一种农田灌溉用水测量装置及测量方法与流程

本发明涉及农田灌溉技术，具体涉及一种农田灌溉用水测量装置及其测量方法。

背景技术

我国是世界上贫水国家之一，农业灌溉用水占水资源总量的73％，为保持水资源的可持续利用，必须发展节水型农业。农田灌溉水有效利用系数不仅是反映农村水利建设管理水平的一项重要综合指标，更是国家实行最严格水资源管理制度，确定水资源管理“三条红线”控制目标的关键指标之一。农田灌溉水有效利用系数测算需要农作物生长用水量的基础数据，因此农田的土壤含水率和水位智能精确测量可为农业用水提供准确依据。掌握农田用水量需要同时掌握土壤的含水率和水稻淹灌时水位，这种需求由水稻生育期的需水量决定。由于农田主要粮食作物水稻在不同生长期对水量需求量变化波动大，如返青期在田面保持薄水层，分蘖期则进行干湿露田,在分蘖期或者乳熟期分别会进行晒田。种植水稻的水位调控对水稻群体质量、水分生理指标、产量及水质等有重要作用，农田水位已成为水稻灌排的调控指标。目前,在水稻一个生长周期内需要依靠两种仪器即农田水位计(有水)和土壤水分测定仪(干湿或晒田)，才能有效量测水稻生长的需水量，现有方法需人为识别和安装两套仪器进行农田作物生长周期的跟踪监测，繁琐任务量巨大。同时，现有的人工水位尺及数显农田水位记录仪在底部不平坦和水位低的情况下误差大。

技术实现要素：

本发明的目的是为了克服以上现有技术存在的不足，提供了一种农田灌溉用水测量装置。此农田灌溉用水测量装置的精准度高，智能程度高，可减少劳动强度。同时，本发明的另一目的还提供了一种农田灌溉用水测量方法。

本发明的目的通过以下的技术方案实现：本农田灌溉用水测量装置，包括若干个土壤水分传感器、水位传感器、校准机构、太阳能供电机构、微控制器和数据管理机构，若干个土壤水分传感器均设置于农田，所述水位传感器通过校准机构安装于农田，水位传感器和若干个土壤水分传感器均与微控制器连接，所述太阳能供电机构与微控制器连接，所述微控制器通过无线模块与数据管理机构连接。

优选的，所述校准机构包括底座、透明材料制成的圆筒和校准器，所述底座水平放置于农田，所述圆筒垂直置于底座上，所述圆筒的侧壁设有与圆筒的内腔相通的透水孔，所述圆筒的内腔设有标尺，所述校准器置于圆筒的上端端面，所述水位传感器插入圆筒内，且水位传感器的下端贴紧底座的上面。

优选的，所述透水孔的数量为多个，多个透水孔于圆筒的侧壁均匀分布。

优选的，所述底座包括底板和固定柱，所述固定柱的上端与底板连接，所述固定柱的下端插入农田的土壤里，且所述底板的下端与农田的土壤相贴紧。

优选的，所述固定柱的直径自上端至下端逐渐减小。

优选的，所述太阳能供电机构包括太阳能电池板、太阳能控制器和蓄电池，所述太阳能电池板通过太阳能控制器与蓄电池的输入端连接，所述蓄电池的输出端通过太阳能控制器与微控制器连接。

优选的，所述数据管理机构包括上位机和显示器，所述上位机和显示器均微控制器连接。

优选的，所述微控制器为单片机。

一种基于上述的农田灌溉用水测量装置的测量方法，包括以下步骤：

1)固定柱插入农田的土壤，把底板调整水平状态，以将校准器固定于农田中，然后将水位传感器插入圆筒，再通过校准器及标尺将水位传感器的数显水位值校准；

2)将若干个土壤水分传感器均匀插入农田，且各个土壤水分传感器插入的深度不同；

3)太阳能供电机构为微处理器提供电能，以使微处理器正常运行；水位传感器及若干个土壤水分传感器分别实时检测的水位数据和土壤水分数据传送到微处理器；

4)微处理器对水位数据和土壤水分数据处理，并将数据处理结果通过无线模块输送到上位机和显示器，数据处理结果在显示器显示以供观察，而上位机将数据处理结果与水位变化的合理范围设定值比对，以提醒农田排水或灌水。

