CN116058265A - 一种数字化变量灌溉群控系统和数字化变量灌水器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种数字化变量灌溉群控系统和数字化变量灌水器，该系统包括核心控制器、田间数据采集单元、执行单元、供水单元和供能单元。该灌水器包括灌水器主体和灌水器盖，灌水器盖上开设有多个灌水器进水孔，灌水器主体上开设有水压调节槽，水压调节槽内设置有过滤栅格，过滤栅格将水压调节槽内的空间分割为高压水压调节槽和低压水压调节槽，灌水器主体上开设一对有弹性膜片卡槽，弹性膜片卡槽内设置有弹性膜片。该系统能够实现对大面积农田所布设的各毛管群组压力的动态控制，进而实现灌水器流量的精准变量调节，并能够自动形成多阶段调度，进而能够满足作物在不同生长发育阶段的水盐需求。
Description
技术领域
本发明属于地下滴灌技术领域，涉及灌溉群控系统，具体涉及一种数字化变量灌溉群控系统和数字化变量灌水器。
背景技术
地下滴灌是一种节水效果较为显著的灌溉方式，可以将灌溉水流直接输送到作物根区，具有较高的水分利用效率。灌水器是滴灌系统的核心部件，大多数地下滴灌系统的灌水器流量在1L/h以上，为了节约水资源、降低系统投资和能耗，小流量灌水器越来越得到广泛的应用。但在土壤盐渍化严重的地区，如甘肃、宁夏自治区和新疆，目前常用的小流量灌水器虽然适宜作物在生长发育期的水分需求，但无法满足淋洗土壤盐分需求。
越来越多的研究表明，多阶段的调度(强化浸出、常规浸出和精准水盐调控)有利于盐分的充分淋洗，并持续为作物提供适宜的盐分环境，但实现多阶段的调度常使用张力计等传感器控制滴头流量，这无疑增加了系统的复杂程度和工程投资成本，难以在农户中大面积推广与使用。受气象因子、土壤水分条件、作物特性等因素的影响，不同作物在其生育期内的耗水量为动态变化的。若能根据作物生长发育规律，采用变量智能灌溉以维持不同生育期内作物对水盐需求，便能达到精准调控作物水盐环境的目的。例如，在种子萌发阶段，需要对盐渍地进行强化浸出以提高出苗率；在作物生长发育期需要根据作物的生长需求，适时适量地提供水分，并持续常规浸出，维持盐分稳定。
现有技术存在的主要缺陷为：传统的粗放式人工灌溉方法、设备和常规的小流量灌水器，难以实现精准控制灌溉量，因此难以满足作物在不同生长发育阶段的水盐需求。
发明内容
针对现有技术存在的缺陷和不足，本发明的目的在于，提供一种数字化变量灌溉群控系统和数字化变量灌水器，解决现有技术由于难以实现精准控制灌溉量，导致难以满足作物在不同生长发育阶段的水盐需求的技术问题。
为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案予以实现：
一种数字化变量灌溉群控系统，该系统包括核心控制器，核心控制器与田间数据采集单元、执行单元、供水单元和供能单元均相连接；所述的执行单元与供水单元相连通。
所述的执行单元包括至少两条灌溉毛管，灌溉毛管的进水端与供水单元相连通，灌溉毛管的出水端与多个数字化变量灌水器相连通；每条灌溉毛管上沿着灌溉水流动的方向依次设置有水泵、压力控制阀、压力传感器、流量传感器以及多个数字化变量灌水器；所有的水泵共同组成水泵群组，所有的压力控制阀共同组成压力控制阀群组，所有的压力传感器共同组成压力传感器群组，所有的流量传感器共同组成流量传感器群组。
所述的执行单元还包括与核心控制器相连接的继电器和变频器，所述的继电器的输入端与核心控制器相连接，继电器的输出端与压力控制阀群组相连接；所述的变频器的输入端与核心控制器相连接，变频器的输出端与水泵群组相连接。
本发明还保护一种数字化变量灌水器，该灌水器包括灌水器主体，灌水器主体的顶端固定安装有灌水器盖；所述的灌水器盖的横向一侧上开设有多个灌水器进水孔，灌水器进水孔与灌溉毛管相连通。
所述的灌水器主体的横向一侧上开设有水压调节槽，水压调节槽位于灌水器进水孔的下方；水压调节槽内设置有过滤栅格，过滤栅格将水压调节槽内的空间分割为两个部分，位于纵向前侧的为高压水压调节槽，位于纵向后侧的为低压水压调节槽。
所述的高压水压调节槽横向右侧的灌水器主体上开设一对有弹性膜片卡槽，弹性膜片卡槽内沿着竖向设置有弹性膜片，弹性膜片的底端和顶端分别紧抵在灌水器主体和灌水器盖上，一对弹性膜片相对设置；弹性膜片的纵向外端通过弹性膜片卡槽固定在灌水器主体上，弹性膜片的纵向内端能够在水压作用下活动。
所述的弹性膜片卡槽的横向左端与水压调节槽相连通，弹性膜片卡槽的横向右端与高压灌水器流道的横向左端相连通，高压灌水器流道的横向右端与低压灌水器流道的横向右端相连通，低压灌水器流道的横向左端与低压水压调节槽相连通；所述的灌水器主体的横向另一侧上开设有灌水器出水口，灌水器出水口与高压灌水器流道和低压灌水器流道均相连通。
本发明还具有如下技术特征：
具体的，所述的田间数据采集单元包括土壤水分传感器、土壤温度传感器、空气湿度传感器、空气温度传感器和光照强度传感器；所述的土壤水分传感器、土壤温度传感器、空气湿度传感器、空气温度传感器和光照强度传感器的输出端均与数据传输总线的一端相连接，数据传输总线的另一端与核心控制器相连接。
具体的，所述的供水单元包括与核心控制器相连接的水位传感器，水位传感器设置在蓄水池中；所述的蓄水池的进水端与进水管道相连通，蓄水池的出水端与执行单元的灌溉毛管相连通；所述的蓄水池的内壁上设置有集雨装置。
