基于干深‑时域控制的智能节水灌溉系统及其方法与流程

本发明涉及一种农业灌溉系统，尤其涉及一种基于干深-时域控制的智能节水灌溉系统及其方法。

背景技术：

我国是世界上13个最缺水的国家之一，水资源总量约为28100亿立方米，仅占世界总量的6％，人均水资源量约2200立方米，仅为世界平均值的1/4，而且水资源的时空分布极为不匀。作为用水大户的农业，其用水量占到总水量的62％，但用水效率极低，仅为0.48，与发达国家0.7-0.8的用水效率有着较大的差距。

现有植物灌溉方法，从用管送水灌溉角度上讲，通常采用两种方法灌溉：一种是人工拿着水管接通水源对植物实施灌溉；另一种是用水管接上水源通过灌溉喷头、滴头等对植物进行节水灌溉。前一种灌溉方法非常麻烦是明显的，而后一种灌溉又分为工人控制灌溉和自动控制灌溉。目前工人控制灌溉用的比较多，需要人打理，且由于人为因素往往影响节水灌溉效果，因而自动化、智能化灌溉是现代农业、园林节水灌溉主要的发展方向。

早在2001年，申请人针对植物灌溉，提出了利用太阳能为动力，对植物浇水进行自动灌溉，发明了植物浇水太阳能自动控制器(ZL01266948.2)和植物浇水用全自动控制器(ZL01266763.3)，利用太阳能为动力，借助小功率的太阳能面板，解决了自动控制的灌溉需外加市电的问题，随后，不少学者和研究者也相继进行了相关的研究。

然而，现有自动控制灌溉技术，包括申请者过去的专利技术，长期以来存在难以解决的问题：

(1)采用湿度传感器进行以湿度控制为主的灌溉难以全面地反映土壤的湿度状况并且科学合理性和经济性差。①由于土壤湿度的分布的不均匀性，这种湿度的不均匀性不仅表现为二维平面的不均匀性，而且表现在三维土壤深度的不均匀性，因而对湿度的采集往往很难有代表性，如果在大面积土壤范围内和不同深度范围内，大量采用多点湿度检测，将大大增加灌溉成本，也不利于灌溉植物的松土、栽培等打理，这无疑不现实；②不同的植物在不同的生长期对土壤湿度要求也是不一样的，而且恒定的土壤湿度也未必对植物有利；③由于野外土壤环境对湿度传感器性能要求较高，因而目前普遍使用的传感器价格也很昂贵，也使灌溉成本大大增加。这样，单纯用湿度控制灌溉既不科学合理也不经济。

(2)湿度传感器进行以湿度控制为主的灌溉往往不一定节水。这是因为：一方面，为了防止植物、作物的旱死，通常将湿度传感器浅埋，而浅埋的往往会导致频繁的灌溉，这是因为土壤没有灌溉透，灌溉的水大部分保持在土壤的表层，因而土壤表层容易干而启动灌溉，同时一旦灌溉后土壤表面干燥层浅又很容易湿，则灌溉又会很快停止，造成土壤表层含水量较少易于干燥，尤其是在日光强度大、气温高、地势较高或者风力大、气候干燥的情况下，由于土壤的保水性差，水分是容易挥发丧失的，例如，在炎热的夏季土壤施以喷灌，实验表明，如果土壤表面仅喷洒少量的水，由于高温效应，水分很快就被蒸发而导致土壤很快干燥，然后反复喷洒，水分反复蒸发丧失，表面上看每一次灌溉的用水量少了，似乎节了水，但是由于灌溉的频繁进行，又会导致水的浪费，则达不到节水效果；另一方面，为了防止频繁的灌溉，则需要把湿度传感器深埋，而深埋又可能导致土壤久旱才灌溉，一旦深埋深度掌握不好，还可能导致植物、作物旱死，同时由于土壤和植物及作物的多样性、复杂性，土壤表面的水渗透到深埋的传感器往往需要较长的时间，其结果导致土壤层上面的水多、下面的水少，虽然土壤深层的含水率合理，可是土壤表层的含水率过多而又浪费水。

