一种基于水平衡模型的自动灌溉控制方法与流程

本发明涉及农业自动灌溉技术领域，尤其是一种基于水平衡模型的自动灌溉控制方法。

背景技术：

当前的自动灌溉控制基本上分为以下几类，一种是定时灌溉，即事先规定好灌溉时间表，定时开始，定时结束；一种是根据作物蒸腾量进行灌溉，即根据特定的计算公式进行作物蒸腾量的计算，当达到某一设定值时进行灌溉，并根据计算数据确定灌溉量的大小；一种是根据传感器数据进行灌溉，即通过插入或埋入土壤里的土壤湿度传感器实时检测土壤湿度的变化，达到某一设定值时进行灌溉，并根据传感器的检测数据确定灌溉停止时间；还有就是综合利用多种传感器的数据确定灌溉行为，比如根据空气的温湿度、光照、风速等气象参数结合土壤湿度传感器进行综合判断，最终得到灌溉的控制策略。

以上所述多种自动灌溉控制方法均存在一定的缺陷和不足：一、定时灌溉模式中灌溉制度是静态的，作物所需灌溉用水量及灌溉时间由事先估计来确定，但是作物生长及其环境是动态变化的，作物生长所需灌溉量也是不断随之变化的，该方法无法准确提供作物生长所需用水量，存在多灌或少灌的现象，而且不能根据气象条件灵活变化，即便存在降水情况，仍然会按照时间表进行灌溉控制，如果某段时间天气特别干旱而事先没有估计到，则会造成作物缺水现象。二、根据作物蒸腾量进行灌溉一般会根据气象信息进行作物蒸腾量的估算，并据此进行灌溉控制，虽然相对定时灌溉，灵活程度有所提高，但是仍然属于根据土壤外部环境参数进行估算，不了解土壤内部水分变情况，而且也无法避免降水情况下执行灌溉行为的情况出现，而且当灌溉管道或滴头、喷头等存在堵塞情况时，作物是否得到了应该得到的灌溉用水量，无法根据土壤内水分变化情况进行反馈。三、根据土壤湿度传感器数据进行灌溉，虽然是根据土壤水分变化情况进行调节，但还是存在一些不足。其一、传感器数据是否一直准确无法保证；其二，不能根据具体气象情况进行灵活调整，比如即将有降水出现，但是当前传感器数据显示应该进行灌溉行为，则可能出现刚灌溉完毕，很快出现了降水情况，那么在一定程度上就造成了水资源的浪费。四、综合利用多种气象参数和土壤参数进行灌溉控制，虽然和其它方法相比有所进步，但是该种控制多是采用一些智能算法建立模型，然后根据模型进行灌溉控制，而建立模型需要大量的数据，否则控制精度无法保证。如果采用该种控制方法，需要事先根据本地区的前期大量数据进行训练才能建立相对精确的控制模型，通用性较差，如果无法得到本地区的前期气象、土壤等环境参数，则很难利用这种控制方法；而且如果影响模型的参数过少，即便有大量的数据，也无法保证模型的精度，如果参数过多，比如利用空气温度、空气湿度、光照、土壤温度、土壤湿度、风速、雨量监测等等很多参数，不但增加了数据流，造成模型训练速度过慢，还有可能在多种参数之间存在一些相互矛盾的数据，同时多参数，大数据量也存在数据冗余的情况，直接影响控制模型的计算速度。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种基于水平衡模型的自动灌溉控制方法，能够解决现有技术的不足，提高了灌溉控制的精确度和灵活性。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案如下。