具体的，所述的供能单元包括太阳能电源和备用电源；太阳能电源第一电力输出端与核心控制器相连接，太阳能电源第二电力输出端与备用电源的电力输入端相连接，备用电源的电力输出端与核心控制器相连接。
具体的且可选的，所述的高压灌水器流道和低压灌水器流道包含若干个流道单元，流道单元的平面结构为不规则多边型结构；流道单元的平面结构包括依次首尾相连的纵向前边、左长斜边、纵向后边、右上斜边、右短斜边、右直斜边、短弧形边和左直斜边；所述的纵向前边和纵向后边为平行设置，左长斜边和右短斜边为平行设置，所述的左直斜边与左长斜边为平行设置，右直斜边与右上斜边为平行设置。
具体的，所述的右直斜边、短弧形边和左直斜边组成的结构为从前到后减小的圆锥形结构，相邻流道单元的短弧形边的中轴线之间的距离X为2.23mm；该圆锥形结构的高h为0.93mm；该圆锥形结构的圆锥角θ为60°。
具体的且可选的，所述的高压灌水器流道和低压灌水器流道包含若干个流道单元，流道单元的平面结构为不规则多边型结构；流道单元的平面结构包括依次首尾相连的纵向前第一弧边、左下短斜边、左上长斜边、纵向后第一弧边、右上短斜边、纵向后第二弧边、第一斜边、第二斜边、纵向前第二弧边和第三斜边；所述的左上长斜边和第三斜边为平行设置，左下短斜边、右上短斜边和第二斜边为平行设置。
具体的，相邻流道单元的纵向前第二弧边中轴线之间的距离X’为2.50mm；纵向前第二弧边端点与纵向后第二弧边端点之间的垂直距离h’为1.30mm；第二斜边和第三斜边之间的夹角θ’为88°。
本发明与现有技术相比，具有如下有益的技术效果：
(Ⅰ)本发明的数字化变量灌溉群控系统，通过田间数据采集单元采集目标数据；通过核心控制器获取和分析数据采集单元得到的总信息，并对执行单元发出控制指令；通过执行单元接收控制指令并控制灌水器工作压力。采用该系统能够实现对大面积农田所布设的各毛管群组压力的动态控制，从而使各毛管上的数字化变量灌水器可以通过工作压力的变化自动调节其弹性膜块的开启程度，改变高压水流迷宫流道过水断面面积，进而使灌水器双流道按压分级启动，最终实现灌水器流量的精准变量调节，并能够自动形成多阶段调度，进而能够满足作物在不同生长发育阶段的水盐需求。
(Ⅱ)本发明的数字化变量灌水器，其中的弹性膜块为两片式结构，能够根据水压大小改变开度，配合高压灌水器流道和低压灌水器流道的双流道结构，能够实现灌水器流量的变量调节。
(Ⅲ)本发明的数字化变量灌水器的流道结构简单，流道结构类型及尺寸可以根据实际的流量需求进行调整，对制作工艺要求低，且生产成本低，具有良好的工作性能，使用方法简便，实用性强。
附图说明
图1为数字化变量灌水器的结构示意图。
图2为灌水器主体的结构示意图。
图3为灌水器盖的俯视图。
图4为高压状态下灌水器的弹性膜块状态示意图。
图5为低压状态下灌水器的弹性膜块状态示意图。
图6为实施例1的灌水器主体的俯视图。
图7为实施例1的灌水器的参数示意图。
图8为实施例1的灌水器流道单元的参数示意图。
图9为灌水器的压力-流量曲线图；图中：横坐标为进水口处的工作压力H(MPa)，纵坐标为出水流量Q(L/h)；S1为实施例1中灌水器的压力-流量曲线，S2为实施例2中灌水器的压力-流量曲线，C1为对比例1中灌水器的压力-流量曲线。
图10为实施例2的灌水器的参数示意图。
图11为实施例2的灌水器流道单元的参数示意图。
图12为数字化变量灌溉群控系统的整体结构示意图。
图13为数字化变量灌溉群控方法的流程示意图。
图中各个标号的含义为：1-核心控制器，2-田间数据采集单元，3-执行单元，4-供水单元，5-供能单元，6-人机交互单元，7-数据传输总线；
201-土壤水分传感器，202-土壤温度传感器，203-空气湿度传感器，204-空气温度传感器，205-光照强度传感器；
301-灌溉毛管，302-数字化变量灌水器，303-水泵群组，304-压力控制阀群组，305-压力传感器群组，306-流量传感器群组，307-继电器，308-变频器；
401-水位传感器，402-蓄水池，403-进水管道，404-集雨装置；
501-太阳能电源，502-备用电源；
601-输入设备，602-存储设备，603-显示设备，604-通讯设备；
30201-灌水器主体，30202-灌水器盖，30203-灌水器进水孔，30204-过滤栅格，30205-高压水压调节槽，30206-低压水压调节槽，30207-弹性膜片卡槽，30208-弹性膜片，30209-高压灌水器流道，30210-低压灌水器流道，30211-灌水器出水口；
3020901-纵向前边，3020902-左长斜边，3020903-纵向后边，3020904-右上斜边，3020905-右短斜边，3020906-右直斜边，3020907-短弧形边，3020908-左直斜边；
30201001-纵向前第一弧边，30201002-左下短斜边，30201003-左上长斜边，30201004-纵向后第一弧边，30201005-右上短斜边，30201006-纵向后第二弧边，30201007-第一斜边，30201008-第二斜边，30201009-纵向前第二弧边，3020910-第三斜边。
以下结合实施例对本发明的技术方案作进一步说明。
具体实施方式
需要说明的是，本发明中的所有用到的零部件，在没有特殊说明的情况下，均采用本领域已知的零部件，例如：数据传输总线7采用现有技术中已知的CAN总线；核心控制器1采用现有技术中已知的基于ARM Cortex-M3架构的32位微处理器STM32F103CBT6。
