CN115380798A - 灌溉系统和方法 - Google Patents

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CN115380798A CN202210706099.1A CN202210706099A CN115380798A CN 115380798 A CN115380798 A CN 115380798A CN 202210706099 A CN202210706099 A CN 202210706099A CN 115380798 A CN115380798 A CN 115380798A
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L·V·张
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Abstract

本发明涉及灌溉系统和方法。其包括沿着水道的多个泵，并且在多个测量位置处不时地测量水的盐度、pH、温度和浊度。测量位置不同于泵送位置。从测量值预测在泵送位置处的实时盐度、pH、温度和浊度，并且对于预测的盐度、pH、温度和/或浊度选择性地禁用或启用泵。另外，公开了一种用于使用泵来灌溉田地的交替湿润和干燥(AWD)方法/系统，所述泵包括向田地供应水的出口和连接到水源的入口。该方法/系统包括在田地中的位置处放置的传感器，其用于感测田地表面下方的水深并且使用无线连接向远离感测位置而定位的控制器传送水深。控制器在当感测的水深低于阈值深度时启用泵并且在当感测的水深高于阈值深度时禁用泵。

Description

灌溉系统和方法
本申请是申请日为2017年09月07日、申请号为201780062664.2、名称为"灌溉系统和方法"的专利申请的分案申请。
技术领域
本发明涉及灌溉系统和方法。
背景技术
在世界的许多地区，需要灌溉的农业土地位于邻近河口湾或潮汐河流，其在水(例如海洋)的盐体处具有河口，并且使得水道的盐度按照诸如潮汐、水流、流失等之类的因素的数目随时间而不规则地变化。特别是，随着水道接近河口，盐度趋于逐渐增加，而沿水道的任何给定点的相对盐度通常在一段时间内变化。
定义为在耕种期间的田地的定期干燥和再淹没(flooding)的交替湿润和干燥(AWD)，是灌溉的田地(通常是稻田等)中的管理实践，其节约水并减少温室气体排放，同时保持产量。现有的AWD实践涉及可替代地淹没田地并使其干燥直至土壤表面下方的水位达到预定深度，如通过对放置在土壤中的田地水管的使用所测量的。目前，农民必须手动测量田地水管中的水位，这可能是繁琐的并且需要持续监测以避免对其产量产生负面影响。
发明内容
为了解决上述问题，提供了一种用于提供邻近水道的灌溉的系统，该水道具有长度，其中流动着具有在一段时间中变化的盐度、pH、温度和浊度中的至少一个的水。该系统包括：通信系统；多个传感器，每个传感器沿着水道长度被放置在第一多个位置中的相应一个位置处，并且每个传感器测量水的盐度、pH、温度和浊度中的至少一个并且经由无线连接连接到通信系统；服务器，其连接到通信系统并且不时地经由通信系统从传感器中的每个来接收在第一多个位置中的每个处的水的测量的盐度、测量的 pH、测量的温度、测量的浊度和其组合中的一个，以及；多个泵，其连接到通信系统，并且每个泵包括沿着水道长度的第二多个位置中的一个处的入口，其中第一位置不同于第二位置。该服务器基于测量的盐度、测量的 pH、测量的温度和测量的浊度来预测第二位置中的每个处的实时盐度、实时pH、实时温度和实时浊度中的至少一个，并且进一步地，其中当第二位置中的给定一个处的实时盐度、实时pH、实时温度和/或实时浊度分别超过盐度阈值、pH阈值、温度阈值和浊度阈值时，在给定第二位置处具有入口的泵被禁用，并且当第二位置中的给定一个处的实时盐度、实时pH、温度和/或浊度低于盐度阈值、pH阈值、温度阈值和浊度阈值时，在给定第二位置处具有入口的泵被启用。
