CN201518643U - 一种作物灌溉系统 - Google Patents

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Abstract

本实用新型涉及一种作物灌溉系统，其包括：上位机、下位机、用于向上位机提供土壤湿度信息、太阳辐射信息和空气湿度信息的传感器，以及由下位机根据上位机发出的控制命令执行相应动作的执行机构；使用时，上位机运行作物灌溉数学模型软件，以根据土壤湿度信息、太阳辐射信息和空气湿度信息，综合考虑灌溉水量、作物水分需求、水分生产函数、降雨量、土壤水分平衡、缺水敏感指数、粮食市场价格、农田灌溉用水价格、最低产量需求和灌溉成本等因素，通过下位机命令执行机构执行相应的动作，从而实现基于灌水收益最大的单作物优化灌溉方式，并在特定条件下以有限的灌水量在作物不同生长期内最优分配，使灌溉效益最大。

Description

一种作物灌溉系统
技术领域
本实用新型涉及一种作物灌溉系统。
背景技术
当前，在水资源日益短缺，农业灌溉用水不能增加，而粮食需增收的背景下，如何将有限的灌溉用水在作物不同生育期优化配置，以及对作物进行精量灌溉控制，使灌溉效益最高，成为农业灌溉工程的研究热点。从可持续农业的观点来看，国内外学者对农业灌溉的研究逐渐从灌溉产量最大转变到灌溉效益最大。但国内学者多以产量最大作为目标函数，从模型的建立来看，国内学者一般是基于作物水分需求与作物产出的关系来建立模型，而国外学者所建立的灌溉模型则由于国情的不同而无法应用到我国的灌溉实践中去。
如何综合考虑灌溉水量、作物水分需求、水分生产函数、降雨量、土壤水分平衡、缺水敏感指数、粮食市场价格、农田灌溉用水价格、最低产量需求和灌溉成本等因素，建立适应我国国情的基于灌水收益最大的单作物优化灌溉系统，并在特定条件下以有限的灌水量在作物不同生长期内最优分配，使灌溉效益最大，是本领域要解决的技术问题。
实用新型内容
本实用新型要解决的技术问题是提供一种作物灌溉系统，用于综合考虑灌溉水量、作物水分需求、水分生产函数、降雨量、土壤水分平衡、缺水敏感指数、粮食市场价格、农田灌溉用水价格、最低产量需求和灌溉成本等因素，建立基于灌水收益最大的单作物优化灌溉系统，并在特定条件下以有限的灌水量在作物不同生长期内最优分配，使灌溉效益最大。
为解决上述技术问题，本实用新型提供了一种作物灌溉系统，其包括：运行作物灌溉数学模型软件的上位机，通过通信总线与上位机的作物灌溉控制端相连的下位机，通过I/O接口与下位机相连的用于向上位机提供运行所述作物灌溉数学模型软件所需的土壤湿度信息、太阳辐射信息和空气湿度信息的传感器，以及与下位机相连的由下位机根据上位机发出的控制命令执行相应动作的执行机构；所述执行机构包括：水泵、设于水泵下游的总水阀、设于水泵和总水阀之间的用于控制灌溉用肥料用量的肥料控制阀、设于总水阀下游的流量计、设于流量计下游的用于向各灌溉区域供水的分水阀。
进一步，所述传感器包括：土壤湿度传感器、太阳辐射传感器和空气湿度传感器。
进一步，所述下位机连接有用于参数设置的键盘和用于显示传感器的采样数据的显示屏。
进一步，所述上位机连接有显示器和用于打印报表和图形的打印机。
进一步，所述下位机包括：单片机，与单片机相连的用于驱动所述总水阀和分水阀的放大驱动电路，与单片机相连的用于状态显示的LED，与单片机相连的扩展存储器，与单片机相连的用于异常报警的报警电路，与所述土壤湿度传感器、太阳辐射传感器和空气湿度传感器相连的多路开关、与该多路开关相连的A/D转换电路、设于A/D转换电路和单片机的传感信号输入端的译码驱动器。
本实用新型具有积极的效果：(1)本实用新型的作物灌溉系统使用时，上位机运行作物灌溉数学模型软件，以根据土壤湿度信息、太阳辐射信息和空气湿度信息，综合考虑灌溉水量、作物水分需求、水分生产函数、降雨量、土壤水分平衡、缺水敏感指数、粮食市场价格、农田灌溉用水价格、最低产量需求和灌溉成本等因素，通过下位机命令执行机构执行相应的动作，从而实现基于灌水收益最大的单作物优化灌溉方式，并在特定条件下以有限的灌水量在作物不同生长期内最优分配，使灌溉效益最大。
附图说明
图1为实施例中的作物灌溉系统的结构示意框图。
图2为图1中执行机构的结构示意框图。
图3为图1中的下位机的结构示意框图。
具体实施方式
见图1-3，本实施例的作物灌溉系统包括：运行作物灌溉数学模型软件的上位机1，通过通信总线3与上位机1的作物灌溉控制端相连的下位机2，通过I/O接口4与下位机2相连的用于向上位机1提供运行所述作物灌溉数学模型软件所需的土壤湿度信息、太阳辐射信息和空气湿度信息的传感器6，以及与下位机2相连的由下位机2根据上位机1发出的控制命令执行相应动作的执行机构5。
