一种适用于嵌入式设备的灌溉用水量精准计算方法及装置

1.本发明涉及农业节水灌溉技术领域，尤其涉及一种适用于嵌入式设备的灌溉用水量精准计算方法及装置。


背景技术：

2.目前常用的节水灌溉灌溉用水量计算方法主要利用水分平衡原理，依据传感器数值、未来气象数据、历史灌溉数据、土壤墒情补充量、作物蒸发蒸腾量等进行确定灌溉用水量；该方法主要存在以下两个问题：(1)对不同土质对植物生长、水分循环的影响考虑不充分(在部分模型算法中，仅考虑了土壤容重指标)，甚至未考虑；然而，在节水灌溉中，土壤组分对灌溉用水量具有决定性作用，例如在沙土地与黏土地的灌溉用水量是截然不同的。仅考虑土壤容重指标的灌溉量计算方法，由于在耕作、降雨、灌溉、秸秆还田等作业后，土壤容重变化量较大，使用土壤容重计算易造成数据波动变化大，无法保证灌溉用水量计算的准确性。在这种情况下，农业生产者为保证灌溉量的充足，通常会采用超量灌溉的方式进行灌溉。这种方法虽然解决了因模型计算不精准可能造成的灌溉量不足的后果，但是使用该做法后灌溉用水量将显著增加，一方面会引起水资源的过量使用；另一方面容易造成土壤养分肥料淋溶，向深层土层迁移，造成浅层地下水污染。(2)部分参数获取较为困难，且准确度存疑，造成方法不适合也无法部署在嵌入式系统中，更无法指导控制设备自动化进行灌溉作业。