(3)采用湿度传感器进行以湿度控制为主的灌溉，在实施轮灌时，使用起来不方便，这具体表现在：①往往需要通过一台控制器控制多个电磁阀，这势必给埋布线带来诸多不便，例如电磁阀之间的距离太远，或者有道路、沟道、水泥板、石头块等障碍等，在这些场合都不方便拉线连接电磁阀，并且还会增加工程造价成本，而如果把电磁阀进行短距离地集中控制，则又可能导致分管路线过长，增加成本，同时分管口径小，致使水压损失大，造成能源浪费；②如果采用传统的单纯湿度控制器控制来分别一个一个地控制每个电磁阀来实施轮灌，由于湿度传感器则需要给每个控制器设置不同的湿度阈值，这就意味为了实现轮灌而人为造成每个轮灌区的灌水量和湿度不一样，也不管植物、作物的实际用水的需求，尤其是对大片相同的植物、作物，这样的灌溉方式显然不够科学。

(4)采用定时灌溉，把时间作为一种等周期的变化规律来处理(如采用周期性定时灌溉)，显然，这种灌溉比较粗放和不够科学。一方面，这种灌溉模式过于固定，不能满足植物、作物在不同生长期对水需求变化的要求，另一方面，往往在阴天或下雨天不需要灌溉时，会发生错误地灌溉而浪费水资源。

(5)采用雨量传感器与定时相结合的灌溉，通过雨量传感器判断天晴和下雨，来分别执行预先编好灌溉程序，固然比定时灌溉先进，但是，由于雨后的气候的变化的不确定性，例如，雨后可能是阴天，也可能是晴天，还可能是半阴半晴，即便是纯粹的阴天和晴天，日照的强度和时间，以及风力大小、大气的压力与干湿程度，还有环境温度的高低、地势的高低、光线的遮挡、植物各个生长期对水的吸收与蒸发等都会影响土壤的湿度。因此，这种预先编好灌溉程序式的灌溉，不能适应各种环境和土壤以及植物、作物生长变化而带来的变化，难以适应现代农业与园林智能精准节水灌溉的要求。

(6)没有引入干深度的概念(即土壤干燥层的深度)，难以控制三维土壤的干湿状态，仅仅是考虑对土壤某点湿度参数或土壤含水率的阈值控制。实事上，还应有个深度的概念，即应考虑不同特点的植物、作物在不同生长期对土壤干有多深、湿有多透的要求，尤其是对干有多深和多久，没有结合土壤深度的概念提出一个控制阈值，因而更谈不上根据不同特点的植物、作物在不同生长期并结合人的经验和专家的灌溉知识进行科学地节水灌溉。

(7)没引入时域的概念，没有考虑灌溉的时域性，即没有把时间作为一个基本变量范围来考虑，也没有针对不同特点的植物、作物在不同生长期的水分胁迫(缺水)时间与灌溉时间的长短进行同时考虑，仅仅控制土壤的含水率的上下限值，以致土壤适度干的时间不够充分，或者因为单纯湿度控制灌溉的土壤能够得到即时的灌溉，而使土壤长期保持在变化不大的较为恒定的湿度范围，造成植物、作物的烂根和病虫害以及难以充分达到调亏灌溉的节水、优质、增产等效果，或者因湿度(水分)传感器采集点包括深度不能准确代表三维土壤的湿度状况，灌溉时间不够而不能湿透，或者土壤干得不够就开始灌溉。

技术实现要素：

本发明的第一个目的在于针对现有技术中的不足提供一种基于干深-时域控制的智能节水灌溉系统。

本发明的另一个目的在于针对现有技术中的不足提供一种基于干深-时域控制的智能节水灌溉方法。

本发明的第一个目的通过以下技术方案实现：

一种基于干深-时域控制的智能节水灌溉系统，包括用于控制进水与出水的执行器，用于对执行器的启停进行控制的控制模块，以及用于为控制模块及执行器提供电能的电源模块，所述控制模块分别与执行器、电源模块电连接，还包括：

干深度检测模块，与所述控制模块电连接，用于实时采集植物、作物不同根区的土壤干深度，并将采集的干深度值传送至控制模块；

所述干深度检测模块与控制模块电联接，带有一个干湿探头，用于实时地采集植物、作物不同根区的土壤干深度，该干深度是指灌溉土壤从表面到里面干的深度，即灌溉土壤从干燥土壤最上面的表面到土壤里层的干湿分界面之间的深度或距离；该干湿探头具有两个测试土壤电阻的干湿探测电极，将其长度方向成水平方式放置，其中一个干湿探测电极设置在上方，另一个干湿探测电极设置在正对着的下方，然后按此方式把干湿探头埋放在设定深度的灌溉土壤中，并根据经验和知识确定干深度的阈值，上面的干湿探测电极的底表面与土壤表面的距离为设定的干深度的上限阈值，通过干湿探头测试土壤电阻变化而获得电平信号来判断干深度的变化。

