CN205017965U - 一种适用于温室单株作物的灌溉控制装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种适用于温室单株作物的灌溉控制装置。包括控制中心、Zigbee组网模块、检测模块和灌溉模块；其中：控制中心、Zigbee组网模块和检测模块依次连接；控制中心、Zigbee组网模块和灌溉模块依次连接。整套灌溉系统结构简单、低功耗、时延短、网络容量大和安全可靠。将ZigBee技术与基质水分传感器、光照传感器和温湿度传感器及温室基质栽培单株作物根系动态生长模型和基质湿润体动态变化模型结合，实现基质湿润体与作物根系的相互匹配，在不影响作物产量和品质的前提下，提高温室基质栽培单株作物水分预报的动态性、实时性，达到真正的节水灌溉，对实现节水型温室基质栽培单株作物具有重要现实意义。

Description

一种适用于温室单株作物的灌溉控制装置

技术领域

本实用新型属于农业设施栽培技术领域，具体涉及一种适用于温室单株作物的灌溉控制装置。与农业工程领域相关。

背景技术

目前我国设施无土栽培面积逐年增加且仍处于蓬勃发展的强进势头，尤其是设施有机基质栽培蔬菜面积占全国无土栽培总面积的85％以上，以生产需求量大、不耐贮藏的蔬菜为主。蔬菜需水量大，而栽培基质又有着与土壤不同的保水特性和水分运移特性，因此，如何实现设施基质栽培蔬菜灌溉自动化，又如何根据基质的水分特性优化灌溉量，以节约农业灌溉用水，提高水分利用效率，发挥作物高产潜力，已成为设施园艺发展中一个迫切需要解决的问题。

国内外已开始研究基质栽培的节水灌溉和研制设施基质栽培的节水灌溉系统，但到目前为止，尽管相应的研究已取得一定的研究进展，但仍处于试验研究阶段，难以实现真正基质栽培的节水灌溉，离实用化仍有相当距离。因此，研究设施基质栽培的灌溉控制方法及装置对实现基质栽培的智能化、精准化灌溉具有重要的理论价值和现实意义。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服现有农业设施栽培技术存在的缺点和不足，提供一种适用于温室单株作物的灌溉控制装置，该装置能够用于温室基质栽培单株作物的精确节水灌溉。

本实用新型的目的是这样实现的：

运用计算机技术和Zigbee无线传输技术相配合，通过一系列动态数据处理建立作物根系模型和栽培基质水分运移模型，并判定模型的重叠度，以实现温室基质栽培单株作物的精确节水灌溉，即根据基质水分传感器当前检测基质含水率和设定的含水率下限值比较来判断当前是否需要灌溉，根据温度传感器数据建立基于积温的作物根系分布模型，根据大量试验数据建立栽培基质水分运移模型，根据温度和湿度传感器数据计算理论灌溉量，根据滴箭流量和滴管历时计算每次实际灌溉量，以作物根区和湿润体的体积重叠度、计算的理论灌溉量和实际灌溉量来判断当前是否停止灌溉。

具体地，本实用新型的技术方案如下：

一种适用于温室单株作物的灌溉控制装置，如下所述：

包括控制中心(100)、Zigbee组网模块(200)、检测模块(300)和灌溉模块(400)；

控制中心(100)、Zigbee组网模块(200)、检测模块(300)依次连接；

控制中心(100)、Zigbee组网模块(200)、灌溉模块(400)依次连接；

所述的控制中心(100)包括上位机(110)和供电电源(120)；

上位机(110)与供电电源(120)电连接。

供电电源(120)分别为基质水分传感器(310)、空气温度传感器(320)、光照传感器(330)、空气湿度传感器(340)和电磁阀(410)提供电源，上位机(110)和网关(210)可直接连接220V交流电。上位机(110)接收检测模块(300)信息，并进行数据分析和存储，根据预设的灌溉方法决定是否打开电磁阀(410)进行灌溉。

所述的Zigbee组网模块(200)包括网关(210)、ZigBee数据采集模块(220)、ZigBee控制模块(230)；

网关(210)分别与ZigBee数据采集模块(220)、ZigBee控制模块(230)连接。

连接上位机(110)和网关(210)后，打开IE浏览器，输入网关IP，登陆网关(210)界面，校正网关(210)系统时间，然后ZigBee数据采集模块(220)和ZigBee控制模块(230)上电，在网关(210)界面的网络配置中点击入网，进入节点映射表，进行设定ZigBee数据采集模块(220)和ZigBee控制模块(230)的设备地址、设备名称和掉线时间。网关(210)需要检测网络中检测模块(300)的状态，包括是否在线，数据上传间隔等。