还提供一种用于灌溉邻近水道的田地的方法，该水道具有长度，并且其中流动着具有在一段时间中变化的盐度、pH、温度和浊度中的至少一个的水。该方法包括：放置多个泵，每个泵包括沿着水道长度在多个泵送 (pumping)位置中的一个处的入口；在沿着水道长度的多个测量位置处不时地测量水的盐度、pH、温度和浊度中的至少一个，其中测量位置不同于泵送位置，以及；从测量的盐度、测量的pH、测量的温度和测量的浊度预测在泵送位置中的每个处的实时盐度、实时pH、实时温度和实时浊度中的至少一个，以及；取决于在给定泵送位置处的实时盐度、实时pH、温度和/或浊度分别高于或低于盐度阈值、pH阈值、温度阈值和浊度阈值，选择性地禁用和启用在泵送位置中的给定的一个处具有入口的泵。
另外，提供一种用于使用泵灌溉田地的交替湿润和干燥(AWD)方法，该泵包括向田地供应水的出口和连接到水源的入口。该方法包括将水深传感器放置在田地中的感测位置处，使用传感器不时地感测在感测位置处的田地表面下方的水深，并且使用无线连接向远离感测位置而定位的泵控制器传送感测的水深。泵控制器在当感测的水深低于阈值深度时启用泵，并且在当感测的水深高于阈值深度时禁用泵。
另外，提供一种用于使用水源灌溉田地的交替湿润和干燥(AWD)系统。该系统包括：至少一个感测管，每个感测管被放置在田地上的相应位置处，感测管包括用于测量田地表面下方的水深的传感器；至少一个泵，每个泵包括连接到水源的入口、向田地供应水的出口和泵控制器，以及；无线通信系统，其将传感器中的每个与泵中的相应的一个的泵控制器互连。泵控制器经由无线通信系统不时地接收来自传感器的水深，并且进一步地，其中泵控制器依照水深启用或禁用泵。
附图说明
图1提供了依照本发明的说明性实施例的灌溉系统的示意图；
图2提供了依照本发明的说明性实施例的灌溉系统的详细示意图；
图3提供了依照本发明的说明性实施例的盐度传感器的示意图；
图4提供了依照本发明的说明性实施例的泵组件的示意图；
图5A至5J提供了来自手持设备的屏幕抓取，该手持设备用于依照本发明的说明性实施例向灌溉和电子商务系统提供用户输入；
图6提供了依照本发明的说明性实施例的替代润湿和干燥(AWD)系统的示意图；
图7提供了依照本发明的说明性实施例的替代润湿和干燥系统的详细示意图；
图8A提供了依照本发明的说明性实施例的多个感测管的示意图；
图8B提供了依照本发明的说明性实施例的感测装置的示意图；
图9提供了依照本发明的说明性实施例的网络接入点的示意图；
图10提供了依照本发明的说明性实施例的泵组件的示意图；以及
图11A至11C提供了来自手持设备的屏幕抓取，该手持设备用于向依照本发明的说明性实施例的替代润湿和干燥系统提供用户输入。
具体实施方式
现在参考图1，现在将描述灌溉系统，并且通常使用附图标记10来表示。该系统包括第一多个传感器浮标12，其沿着例如河口湾等的水道14 的长度锚定在第一位置处，水16沿该水道14从其源(未示出)流到河口 18，该河口18排空到例如海洋等的盐水20的体内。浮标12设置有传感器包，用于测量盐度、pH、温度、溶解的氧含量(DOC)和浊度。主要响应于潮汐条件，但也由于其他条件，例如由于流失等的增加的水流，水道14中的水16的感测的盐度、pH、温度、DOC和浊度沿着水道14的长度在时间和距离上变化。特别地，水16的盐度可以从淡22通过稍咸24到咸 26变化，并且最终在沿着水道14的点处变为盐水28。水的pH也可以影响灌溉，并且通常寻求在pH5.5和pH6.5之间的微酸性值。另外，碱性pH 会导致盐沉淀，从而堵塞灌溉装备。可以将肥料添加到灌溉的土地中以调节pH。可以测量DOC作为水中的测量的氧与水可以保持的最大氧量的比率。可替代地，可以以毫克每升(mg/l)、摩尔每立方米(mol O2/m3)或百万分率(ppm)等来测量DOC。值得注意的是，溶解的氧浓度测量可能受到应考虑的温度、压力和盐度的影响。浊度的量通常是在水中悬浮的固体量的反映，并且可以以比浊法浊度单位(NTU)来测量。