技术实现要素：

3.针对传统的灌溉用水量计算方法未充分考虑土壤组分的影响以及不适合部署在灌溉控制系统中的问题，本发明提供一种适用于嵌入式设备的灌溉用水量精准计算方法及装置。
4.一方面，本发明提供一种适用于嵌入式设备的灌溉用水量精准计算方法，包括：
5.设置一级变量，所述一级变量是指用于表现土壤基本理化性质的参数，所述一级变量包括土壤的沙含量、黏土含量、有机质含量与疏松度；
6.根据所述一级变量计算得到二级变量，所述二级变量是指用于反映土壤水分特征的参数；所述二级变量包括作物萎蔫点、田间持水量、土壤容重与土壤渗透速度；
7.确定灌溉设备，并根据所述灌溉设备的额定技术参数和所述二级变量计算得到三级变量，所述三级变量是指用于表征灌溉程度的参数；所述三级变量包括灌溉用水量、灌溉时长、灌溉强度与灌溉深度。
8.进一步地，还包括：根据所述三级变量生成四级变量，所述四级变量是指灌溉设备的控制参数，所述灌溉设备的控制参数用于控制水泵的开启与关闭，电磁阀的开启与关闭，变频器的功率以及开启与关闭。
9.进一步地，构建公式(1)作为作物萎蔫点f
l
的计算公式：
10.f
l
＝θ
s1ws
+θ
c1
wc+θ
o1
wo+θ
sc1ws
wc+θ
co1
wcwo+θ
so1ws
wo+θ1ꢀꢀ
(1)
11.构建公式(2)作为田间持水量f
t
的计算公式：
12.f
t
＝θ
s2ws
+θ
c2
wc+θ
o2
wo+θ
sc2ws
wc+θ
co2
wcwo+θ
so2ws
wo+θ2ꢀꢀ
(2)
13.构建公式(3)作为土壤饱和含水量fb的计算公式：
14.fb＝θ
s3ws
+θ
c3
wc+θ
o3
wo+θ
sc3ws
wc+θ
co3
wcwo+θ
so3ws
wo+θ3ꢀꢀ
(3)
15.其中，ws、wc与wo分别表示土壤的沙含量、黏土含量与有机质含量；θ
s1
、θ
c1
、θ
o1
、θ
sc1
、θ
co1
与θ
so1
分别表示第一土壤水势下对应土壤组分的调整系数，θ1表示第一土壤水势下的土壤湿度值；θ
s2
、θ
c2
、θ
o2
、θ
sc2
、θ
co2
与θ
so2
分别表示第二土壤水势下对应土壤组分的调整系数，θ2表示第二土壤水势下的土壤湿度值；θ
s3
、θ
c3
、θ
o3
、θ
sc3
、θ
co3
与θ
so3
分别表示第三土壤水势下对应土壤组分的调整系数，θ3表示第三土壤水势下的土壤湿度值。
16.进一步地，构建公式(4)作为土壤容重的计算公式：
17.ρb＝(αf
t2
+βf
t
+γfb+θws+k1)p
ꢀꢀ
(4)
18.其中，f
t
表示田间持水量，α和β表示田间持水量的计算系数，γ为表示土壤饱和含水量的计算系数，θ为沙含量的计算系数，k1为调整系数，p为土壤的疏松度的计算系数。
19.进一步地，构建公式(5)作为土壤渗透速度v的计算公式：
[0020][0021]
其中，p为土壤的疏松度的计算系数，f
t
表示田间持水量，β为田间持水量的计算系数，为土壤容重的计算系数，k2为调整系数。
[0022]
进一步地，按照公式(6)和(7)计算所述灌溉用水量：
[0023][0024]ii
＝shρb(p
t-pc)
ꢀꢀ
(7)
[0025]
其中，i0为灌溉用水量，ii表示第i层土壤灌溉用水量，s为第i层土壤所需灌溉的面积，h为当第i层土壤的深度，ρb为当前土壤的土壤容重，p
t
为土壤目标湿度，pc为当前土壤墒情含水量。
[0026]
进一步地，按照公式(8)计算灌溉时长t：
[0027][0028]
其中，i0为灌溉用水量，q为灌溉设备的流量。
[0029]
进一步地，按照公式(9)计算灌溉强度i：
[0030]
i＝λ*i0/v
ꢀꢀ
(9)
[0031]
其中，λ表示灌溉强度系数，i0为灌溉用水量，v为土壤渗透速度。
[0032]
进一步地，按照公式(10)计算灌溉深度d：
[0033][0034]
其中，v为土壤渗透速度，t为灌溉时长，pc为当前土壤墒情含水量，fb为饱和含水量。
[0035]
另一方面，本发明还提供一种适用于嵌入式设备的灌溉用水量精准计算装置，包括：
[0036]
一级变量模块，用于设置一级变量，所述一级变量是指用于表现土壤基本理化性质的参数，所述一级变量包括土壤的沙含量、黏土含量、有机质含量与疏松度；
[0037]
二级变量模块，用于根据所述一级变量计算得到二级变量，所述二级变量是指用于反映土壤水分特征的参数；所述二级变量包括作物萎蔫点、田间持水量、土壤容重与土壤渗透速度；
[0038]
三级变量模块，用于根据给定灌溉设备的额定技术参数和所述二级变量计算得到三级变量，所述三级变量是指用于表征灌溉程度的参数；所述三级变量包括灌溉用水量、灌溉时长、灌溉强度与灌溉深度；
[0039]
控制参数生成模块，用于根据所述三级变量生成灌溉设备的控制参数，所述灌溉设备的控制参数用于控制水泵的开启与关闭，电磁阀的开启与关闭，变频器的功率以及开启与关闭。
[0040]
本发明的有益效果：
[0041]
(1)传统方式中仅以墒情传感器数值作为计算灌溉用水量的标准，未考虑到不同土质对萎蔫点、田间持水量、土壤蓄水能力的巨大区别，本发明根据不同土质，对于灌溉用水量进行了更深入的建模，从而计算得到适合各种土质的灌溉用水量，灌溉用水量可较传统方法节约20％。
[0042]
(2)本发明能够生成适合灌溉设备执行的控制指令，适合嵌入至灌溉控制系统中。
附图说明
[0043]
图1为本发明实施例提供的一种适用于嵌入式设备的灌溉用水量精准计算方法的流程示意图；
[0044]
图2为本发明实施例提供的一种适用于嵌入式设备的灌溉用水量精准计算装置的结构示意图；
[0045]
图3为本发明实施例提供的一种适用于嵌入式设备的灌溉用水量精准计算装置的工作流程示意图。