所述的检测模块(300)包括基质水分传感器(310)、空气温度传感器(320)、光照传感器(330)、空气湿度传感器(340)；

基质水分传感器(310)、空气温度传感器(320)、光照传感器(330)、空气湿度传感器(340)分别与ZigBee数据采集模块(220)连接，ZigBee数据采集模块(220)以设定的采集间隔采集信息，通过局域网发送至网关(210)并上传至上位机(110)。

所述的灌溉模块(400)包括电磁阀(410)、滴箭(420)、管道(430)和水泵(440)；

电磁阀(410)、水泵(440)与ZigBee控制模块(230)连接；电磁阀(410)安装在管道(430)上与水泵(440)连通。

上位机(110)通过网关(210)下传开始灌溉命令至ZigBee控制模块(230)时，先打开电磁阀(410)，后打开水泵(440)，通过滴箭(420)进行灌溉；下传停止灌溉命令至ZigBee控制模块(230)时，先关闭水泵(440)，后关闭电磁阀(410)。

所述装置中的系统上电后具有自动组网功能，与控制中心(100)连接的外部网络为无线局域网。即，控制中心(100)通过网关组成无线局域网。

本实用新型装置的应用方法包括下列步骤：

①选定栽培基质种类，确定各种基质的体积比；

②采用无量纲分析法，利用不同滴灌流量、不同供水时间和滴箭不同埋深情况下湿润体表层水平入渗距离和垂直入渗距离建立湿润体特征模型，并在此基础上建立湿润体剖面模型和湿润体体积模型；

③采用数值模拟法，利用在最佳生长条件下，作物不同生长期的根深及对应的根系半径建立作物根区剖面模型和作物根区体积模型；

④根据基质水分传感器当前检测基质含水率与设定含水率下限值比较，判断是否需要灌溉，根据作物根区和湿润体的体积重叠度和计算出的理论灌溉量、实际灌溉量，系统判断是否停止灌溉；

系统停止灌溉控制方法如下：

控制中心(100)根据检测模块(300)检测数据计算作物根区体积模型，发送灌溉指令到灌溉模块(400)并计时，当达到灌溉时传感器检测间隔整数倍时，计算基质湿润体体积模型，并进行作物根区和湿润体的体积和体积重叠度计算；

根据检测模块(300)检测数据，利用彭曼公式计算作物蒸散量ET₀，根据作物系数K_c、水分修正系数K_Θ和ET₀计算实际蒸散量(即理论灌溉量)ET，根据设定的灌溉流量和灌溉历时计算实际灌溉量，若理论灌溉量和实际灌溉相等，但作物根系与湿润体的体积重叠度不满足要求，说明尽管理论上灌溉量满足要求，但灌溉水未在整个根区分布，需要继续灌溉，直至重叠度满足要求时停止灌溉，记录剩余灌溉量(即：理论灌溉量-实际灌溉量)；若实际灌溉量＜理论灌溉量，但作物根系与湿润体的体积重叠度满足要求，说明灌溉水在作物根区分布较好，停止灌溉并记录剩余灌溉量(即：理论灌溉量-实际灌溉量)；计算一天的累计剩余灌溉量(即：一天发生灌溉次数的剩余灌溉量之和)，若累计剩余灌溉量为负数，则系统正常运行；若累计剩余灌溉量为正数，则将累计剩余灌溉量在第二天日出前1小时进行灌溉，充分利用日出前的最佳灌溉时间；

本实用新型的系统软件控制总流程(见图3)如下所述：

①开始；

②系统初始化；

③建立局域网；

④允许Zigbee组网模块、检测模块和灌溉模块加入网络；

⑤检测模块采集信息；

⑥采集信息上传控制中心；

⑦控制中心分析、处理上传的信息；

⑧控制中心判断是否进行灌溉；

⑨控制中心下传控制命令至灌溉模块；

⑩灌溉模块执行控制命令；

本实用新型的主要优点如下：

(1)综合考虑作物蒸散量、作物根系生长和栽培基质(体积比，醋糟：蛭石：珍珠岩＝2:1:1)的水分运移情况，比常规灌溉操作更好的实现节水。

(2)依据作物根区和栽培基质(体积比，醋糟：蛭石：珍珠岩＝2:1:1)湿润体体积的重叠情况，以及通过彭曼公式计算得到的实际蒸散量决策是否进行灌溉，提高温室基质栽培单株作物水分预报的动态性、实时性。

