据采集模块电性连接有水分管理决策模块，水分管理决策模块电性连接有输入输出模块、供电模块和继电器，继电器电性连接有水分调控执行模块。
优选的，所述数据采集模块包括土壤水势传感器、叶片水势传感器、空气温度传感器、空气湿度传感器和净辐射传感器。
优选的，所述水分管理决策模块采用单片机，供电模块采用交流电。
优选的，所述输入输出模块包括键盘和显示器，且键盘和显示器均与水分管理决策模块电性连接。
优选的，所述水分调控执行模块包括土壤水分调控执行子模块和空气水分调控执行子模块，且土壤水分调控执行子模块和空气水分调控执行子模块均与继电器电性连接。
优选的，所述土壤水分调控执行子模块包括电磁阀和灌溉管道，灌溉管道上安装有电磁阀，且电磁阀与继电器电性连接。
优选的，所述空气水分调控执行子模块包括加湿器，且加湿器与继电器电性连接。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明提供的温室水分管理决策系统，是按需控制，能够实时依据温室内土壤水势、空气温度、空气湿度和净辐射强度对温室内植物进行精准灌溉，并始终将土壤、植物和大气水势差调控到植物生长最适范围内；本发明的系统全程自动运行，具有自动化、智能化的特点，可避免植物出现缺水而引起的气孔关闭和产量下降，大幅降低生产成本，提高经济效益。
附图说明
图1为本发明的系统框图；
图2为本发明的系统流程图；
图中：1、数据采集模块；10、土壤水势传感器；11、叶片水势传感器；12、空气温度传感器；13、空气湿度传感器；14、净辐射传感器；2、水分管理决策模块；3、输入输出模块；30、键盘；31、显示器；4、供电模块；5、继电器；6、水分调控执行模块；60、土壤水分调控执行子模块；600、电磁阀；601、灌溉管道；61、空气水分调控执行子模块；610、加湿器。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-2，本发明提供的一种实施例：基于土壤-植物-大气连续体水势梯度的温室水分管理决策系统，包括数据采集模块1、水分管理决策模块2、输入输出模块3、供电模块4、继电器5和水分调控执行模块6，数据采集模块1电性连接有水分管理决策模块2，水分管理决策模块2电性连接有输入输出模块3、供电模块4和继电器5，继电器5电性连接有水分调控执行模块6；数据采集模块1包括土壤水势传感器10、叶片水势传感器11、空气温度传感器12、空气湿度传感器13和净辐射传感器14；水分管理决策模块2采用单片机，供电模块4采用交流电；输入输出模块3包括键盘30和显示器31，且键盘30和显示器31均与水分管理决策模块2电性连接；水分调控执行模块6包括土壤水分调控执行子模块60和空气水分调控执行子模块61，且土壤水分调控执行子模块60和空气水分调控执行子模块61均与继电器5电性连接；土壤水分调控执行子模块60包括电磁阀600和灌溉管道601，灌溉管道601上安装有电磁阀600，且电磁阀600与继电器5电性连接；空气水分调控执行子模块61包括加湿器610，且加湿器610与继电器5电性连接；
工作原理：使用本发明进行温室水分管理时，具体包括以下步骤：
一、数据采集：
数据采集模块1实时采集温室数据，采集间隔30s，由土壤水势传感器10采集土壤水势数据，叶片水势传感器11采集叶片水势数据，空气温度传感器12采集空气温度数据，空气湿度传感器13采集空气湿度数据，净辐射传感器14采集净辐射强度数据，所采集的数据通过数据线传输给水分管理决策模块2；
二、数据处理：
水分管理决策模块2依据每小时内空气温度、空气湿度和净辐射强度的平均值计算蒸腾蒸发量，即土壤水分灌溉量，公式如下：
式中：ETc为蒸发蒸腾量即土壤水分灌溉量(mm h-1)；Kc为作物系数采用联合国粮农组织推荐值；Rn为净辐射强度(MJ m-2h-1)；G为土壤热通量(MJ m-2h-1)，白天时为0.1Rn，夜间为0.5Rn；RH为空气湿度(％)；T为空气温度(℃)；Δ为饱和水汽压随温度变化的曲线斜率kPa℃-1；D为饱和水汽压和实际水汽压差kPa；
控制逻辑如下：以每小时内采集的环境数据为依据，计算土壤水分灌溉量，并据此发出灌溉指令；若灌溉后的土壤和叶片水势差超过0.8MPa，则继续灌溉，土壤和叶片水势差达到0.5MPa且土壤水势大于等于-0.2MPa，则发出停止灌溉指令；