所述执行机构5包括：水泵13、设于水泵13下游的总水阀14、设于水泵13和总水阀14之间的用于控制灌溉用肥料12用量的肥料控制阀16、设于总水阀14下游的流量计11、设于流量计11下游的用于向各灌溉区域15供水的分水阀。
所述传感器6包括：土壤湿度传感器、太阳辐射传感器和空气湿度传感器。
所述下位机2连接有用于参数设置的键盘7和用于显示传感器6的采样数据的显示屏8。所述上位机1连接有显示器10和用于打印报表和图形的打印机9。
所述下位机2包括：单片机21，与单片机21相连的用于驱动所述总水阀14和分水阀的放大驱动电路22，与单片机21相连的用于状态显示的LED23，与单片机21相连的扩展存储器24，与单片机21相连的用于异常报警的报警电路25，与所述土壤湿度传感器、太阳辐射传感器和空气湿度传感器相连的多路开关28、与该多路开关28相连的A/D转换电路27、设于A/D转换电路27和单片机21的传感信号输入端的译码驱动器26。
所述作物灌溉数学模型用投入产出的关系来确定每公顷农作物的净收入。农作物总产出为粮食总产量与当年粮食市场收购价格的乘积，投入包括灌溉费用、肥料、农药、劳动力费用等，把其他农业投入作为一固定的投入模式，仅仅考虑灌溉对收入的影响，那么灌溉收益模型可表达为：
f(Ya，W)＝Ya*Pr-W*Pw-Ct    (1)
f——净收入，元/hm2
Ya——作物的实际产量，kg/hm2
PY——粮食的市场价格，元/kg
W——总灌水量，m3
PW——农业灌溉用水的价格，元/m3
Ct—其他农业生产费用总投入，元/hm2
式1中，灌溉模型中净收入f与灌水量W是非线性关系，而灌溉是在土壤水量平衡的理论上进行的。在缺水条件下，可以忽略土壤水的深层渗漏、地表径流等因素，土壤水量平衡可简化为：
土壤水量平衡：Wi＝ETi-Pei     (2)
式中：Wi--作物第i生长阶段的灌水量，m3；
ETi--作物第i个生长阶段的实际腾发量mm；
Pei--作物第i生长阶段的有效降雨量，mm。
在非充分灌溉条件下，一次降雨不超过田面允许水深上限的降雨量均为有效降雨量，超过部分为排水量。有效降雨量可表达为：
Figure G200920312259420091012D000041
式中：Pei--作物第i生长阶段的有效降雨量，mm；
Pi--作物第i生长阶段的降雨量，mm；
Hi0--作物第i生长阶段开始降雨时田间水层深度，mm；
Himax--作物第i生长阶段田面允许最大蓄水深度，mm；
作物不同生育阶段灌水量对产量的影响比较复杂，用数学模型的结构关系表征作物不同生育阶段水分对产量的影响，应用比较普及的为Jensen乘法模型：
Jensen模型： Y a Y m = Π i = 1 n ( ET i ET mi ) λ i - - - ( 4 )
式中  ETmi--作物第i个生长阶段的最大腾发量mm；
n--作物生育阶段划分(n＝1、2...)；
λi--作物第i个生长阶段的缺水对产量影响的敏感指数；
Ym--充分灌溉条件下作物的最大产量  kg/hm2；
综合式(1)、(2)、(3)和(4)，得到考虑多因素的作物灌溉模型，该模型既考虑了灌水量、降雨量、作物缺水敏感指数，又考虑了受市场影响的粮食价格和衣业灌溉用水价格，而且模型还受多因素约束的影响。
灌溉模型： f ( Y a , W ) = Y m Π i = 1 n ( W i + P ei ET mi ) λ i P Y - P W Σ i = 1 n W i - C i - - - ( 4 )
约束条件如下： W min ≤ Σ i = 1 n W i ≤ W max
总灌溉水量约束：
式中：Wmin为总可供灌水量下限，Wmax为总可供灌水量上限；
各阶段灌水量约束：Wimin≤Wi≤Wimax
式中：Wimin为作物第i阶段可供灌水量下限；
Wimax为作物第  阶段可供灌水量上限。
最低粮食产量约束：Ya≥Ymin
式中：Ymin为满足基本需求的最低产量。
Ct＝const
其他农业投入费用约束：
式中Ct为其他农业投入费用，由于本模型只研究灌水量与收益的关系，因而把其他投入作为固定投入。
上述实施例仅仅是为清楚地说明本实用新型所作的举例，而并非是对本实用新型的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而这些属于本实用新型的精神所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本实用新型的保护范围之中。