一种基于水平衡模型的自动灌溉控制方法，包括以下步骤：

A、初始化参数，确定种植作物类别、种植日期，得到对应的作物系数K_c；确定土壤类型，得到对应的凋萎含水量WP、田间持水量WHC和灌溉阈值IT；

B、通过土壤湿度传感器参数的检测值，计算当前土壤含水量FC_s；

C、根据土壤类型所对应的调萎含水量WP值，计算当前土壤有效水含量AWC；

D、根据空气温度、空气相对湿度、光辐射强度、风速、雨量、饱和水汽压值，计算实际蒸腾量ET_c；

E、根据上一次灌溉量数据、降水数据、以及计算出的当前土壤有效水含量AWC和实际蒸腾量ET_c，计算土壤实时有效水含量ΔAWC；

F、判断土壤实时有效水含量ΔAWC是否低于灌溉阈值IT，如果低于灌溉阈值IT则进行灌溉；如果不低于灌溉阈值IT，则转步骤E继续计算。

作为优选，步骤A中，土壤类型包括砂土、壤土、粘土、壤砂土、砂壤土、粘壤土。

作为优选，步骤B中，当前土壤含水量FC_s的计算方法为，

FC_s＝FC_0.2m×0.5+FC_0.4m×0.3+FC_0.6m×0.2，

其中，FC_0.2m、FC_0.4m和FC_0.6m分别为布置在深度20cm，40cm和60cm位置上的土壤湿度传感器检测到的土壤含水率。

作为优选，步骤C中，当前土壤有效水含量AWC的计算方法为，

AWC＝FC_s-WP。

作为优选，步骤D中，实际蒸腾量ET_c的计算方法为，

ET_c＝K_c×ET₀，

其中，ET₀为参考蒸腾量，利用空气温度、空气相对湿度、光辐射强度、风速、雨量、饱和水汽压值，根据彭曼公式计算得出。

作为优选，步骤E中，土壤实时有效水含量ΔAWC的计算方法为，

ΔAWC＝AWC+P+I-ET_c，

其中，P为降水量，I为灌溉量。

作为优选，步骤F中，灌溉量IW的计算方法为，

IW＝WHC-ΔAWC。

采用上述技术方案所带来的有益效果在于：本发明基于土壤中水平衡模型对当前的实时有效水含量进行计算，作物生长所需水分又是从土壤中得到，所以土壤中存在多少有效水，作物就能利用多少有效水，因此，根据土壤中水平衡模型进行灌溉控制是所有灌溉控制方法中最精确和最直接的。此外，土壤湿度传感器的存在又使整个灌溉系统构成了一个闭环系统，增加了整个系统的控制精确性，而且，相对于其他的一些多传感器数据融合，根据智能灌溉控制算法来说，本发明计算量小，计算速度快，模型简单，更加实用和可靠。

附图说明

图1是本发明一个具体实施方式的流程图。

图2是本发明一个具体实施方式的系统示意图。

具体实施方式

参照图1-2，一种基于水平衡模型的自动灌溉控制方法，包括以下步骤：

A、初始化参数，确定种植作物类别、种植日期，得到对应的作物系数K_c；确定土壤类型，得到对应的凋萎含水量WP、田间持水量WHC和灌溉阈值IT；

B、通过土壤湿度传感器参数的检测值，计算当前土壤含水量FC_s；

C、根据土壤类型所对应的调萎含水量WP值，计算当前土壤有效水含量AWC；

D、根据空气温度、空气相对湿度、光辐射强度、风速、雨量、饱和水汽压值，计算实际蒸腾量ET_c；

E、根据上一次灌溉量数据、降水数据、以及计算出的当前土壤有效水含量AWC和实际蒸腾量ET_c，计算土壤实时有效水含量ΔAWC；

F、判断土壤实时有效水含量ΔAWC是否低于灌溉阈值IT，如果低于灌溉阈值IT则进行灌溉；如果不低于灌溉阈值IT，则转步骤E继续计算。

步骤A中，土壤类型包括砂土、壤土、粘土、壤砂土、砂壤土、粘壤土。

步骤B中，当前土壤含水量FC_s的计算方法为，

FC_s＝FC_0.2m×0.5+FC_0.4m×0.3+FC_0.6m×0.2，

其中，FC_0.2m、FC_0.4m和FC_0.6m分别为布置在深度20cm，40cm和60cm位置上的土壤湿度传感器检测到的土壤含水率。

步骤C中，当前土壤有效水含量AWC的计算方法为，

AWC＝FC_s-WP。

步骤D中，实际蒸腾量ET_c的计算方法为，

ET_c＝K_c×ET₀，

其中，ET₀为参考蒸腾量，利用空气温度、空气相对湿度、光辐射强度、风速、雨量、饱和水汽压值，根据彭曼公式计算得出。

步骤E中，土壤实时有效水含量ΔAWC的计算方法为，

ΔAWC＝AWC+P+I-ET_c，

其中，P为降水量，I为灌溉量。

步骤F中，灌溉量IW的计算方法为，

IW＝WHC-ΔAWC。

本发明基于土壤中水平衡模型对当前的实时有效水含量进行计算，作物生长所需水分又是从土壤中得到，所以土壤中存在多少有效水，作物就能利用多少有效水，因此，根据土壤中水平衡模型进行灌溉控制是所有灌溉控制方法中最精确和最直接的。此外，土壤湿度传感器的存在又使整个灌溉系统构成了一个闭环系统，增加了整个系统的控制精确性，而且，相对于其他的一些多传感器数据融合，根据智能灌溉控制算法来说，本发明计算量小，计算速度快，模型简单，更加实用和可靠。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。