遵从上述技术方案，以下给出本发明的具体实施例，需要说明的是本发明并不局限于以下具体实施例，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本发明的保护范围。
实施例1：
本实施例给出一种数字化变量灌水器，如图1和图2所示，包括灌水器主体30201，灌水器主体30201的顶端固定安装有灌水器盖30202；灌水器盖30202的横向一侧上开设有多个灌水器进水孔30203。
灌水器主体30201的横向一侧上开设有水压调节槽，水压调节槽位于灌水器进水孔30203的下方；水压调节槽内设置有过滤栅格30204，过滤栅格30204将水压调节槽内的空间分割为两个部分，位于纵向前侧的为高压水压调节槽30205，位于纵向后侧的为低压水压调节槽30206。
高压水压调节槽30205横向右侧的灌水器主体30201上开设一对有弹性膜片卡槽30207，弹性膜片卡槽30207内沿着竖向设置有弹性膜片30208，弹性膜片30208的底端和顶端分别紧抵在灌水器主体30201和灌水器盖30202上，一对弹性膜片30208相对设置；弹性膜片30208的纵向外端通过弹性膜片卡槽30207固定在灌水器主体30201上，弹性膜片30208的纵向内端能够在水压作用下活动。
弹性膜片卡槽30207的横向左端与水压调节槽相连通，弹性膜片卡槽30207的横向右端与高压灌水器流道30209的横向左端相连通，高压灌水器流道30209的横向右端与低压灌水器流道30210的横向右端相连通，低压灌水器流道30210的横向左端与低压水压调节槽30206相连通；灌水器主体30201的横向另一侧上开设有灌水器出水口30211，灌水器出水口30211与高压灌水器流道30209和低压灌水器流道30210均相连通。
作为本实施例的一种具体方案，如图3所示，灌水器进水孔30203数目为八个，八个灌水器进水孔30203组成一个进水矩阵，能够对水流进行过滤，提高了灌水器的抗堵塞性能。灌水器进水孔30203的长和宽均为1.00mm，相邻灌水器进水孔30203之间的间距为1.00mm。
本实施例中，过滤栅格30204能够对水流进行二次过滤，避免灌溉水中的杂质在低压水压调节槽30206沉积，从而缓解灌水器堵塞问题。
本实施例中，高压水压调节槽30205和低压水压调节槽30206相互独立，且间隔设置，分别适用于高压时灌水器大流量需求和低压时灌水器小流量需求。
本实施例中，弹性膜片卡槽30207用于弹性膜片30208的限位固定。
本实施例中，弹性膜片30208的材质采用现有技术中已知的常规的弹性材料，例如硅胶、橡胶等。
本实施例中，如图4和图5所示，一对弹性膜片30208的开启程度由灌溉系统工作水压的变化决定，以此改变高压灌水器流道30209的进水断面面积，进而使灌水器双流道按压分级启动，最终实现灌水器流量的变量调节。在低压情况下，低速水流的冲击作用无法使一对弹性膜片30208打开，一对弹性膜片30208处于闭合状态，此时水流无法进入高压灌水器流道30209，仅通过低压灌水器流道30210进行消能，灌水器的流量较小。随着工作水压的逐渐提高，一对弹性膜片30208在较高流速水流的冲击作用下打开，此时一部分水流仍然流入低压灌水器流道30210中，另一部分水流经过高压灌水器流道30209消能后从灌水器出水口30211，进而显著增加灌水器的出流量。
作为本实施例的一种具体方案，如图6至图8所示，高压灌水器流道30209和低压灌水器流道30210包含若干个流道单元，流道单元的平面结构为不规则多边型结构；流道单元的平面结构包括依次首尾相连的纵向前边3020901、左长斜边3020902、纵向后边3020903、右上斜边3020904、右短斜边3020905、右直斜边3020906、短弧形边3020907和左直斜边3020908；纵向前边3020901和纵向后边3020903为平行设置，左长斜边3020902和右短斜边3020905为平行设置，左直斜边3020908与左长斜边3020902为平行设置，右直斜边3020906与右上斜边3020904为平行设置。
作为本实施例的一种具体方案，高压灌水器流道30209和低压灌水器流道30210的流道深度为1mm。
作为本实施例的一种具体方案，短弧形边3020907的半径为0.2mm。
作为本实施例的一种具体方案，相邻流道单元的右上斜边3020904和左长斜边3020902的连接处为弧形结构，该弧形结构的半径为0.1mm。
作为本实施例的一种具体方案，如图7所示，灌水器出水口30211的平面结构为圆形结构，灌水器出水口30211平面结构的半径R为1.00mm。
作为本实施例的一种具体方案，如图7所示，高压灌水器流道30209的横向左端为进水端，高压灌水器流道30209进水端平面结构为从左到右渐小的等腰梯形结构，高压灌水器流道30209进水端的横向右侧到灌水器出水口30211圆心的距离减去灌水器出水口30211的半径R，即为高压灌水器流道30209的流道长度L，高压灌水器流道30209的流道长度L为30.00mm。
作为本实施例的一种具体方案，如图8所示，左直斜边3020908到左长斜边3020902的垂直距离a为1.00mm。
作为本实施例的一种具体方案，如图8所示，右直斜边3020906、短弧形边3020907和左直斜边3020908组成的结构为从前到后减小的圆锥形结构，相邻流道单元的短弧形边3020907的中轴线之间的距离X为2.23mm。该圆锥形结构的高h为0.93mm。该圆锥形结构的圆锥角θ为60°。