Claims (5)

1.一种作物灌溉系统，其特征在于包括：运行作物灌溉数学模型软件的上位机(1)，通过通信总线(3)与上位机(1)的作物灌溉控制端相连的下位机(2)，通过I/O接口(4)与下位机(2)相连的用于向上位机(1)提供运行所述作物灌溉数学模型软件所需的土壤湿度信息、太阳辐射信息和空气湿度信息的传感器(6)，以及与下位机(2)相连的由下位机(2)根据上位机(1)发出的控制命令执行相应动作的执行机构(5)；
所述执行机构(5)包括：水泵(13)、设于水泵(13)下游的总水阀(14)、设于水泵(13)和总水阀(14)之间的用于控制灌溉用肥料(12)用量的肥料控制阀(16)、设于总水阀(14)下游的流量计(11)、设于流量计(11)下游的用于向各灌溉区域(15)供水的分水阀。
2.根据权利要求1所述的一种作物灌溉系统，其特征在于：所述传感器(6)包括：土壤湿度传感器、太阳辐射传感器和空气湿度传感器。
3.根据权利要求2所述的一种作物灌溉系统，其特征在于：所述下位机(2)连接有用于参数设置的键盘(7)和用于显示传感器(6)的采样数据的显示屏(8)。
4.根据权利要求3所述的一种作物灌溉系统，其特征在于：所述上位机(1)连接有显示器(10)和用于打印报表和图形的打印机(9)。
5.根据权利要求3所述的一种作物灌溉系统，其特征在于：所述下位机(2)包括：单片机(21)，与单片机(21)相连的用于驱动所述总水阀(14)和分水阀的放大驱动电路(22)，与单片机(21)相连的用于状态显示的LED(23)，与单片机(21)相连的扩展存储器(24)，与单片机(21)相连的用于异常报警的报警电路(25)，与所述土壤湿度传感器、太阳辐射传感器和空气湿度传感器相连的多路开关(28)、与该多路开关(28)相连的A/D转换电路(27)、设于A/D转换电路(27)和单片机(21)的传感信号输入端的译码驱动器(26)。
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