试验证明本实用新型的设计合理可行、操作简便，效果明显，可应用到单株作物或其他农作物的灌溉控制中，具有良好的应用推广前景。

附图说明

图1：本实用新型的系统结构方框图。

图2：本实用新型的系统控制原理图。

图3：本实用新型的系统软件流程图。

附图标记说明：

100—控制中心

110—上位机，120—供电电源；

200—Zigbee组网模块

210—网关，220—ZigBee数据采集模块，230—ZigBee控制模块；

300—检测模块

310—基质水分传感器，320—空气温度传感器，330—光照传感器，340—空气湿度传感器；

400—灌溉模块

410—电磁阀，420—滴箭，430—管道，440—水泵。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本实用新型的具体实施方式作进一步描述。以下实施例用于说明本实用新型，但不用来限制本实用新型的范围。

实施例1

由图1所示，申请人设计了一种适用于温室单株作物的灌溉控制装置，其包括控制中心(100)、Zigbee组网模块(200)、检测模块(300)和灌溉模块(400)；

控制中心(100)、Zigbee组网模块(200)、检测模块(300)依次连接；

控制中心(100)、Zigbee组网模块(200)、灌溉模块(400)依次连接；

所述的控制中心(100)包括上位机(110)、供电电源(120)；

上位机(110)与供电电源(120)电连接。

供电电源(120)分别为基质水分传感器(310)、空气温度传感器(320)、光照传感器(330)、空气湿度传感器(340)和电磁阀(410)提供电源，上位机(110)和网关(210)可直接连接220V交流电。上位机(110)接收检测模块(300)信息，并进行数据分析和存储，根据预设的灌溉系统自动发出指令决定是否打开电磁阀(410)进行灌溉。

所述的Zigbee组网模块(200)包括网关(210)、ZigBee数据采集模块(220)、ZigBee控制模块(230)。

网关(210)分别与ZigBee数据采集模块(220)、ZigBee控制模块(230)连接。

连接上位机(110)和网关(210)后，打开IE浏览器，输入网关IP，登陆网关(210)界面，校正网关(210)系统时间，然后ZigBee数据采集模块(220)和ZigBee控制模块(230)上电，在网关(210)界面的网络配置中点击入网，进入节点映射表，进行设定ZigBee数据采集模块(220)和ZigBee控制模块(230)的设备地址、设备名称和掉线时间。网关(210)需要检测网络中检测模块(300)的状态，包括是否在线，数据上传间隔等。

所述的检测模块(300)包括基质水分传感器(310)、空气温度传感器(320)、光照传感器(330)、空气湿度传感器(340)；

基质水分传感器(310)、空气温度传感器(320)、光照传感器(330)、空气湿度传感器(340)分别与ZigBee数据采集模块(220)连接，ZigBee数据采集模块(220)以设定的采集间隔采集信息，通过局域网发送至网关(210)并上传至上位机(110)。

所述的灌溉模块(400)包括电磁阀(410)、滴箭(420)、管道(430)和水泵(440)；

电磁阀(410)和水泵(440)与ZigBee控制模块(230)连接，电磁阀(410)安装在管道(430)上，上位机(110)通过网关(210)下传开始灌溉命令至ZigBee控制模块(230)时，先打开电磁阀(410)，后打开水泵(440)，通过滴箭(420)进行灌溉；下传停止灌溉命令至ZigBee控制模块(230)时，先关闭水泵(440)，后关闭电磁阀(410)。

本装置的工作系统上电后具有自动组网功能，即控制中心(100)通过网关组成无线局域网。

本实施例的系统软件流程图参见图3，系统控制原理图参见图2。

本实施例中的Zigbee组网模块(200)采用北京昆仑海岸传感器有限公司生产的KL-H1100无线数据网关、无线数据采集模块的型号为JZH-3系列、无线模块为JZH-2系列；检测模块(300)采用美国Decagon公司生产的5TE水分检测传感器、EHT温度传感器和湿度传感器和PYR光照传感器。

在本实施例中申请人所提供的设备的选型只是说明本实用新型的实施例，但是对于本实用新型的实施不限于此。

实施例2

申请人利用实施例1所述系统建立了一种基于温室单株作物的灌溉控制装置的灌溉控制的方法，本实用新型方法的具体步骤如下：

①选定栽培基质种类，确定各种基质的体积比；

所选的基质是醋糟、蛭石和珍珠岩，体积比为2:1:1。

②采用无量纲分析法，利用不同滴灌流量、不同供水时间和滴箭不同埋深情况下湿润体表层水平入渗距离和垂直入渗距离建立湿润体特征模型，并在此基础上建立湿润体剖面模型和湿润体体积模型；