时域输入模块，与所述控制模块电连接，用于水分胁迫时间及灌溉延时时间的设置；

所述时域输入模块与控制模块电联接，用于水分胁迫(缺水)时间与灌溉延时时间的设置，包括通过不同的按钮、开关、键盘、触摸屏进行不同时间的设置，也可同一按钮、开关键盘、触摸屏通过设置不同的位置、状态或数字进行时间设置；所述灌溉延时时间是指灌溉后使干深度为零时开始计时到灌溉停止的时间；通过按钮、开关、键盘、触摸屏等输入端，按照对不同特点的植物、作物在不同生长期的水分胁迫(缺水)时间和灌溉延时时间的长短，即根据人的经验和专家的灌溉知识来进行不同的输入设置，实现水分胁迫(缺水)时间与灌溉延时时间长短的控制，从而实现土壤湿有多长(时间)、“干”有多久的时域控制。

所述控制模块根据干深度检测模块采集的干深度值及时域输入模块设置的水分胁迫时间与灌溉延时时间，进行时序控制和逻辑运算，当干深度值达到所设定的干深度最大阀值，并达到时域输入模块所设置的水分胁迫时间与灌溉延时时间时，发出信号指令控制灌溉系统的执行器启动和停止。

所述的控制模块包括利用各种已有的时间控制器或定时电路或单片机，分别与电源模块、干深度检测模块、时域输入模块、执行器电联接，用于对灌溉系统的执行器进行控制，对干深度检测模块所采集的干深度值以及时域输入模块所设置的水分胁迫(缺水)时间与灌溉延长时间，进行时序控制和逻辑运算，当干深度达到所设定的阀值并达到时域输入模块所设置的时间时发出信号指令控制灌溉系统的执行器启动和停止。

其中，所述干深度为干燥土壤表面至土壤里层干湿分界面的距离。

其中，所述干深度检测模块包括用于通过测试土壤电阻的变化而获得电平信号来判断干深度值变化的干湿探头，所述干湿探头包括两个上下设置的干湿探测电极，实际使用过程中，所述两个干湿探测电极分别放置在设定深度的灌溉土壤中，所述上方的干湿探测电极的底表面与干燥土壤表面的距离为干深度最大阀值。

其中，所述灌溉延时时间为灌溉后干深度值为零时开始计时到灌溉停止的时间。

其中，当土壤里层干湿分界面与上方的干湿探测电极的底表面距离为零时，则干深度值为零。

其中，所述控制模块包括时间控制器、定时电路或单片机。

其中，所述执行器包括电磁阀、水泵及电机，与控制模块电连接。

其中，所述电源模块包括外接电源、整流器、滤波器及变压器，还包括太阳能电池、蓄电池，为干深度检测模块、时域输入模块、执行器提供电力能源。

进一步的，所述智能节水灌溉系统包括若干灌溉子系统，各个灌溉子系统设定不同的干深度最大阀值。

本发明的第二个目的通过以下技术方案实现：

一种基于干深-时域控制的智能节水灌溉方法，包括以下步骤：

S1，利用干深度检测模块对土壤的干深度值进行实时检测，并转化成电压信号后，再向控制模块传送该信号；

S2，控制模块接收该信息后，将测得的土壤干深度值与所设的干深度最大阈值进行对比，当土壤干深度达到该最大阈值，就开始计时，准备控制电磁阀或水泵等执行器启动，对灌溉区进行灌水准备；

S3，利用时域输入模块，进行水分胁迫时间与灌溉延长时间输入的设置；

S4，当干深度检测模块检测到土壤的干深度值达到所设定的最大阈值时，开时计时，若达到设定的水分胁迫时间时，将该时间控制信号传给控制模块，通过控制模块驱动执行器开始灌溉，否则不灌溉；