本发明相对于现有技术具有如下的优点：

1、本发明的水位传感器利用校准机构安装于农田中，避免水位传感器的安装受农田的地形的影响，提高了检测的精准度。

2、本发明将水位传感器、土壤水分传感器、微控制器及数据管理机构进行有机的结合，提高了智能化程度，不需要人为识别及跟踪监测，故避免了繁琐的任务量，降低劳动强度。

3、本发明利用独立的太阳能供电机构为微控制器供能，清洁环保。

附图说明

图1是本发明的农田灌溉用水测量装置的结构示意图。

图2是本发明的校准机构的结构示意图。

图3是本发明的控制框图。

其中，1为土壤水分传感器，2为水位传感器，3为校准机构，4为太阳能供电机构，5为微控制器，6为数据管理机构，7为底座，8为圆筒，9为校准器，10为标尺，11为透水孔，12为底板，13为固定柱，14为太阳能电池板，15为太阳能控制器，16为蓄电池。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1和图3所示的农田灌溉用水测量装置，包括若干个土壤水分传感器、水位传感器、校准机构、太阳能供电机构、微控制器和数据管理机构，若干个土壤水分传感器均设置于农田，所述水位传感器通过校准机构安装于农田，水位传感器和若干个土壤水分传感器均与微控制器连接，所述太阳能供电机构与微控制器连接，所述微控制器通过无线模块与数据管理机构连接。具体的，所述微控制器为stm32单片机，这利用超低功耗的单片机，可减少太阳能供电机构压力。同时，微控制器及数据管理机构共同组成农田水位和土壤含水率数据的数据库，以智能测算水位变化趋势以及灌溉水量，判断农田的水稻需水量(即用水量)。土壤水分传感器为fdr水分传感器，这土壤水分传感器采用4个，将4个土壤水分传感器分别插入在农田中，且4个土壤水分传感器插入的深度不同，；水位传感器采用投入式压力传感器，此水位传感器利用校准机构安装于农田中，保证了水位传感器测量数量的精准度。这水位传感器及4个土壤水分传感器的信号线均通过上拉电阻与单片机连接，以使保证数据实时传送至单片机中进行处理。单片机和数据管理机构之间信号通过无线模块输送，此无线模块为信号无线变送器，单片机将水位传感器及土壤水分传感器实时检测的数据进行处理后送至数据管理机构，以方便人们了解农田中的水位及土壤的水分情况，从而根据农作物的生长周期，而控制农田中的水量。本实施例中的微控制器及数据管理机构构成的智能系统与水位传感器及土壤水分传感器进行有机结合，以高智能程度，减少繁琐的任务量。

如图2所示，所述校准机构包括底座、透明材料制成的圆筒和校准器，所述底座水平放置于农田，所述圆筒垂直置于底座上，所述圆筒的侧壁设有与圆筒的内腔相通的透水孔，所述圆筒的内腔设有标尺，所述校准器置于圆筒的上端端面，所述水位传感器插入圆筒内，且水位传感器的下端贴紧底座的上面。其中所述底座包括底板和固定柱，所述固定柱的上端与底板连接，所述固定柱的下端插入农田的土壤里，且所述底板的下端与农田的土壤相贴紧。本实施例中的透明材料为有机玻璃，以方便清晰观看到圆筒内的标尺。在实施工作中，先通过固定柱将底板固定在农田，而圆筒和校准器依次叠放在底板上，通过观察校准器以将底板调整水平状态。然后将水位传感器放入圆筒内。这利用校准机构校准零点，从而可从源头控制检测误差，提高检测精准度。同时，这操作简单方便。

所述透水孔的数量为多个，多个透水孔于圆筒的侧壁均匀分布。这可保证农田中的水分顺畅地流入圆筒内，以进一步保证检测数据的精确性。

所述固定柱的直径自上端至下端逐渐减小。此结构可减少固定底板时使用的力气，使固定柱可快速插入农田。

所述太阳能供电机构包括太阳能电池板、太阳能控制器和蓄电池，所述太阳能电池板通过太阳能控制器与蓄电池的输入端连接，所述蓄电池的输出端通过太阳能控制器与微控制器连接。此结构简单，可稳定地为微控制器提供电能，以使微控制器正常地运行。

所述数据管理机构包括上位机和显示器，所述上位机和显示器均微控制器连接。此数据管理机构相当于监控中心，上位机完成农田水位和土壤含水率数据的数据库存储，而显示器用于显示检测结果，方便人们直接观察读取数据，以了解农田水位和土壤含水率的实时情况。则可根据不同生育阶段农田水位调控到水稻水分生理指标及产量的影响，设定当地水稻灌排调控的指标值，用于指导合理的农田水位范围值。

一种基于上述的农田灌溉用水测量装置的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)固定柱插入农田的土壤，把底板调整水平状态，以将校准器固定于农田中，然后将水位传感器插入圆筒，再通过校准器及标尺将水位传感器的数显水位值校准；

2)将若干个土壤水分传感器均匀插入农田，且各个土壤水分传感器插入的深度不同；

3)太阳能供电机构为微处理器提供电能，以使微处理器正常运行；水位传感器及若干个土壤水分传感器分别实时检测的水位数据和土壤水分数据通过无线模块传送到微处理器；

4)微处理器对水位数据和土壤水分数据处理，并将数据处理结果输送到上位机和显示器，数据处理结果在显示器显示以供观察，而上位机将数据处理结果与水位变化的合理范围设定值比对，以提醒农田排水或灌水。

总体来说，本发明利用微控制器和数据管理机构等构成的智能系统对水位传感器和土壤水分传感实时检测的数据进行处理，以形成农田水位和土壤含水率数据的数据库，以智能测算水位变化趋势以及灌溉水量，农田的水稻用水量。则根据不同生育阶段农田水位调控到水稻水分生理指标及产量的影响，设定当地水稻灌排调控的指标值，用于指导合理的农田水位范围值。

如，在田块(泡田—育秧—成苗—移植返青期—分蘖前期—分蘖后期—拔节孕穗—抽穗开花—乳熟期—黄熟期—收割)生长周期的用水量，水位控制合理值采用以下公式：

分蘖期的水位＝h*0.12+0.0023t(地下水位为低水位，低于水稻土表层80cm)；分蘖期的水位＝h*0.154+0.00212t(地下水位为高水位，在水稻土表层20cm)；

分蘖期的水位＝h*0.12+0.00312t(地下水位为中水位，距水稻土表层20-80cm)；

孕穗期的水位＝＝h*0.118+0.00435t(地下水位为低水位，低于水稻土表层80cm)

孕穗期的水位＝h*0.90+0.00567t(地下水位为低水位，低于水稻土表层80cm)；分孕穗期的水位＝h*0.81+0.00980t(地下水位为高水位，在水稻土表层20cm)。

水位波动可控制在20％，范围控制在0-30cm。其中，上述的中h为地下水水位，单位：m；t为土壤温度，单位：k，t＝273.15+摄氏度。

上述具体实施方式为本发明的优选实施例，并不能对本发明进行限定，其他的任何未背离本发明的技术方案而所做的改变或其它等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。