计算公式如下所示：

$W=A_1{\left(qt\right)}^{n_1}{\left(\frac{Ks\mathrm{\θ}}{qz}\right)}^{(n_1-\frac{1}{3})}---\left(1\right)$

式中：W：湿润体表层水平入渗距离，单位：cm；Ks：饱和导水率，单位：cm/s；θ：初始含水率，单位：cm³·cm^-3；q：滴灌流量，单位：L/h；Z：滴箭埋入基质深度，单位：cm；t：滴灌时间，单位：min；A₁、n₁：待拟合参数；

湿润体垂直入渗距离模型为：

$D=A_2{\left(qt\right)}^{n_2}{\left(\frac{Ks\mathrm{\θ}}{qz}\right)}^{(n_2-\frac{1}{3})}---\left(2\right)$

式中：D：湿润体垂直入渗距离，单位：cm；A₂、n₂：待拟合参数；

湿润体剖面模型为：

y＝ax²+b(3)

式中：y：滴灌点到湿润体垂直入渗距离，单位：cm；a、b：方程系数；

湿润体体积模型为：

$V_S=\underset{0}{\overset{D}{\∫}}{\mathrm{\πx}}^{2}dy---\left(4\right)$

式中：Vs：湿润体体积，单位：cm³；

③采用数值模拟法，利用在最佳生长条件下，作物不同生长期的根深及对应的根系半径建立作物根区剖面模型和作物根区体积模型；

计算公式如下所示：

作物根区剖面模型为：

R＝Cz³+Dz²+Ez+F(5)

式中：R：根区剖面边界线任意点到主根的距离，单位：cm；不z：R对应的根深，单位：cm；:C，D，E，F：与有效积温有关的参量，可表示为：

C＝C₁DD³+C₂DD²+C₃DD+C₄

D＝D₁DD³+D₂DD²+D₃DD+D₄

(6)

E＝E₁DD³+E₂DD²+E₃DD+E₄

F＝F₁DD³+F₂DD²+F₃DD+F₄

式中：C₁、C₂、C₃、C₄,D₁、D₂、D₃、D₄,E₁、E₂、E₃、E₄,F₁、F₂、F₃、F₄：待拟合参数；其中，DD为有效积温，其计算方程为：

$DD=\&Sigma;T=\left\{\begin{array}{c}0;T_b\&GreaterEqual;T_a\\ T_a-T_b;T_b\&le;T_a<T_m\\ T_m-T_b;T_a\&GreaterEqual;T_m\end{array}\right\}---\left(7\right)$

式中：T_a：日平均温度，单位：℃；T_b：作物发育下限温度，单位：℃；T_m：作物发育上限温度，单位：℃；

作物根区剖面体积模型为：

$V_R=\underset{0}{\overset{Z_{max}}{\&Integral;}}{\mathrm{\&pi;R}}^{2}dz---\left(8\right)$

式中：V_R：作物根区体积，单位：cm³；Z_max：作物根系最大深度，单位：cm；可表示为：

Z_max＝z₀+gDD(9)

式中：z₀：作物定植时根深，单位：cm；g:待拟合参数；DD为有效积温，单位：℃；

④根据基质水分传感器当前检测基质含水率与设定含水率下限值比较，判断是否需要灌溉，根据作物根区和湿润体的体积重叠度和计算的理论灌溉量、实际灌溉量判断是否停止灌溉；

系统停止灌溉控制方法如下：

控制中心(100)根据检测模块(300)检测数据计算作物根区体积模型，发送灌溉指令到灌溉模块(400)并计时，当达到灌溉时传感器检测间隔整数倍时，计算基质湿润体体积模型，并进行作物根区和湿润体的体积和体积重叠度计算；

根据检测模块(300)检测数据，利用彭曼公式计算作物蒸散量ET₀，根据作物系数K_c、水分修正系数K_Θ和ET₀计算实际蒸散量(即理论灌溉量)ET，根据设定的灌溉流量和灌溉历时计算实际灌溉量，若理论灌溉量和实际灌溉相等，但作物根系与湿润体的体积重叠度不满足要求，说明尽管理论上灌溉量满足要求，但灌溉水未在整个根区分布，需要继续灌溉，直至重叠度满足要求时停止灌溉，记录剩余灌溉量(即：理论灌溉量-实际灌溉量)；若实际灌溉量＜理论灌溉量，但作物根系与湿润体的体积重叠度满足要求，说明灌溉水在作物根区分布较好，停止灌溉并记录剩余灌溉量(即：理论灌溉量-实际灌溉量)；计算一天的累计剩余灌溉量(即：一天发生灌溉次数的剩余灌溉量之和)，若累计剩余灌溉量为负数，则系统正常运行；若累计剩余灌溉量为正数，则将累计剩余灌溉量在第二天日出前1小时进行灌溉，充分利用日出前的最佳灌溉时间；