S5，当土壤表层已经全湿，即干深度为零时，开始计时，继续进行使土壤能湿透的延时灌溉，直到达到所设置的灌溉延时时间时，则由控制模块控制执行器停止灌溉。

在上述的技术解决方案中，所述干深度控制控，是根据人的知识和经验，针对不同的植物对灌溉区干深度要求进行设定为一阈值，当土壤干深度达到这一阈值，植物、作物产生水分胁迫(缺水)，开始计时，作好灌溉的准备，方便实现对灌溉区土壤的“干”有多深的控制，即干深度控制；所述的时域控制，就是对灌溉信号的时域波形进行控制，在这里是专指灌溉的时域控制。由于灌溉信号的时域波形可以表达灌溉信号随着时间的变化，因此，控制灌溉信号的时域波形，就可实现对灌溉的控制。如果引入时域的概念，把时间作为一个基本变量范围来考虑，对不同特点的植物、作物在不同生长期的水分胁迫时间和灌溉时间的长短进行不同的设置，即实现水分胁迫时间与灌溉时间长短的时域控制，从而实现土壤湿有多长(时间)、“干”有多久的时域控制。

在上述的技术解决方案中，所述的干深度控制，从表面上看与湿度控制没两样，其实大不一样：

首先，干深度控制强调土壤干燥的深度，它运用了节水灌溉的调亏灌溉理论，在作物生长发育某些阶段(主要是营养生长阶段)主动施加一定的水分胁迫，促使作物光合产物的分配向人们需要的组织器官倾斜，以提高其经济产量，强调了节水，尤其在植物的生长季之初，有意识地维持较低水平的土壤水势，但又不能使土壤干得过头。由于重力和光照的影响，士壤湿度由表及里呈梯度增大，其结果往往导致土壤表层干里层湿，因此需要控制土壤干燥层的深度，“施加一定的水分胁迫”，强调土壤一定的“干”，并且是一定深度“干”，即干的深度，而且它相比湿的深度也易于测量和控制，这恰恰是调亏灌溉理论在实现方法上的突破。因此，提出了土壤需要控制其“干深度”这个新概念，不但在概念上创新，而且赋予新内涵(节水和科学灌溉)；

其次，为了防止植物的烂根病，裁种植物的土壤也不能老是潮湿，而需要一定的干燥和透气，否则易滋生细菌和病毒等使植物易患烂根病，例如，为了防止名贵的君子兰的烂根病，其中重要的措施就是“不干透绝不浇水”。

再次，在干湿探测电极的使用方法上，突破了传统的将干湿探测电极向地表土壤垂直插入式的方式，而是把两个干湿探测电极设置成上下面对面使电极长度方向成水平方式埋放在设定深度的灌溉土壤中，这样就易于实现土壤干深度的检测。经大量的观察与实践探索，证明此方法的确行之有效。

在上述的技术解决方案中，所述的时域控制，从表面上看与时间控制也没有两样，其实大不一样：

首先，它避免了土壤湿有多深的难以测量的麻烦，提出了“时域控制”的概念，强调了土壤灌溉所需控制的时间，不是控制什么时候需要灌溉，而是强调了灌溉时间的长短，即灌溉时间的范围(灌溉时域性)，从而使土壤实现湿有多深、湿有多透的控制；

其次，它对不同特点的植物、作物的水分胁迫时间进行了控制，即对土壤干的时间的范围(土壤干的时域性)进行控制，不但有利于防止旱坏植物、作物以及防止烂根与病虫害，而且更具有针对性，可实现不同特点的植物、作物灌溉的科学用水和节约用水，并可实现农业的优质与增产。以果树为例，根据节水理论，调亏灌溉技术在果树上应用的技术要点是，在果树生长季之初，仅维持较低水平的土壤水势；而在果实快速膨大期内，实行频繁的灌水，这样不仅大大节约了灌溉用水，而且抑制枝叶生长，减少剪枝工作量，在不影响果实产量的同时对果实品质有一定改善。而为了实现在果实快速膨大期内，实行频繁的灌水，则又可以通过干湿探测电极浅埋来实现，同时也不会因为土壤表层很快湿而底层湿得不够而停止灌溉。