仍然参考图1，具有入口30的第二多个泵(未示出)沿着水道14的长度分布在第二位置处。每个泵另外连接到灌溉网络32，该灌溉网络32 在使用经由其各自的入口收集的水启用泵时灌溉一个或多个田地34。
现在参考图2，在水模型服务器36和在从其得到的沿着水道14的任何特定点处的水的盐度、pH温度和/或浊度的模型处，说明性地不时地接收每个传感器浮标12的读数，以及如将在下面更详细地讨论的传感器浮标 12的位置和取得读数的时间。在这方面，并且如将更详细地讨论的，可以经由通信系统收集读数。特别地，该模型被用于预测入口30中的每个的位置处的实时盐度、pH温度和/或浊度。实时盐度、pH、温度和/或浊度经由诸如广域网(WAN)(例如因特网)的宽带通信系统40说明性地提供给泵组件38中的一个或其它。如上所述，泵组件38中的每个供应灌溉网络32，该灌溉网络32包括例如灌溉沟渠或喷洒器等，或其他装备，例如管道 42和枢轴44。通常，存在比传感器浮标12更多的泵组件38，并且使得来自给定传感器浮标12的读数通常将影响许多泵组件38的操作。
仍然参考图2，可以应用各种建模方法来基于每个传感器浮标12的读数来预测入口30中的每个的位置处的实时盐度、pH、温度、DOC和/或浊度。特别地，在特定实施例中，考虑诸如水流速度之类的特征，其尤其受到水道的深度和宽度的局部影响。
现在参考图3，传感器浮标12包括由微处理器(CPU)48控制的探针46，其说明性地测量水16的电导率(EC)、pH、温度和/或浊度。如本领域所知，随着溶解在水中的盐的量增加，水的EC增加。如果水形成电路的部分，则EC以西门子(Siemens)测量，这是以欧姆为单位测量的电阻的倒数。通常，使用存储在只读存储器(ROM)50和/或随机存取存储器(RAM)52中的程序设置，例如使用提供EC到总溶解盐(TDS)的转化的也存储在ROM 50和/或RAM 52等中的查找表或公式，可变电导率的读数通过CPU 50转换成测量的盐度，该TDS以在水中溶解的盐量的百万分率(ppm)测量来测量。类似地，水的pH随氢离子浓度而改变，并且可以作为在pH电极和参考电极(均未示出)之间的电势差来测量。如上所述，传感器浮标12还可包括温度计、DOC传感器和浊度传感器(也未示出)。还可以在系统中提供包括天线56的全球定位系统(GPS)模块 54，以提供传感器浮标12的位置以及通用时钟。如上所述并另外参考图2，经由通信系统，说明性地无线地经由诸如LTE 58及其相关联的天线60之类的数字蜂窝电话网络或短消息服务(SMS)等，向盐度模式服务器36 不时地传送测量的盐度、pH、温度、DOC和/或浊度。测量的盐度、pH、温度和/或浊度也可以与传感器浮标12的GPS坐标以及传送的测量的盐度发生时的时间戳(stamp)组合。为了向传感器浮标12提供电力，提供蓄电池和补充太阳能电池板(均未示出)等。
现在参照图4，泵组件38包括泵62，说明性地是离心泵，其包括连接到入口30的入口管64和连接到灌溉网络32的出口管66。泵62在CPU 70 的控制下经由泵控制器72由电动机68驱动。可以提供GPS模块74和相关联的天线76。另外，为了经由WAN 40与水模型服务器36通信，例如，提供无线通信，例如由诸如LTE 78及其相关联的天线80之类的数字蜂窝电话网络启用的无线通信。为了向泵组件38提供电力，可以提供蓄电池和补充太阳能电池板(均未示出)等。在特定情况下，泵组件38也可以连接到主电力。
仍然参考图4，特别是用于灌溉的可耐受盐度随着生长的作物类型、所用肥料的类型以及土壤类型而变化。例如，杏树通常对盐非常敏感，而向日葵对盐的耐受很好。另外，在植物生长的不同阶段的作物可以更好地耐受盐度(例如，发芽种子通常比成熟植物更多地受盐度影响)。气候条件也可能产生影响，因为在炎热和/或刮风天的高蒸发率可能导致蒸发以及在剩余水中的更高的盐度。最后，灌溉周期的持续时间也可能具有影响，并且灌溉类型(例如滴灌通常允许使用更高盐度的水)也是如此。鉴于此，并且为了获得关于灌溉类型的特定特性的一些具体细节，在灌溉作物、土壤、肥料等时，还可以提供诸如蓝牙模块82和相关联天线84之类的近场通信系统。使用诸如智能电话、平板电脑等之类的手持用户设备86以及通常从应用商店等(未示出)下载的水监测器应用88，用户可以调节泵控制参数以便依照本地操作环境的紧急情况来定制泵操作。