计算公式如下所示：

体积重叠度可表示为：

$overlap(root,wetting-body)=\frac{\begin{array}{cc}overlap& \mathrm{\&alpha;}(root,wetting-body)\end{array}}{V_R}\&times;100\%---\left(10\right)$

式中：overlap(root,wetting-body)：根系与湿润体的重叠度，单位：％；overlapa(root,wetting-body)：根系与湿润体的重叠体积，单位：cm³；V_R：根系体积，单位：cm³；

根系与湿润体的重叠体积即：以基质表面为基础平面，以作物根系基部为坐标原点，作物根系体积与湿润体体积相交，形成的重叠部分。重叠部分为公式(4)和(8)按公式(3)和(5)计算得到的交点坐标，分段计算的回转体积加和的最小值。即：

$\begin{array}{cc}overlap& \mathrm{\&alpha;}(root,wetting-body)=\min \underset{k=1}{\overset{m}{\&Sigma;}}(V_1+V_2+...+V_{k+1})\end{array}---\left(11\right)$

式中：m：根系和湿润体剖面交点个数，单位：个；V_k：分段回转体积，单位：cm³，k＝1,2,…m；

分段回转体积V_k分根系的回转体积V_Rk和湿润体的回转体积V_Sk，分别表示为：

$V_{Rk}=\underset{m_{k-1}}{\overset{m_k}{\&Integral;}}{\mathrm{\&pi;R}}^{2}dz---\left(12\right)$

式中：m_k：根系与湿润体剖面模型交点纵坐标，可由公式(3)和(5)联立方程组求得，m₀＝0，m₁…m_k＝Z_max；

$V_{Sk}=\underset{m_{k-1}}{\overset{m_k}{\&Integral;}}{\mathrm{\&pi;x}}^{2}dy---\left(13\right)$

式中：m_k：根系与湿润体剖面模型交点纵坐标，可由公式(3)和(5)联立方程组求得，m₀＝0，m₁…m_k＝D；

若计算后没有交点，则重叠体积可表示为：

overlapα(root,wetting-body)＝V_S

(14)

或overlapα(root,wetting-body)＝V_R

(15)

取公式(10)的计算结果小于1时的重叠体积。

(2)实际蒸散量(即理论灌溉量)可表示为：

ET＝K_c*K_q*ET₀(16)

其中：

$K_{\mathrm{\&theta;}}=ln\{\frac{\mathrm{\&theta;}-{\mathrm{\&theta;}}_{wp}}{{\mathrm{\&theta;}}_c-{\mathrm{\&theta;}}_{wp}}+1\}/\ln 101---\left(17\right)$

${\mathrm{ET}}_0=\frac{0.408\mathrm{\&Delta;}(R_n-G)+r\frac{1713}{T+273}(e_s-e_a)}{\mathrm{\&Delta;}+1.64r}---\left(18\right)$

式中：K_Θ:水分修正系数；θ_c:田间持水量，单位：cm³cm^-3；θ_wp:凋萎系数含水量，单位：cm³cm^-3；θ:传感器检测含水量，单位：cm³cm^-3；ET₀：参考作物单位时间蒸腾量，单位：mm；T：单位时间平均温度，单位：℃；R_n：单位时间净辐射量，单位：MJm^-2；G：单位时间热通量，单位：MJm^-2；e_s:饱和水汽压，单位：KPa；e_a:实际水汽压，单位：KPa；△：饱和水汽压与温度曲线斜率，单位：KPa℃^-1；r:干湿表常数，单位：KPa℃^-1；其中：

$e_s=0.6107\exp \frac{17.4T}{239+T}---\left(19\right)$

$\mathrm{\&Delta;}=4158.6e_s\frac{T}{{(T+239)}^2}---\left(20\right)$

$e_a=es\&times;\frac{RH}{100}=0.6107\exp \frac{17.4T}{239+T}---\left(21\right)$

r＝0.6455+0.00064T(22)

R_n＝2.441L-9.229(23)

G＝0.1R_n白天(24)

G＝0.5R_n夜晚(25)