本实施例中，右直斜边3020906、短弧形边3020907和左直斜边3020908组成的圆锥形结构，以及相邻流道单元的右上斜边3020904和左长斜边3020902连接处的弧形结构，能够减少流道中死角，避免流道中产生泥沙停滞区域。
本实施例中，对该数字化变量灌水器进行了压力-流量测试，结果如图9所示，该数字化变量灌水器的压力-流量曲线分为两个阶段，其中第一阶段为：弹性膜片30208未打开，高压灌水器流道30209不启动，仅低压灌水器流道30210过流；第二阶段为：弹性膜片30208打开，高压灌水器流道30209和低压灌水器流道30210均启动，双流道过流。经过计算可得，第一阶段的灌水器流态指数为0.44，第二阶段的灌水器流态指数为0.53，符合灌水器的水力性能要求，水力性能良好，流道单元的耗能作用明显。
实施例2：
本实施例给出一种数字化变量灌水器，如图10所示，该数字化变量灌水器与实施例1基本相同，主要区别在于：高压灌水器流道30209和低压灌水器流道30210的构型不同。
作为本实施例的一种具体方案，如图11所示，高压灌水器流道30209和低压灌水器流道30210包含若干个流道单元，流道单元的平面结构为不规则多边型结构；流道单元的平面结构包括依次首尾相连的纵向前第一弧边30201001、左下短斜边30201002、左上长斜边30201003、纵向后第一弧边30201004、右上短斜边30201005、纵向后第二弧边30201006、第一斜边30201007、第二斜边30201008、纵向前第二弧边30201009和第三斜边3020910；左上长斜边30201003和第三斜边3020910为平行设置，左下短斜边30201002、右上短斜边30201005和第二斜边30201008为平行设置。
作为本实施例的一种具体方案，纵向前第二弧边30201009的半径为0.3mm。
作为本实施例的一种具体方案，如图10所示，灌水器出水口30211的平面结构为圆形结构，灌水器出水口30211平面结构的半径R’为1.00mm。
作为本实施例的一种具体方案，如图10所示，高压灌水器流道30209的流道长度L’为30.00mm。
作为本实施例的一种具体方案，如图11所示，第三斜边3020910到左上长斜边30201003的垂直距离a’为1.00mm。
作为本实施例的一种具体方案，如图11所示，相邻流道单元的纵向前第二弧边30201009中轴线之间的距离X’为2.50mm。纵向前第二弧边30201009端点与纵向后第二弧边30201006端点之间的垂直距离h’为1.30mm。第二斜边30201008和第三斜边3020910之间的夹角θ’为88°。
本实施例中，纵向前第一弧边30201001、纵向后第一弧边30201004、纵向后第二弧边30201006和纵向前第二弧边30201009的弧形结构，能够减少流道中死角，避免流道中产生泥沙停滞区域。
本实施例中，对该数字化变量灌水器进行了压力-流量测试，结果如图9所示，该数字化变量灌水器的压力-流量曲线分为两个阶段，其中第一阶段为：弹性膜片30208未打开，高压灌水器流道30209不启动，仅低压灌水器流道30210过流；第二阶段为：弹性膜片30208打开，高压灌水器流道30209和低压灌水器流道30210均启动，双流道过流。经过计算可得，第一阶段的灌水器流态指数为0.45，第二阶段的灌水器流态指数为0.49，符合灌水器的水力性能要求，水力性能良好，流道单元的耗能作用明显。
实施例3：
本实施例给出一种数字化变量灌溉群控系统，该系统中的数字化变量灌水器302采用实施例1中的数字化变量灌水器。如图12所示，该系统包括核心控制器1，核心控制器1与田间数据采集单元2、执行单元3、供水单元4、供能单元5以及人机交互单元6均相连接；执行单元3与供水单元4相连通。
作为本实施例的一种具体方案，如图12所示，田间数据采集单元2包括土壤水分传感器201、土壤温度传感器202、空气湿度传感器203、空气温度传感器204和光照强度传感器205；土壤水分传感器201、土壤温度传感器202、空气湿度传感器203、空气温度传感器204和光照强度传感器205的输出端均与数据传输总线7的一端相连接，数据传输总线7的另一端与核心控制器1相连接。
本实施例中，田间数据采集单元2用于采集数据，田间数据采集单元2分为环境信息采集单元和土壤信息采集单元，其中环境信息采集单元由空气温度传感器204、空气湿度传感器203和光照强度传感器205组成，土壤信息采集单元由土壤水分传感器201和土壤温度传感器202组成。空气湿度传感器203用于采集灌溉农田区域内的空气湿度数据，空气温度传感器204用于监测空气温度，光照强度传感器205用于采集灌溉农田区域内的光照强度，土壤水分传感器201用于检测土壤含水率，土壤温度传感器202用于检测土壤温度。
本实施例中，数据传输总线7用于获取和传输每个传感器采集的数据。
作为本实施例的一种具体方案，如图12所示，执行单元3包括至少两条灌溉毛管301，灌溉毛管301的进水端与供水单元4相连通，灌溉毛管301的出水端与多个数字化变量灌水器302相连通；每条灌溉毛管301上沿着灌溉水流动的方向依次设置有水泵、压力控制阀、压力传感器、流量传感器以及多个数字化变量灌水器302；所有的水泵共同组成水泵群组303，所有的压力控制阀共同组成压力控制阀群组304，所有的压力传感器共同组成压力传感器群组305，所有的流量传感器共同组成流量传感器群组306。