水分管理决策模块2依据所接收到的实时空气温度和湿度计算土壤和大气水势差，公式如下：
式中：ψs为土壤水势(MPa)；ψa为大气水势(MPa)；T为空气温度(℃)；RH为空气湿度(％)；
控制逻辑如下：若土壤和大气水势差超过100MPa，则发出加湿指令，若土壤和大气水势差达到80MPa，则发出停止加湿指令；
三、水分调控：
继电器5依据灌溉指令控制水分调控执行模块6中的土壤水分调控执行子模块60，依据加湿指令控制空气水分调控执行子模块61；具体为：继电器5接收到灌溉指令，控制灌溉管道601上的电磁阀600开启，使灌溉管道601通水灌溉，灌溉频率1h，若灌溉后的土壤和叶片水势差超过0.8MPa，则继续灌溉，直至土壤和叶片水势差降低至0.5MPa时且土壤水势大于等于-0.2MPa停止灌溉；继电器5接收到加湿指令，则控制加湿器610通电开启，若土壤和大气水势差降低至80MPa则断电关闭；
其中，输入输出模块3中的键盘30和显示器31用于人机交互，输入和显示参数，供电模块4用于为整个系统进行供电。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

Claims (6)

1.基于土壤-植物-大气连续体水势梯度的温室水分管理决策系统，包括数据采集模块(1)、水分管理决策模块(2)、输入输出模块(3)、供电模块(4)、继电器(5)和水分调控执行模块(6)，其特征在于：所述数据采集模块(1)电性连接有水分管理决策模块(2)，水分管理决策模块(2)电性连接有输入输出模块(3)、供电模块(4)和继电器(5)，继电器(5)电性连接有水分调控执行模块(6)；
所述数据采集模块(1)包括土壤水势传感器(10)、叶片水势传感器(11)、空气温度传感器(12)、空气湿度传感器(13)和净辐射传感器(14)；
所述水分管理决策模块(2)依据每小时内空气温度、空气湿度和净辐射强度的平均值计算蒸腾蒸发量，即土壤水分灌溉量，公式如下：
式中：ETc为蒸发蒸腾量即土壤水分灌溉量mm h-1；Kc为作物系数采用联合国粮农组织推荐值；Rn为净辐射强度MJ m-2h-1；G为土壤热通量MJ m-2h-1，白天时为0.1Rn，夜间为0.5Rn；RH为空气湿度％；T为空气温度℃；Δ为饱和水汽压随温度变化的曲线斜率kPa℃-1；D为饱和水汽压和实际水汽压差kPa；
控制逻辑如下：以每小时内采集的环境数据为依据，计算土壤水分灌溉量，并据此发出灌溉指令；若灌溉后的土壤和叶片水势差超过0.8MPa，则继续灌溉，土壤和叶片水势差达到0.5MPa且土壤水势大于等于-0.2MPa，则发出停止灌溉指令；
水分管理决策模块(2)依据所接收到的实时空气温度和湿度计算土壤和大气水势差，公式如下：
式中：ψs为土壤水势MPa；ψa为大气水势MPa；T为空气温度℃；RH为空气湿度％；
控制逻辑如下：若土壤和大气水势差超过100MPa，则发出加湿指令，若土壤和大气水势差达到80MPa，则发出停止加湿指令。
2.根据权利要求1所述的基于土壤-植物-大气连续体水势梯度的温室水分管理决策系统，其特征在于：所述水分管理决策模块(2)采用单片机，供电模块(4)采用交流电。
3.根据权利要求1所述的基于土壤-植物-大气连续体水势梯度的温室水分管理决策系统，其特征在于：所述输入输出模块(3)包括键盘(30)和显示器(31)，且键盘(30)和显示器(31)均与水分管理决策模块(2)电性连接。
4.根据权利要求1所述的基于土壤-植物-大气连续体水势梯度的温室水分管理决策系统，其特征在于：所述水分调控执行模块(6)包括土壤水分调控执行子模块(60)和空气水分调控执行子模块(61)，且土壤水分调控执行子模块(60)和空气水分调控执行子模块(61)均与继电器(5)电性连接。
5.根据权利要求4所述的基于土壤-植物-大气连续体水势梯度的温室水分管理决策系统，其特征在于：所述土壤水分调控执行子模块(60)包括电磁阀(600)和灌溉管道(601)，灌溉管道(601)上安装有电磁阀(600)，且电磁阀(600)与继电器(5)电性连接。
6.根据权利要求4所述的基于土壤-植物-大气连续体水势梯度的温室水分管理决策系统，其特征在于：所述空气水分调控执行子模块(61)包括加湿器(610)，且加湿器(610)与继电器(5)电性连接。
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