式中RH：空气相对湿度，单位：％，可由湿度传感器测定；L：单位时间光照度，单位：klux；

实施例3本实用新型应用举例(以温室内自动灌溉基质栽培生菜为例)

本系统选用visualstudio作为上位机界面程序开发工具，采用.net下的c#语言编程，采用sqlserver作为后台数据库。

(1)试验材料

选用基质为复配基质(醋糟：蛭石：珍珠岩按体积比＝2:1:1)，选用作物为生菜。

(2)系统控制模型

所选复配基质(醋糟：蛭石：珍珠岩体积比＝2:1:1)饱和导水率K_S＝0.047cm/s,设置滴箭滴头流量q＝0.15L/h、q＝0.35L/h、q＝0.5L/h；设置复配基质初始含水率θ＝0.18cm³·cm^-3、θ＝0.23cm³·cm^-3、θ＝0.29cm³·cm^-3；设置灌溉时间t＝5min、t＝10min、t＝20min、t＝30min、t＝40min、t＝50min和t＝60min；设置滴箭埋设深度z＝3cm；利用不同滴头流量、不同基质初始含水率和不同滴灌历时条件下试验数据进行拟合，得到参数A₁、A₂和n₁、n₂分别为0.615、2.889和0.495、0.279，则复配基质(醋糟：蛭石：珍珠岩体积比＝2:1:1)湿润体表层水平入渗距离模型为：

$W=0.615{\left(qt\right)}^{0.495}{\left(\frac{0.047\mathrm{\&theta;}}{3q}\right)}^{0.162}---\left(26\right)$

式中：W：湿润体表层水平入渗距离，单位：cm；θ：初始含水率，单位：cm³·cm^-3；q：滴灌流量，单位：L/h；t：滴灌时间，min；

湿润体垂直入渗距离模型为：

$D=2.889{\left(qt\right)}^{0.279}{\left(\frac{0.047\mathrm{\&theta;}}{3q}\right)}^{-0.054}---\left(27\right)$

式中：D：湿润体垂直入渗距离；

湿润体剖面模型为：

$y=-7.64{\left(qt\right)}^{-0.711}{\left(\frac{0.047\mathrm{\&theta;}}{3q}\right)}^{-0.378}---\left(28\right)$

式中：y：滴灌点到湿润体垂直入渗距离，单位：cm；a、b：方程系数；

湿润体体积模型为：

$V_S=\underset{0}{\overset{D}{\&Integral;}}{\mathrm{\&pi;x}}^{2}dy---\left(29\right)$

(2)利用数值模拟法对复配基质(体积比，醋糟：蛭石：珍珠岩＝2:1:1)栽培生菜不同生长期的根深及对应的根系半径建立作物根区剖面模型和体积模型。作物根区剖面模型为：

R＝Cz³+Dz²+Ez+F(30)

式中：R：根区剖面边界线任意点到主根的距离，单位：cm；不z：R对应的根深，单位：cm；:C，D，E，F：与有效积温有关的参量，可利用每次取生菜根系样本时的C，D，E，F与累计有效积温进行数据拟合获得，表示为：

C＝5.036×10^-10DD³-5.656×10^-7DD²+4.244×10^-5DD+7.599×10^-2

D＝-1.126×10^-8DD³+1.483×10^-5DD²-4.484×10^-3DD-0.503

E＝4.686×10^-8DD³-7.259×10^-5DD²+2.975×10^-2DD-0.359

F＝-2.673×10^-8DD³+3.577×10^-5DD²-9.952×10^-3DD-0.459(31)

式中：DD为有效积温，其计算方程为：

$DD=\&Sigma;T=\left\{\begin{array}{c}0;T_b\&GreaterEqual;T_a\\ T_a-T_b;T_b\&le;T_a<T_m\\ T_m-T_b;T_a\&GreaterEqual;T_m\end{array}\right\}---\left(32\right)$

式中：T_a：日平均温度，单位：℃；T_b：作物发育下限温度，单位：℃；T_m：作物发育上限温度，单位：℃；

作物根区体积模型为：

$V_R=\underset{0}{\overset{Z_{max}}{\&Integral;}}{\mathrm{\&pi;R}}^{2}dz---\left(33\right)$

式中：V_R：作物根区体积，单位：cm³；Z_max：作物根系最大深度，单位：cm；可表示为：

Z_max＝3+0.014DD(34)

体积重叠度可表为：

$overlap(root,wetting-body)=\frac{\begin{array}{cc}overlap& \mathrm{\&alpha;}(root,wetting-body)\end{array}}{V_R}\&times;100\%---\left(35\right)$