执行单元3还包括与核心控制器1相连接的继电器307和变频器308，继电器307的输入端与核心控制器1相连接，继电器307的输出端与压力控制阀群组304相连接；变频器308的输入端与核心控制器1相连接，变频器308的输出端与水泵群组303相连接。
本实施例中，继电器307能够接收来自核心控制器1的控制信号，在此控制信号的作用下，通过分别控制压力控制阀群组304中每个压力控制阀的开度，进而控制每条灌溉毛管301的工作压力的大小，压力传感器能够监测灌溉毛管301内的工作压力，并能够将监测结果反馈给核心控制器1。
本实施例中，变频器308能够接收来自核心控制器1的控制信号，在此控制信号的作用下，变频器308通过改变电源输出频率以调节水泵群组303的电机转速，进而控制水泵从蓄水池402中的抽水流量，流量传感器能够监测每条灌溉毛管301的水流量的大小，并能够将监测结果反馈给核心控制器1。
作为本实施例的一种具体方案，如图12所示，供水单元4包括与核心控制器1相连接的水位传感器401，水位传感器401设置在蓄水池402中；蓄水池402的进水端与进水管道403相连通，蓄水池402的出水端与执行单元3的灌溉毛管301相连通；蓄水池402的内壁上设置有集雨装置404。
本实施例中，供水单元4用于为执行单元3提供灌溉用水。水位传感器401用于检测蓄水池402的水位，当蓄水池402水位不够或超过警戒线时，核心控制器1检测到水位传感器401传递的信号后，能够将此信号进行处理，再通过显示设备603或通讯设备604将提示信号通知给用户。
本实施例中，集雨装置404采用现有技术中已知的常规的集雨装置404，该装置包括雨水斗、过滤器和排水管，集雨装置404用于收集雨水资源并引流至蓄水池402中。
作为本实施例的一种具体方案，如图12所示，供能单元5包括太阳能电源501和备用电源502；太阳能电源501第一电力输出端与核心控制器1相连接，太阳能电源501第二电力输出端与备用电源502的电力输入端相连接，备用电源502的电力输出端与核心控制器1相连接。
本实施例中，供能单元5用于为整个群控系统提供电源，其中太阳能电源501能够对备用电源502进行充电，当太阳能功能不足时，通过备用电源502可以为整个系统进行供电，以保证用电设备的不间断运行。
作为本实施例的一种具体方案，如图12所示，人机交互单元6包括与核心控制器1相连接的输入设备601、存储设备602和显示设备603，还包括通讯设备604。
本实施例中，人机交互单元6负责显示土壤水分数据及设备状态，自动和手动控制灌溉设备。输入设备601包括鼠标、键盘等，用于输入设定的工作压力以及流量等基本数据并以此作为数据库，以便工作时查询；显示设备603用于显示土壤水盐状况、流量大小、灌溉时长、当前灌溉时间等信息；存储设备602用来完成处理器内存以及代码存储区的扩写，同时存储农田灌溉信息；通讯设备604基于处理器与手机端的通信，将农业变量灌溉及灌溉系统运行状态等信息发送到用户手机，从而便于用户远程观测及控制。
作为本实施例的一种具体方案，如图12所示，核心控制器1的电力输入端与供能单元5相连接；核心控制器1的第一输入端通过数据传输总线7与田间数据采集单元2相连接，核心控制器1的第二输入端与压力传感器群组305相连接，核心控制器1的第三输入端与流量传感器群组306相连接，核心控制器1的第四输入端与供水单元4的水位传感器401相连接；核心控制器1的第一输出端与执行单元3的继电器307相连接，核心控制器1的第二输出端与执行单元3的变频器308的输入端相连接；核心控制器1的数据交互端与人机交互单元6相连接。
本实施例中，核心控制器1能够将空气的温度、湿度、以及光照强度这些影响作物水分的因素综合分析后，结合已保存的历史数据或专家数据，进行干旱预测。核心控制器1还能够根据田间数据采集单元2的数据，控制水泵从蓄水池402中抽水或关闭，对田间作物的土壤进行及时和定量灌溉。核心控制器1还能够根据水体流量传感器和压力传感器反馈的信息，对灌溉进行实时调节，使得灌溉水量更准确，达到节水的目的。
实施例4：
本实施例给出一种数字化变量灌溉群控系统，该系统与实施例3基本相同，主要区别在于：该系统中的数字化变量灌水器302采用实施例2中的数字化变量灌水器。
实施例5：
本实施例给出一种数字化变量灌溉群控方法，该方法采用实施例3中的数字化变量灌溉群控系统；如图13所示，该方法具体包括如下步骤：
步骤一，数据采集：
采用核心控制器1向田间数据采集单元2发送数据采集的命令，然后田间数据采集单元2将数据返回给核心控制器1；
步骤二，根据步骤一采集到的数据，采用核心控制器，计算并获得土壤水分盈余量：
步骤2.1，采用公式(Ⅰ)，计算并获得有效降雨量；公式(Ⅰ)为：
式中：
P表示n天内的总降雨量；单位为mm。
Pi表示第i天预报降雨量；单位为mm。
步骤2.2，根据步骤2.1获得的有效降雨量，采用公式(Ⅱ)，计算并获得未来n天内的有效降雨量；公式(Ⅱ)为：
Pθ＝αP 公式(Ⅱ)；
式中：
Pθ表示未来n天内的有效降雨量；单位为mm。
α表示有效降雨系数。
本实施例中，有效降雨系数α需根据各地条件，进行试验研究后确定。若无实测资料，则采用以下经验系数：日降雨量小于5mm且作物在苗期时，有效降雨系数α取1.0；日降雨量小于5mm且作物在其他发育期，有效降雨系数α取0.5；日降雨量为5～50mm时，有效降雨系数α取1.0；日降雨量大于50mm时，有效降雨系数α取0.70～0.8。
