专利名称：基于作物蒸散量模型的智能化滴灌控制系统及其方法
技术领域：
本发明涉及一种作物灌溉系统其灌溉方法，尤其涉及一种由作物蒸散量模型计算作物灌溉量的智能化滴灌控制系统及其方法，属于农业科技领域。
背景技术：
现有的滴灌控制系统中，用于灌溉决策的定量指标有主要3种①根据农田土壤水分状况确定灌溉时间和水量，考虑的因素包括不同作物适宜水分上下限、土壤水量平衡方程及参数选择等。此法较为准确，但这种方法受到设备和劳动力以及经费的限制；②根据作物对水分亏缺的生理反应信息确定是否需要灌溉，指标包括作物冠层温度相对环境温度的变化、茎叶水势等，这种方法只能从作物表面进行一个定性的判断；③根据作物生长的小环境气象因素的变化确定灌溉的时间和作物的需水量，通过气象因素确定作物的蒸腾蒸发量来进行灌溉决策。此法根据各地区实际的气象观测资料和作物生长情况，计算农作物的蒸散量，进行农田灌溉管理具有现实意义。作物需水量(Crop water requirement)系指作物在适宜的土壤水分和肥力水平下，经过正常生长发育，获得高产时的植株蒸腾、棵间蒸发以及构成植株体的水量之和。实际计算中认为作物需水量在数量上就等于高产水平条件下的植株蒸腾量(Transpiration) 与棵间蒸发量(Evaporation)之和。植株蒸腾量与棵间蒸发量之和称为蒸发蒸腾量 (Evapotranspiration)，也称为蒸散量。蒸散量的测定可分为直接测定与间接测定方法，通常包括涡度相关方法和大型蒸渗仪等。涡度相关方法是一种直接测定技术，所以不能解释蒸发蒸腾量的物理过程和影响机制，而且仪器制造复杂、成本昂贵、维护困难、技术复杂。另夕卜，还会因超声脉动仪探头及其支架对气流的扰动引起严重的观测误差，大大限制了其应用。因此涡度相关法还不能作为蒸发蒸腾量的常规计算方法。蒸渗仪是指装有土壤和植被的容器，通过将蒸渗仪埋设在自然的土壤中，并对其土壤水分进行调控，可以有效地模拟实际的蒸发蒸腾过程，再通过对蒸渗仪的称量，就可以得到蒸发蒸腾量。它是根据水量平衡原理设计的一种用来测量农田水文循环各主要成分的专门仪器。但其成本高，装土困难，需定期仔细维护。总体上来说在我国，虽然有多种灌溉控制器，但多数规模较小，局限于实验和理论的探讨，而且开发出来的产品价格昂贵，农民尽管知道能节能、节水、增产，但由于一次性投资太大，多数农民承受不起，根本无法普及应用。所以开发出一套有较强实用性的灌溉装置是非常必要的。
发明内容
本发明的目的是针对现有的灌溉控制器所存在的规模小、局限于实验和理论的探讨，而且开发出来的产品价格昂贵，一次性投资太大，多数农民承受不起的问题，提出一种基于作物蒸散量模型的智能化滴灌控制系统及其方法，以减少水资源的浪费。为替代价格昂贵的土壤水分传感器，该滴灌系统由温度、湿度及光辐射传感器结合灌溉量控制模型计算出作物的灌溉量。本 发明的技术方案是—种基于作物蒸散量模型的智能化滴灌控制系统，该滴灌系统位于温室内，它包括数据采集模块、与数据采集模块相连的多个A/D转换模块、控制器、D/A转换模块、驱动电路和执行机构，所述的数据采集模块用于采集相应的输入信号，数据采集模块的信号输出端与对应的A/D转换模块的信号输入端相连，A/D转换模块的信号输出端与控制器的信号输入端相连，控制器控制与其相连的输出驱动电路，通过驱动电路操作执行机构进行灌溉。本发明的执行机构包括抽水机、电磁阀、水泵和多个滴头，所述的抽水机通过水泵抽水，水泵的出水口通过多个滴灌管道流入相应的滴管带，各滴管管道上均装有与作物相应个数的多个滴头，电磁阀安装在水泵的出水口，电磁阀的开闭由控制器控制。本发明的抽水机和水泵之间设有Y型过滤器，水泵与电磁阀连通的管道中设有流量计，各滴管带的滴管管道上均设有一田间控制阀。本发明的数据采集模块包括用于采集作物的冠层和温室顶层温度信号的两温度传感器、用于采集作物的冠层和温室顶层湿度信号的两湿度传感器和用于采集滴灌系统光信号光辐射传感器；各传感器分别将被测对象的温度、湿度和光辐射信号转换成电压信号， 各电压信号通过各自对应的A/D转换模块转换为数字信号后送入控制器中。