式中：overlap(root,wetting-body)：根系与湿润体的重叠度，单位：％；overlapa(root,wetting-body)：根系与湿润体的重叠体积，单位：cm³；V_R：根系体积，单位：cm³；

根系与湿润体的重叠体积即：以基质表面为基础平面，以作物根系基部为坐标原点，作物根系体积与湿润体体积相交，形成的重叠部分。重叠部分为公式(29)和(33)按公式(28)和(30)计算得到的交点坐标，分段计算的回转体积加和的最小值。即：

$\begin{array}{cc}overlap& \mathrm{\&alpha;}(root,wetting-body)=\min \underset{k=1}{\overset{m}{\&Sigma;}}(V_1+V_2+...+V_{k+1})\end{array}---\left(36\right)$

式中：m：根系和湿润体剖面交点个数，单位：个；V_k：分段回转体积，单位：cm³，k＝1,2,…m；

分段回转体积V_k由根系的回转体积V_Rk和湿润体的回转体积V_Sk组成，分别表示为：

$V_{Rk}=\underset{m_{k-1}}{\overset{m_k}{\&Integral;}}{\mathrm{\&pi;R}}^{2}dz---\left(37\right)$

式中：m_k：根系与湿润体剖面模型交点纵坐标，可由公式(3)和(5)联立方程组求得，m₀＝0，m₁…m_k＝Z_max；

$V_{Sk}=\underset{m_{k-1}}{\overset{m_k}{\&Integral;}}{\mathrm{\&pi;x}}^{2}dy---\left(38\right)$

式中：m_k：根系与湿润体剖面模型交点纵坐标，可由公式(3)和(5)联立方程组求得，m₀＝0，m₁…m_k＝D；

若计算后没有交点，则重叠体积可表示为：

overlapα(root,wetting-body)＝V_S

(39)

或overlapα(root,wetting-body)＝V_R

(40)

取公式(35)的计算结果小于1时的重叠体积。

实际蒸散量(即理论灌溉量)可表示为：

ET＝K_c*K_θ*ET₀(41)

其中：

$K_{\mathrm{\&theta;}}=\ln \{\frac{\mathrm{\&theta;}-{\mathrm{\&theta;}}_{wp}}{{\mathrm{\&theta;}}_c-{\mathrm{\&theta;}}_{wp}}+1\}/\ln 101---\left(42\right)$

${\mathrm{ET}}_0=\frac{0.408\mathrm{\&Delta;}(R_n-G)+r\frac{1713}{T+273}(e_s-e_a)}{\mathrm{\&Delta;}+1.64r}---\left(43\right)$

式中：K_Θ:水分修正系数；θ_c:田间持水量，单位：cm³cm^-3；θ_wp:凋萎系数含水量，单位：cm³cm^-3；θ:传感器检测含水量，单位：cm³cm^-3；ET₀：参考作物单位时间蒸腾量，单位：mm；T：单位时间平均温度，单位：℃；R_n：单位时间净辐射量，单位：MJm^-2；G：单位时间热通量，单位：MJm^-2；e_s:饱和水汽压，单位：KPa；e_a:实际水汽压，单位：KPa；△：饱和水汽压与温度曲线斜率，单位：KPa℃^-1；r:干湿表常数，单位：KPa℃^-1；其中：

$e_s=0.6107\exp \frac{17.4T}{239+T}---\left(44\right)$

$\mathrm{\&Delta;}=4158.6e_s\frac{T}{{(T+239)}^2}---\left(45\right)$

$e_a=es\&times;\frac{RH}{100}=0.6107\exp \frac{17.4T}{239+T}---\left(46\right)$

r＝0.6455+0.00064T(47)

R_n＝2.441L-9.229(48)

G＝0.1R_n白天(49)

G＝0.5R_n夜晚(50)