步骤2.3，采用公式(Ⅲ)，计算并获得作物需水量；公式(Ⅲ)为：
ETc＝KcKsET0 公式(Ⅲ)；
式中：
ETc表示作物需水量；单位为mm。
Kc表示作物系数。
Ks表示土壤水分胁迫系数；本实施例中，土壤水分胁迫系数Ks取值1。
ET0表示潜在蒸发量；单位为mm。本实施例中，潜在蒸发量ET0采用联合国粮农组织推荐的彭曼-蒙蒂斯公式进行计算，一般可以通过软件或气象站计算得出，可以直接使用。
步骤2.4，根据步骤一采集获得的土壤湿度，步骤2.2计算获得的未来n天内的有效降雨量，以及步骤2.3计算获得的作物需水量，采用公式(Ⅳ)，计算并获得土壤水分盈余量；公式(Ⅳ)为：
ΔB＝0.1(W-Wp)ρh+Pθ-ETc 公式(Ⅳ)；
式中：
ΔB表示土壤水分盈亏量；单位为mm。
W表示土壤湿度；单位为％，以重量含水率计。本实施例中，土壤湿度W采用田间数据采集单元2的土壤水分传感器201采集获得。
Wp表示土壤萎蔫系数；单位为％，以重量含水率计。
ρ表示土壤容重，单位为g/cm3；
h表示根区深度，单位为cm；
Pθ表示未来n天内的有效降雨量；单位为mm。
ETc表示作物需水量；单位为mm。
0.1为单位换算系数。
步骤三，采用核心控制器，根据步骤二获得的土壤水分盈余量，判断农田是否需要灌溉：
当土壤水分盈余量ΔB>0时，则认为农田水分盈余或未来降水概率较大，判断为无需灌溉；当土壤水分盈余量ΔB≤0时，则认为当前农田水分亏损且未来n天内无降水，判断为需要灌溉；
步骤四，若步骤三判断为需要灌溉，则计算并获得预设灌溉量，同时通过人机交互单元(6)，将灌溉警报推送给用户；预设灌溉量的计算过程为：
步骤4.1，采用公式(Ⅴ)计算并获得土壤计划湿润层深度；公式(Ⅴ)为：
d＝Di 公式(Ⅴ)；
式中：
d表示土壤计划湿润层深度；单位为cm。
Di表示根据第i次灌水时的实时土壤湿度数据估算的作物吸水深度；单位为cm。
步骤4.2，根据步骤4.1计算获得的土壤计划湿润层深度，采用公式(Ⅵ)，计算并获得预设灌溉量；公式(Ⅵ)为：
I＝0.1(θmax-θmin)ρdp 公式(Ⅵ)；
式中：
I表示预设灌溉量；单位为mm；
θmax表示灌水上限；单位为％，以重量含水率计。
θmin表示灌水下限；单位为％，以重量含水率计。
ρ表示土壤容重；单位为g/cm3。
d表示土壤计划湿润层深度；单位为cm。
p表示土壤湿润比；单位为％。
0.1为单位换算系数。
作为本实施例的一种具体方案，将田间持水量的90％和60％设定为灌水上限θmax和灌水下限θmin，以确保作物生长不受抑制。
在实际生产中，农户往往为了追求高产常采用粗放式灌溉，土壤计划湿润层通常是根据作物种植经验确定，且通常在作物不同的生育期保持不变，造成灌溉水利用率低且浪费严重。由于不同作物、不同生育期根系深度不同，作物根系吸水深度在整个生育期处于动态变化中。本实施例，根据监测的土壤湿度数据量化作物生长期间吸水深度的动态变化，并据此确定土壤计划湿润层，即可对作物进行精准灌溉，以满足作物不同生育期的需水量，相对于传统的粗放式灌溉，能够达到节水高效灌溉的目的。
步骤五，执行灌溉：
根据步骤四计算获得的预设灌溉量，采用核心控制器1生成灌溉操作参数，核心控制器1将灌溉操作参数分配给继电器307和变频器308，根据灌溉操作参数，继电器307通过控制压力控制阀群组304调节水压，变频器308通过控制水泵群组303调节抽水流量，水流由供水单元4通过灌溉毛管301流入至数字化变量灌水器302中，执行灌溉作业；
步骤六，灌溉调控：
步骤6.1，在步骤五的灌溉作业过程中，核心控制器1根据压力传感器群组305和流量传感器群组306采集到的实时工作压力值和实时灌溉流量值，计算出当前的反馈压力值和反馈流量值，将反馈压力值和反馈流量值分别与预设压力值和预设流量值进行比较分析后，采用核心控制器1重新生成灌溉操作参数，核心控制器1将重新生成的灌溉操作参数分配给继电器307和变频器308，根据重新生成的灌溉操作参数，继电器307和变频器308分别重新调节水压和抽水流量，继续执行灌溉作业；
步骤6.2，在步骤五的灌溉作业过程中，采用压力传感器群组305和流量传感器群组306实时监测灌溉毛管301的工作压力和灌溉流量，当实际的灌溉量达到预设灌溉量后，结束当前灌区的灌溉作业；
步骤七，用户交互：
采用输入设备601，输入步骤6.2中的预设压力值和预设流量值，建立数据库；在步骤五的灌溉作业过程中，存储设备602实时记录和存储农田灌溉信息，显示设备603实时显示农田灌溉信息。
作为本实施例的一种可选的具体方案，用户可以根据显示设备603所显示的灌溉信息，监控和管理整个灌溉作业过程。
作为本实施例的一种可选的具体方案，存储设备602将灌溉信息通过通讯设备604共享到用户的手机端，用户可以通过手机端监控整个灌溉过程，并且能够通过手机端和安装在田间的无线控制节点，远程控制管理整个灌溉过程。
本实施例给出一种大流量需求时的灌溉策略，具体为：
采取本实施例的方法，将调节灌水器的压力参数为0.12～0.25MPa之间。当水压在0.12～0.25MPa之间时，弹性膜片30208由于较大流速水流的冲击作用在弹性膜片变形区发生形变，使高压灌水器流道30209过水断面面积增大，此时高压灌水器流道30209启动，一部分水流经过高压灌水器流道30209消能后从出水口流出，灌水器的出流量可以显著增加。实施例1的灌水器在第二阶段的流量范围为7.34～10.85L/h。