仍然参考图4，CPU 70使用存储在ROM 90和/或RAM 92中的程序和用户设定以及从水模型服务器36经由LTE 78接收的盐度模型或其相关部分来控制泵62。预见到各种不同的控制方法。在第一实施例中，如果盐度模型指示在入口30的位置处的盐度高于最大盐度，则泵62被禁用，并且如果在入口30位置处的盐度低于最大盐度，则泵62被禁用。当启用时，泵62可以根据本地控制参数进行泵送。
现在参考图5A，为了访问在平板电脑、智能电话等上运行的应用88，用户首先选择导致登录页面94被显示的应用。为了登录，用户选择“登录”按钮96，同时提供注册名称98和密码100。如果用户尚未注册，则用户可以通过选择“注册”按钮102向系统注册。除了图5A之外，参照图5B，选择“注册”按钮102显示帐户注册页面104，用户可以经由该注册页面 104输入姓名、电子邮件等以便注册帐户。一旦登录到系统，用户可以通过滑动或经由菜单等选择多个不同视图中的一个。参考图5C，对于给定的泵组件38，用户可以显示水需求页面106，用户可以经由该水需求页面106 提供目标水需求108以及盐度限制110。参考图5D，使用列表传感器节点页面112，用户可以方便地在地图114上显示传感器浮标12的位置。参考图5E至5G，可以针对给定的泵组件38和/或传感器浮标12显示水盐度、 pH、温度和浊度达选定的时间段。说明性地示出了日度页面116(图5E)、月度页面118(图5F)和年度页面120(图5G)。说明性地，对于所选择的时间段，提供盐度图表122和温度图表124以用于分别在所选时间段内显示水盐度和水温度。类似还有，pH图表和浊度图表。
返回参考图2，在特定实施例中，可以提供使用WAN 40进行通信的至少一个电子商务系统126。现在参考图5H，提供了详述泵送水128的页面来详述所讨论的泵或节点在时间段132内的总消耗130。还可以提供泵送的时间134。另外，向用户显示各种图标136，其详述了可从电子商务系统126获得的产品。这些可包括例如新鲜食物138或农业物料140，例如肥料等。参考图5I，可以显示描绘用于经由电子商务系统购买的产品144 的曲线图142以及用于在不同产品之间转移的适当图形控件146。例如，选择农业物料图标140提供说明性地显示不同的肥料150的农产品页面 148。
现在参考图6，现在将描述通常使用附图标记152指代的替代润湿和干燥(AWD)系统。系统152包括位于一个或多个例如稻田等的田地156 上的相应位置处的至少一个感测管154，以及与感测管154通信的至少一个网络接入点158。每个感测管154设置有用于测量田地156表面下方的水深的传感装置(未示出)。田地156表面下方的水深响应于诸如温度、湿度、降水、淹没和灌溉之类的各种因素而变化。特别地，从例如河流的水源162抽水的至少一个泵组件160连接到灌溉网络164，该灌溉网络164 在启用泵组件160时灌溉田地156，从而增加每个田地156的表面下方的水深。
现在参考图7，如下面将进一步详细讨论的，经由天线166向最近的网络接入点158发送来自每个感测管154的水深读数。然后可以经由诸如局域网或广域网(LAN/WAN)之类的通信系统168收集读数。如下面将进一步详细讨论的，当从给定感测管154读取的水深低于预定值时，表明田地156已经充分干燥，通信系统168经由天线170与至少一个泵组件160 通信以启用泵组件160。然后，泵组件160可以从水源162抽水并通过包括例如灌溉沟渠或喷洒器等的灌溉网络164泵送水，以便淹没田地156，从而增加了田地156的表面下方的水位，如通过感测管154中的测量所反映的那样。干燥和淹没之间的这种交替减少了耕种所需的水量，同时保持了产率。