本发明智能化滴灌控制系统的各模块均由太阳能电池板供电，该系统还包括与控制器相连的LCD显示器，所述的控制器通过串行总线与上位机进行通信，将采集到的数据进行保存分析处理。一种基于作物蒸散量模型的智能化滴灌控制方法，它包括以下步骤首先、数据采集模块采集作物的温度t、湿度U和光辐射信号Rn，经过相应的多个 A/D转换模块后送入控制器中；其次、控制器计算出单株作物的灌溉量，乘以与作物相应个数的滴头得到总灌溉量，根据水泵的出水流速得出灌溉的时间；最后、控制器通过驱动电路操作执行机构进行灌溉。本发明的单株作物的灌溉量即作物蒸腾和土壤散失的水分按照式I计算
R -G
_5]式 I:ET=I^其中，ET为蒸散量，mm/d ；Rn为净辐射通量，ff/m2 ；G为土壤热通量，ff/m2 ； λ为水的汽化潜热，2. 45MJ/kg。本发明的波文比β按照式II计算
n At式=其中为Y干湿表常数，0.0646kPa/°C;At和Δ ea分别为作物的冠层、温室顶层两个高度的气温差和水汽压差。其中水汽压ea根据马格努斯半经验公式按照式III计算式III :es = 6. Iexp (17. 27t/(237. 3+t))ea = UesVea = eal-ea2 = Uiesl-U2es2其中U” U2分别为作物的冠层和温室顶层的湿度，％ ；eal、ea2分别为作物的冠层和温室顶层实际水汽压，kPa ；esl、es2分别为作物的冠层或温室顶层饱和水汽压，kPa ；t为作物的冠层或温室顶层的气温，°C。本发明的土壤热通量G按照式IV计算式IV :白天G = 0. IRn夜晚G= 0. 5Rn。 本发明的有益效果本发明采取补给式灌溉控制方法，即作物缺多少水就补多少水，这个灌溉量便是根据存储的光辐射、温度、湿度值，利用蒸散量灌溉控制模型计算得到的，取代了传统的土壤水分传感器检测土壤湿度这种方法。本发明采用了波文比-能量平衡法作为计算作物蒸散量的方法，制定出了一种作物蒸散量灌溉模型，利用传感器检测、计算得到Rn，ΔΤ和Ae后，就能够计算出作物参考作物蒸发蒸腾量(ETtl),进而设计控制程序进行自动灌溉。波文比-能量平衡法素以物理概念明确、计算方法简单而著称，且对大气层没有特别的要求和限制。本发明利用了清洁能源太阳能供电，极大的提高了无电、缺水地区的作物灌溉的经济性和可行性。利用本发明在实验过程中测出具体的温度、湿度和光辐射值计算出作物的灌溉量，也记录保存所有采集到的数据供用户查阅，以提供给用户找出各种作物的最佳灌溉量及其对应的环境参数范围。本发明科学的利用了波文比_能量平衡法作为灌溉模型计算作物蒸散量，间接作为灌溉量给作物进行滴灌，较为精确的补充作物所缺水分。本发明只需用到温度传感器、湿度传感器、光辐射传感器测出温度τ、湿度U、光辐射值Rn，这几种传感器相对于土壤水分传感器价格较为低廉，更适合广泛应用于实际生产中，具有很高的推广价值。本发明应用的波文比能量平衡法是应用比较广泛的估算农田蒸发蒸腾方法，优点是所需实测参数少，计算方法简单，不需要有关蒸发蒸腾面空气动力学特性方面的资料，并可以估算大面积(约1000m2)和小时间尺度(不足lmin)的潜热通量。如果观测资料准确， 则精度较高。
图1是本发明的结构示意图。图2是本发明的原理框图。图3是本发明智能化滴灌控制方法的流程图。其中1、太阳能电池板；2、电池；3、控制器；4、IXD显示器；5、抽水机；6、水源；7、Y型过滤器；8、水泵电机；9、流量计；10、电磁阀；11、上位机；12、串行总线；13、田间控制阀；14、滴灌管道；15、光辐射传感器；16、温度传感器；17、湿度传感器；18、滴头。
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