本实施例还给出一种小流量需求时的灌溉策略，具体为：
采取本实施例的方法，调节灌水器的压力参数为0.01～0.11MPa之间。当水压在0.01～0.11MPa之间时，低速水流的冲击作用无法使弹性膜片30208打开，弹性膜片30208处于闭合状态，此时水流无法进入高压灌水器流道30209，仅通过低压灌水器流道30210进行消能，灌水器的出流量较小。实施例1的灌水器在低压阶段的流量范围为1.25～3.52L/h。
实施例6：
本实施例给出一种数字化变量灌溉群控方法，该方法与实施例5基本相同，区别在于：该方法采用实施例4中的数字化变量灌溉群控系统。
本实施例给出一种大流量需求时的灌溉策略，具体为：
当灌水器有大流量需求时，调节灌水器的压力参数为0.12～0.25MPa之间。灌水器的流量范围为9.64～13.92L/h；当滴灌需求灌水器小流量出流时，调节灌水器的压力参数为0.01～0.11MPa之间，灌水器的流量范围为1.57～4.66L/h。
对比例1：
本对比例给出一种数字化变量灌溉群控方法，该方法与实施例5基本相同，区别在于：该方法采用的系统中的灌水器为普通的滴灌灌水器。
本对比例中，该滴灌灌水器采用传统的内镶贴片式迷宫流道，流道构型为常见的梯形结构，流道深度为1mm，流道齿角度θ”为60°，齿间距l”为2.24mm，齿高度h”为1.2mm，流道宽度a”为0.94mm。
本发明于在0.02～0.24MPa的工作压力下，对实施例1、实施例2和对比例1三种灌水器进行了压力-流量测试，测试结果如图9所示。由图9可知，对比例1的滴灌灌水器的流量范围为1.89～5.87L/h。相较于对比例1，实施例1的数字化变量灌水器在此压力范围内的流量范围为1.25～10.85L/h，实施例2的数字化变量灌水器在此压力范围内的流量范围为1.58～13.9L/h。由上述分析可知，在同等的工作压力下，与普通的滴灌灌水器相比，本发明给出的数字化变量灌水器的流量调节范围更广。
Claims (10)
1.一种数字化变量灌溉群控系统，其特征在于，包括核心控制器(1)，核心控制器(1)与田间数据采集单元(2)、执行单元(3)、供水单元(4)和供能单元(5)均相连接；所述的执行单元(3)与供水单元(4)相连通；
所述的执行单元(3)包括至少两条灌溉毛管(301)，灌溉毛管(301)的进水端与供水单元(4)相连通，灌溉毛管(301)的出水端与多个数字化变量灌水器(302)相连通；每条灌溉毛管(301)上沿着灌溉水流动的方向依次设置有水泵、压力控制阀、压力传感器、流量传感器以及多个数字化变量灌水器(302)；所有的水泵共同组成水泵群组(303)，所有的压力控制阀共同组成压力控制阀群组(304)，所有的压力传感器共同组成压力传感器群组(305)，所有的流量传感器共同组成流量传感器群组(306)；
所述的执行单元(3)还包括与核心控制器(1)相连接的继电器(307)和变频器(308)，所述的继电器(307)的输入端与核心控制器(1)相连接，继电器(307)的输出端与压力控制阀群组(304)相连接；所述的变频器(308)的输入端与核心控制器(1)相连接，变频器(308)的输出端与水泵群组(303)相连接；
所述的数字化变量灌水器(302)包括灌水器主体(30201)，灌水器主体(30201)的顶端固定安装有灌水器盖(30202)；所述的灌水器盖(30202)的横向一侧上开设有多个灌水器进水孔(30203)，灌水器进水孔(30203)与灌溉毛管(301)相连通；
所述的灌水器主体(30201)的横向一侧上开设有水压调节槽，水压调节槽位于灌水器进水孔(30203)的下方；水压调节槽内设置有过滤栅格(30204)，过滤栅格(30204)将水压调节槽内的空间分割为两个部分，位于纵向前侧的为高压水压调节槽(30205)，位于纵向后侧的为低压水压调节槽(30206)；
所述的高压水压调节槽(30205)横向右侧的灌水器主体(30201)上开设一对有弹性膜片卡槽(30207)，弹性膜片卡槽(30207)内沿着竖向设置有弹性膜片(30208)，弹性膜片(30208)的底端和顶端分别紧抵在灌水器主体(30201)和灌水器盖(30202)上，一对弹性膜片(30208)相对设置；弹性膜片(30208)的纵向外端通过弹性膜片卡槽(30207)固定在灌水器主体(30201)上，弹性膜片(30208)的纵向内端能够在水压作用下活动；
所述的弹性膜片卡槽(30207)的横向左端与水压调节槽相连通，弹性膜片卡槽(30207)的横向右端与高压灌水器流道(30209)的横向左端相连通，高压灌水器流道(30209)的横向右端与低压灌水器流道(30210)的横向右端相连通，低压灌水器流道(30210)的横向左端与低压水压调节槽(30206)相连通；所述的灌水器主体(30201)的横向另一侧上开设有灌水器出水口(30211)，灌水器出水口(30211)与高压灌水器流道(30209)和低压灌水器流道(30210)均相连通。
2.如权利要求1所述的数字化变量灌溉群控系统，其特征在于，所述的田间数据采集单元(2)包括土壤水分传感器(201)、土壤温度传感器(202)、空气湿度传感器(203)、空气温度传感器(204)和光照强度传感器(205)；所述的土壤水分传感器(201)、土壤温度传感器(202)、空气湿度传感器(203)、空气温度传感器(204)和光照强度传感器(205)的输出端均与数据传输总线(7)的一端相连接，数据传输总线(7)的另一端与核心控制器(1)相连接。