除了图7之外，现在参照图8A，每个感测管154包括用于测量田地 156的表面176下方的水深174的传感装置172。在一个实施例中，传感装置172包括浮子(float)激活的记录设备，其通过被降低到感测管154中的重量平衡浮子(未示出)的运动来感测水位的改变。如本领域所公知的，表面176下方的水深174随着田地156的淹没和随后的干燥而波动，并且对应于田地156的表面176下方的湿土层178。为了在保存尽可能多的水的同时保持产率，湿土层178不得下降到例如在表面176下方十五(15) 厘米的预定值以下。因此，感测装置172在干燥阶段期间感测水深174何时达到预定深度，以便启用泵组件160以处于淹没阶段。
除了图7之外，现在参照图8B，传感装置172由微处理器(CPU)180 控制，该微处理器(CPU)180使用存储在只读存储器(ROM)182和/ 或随机存取存储器(RAM)184中的程序测量感测管154内的水深174。测量的水深经由例如蓝牙或WiFi的近场通信(NFC)186以及天线166 传送到最近的网络接入点158。为了向感测管154提供电力，提供蓄电池和补充太阳能电池板(均未示出)等。
除了图2以外，返回参照图8A，因为区域156通常占据各种条件的大面积土地，沿着给定田地156找到各种湿土层178可能是常见的。因此，在一个实施例中，系统152包括沿给定田地156放置的多个感测管154，以便测量多个位置处的水深174。
除了图7之外，现在参考图9，每个网络接入点158由CPU 188使用 ROM 190和/或RAM 192中的程序存储来控制。网络接入点158经由NFC 194和天线196从各种感测管154接收测量的水深。可以提供数据存储198 以存储先前记录的测量的水深。在一个实施例中，手持用户设备和水监测应用(均未示出)也可以经由NFC 194和天线196连接到网络接入点158，以查询先前记录的测量水深。还可以在网络接入点158中提供包括天线202 的全球定位系统(GPS)模块200，以提供网络接入点158的位置以及通用时钟。如上所述，经由通信装置，说明性地无线地经由诸如LTE 204及其相关联的天线206之类的数字蜂窝电话网络或短消息服务(SMS)等，向通信系统168传送测量的水深。测量的水深还可以与网络接入点158的GPS坐标以及传送的测量的水深发生时的时间戳组合。为了向网络接入点 158提供电力，提供了蓄电池和补充太阳能电池板(均未示出)等。
除了图7之外，现在参照图10，泵组件160包括泵208，说明性地是离心泵，其包括被连接到从水源162抽水的入口的入口管210，以及被连接到灌溉网络164的输出管212，并且该泵组件160可包括例如用于测量使用泵208提供的水量的水表214。泵208在包括CPU 220的泵控制器218 的控制下由电动机216驱动。还可以提供GPS模块222和相关联的天线 224。另外，为了经由通信网络168与每个网络接入点158通信，提供通信装置，例如由诸如LTE226及其相关联的天线228之类的数字蜂窝电话网络启用的那些通信装置。为了向泵组件160提供电力，可以提供蓄电池和补充太阳能电池板(均未示出)等。在特定情况下，泵组件160也可以连接到主电力。
仍然参考图10，并且如上所述，当在水稻耕种中操作交替润湿和干燥时的关键变量是在田地156的表面下方的水位。为了在不影响水稻产量的情况下节约用水，必须实践对水位的仔细监测。水位随许多不同因素而变化，例如温度、湿度、降水和风速。这些因素将影响润湿和干燥循环的最佳持续时间。鉴于此，还可以提供诸如蓝牙模块230和相关联的天线232 之类的近场通信系统。使用诸如智能电话、平板电脑等之类的手持用户设备234和通常从应用商店等(未示出)下载的水监测器应用236，用户可以调节泵控制参数以便依照本地操作环境的紧急情况定制泵操作。