如图1所示，一种基于作物蒸散量模型的智能化滴灌控制系统，该滴灌系统位于温室内，它包括数据采集模块、与数据采集模块相连的多个A/D转换模块(型号可为 ADC0809)、控制器3(型号可为STC89C52)、D/A转换模块、驱动电路和执行机构，所述的数据采集模块用于采集相应的输入信号，数据采集模块的信号输出端与对应的A/D转换模块的信号输入端相连，A/D转换模块的信号输出端与控制器3的信号输入端相连，控制器3控制与其相连的输出驱动电路，通过驱动电路操作执行机构进行灌溉。图中温度传感器16、湿度传感器17、光辐射传感器15 (型号可为(YS-JH-I))将采集到的温度、湿度、光辐射信号，经A/D转换器转换为数字信号后送入控制器3中；其中温度传感器16和湿度传感器17可以采用温湿度合一的传感器AM2301。转化后的信号输入至控制器3之后由控制器进行处理，写入程序将温度、湿度、光辐射值由LCD显示器4实时显示出来。同时，控制器3根据灌溉量控制模块计算出的灌溉量的值，控制驱动电路接通或断开，从而驱动电磁阀10的开关进行灌溉，整个下位机系统均由太阳能电池板1进行供电。 微处理器通过串行总线12同时与上位机11通讯，将采集到的数据进行保存分析处理等。如图3所示，灌溉量控制模型采用了波文比_能量平衡法作为计算作物蒸散量的方法，首先根据马格努斯半经验公式按照式III计算水汽压Vea 式III :es = 6. Iexp (17. 27t/(237. 3+t))ea = UesVea = eal-ea2 = Uiesl_U2es2其中U1、U2分别为作物的冠层和温室顶层的湿度，％ ；eal、ea2分别为作物的冠层和温室顶层实际水汽压，kPa ；esl、es2分别为作物的冠层或温室顶层饱和水汽压，kPa ；t为作物的冠层或温室顶层的气温，°C。然后按照式II计算波文比(β)
n At 式=其中为Y干湿表常数，0.0646kPa/°C ； At和Δ ea分别为作物的冠层和温室顶层的气温差和水汽压差。接着利用波文比_能量平衡法按照式I计算蒸散量
R -G
_5]式调=麻其中，ET为蒸散量，mm/d ；Rn为净辐射通量，ff/m2 ；G为土壤热通量，ff/m2 ； λ为水的汽化潜热，2. 45MJ/kg。可见，用温度传感器、湿度传感器、光辐射传感器测出温度T、湿度U、光辐射值Rn 后，计算出ΔΤ和Ae，利用波文比-能量平衡法计算出作物参考作物蒸发蒸腾量(ET)，间接相当于用温度T、湿度U、光辐射值Rn算出灌溉量，进而设计控制程序进行自动灌溉。如图1所示，抽水机5将水从水源6中抽出经过滤器7、流量计9、电磁阀10输送至滴灌管道14进入相应的滴管带，电磁阀10根据控制器3的指令关闭和开启管路水流，滴头18将水最终喷洒到指定区域。水泵8与电磁阀10连通的管道中设有流量计9，预先测定好流速，保持恒定，灌溉量模型计算出单个植物的灌溉量之后查出滴头18个数就能得出总灌溉量，除以速度得出灌溉的时间，控制器3设定程序控制电磁阀10的开关时间即可以控制灌溉量。 本发明科学的利用了波文比_能量平衡法作为灌溉模型计算作物蒸散量，间接作为灌溉量给作物进行滴灌，较为精确的补充作物所缺水分。本发明只需用到温度传感器、湿度传感器、光辐射传感器测出温度τ、湿度U、光辐射值Rn，这几种传感器相对于土壤水分传感器价格较为低廉，更适合广泛应用于实际生产中，具有很高的推广价值。同时利用清洁能源太阳能为系统提供电能，极大地提高了无电、缺水地区的农业作物灌溉的经济性及可行性。本发明也记录保存所有采集到的温度湿度光辐射数据供用户查阅，以提供给用户找出各种作物的最佳灌溉量及其对应的环境参数范围。本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。
权利要求
1.一种基于作物蒸散量模型的智能化滴灌控制系统，该滴灌系统位于温室内，其特征是它包括数据采集模块、与数据采集模块相连的多个A/D转换模块、控制器(3)、D/A转换模块、驱动电路和执行机构，所述的数据采集模块用于采集相应的输入信号，数据采集模块的信号输出端与对应的A/D转换模块的信号输入端相连，A/D转换模块的信号输出端与控制器⑶的信号输入端相连，控制器⑶控制与其相连的输出驱动电路，通过驱动电路操作执行机构进行灌溉。