相对于现有技术，本发明的有益效果为：

(1)本发明通过干深度控制、时域控制的结合，形成了干深-时域控制的灌溉新方法，易于控制土壤的干湿状态，且使用方便、成本低。

(2)合理控制灌溉时间及灌溉水量，可有效防止植物、作物及果树的烂根和病虫害。

(3)无需布置系统间的信号线，通过针对各个子系统设定不同的阈值，即可方便实现若干个灌溉系统的轮灌。

(4)能够结合人的经验和专家的灌溉知识进行调亏灌溉，能够智能化、精准化，更加节水，使灌溉更加科学化，从而实现作物、果树等的优质增产。

附图说明

图1为本发明的基于干深-时域控制的智能节水灌溉系统的结构示意图。

图2为本发明的基于干深-时域控制的智能节水灌溉方法流程图。

图3为本发明的数据处理控制流程图。

具体实施方式

以下结合附图及具体实施例对本发明进行详细描述。

实施例1。

如图1所示，本实施例提供一种基于干深-时域控制的智能节水灌溉系统，包括：

电源模块301，用于为基于干深-时域控制的智能节水灌溉控制系统提供电力；

时域输入模块303和干深度检测模块304，所述的时域输入模块303用于水分胁迫时间和灌溉延长时间的设置，所述的干深度检测模块304的干湿探头带有两个干湿探测电极308，通过干湿探头检测土壤电阻变化而获得电平信号，为控制模块302输入干深度信息，从而判断干深度是否为零或达到设定的最大阈值，该干深度是指干燥土壤表面305到土壤干湿的分界面306的距离，土壤表面305到土壤干湿的分界面306之间则为干燥土壤层307，当土壤水分逐渐干燥时，土壤干湿的分界面306与上面第一个干湿探测电极308的底表面重合时，干深度达到最大的阈值，而当灌溉时，从土壤表面到上面第一个干湿探测电极308的底表面之间处于非干燥状态时，即，此时土壤干湿的分界面与上面第一个干湿探测电极308的底表面距离为零时，则干深度为零；

控制模块302，利用时域输入设置的水分胁迫时间和灌溉延长时间以及灌区土壤的干深度的阈值所产生的电平信号，根据数据处的控制流程利用所接收的电平信号对执行器进行控制；

执行器309，利用电磁阀、水泵、电机等执行器实现灌溉作业。

实施例2。

如图2所示，本实施例提供一种基于干深-时域控制的智能节水灌溉方法，包括以下步骤：

步骤101，利用时域输入模块进行水分胁迫(缺水)时间与灌溉湿透延长时间输入的设置；利用干深度检测模块进行干深度阈值设定；

步骤102，利用干深度检测模块，对土壤的干深度进行实时检测，并转化成电平信号，并传送给控制模块；

步骤103，控制模块接收该信息后，将测得的土壤干深度与所设的阈值进行对比；

步骤104，利用干深度检测模块检测土壤的干深度，达到所设定的阈值时，开始时计；

步骤105，达到水分胁迫设定时间时，将该时间控制信号传给控制模块并驱动执行器灌；

步骤106，当土壤表层已经全湿，即干深度为零时，继续进行使土壤能湿透的延时灌溉；

步骤107，灌溉达到所设置的湿透延长时间时，则由控制模块控制执行器停止灌。

其中，所述步骤103中的判断流程即本发明实施的数据处理控制流程图，如图3所示，具体步骤为：

P1，根据所述干深度检测模块的干湿探头检测到的电平信号判断是否存在土壤的干深度大于干深度阈值，如果是，执行步骤P2，对植物、作物的水分胁迫时间开始计时，否则执行P8，停止灌溉执行器灌溉；

P2，当干深度大于干深度阈值时，开始计时；

P3，上述所计时间是否大于设定的水分胁迫时间，如果是，执行步骤P4，启动灌溉执行器，开始灌溉，否则执行P8，停止灌溉；

P4，启动灌溉执行器，开始灌溉，灌溉后，执行步骤P5；

P5，根据所述干深度检测模块的干湿探头检测到的电平信号判断是否存在土壤的干深度是否等于零，如果是，执行步骤P6，开始计时，继续进行灌溉(延时灌溉)，否则执行P4；

P6，当土壤的干深度等于零时，开始计时；

P7，上述所计时间是否大于设定的延时时间，如果是，执行P8，停止灌溉，否则执行P4，继续灌溉；

P8，停止灌溉执行器灌溉。

由上述实施例可以看出，本发明的灌溉方法及系统，使用方便、易于实现轮灌，可防止植物、作物及果树的烂根和病虫害，可以大大的提高灌溉的智能化和精确灌溉的水平，更加节约人力和节省用水，使作物、果树等更容易实现优质增产。

所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本公开的范围(包括权利要求)被限于这些例子；在本发明的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，并存在如上所述的本发明的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。因此，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。