仍然参考图10，CPU 220使用存储在ROM 238和/或RAM 240中的程序和用户设定以及经由LTE 226或经由运行水监测器应用236的手持用户设备234从通信系统168接收的程序和用户设定来控制泵208。预见到各种不同的控制方法。通常，AWD系统152将包括选择的润湿和干燥的交替时段，以便满足特定的农业管理实践。例如，延长的湿润时段增加了水的消耗和温室气体的产生，而延长的干燥时段可以促进杂草生长并导致由害虫等引起的增加的损害。此外，润湿和干燥时段的仔细选择可以减少肥料的需求，简化肥料施用并且简化作物成熟时的最终收获。使用系统 152，可以建立AWD程序以最大化这些特征。在第一实施例中，当测量的水深下降到低于第一预定低值时，启用泵208，并且当测量的水深超过第二预定高值时，泵208被禁用。当启用时，泵208可以根据本地控制参数进行泵送。
返回参考图7、图8A和图8B，在一个实施例中，当通信系统168从给定田地156上的各个位置接收测量的水深时，只要单个感测管154提供低于上述预定值的测量水深，则通信系统168启用泵组件160。在另一个这样的实施例中，通信系统168设置有计算装置(未示出)以用于根据从每个感测管154接收的测量的水深来计算平均测量水深，然后一旦平均测量水深下降到低于上述预定值，就启用泵组件160。
现在参考图11A，为了访问在诸如平板电脑、智能电话等之类的手持用户设备234上运行的应用236，用户首先选择导致登录页面242被显示的应用。为了登录，用户在提供注册名称246和密码248的同时选择“登录”按钮244。如果用户尚未注册，则用户可以通过选择“注册”按钮250 向系统注册。除了图11A之外，参照图11B，选择“注册”按钮250显示帐户注册页面252，用户可以通过该账户注册页面252输入姓名、电子邮件等以便注册帐户。一旦登录到系统中，用户可以通过滑动或经由菜单等选择多个不同视图中的一个。
现在参考图11C，应用236可以显示水位页面254，其包括来自给定感测管154的在描绘水位258的曲线图256上示出的超过或低于表面水平 260的测量水位，以及记录每次测量的日期262。水位页面254可配置为显示用于给定日264、月266和年268的记录的水位测量，以及用于在所需时间段之间转移的转移工具270。水位页面254可另外显示来自诸如稻田之类的目标位置的环境空气温度272，并且可另外包括用于设定通知警报 274和通过各种菜单276导航的图标。
尽管上文已经通过其具体实施方案描述了本发明，但是在不脱离所附权利要求中限定的本发明的精神和本质的情况下，可以对其进行修改。

Claims (5)

1.一种用于使用泵灌溉田地的交替湿润和干燥(AWD)方法，所述泵包括向所述田地供应水的出口和连接到水源的入口，所述方法包括：
将水深传感器放置在所述田地中的感测位置处；
使用所述传感器不时地感测在所述感测位置处的所述田地的表面下方的水深；以及
使用无线连接将所述感测的水深传送到远离所述感测位置而定位的泵控制器；
其中所述泵控制器在当所述感测的水深低于阈值深度时启用所述泵，并且在当所述感测的水深高于阈值深度时禁用所述泵。
2.一种用于使用水源灌溉田地的交替湿润和干燥(AWD)系统，所述系统包括：
至少一个感测管，每个所述感测管放置在所述田地上的相应位置处，所述感测管包括用于测量所述田地表面下方的水深的传感器；
至少一个泵，每个泵包括连接到所述水源的入口、向所述田地供应水的出口以及泵控制器；以及
无线通信系统，其将所述传感器中的每个与所述泵中的相应一个的所述泵控制器互连；
其中所述泵控制器经由所述无线通信系统不时地从所述传感器接收所述水深，并且进一步地，其中所述泵控制器依照所述水深启用或禁用所述泵。
3.根据权利要求2所述的系统，其中当所述水深低于预定水平时启用所述泵。
4.根据权利要求3所述的系统，其中所述预定水平大约是15厘米。
5.根据权利要求2所述的系统，进一步包括用于使用近场通信网络与所述泵中的最近一个泵的所述泵控制器互连的手持设备，所述手持设备包括用于显示所述水深接收的水深的应用软件。
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