式中RH：空气相对湿度，单位：％，可由湿度传感器测定；L：单位时间光照度，单位：klux；

(3)系统控制方案

通过上位机选择栽培基质为复配基质(醋糟：蛭石：珍珠岩体积比＝2:1:1)，栽培作物为生菜，设定生菜发育上限温度T_m＝40℃,发育下限温度T_b＝5℃,定植时生菜根深z₀＝3cm，设定生菜作物系数K_C＝0.8～1，设定灌溉开始和结束时复配基质(醋糟：蛭石：珍珠岩体积比＝2:1:1)的体积含水率分别为16％和35％，设定基质田间持水量θ_c＝25％,设定生菜凋萎系数含水率θ_wp＝10.4％,滴灌流量q＝0.35L/h，不灌溉时每1小时采集一次基质含水率和温度、空气温度和湿度、光照强度，灌溉时每2分钟采集一次，并将滴灌时间保存在数据存储器中。上位机将5TE传感器采集的基质初始含水率(θ)以及设置的滴灌流量(q)和数据存储器中的滴灌时间(t)代入公式(26)、(27)、(28)和(29)得到复配基质(醋糟：蛭石：珍珠岩体积比＝2:1:1)的湿润体模型，利用温度传感器检测的温度通过公式(32)计算有效积温DD，并代入公式(31)，计算公式(30)中的参数，代入公式(30)、(33)和公式(34)得到基质栽培生菜的根系模型和生菜最大根深模型。将公式(37)代入(38)求得的分段回转体积带入公式(36)，得到生菜根系与基质湿润体的重叠体积，并按公式(35)计算体积重叠度，同时将光照传感器检测的光照强度、温湿度传感器检测的温湿度代入公式(44)至公式(50)，再将计算得到的参数代入公式(43)计算生菜蒸散量ET₀，将生菜蒸散量ET₀和公式(42)计算得到的水分修正系数K_Θ带入公式(41)，计算实际蒸散量(即：理论灌溉量)。当5TE基质水分传感器检测的复配基质(醋糟：蛭石：珍珠岩体积比＝2:1:1)湿润体含水量低于16％时，上位机通过网关向ZigBee控制模块和电磁阀发送指令，开始灌溉；当生菜根系与基质湿润体体积重叠度大于90％时，上位机向控制模块发送指令，电磁阀关闭，停止灌溉，并记录剩余灌溉量(即：理论灌溉量-实际灌溉量的量)；若实际灌溉量＜理论灌溉量，但作物根系与湿润体的体积重叠度满足要求，说明灌溉水在作物根区分布较好，停止灌溉并记录剩余灌溉量(即：理论灌溉量-实际灌溉量的量)；计算一天的累计剩余灌溉量(即：一天发生灌溉次数的剩余灌溉量之和)，若累计剩余灌溉量为负数，则系统正常运行；若累计剩余灌溉量为正数，则将累计剩余灌溉量在第二天日出前1小时进行灌溉量，充分利用日出前的最佳灌溉时间。

本实用新型研发的一种适用于温室单株作物的灌溉控制系统及方法，整套灌溉系统结构简单、低功耗、成本低、时延短、网络容量大和安全可靠、适应性强。本实用新型将ZigBee技术与基质水分传感器、光照传感器和温湿度传感器及温室基质栽培单株作物根系动态生长模型和基质湿润体动态变化模型结合，进行温室基质栽培单株作物的节水灌溉控制，实现基质湿润体与作物根系的相互匹配，在不影响作物产量和品质的前提下，提高温室基质栽培单株作物水分预报的动态性、实时性，达到真正的节水灌溉，对实现节水型温室基质栽培单株作物具有重要现实意义。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明而非限制本实实用新型技术方案，尽管参照上述实施例对本实用新型进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本实用新型进行修改或者等同替换，而不脱离本实用新型的精神和范围的任何修改或局部替换，其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。

Claims (1)

1.一种适用于温室单株作物的灌溉控制装置,其特征在于：

包括控制中心(100)、Zigbee组网模块(200)、检测模块(300)和灌溉模块(400)；

控制中心(100)、Zigbee组网模块(200)、检测模块(300)依次连接；

控制中心(100)、Zigbee组网模块(200)、灌溉模块(400)依次连接；

所述的控制中心(100)包括相互连接的上位机(110)和供电电源(120)；

所述的Zigbee组网模块(200)包括网关(210)、ZigBee数据采集模块(220)、ZigBee控制模块(230)；

网关(210)分别与ZigBee数据采集模块(220)、ZigBee控制模块(230)连接；

所述的检测模块(300)包括基质水分传感器(310)、空气温度传感器(320)、光照传感器(330)、空气湿度传感器(340)；

基质水分传感器(310)、空气温度传感器(320)、光照传感器(330)、空气湿度传感器(340)分别与ZigBee数据采集模块(220)连接；

所述的灌溉模块(400)包括电磁阀(410)、滴箭(420)、管道(430)和水泵(440)；

电磁阀(410)、水泵(440)与ZigBee控制模块(230)连接；电磁阀(410)安装在管道(430)上与水泵(440)连通；

控制中心(100)通过网关组成无线局域网；

所述的ZigBee控制模块(230)选用现有的控制器。