3.如权利要求1所述的数字化变量灌溉群控系统，其特征在于，所述的供水单元(4)包括与核心控制器(1)相连接的水位传感器(401)，水位传感器(401)设置在蓄水池(402)中；所述的蓄水池(402)的进水端与进水管道(403)相连通，蓄水池(402)的出水端与执行单元(3)的灌溉毛管(301)相连通；所述的蓄水池(402)的内壁上设置有集雨装置(404)。
4.如权利要求1所述的数字化变量灌溉群控系统，其特征在于，所述的供能单元(5)包括太阳能电源(501)和备用电源(502)；太阳能电源(501)第一电力输出端与核心控制器(1)相连接，太阳能电源(501)第二电力输出端与备用电源(502)的电力输入端相连接，备用电源(502)的电力输出端与核心控制器(1)相连接。
5.如权利要求1所述的数字化变量灌溉群控系统，其特征在于，还包括人机交互单元(6)；所述的人机交互单元(6)包括与核心控制器(1)相连接的输入设备(601)、存储设备(602)和显示设备(603)。
6.一种数字化变量灌水器，其特征在于，包括灌水器主体(30201)，灌水器主体(30201)的顶端固定安装有灌水器盖(30202)；所述的灌水器盖(30202)的横向一侧上开设有多个灌水器进水孔(30203)；
所述的灌水器主体(30201)的横向一侧上开设有水压调节槽，水压调节槽位于灌水器进水孔(30203)的下方；水压调节槽内设置有过滤栅格(30204)，过滤栅格(30204)将水压调节槽内的空间分割为两个部分，位于纵向前侧的为高压水压调节槽(30205)，位于纵向后侧的为低压水压调节槽(30206)；
所述的高压水压调节槽(30205)横向右侧的灌水器主体(30201)上开设一对有弹性膜片卡槽(30207)，弹性膜片卡槽(30207)内沿着竖向设置有弹性膜片(30208)，弹性膜片(30208)的底端和顶端分别紧抵在灌水器主体(30201)和灌水器盖(30202)上，一对弹性膜片(30208)相对设置；弹性膜片(30208)的纵向外端通过弹性膜片卡槽(30207)固定在灌水器主体(30201)上，弹性膜片(30208)的纵向内端能够在水压作用下活动；
所述的弹性膜片卡槽(30207)的横向左端与水压调节槽相连通，弹性膜片卡槽(30207)的横向右端与高压灌水器流道(30209)的横向左端相连通，高压灌水器流道(30209)的横向右端与低压灌水器流道(30210)的横向右端相连通，低压灌水器流道(30210)的横向左端与低压水压调节槽(30206)相连通；所述的灌水器主体(30201)的横向另一侧上开设有灌水器出水口(30211)，灌水器出水口(30211)与高压灌水器流道(30209)和低压灌水器流道(30210)均相连通。
7.如权利要求6所述的数字化变量灌水器，其特征在于，所述的高压灌水器流道(30209)和低压灌水器流道(30210)包含若干个流道单元，流道单元的平面结构为不规则多边型结构；流道单元的平面结构包括依次首尾相连的纵向前边(3020901)、左长斜边(3020902)、纵向后边(3020903)、右上斜边(3020904)、右短斜边(3020905)、右直斜边(3020906)、短弧形边(3020907)和左直斜边(3020908)；所述的纵向前边(3020901)和纵向后边(3020903)为平行设置，左长斜边(3020902)和右短斜边(3020905)为平行设置，所述的左直斜边(3020908)与左长斜边(3020902)为平行设置，右直斜边(3020906)与右上斜边(3020904)为平行设置。
8.如权利要求7所述的数字化变量灌水器，其特征在于，所述的右直斜边(3020906)、短弧形边(3020907)和左直斜边(3020908)组成的结构为从前到后减小的圆锥形结构，相邻流道单元的短弧形边(3020907)的中轴线之间的距离X为2.23mm；该圆锥形结构的高h为0.93mm；该圆锥形结构的圆锥角θ为60°。
9.如权利要求6所述的数字化变量灌水器，其特征在于，所述的高压灌水器流道(30209)和低压灌水器流道(30210)包含若干个流道单元，流道单元的平面结构为不规则多边型结构；流道单元的平面结构包括依次首尾相连的纵向前第一弧边(30201001)、左下短斜边(30201002)、左上长斜边(30201003)、纵向后第一弧边(30201004)、右上短斜边(30201005)、纵向后第二弧边(30201006)、第一斜边(30201007)、第二斜边(30201008)、纵向前第二弧边(30201009)和第三斜边(3020910)；所述的左上长斜边(30201003)和第三斜边(3020910)为平行设置，左下短斜边(30201002)、右上短斜边(30201005)和第二斜边(30201008)为平行设置。
10.如权利要求9所述的数字化变量灌水器，其特征在于，相邻流道单元的纵向前第二弧边(30201009)中轴线之间的距离X’为2.50mm；纵向前第二弧边(30201009)端点与纵向后第二弧边(30201006)端点之间的垂直距离h’为1.30mm；第二斜边(30201008)和第三斜边(3020910)之间的夹角θ’为88°。
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