2.根据权利要求1所述的基于作物蒸散量模型的智能化滴灌控制系统，其特征是所述的执行机构包括抽水机(5)、电磁阀(10)、水泵⑶和多个滴头(18)，所述的抽水机(5)通过水泵⑶抽水，水泵⑶的出水口通过多个滴灌管道(14)流入相应的滴管带，各滴管管道(18)上均装有与作物相应个数的多个滴头(18)，电磁阀(10)安装在水泵⑶的出水口， 电磁阀(8)的开闭由控制器(3)控制。
3.根据权利要求2所述的基于作物蒸散量模型的智能化滴灌控制系统，其特征是所述的抽水机(5)和水泵⑶之间设有Y型过滤器(7)，水泵⑶与电磁阀(10)连通的管道中设有流量计(9)，各滴管带的滴管管道(18)上均设有一田间控制阀(13)。
4.根据权利要求1所述的基于作物蒸散量模型的智能化滴灌控制系统，其特征是所述的数据采集模块包括用于采集作物的冠层和温室顶层温度信号的两温度传感器(16)、用于采集作物的冠层和温室顶层湿度信号的两湿度传感器(17)和用于采集滴灌系统光信号光辐射传感器(15)；各传感器分别将被测对象的温度、湿度和光辐射信号转换成电压信号， 各电压信号通过各自对应的A/D转换模块转换为数字信号后送入控制器(3)中。
5.根据权利要求1所述的基于作物蒸散量模型的智能化滴灌控制系统，其特征是智能化滴灌控制系统的各模块均由太阳能电池板供电，该系统还包括与控制器(3)相连的LCD 显示器(4)，所述的控制器(3)通过串行总线(12)与上位机(11)进行通信，将采集到的数据进行保存分析处理。
6.一种基于作物蒸散量模型的智能化滴灌控制方法，应用权利要求1所述的基于作物蒸散量模型的智能化滴灌控制系统，其特征是它包括以下步骤首先、数据采集模块采集作物的温度t、湿度U和光辐射信号Rn，经过相应的多个A/D 转换模块后送入控制器(3)中；其次、控制器(3)计算出单株作物的灌溉量，乘以与作物相应个数的滴头(18)得到总灌溉量，根据水泵(8)的出水流速得出灌溉的时间；最后、控制器 (3)通过驱动电路操作执行机构进行灌溉。
7.根据权利要求6所述的基于作物蒸散量模型的智能化滴灌控制方法，其特征是所述单株作物的灌溉量即作物蒸腾和土壤散失的水分按照式I计算工、.λ(λ+β)其中，ET为蒸散量，mm/d ；Rn为净辐射通量，ff/m2 ；G为土壤热通量，ff/m2 ； λ为水的汽化潜热，2. 45MJ/kg。
8.根据权利要求7所述的基于作物蒸散量模型的智能化滴灌控制方法，其特征是所述波文比β按照式II计算n At式 π -J = r—其中为Y干湿表常数，0.0646kPa/°C;At和Δ ea分别为作物的冠层、温室顶层两个高度的气温差和水汽压差；其中水汽压ea根据马格努斯半经验公式按照式III计算 式 III :es = 6. Iexp (17. 27t/(237. 3+t))ea = Ues Vea = eal-ea2 = U1Gsl-U2Gs2其中U” U2分别为作物的冠层和温室顶层的湿度，％ ；eal、ea2分别为作物的冠层和温室顶层实际水汽压，kPa ；eal、ea2分别为作物的冠层或温室顶层饱和水汽压，kPa ；t为作物的冠层或温室顶层的气温，°C。
9.根据权利要求7所述的基于作物蒸散量模型的智能化滴灌控制方法，其特征是所述土壤热通量G按照式IV计算式 IV 白天G = 0. IRn 夜晚G = 0. 5Rn。
全文摘要
一种基于作物蒸散量模型的智能化滴灌控制系统及其方法，该滴灌系统位于温室内，其特征是它包括数据采集模块、与数据采集模块相连的多个A/D转换模块、控制器(3)、D/A转换模块、驱动电路和执行机构，所述的数据采集模块用于采集相应的输入信号，数据采集模块的信号输出端与对应的A/D转换模块的信号输入端相连，A/D转换模块的信号输出端与控制器(3)的信号输入端相连，控制器(3)控制与其相连的输出驱动电路，通过驱动电路操作执行机构进行灌溉。本发明计算了蒸散量，间接作为灌溉量给作物进行滴灌，较为精确的补充作物所缺水分；结构简单、成本低，具有很高的推广价值。
文档编号A01G25/02GK102160520SQ20101060219
公开日2011年8月24日 申请日期2010年12月23日 优先权日2010年12月23日
发明者张祎, 汪小旵 申请人:南京农业大学