具体实施方式
[0046]
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0047]
实施例1
[0048]
如图1所示，本发明实施例提供一种适用于嵌入式设备的灌溉用水量精准计算方法，包括：
[0049]
s101：设置一级变量，所述一级变量是指用于表现土壤基本理化性质的参数，所述一级变量包括土壤的沙含量、黏土含量、有机质含量与疏松度；
[0050]
具体地，沙含量、黏土含量、有机质含量均为质量含量百分数，疏松度标准状态为耕前状态，标准值记为1。其中疏松度与土壤质地无关，仅与土壤疏松、压实程度有关，影响疏松度参数的因素主要包括：耕地、降雨、碾压等。
[0051]
一级变量的获取主要依靠使用者的输入，如输入土壤中沙质量含量百分数，黏土质量含量百分数，有机质质量含量百分数与疏松度系数。
[0052]
此外，为方便使用者进行更快速、更准确的输入土壤组分，在实际应用中，可以在应用层构建数据预制模型，将不同土质土壤组分进行细化，预制土壤模型中包含但不限于如下土壤质地：沙土、黏土、壤土、粘壤土、沙壤土、砂质黏土、淤泥、含沙淤泥等质地，并列出不同土质中组分含量高低的表现形式，供使用者进行土壤组分的微调。
[0053]
使用者可以通过经验、筛土、实验室分析等不同的方法确定土壤中各组分所占含量。或通过预制土壤模型快速输入对应组分，然后根据所列土壤调整不同土壤组分含量表现形式的大小，微调当前组分的含量情况，使各组分比例在未经实验室测量的情况下，与真实值一致性较高。
[0054]
本步骤使用不同组分配比的方式，能较大幅度的减小各组分输入偏差造成的结果偏差，确保后续变量的计算过程的准确性。
[0055]
s102：根据所述一级变量计算得到二级变量，所述二级变量是指用于反映土壤水分特征的参数；所述二级变量包括作物萎蔫点、田间持水量、土壤容重与土壤渗透速度；
[0056]
具体地，在建立二级变量计算模型前，使用土壤水势传感器测量不同土壤湿度对水势的影响，收集构建模型所需要的具体特征数据。根据土壤水势划定小于10kpa为饱和含水量水质，30kpa为田间持水量水势，1500kpa永久萎蔫点水势。根据土壤中不同土质含量，构建不同土质在饱和含水量、田间持水量和永久萎蔫点时的土壤质量含水量百分比。其中土壤组分以沙、黏土、有机质三组分为基础。
[0057]
作为一种可实施方式，构建公式(1)作为作物萎蔫点f
l
的计算公式：
[0058]fl
＝θ
s1ws
+θ
c1
wc+θ
o1
wo+θ
sc1ws
wc+θ
co1
wcwo+θ
so1ws
wo+θ1ꢀꢀ
(1)
[0059]
其中，ws、wc与wo分别表示土壤的沙含量、黏土含量与有机质含量；θ
s1
、θ
c1
、θ
o1
、θ
sc1
、θ
co1
与θ
so1
分别表示第一土壤水势下对应土壤组分的调整系数，θ1表示第一土壤水势下的土壤湿度值。本发明实施例中，第一土壤水势为1500kpa。
[0060]
构建公式(2)作为田间持水量f
t
的计算公式：
[0061]ft
＝θ
s2ws
+θ
c2
wc+θ
o2
wo+θ
sc2ws
wc+θ
co2
wcwo+θ
so2ws
wo+θ2ꢀꢀ
(2)
[0062]
其中，ws、wc与wo分别表示土壤的沙含量、黏土含量与有机质含量；θ
s2
、θ
c2
、θ
o2
、θ
sc2
、θ
co2
与θ
so2
分别表示第二土壤水势下对应土壤组分的调整系数，θ2表示第二土壤水势下的土壤湿度值。本发明实施例中，第二土壤水势为30kpa。
[0063]
构建公式(3)作为土壤饱和含水量fb的计算公式：
[0064]
fb＝θ
s3ws
+θ
c3
wc+θ
o3
wo+θ
sc3ws
wc+θ
co3
wcwo+θ
so3ws
wo+θ3ꢀꢀ
(3)
[0065]
其中，ws、wc与wo分别表示土壤的沙含量、黏土含量与有机质含量；θ
s3
、θ
c3
、θ
o3
、θ
sc3
、θ
co3
与θ
so3
分别表示第三土壤水势下对应土壤组分的调整系数，θ3表示第三土壤水势下的土壤湿度值。本发明实施例中，第三土壤水势为10kpa。
[0066]
构建公式(4)作为土壤容重的计算公式：
[0067]
ρb＝(αf
t2
+βf
t
+γfb+θws+k1)p
ꢀꢀ
(4)
[0068]
其中，f
t
表示田间持水量，α和β表示田间持水量的计算系数，γ为表示土壤饱和含水量的计算系数，θ为沙含量的计算系数，k1为调整系数，p为土壤的疏松度的计算系数。
[0069]
构建公式(5)作为土壤渗透速度v的计算公式：
[0070][0071]
其中，p为土壤的疏松度的计算系数，f
t
表示田间持水量，β为田间持水量的计算系数，为土壤容重的计算系数，k2为调整系数。
[0072]
s103：确定灌溉设备，并根据所述灌溉设备的额定技术参数和所述二级变量计算得到三级变量，所述三级变量是指用于表征灌溉程度的参数；所述三级变量包括灌溉用水量、灌溉时长、灌溉强度与灌溉深度；
[0073]
具体地，按照公式(6)和(7)计算所述灌溉用水量：
[0074][0075]ii
＝shρb(p
t-pc)
ꢀꢀ
(7)
[0076]
其中，i0为灌溉用水量，ii表示第i层土壤灌溉用水量，s为第i层土壤所需灌溉的面积，h为当第i层土壤的深度，ρb为当前土壤的土壤容重，p
t
为土壤目标湿度，pc为当前土壤墒情含水量，可以通过传感器采集得到。
[0077]
此外，土壤目标湿度主要来源依据为节水灌溉国标、地标等相关标准，或根据作物生长最适值进行确定，若土壤目标湿度为土壤相对含水量，使用如下公式进行换算：
[0078]
p
t
＝fbr
t
[0079]
上式中，fb为饱和含水量，r
t
为相对含水量的推荐值。
[0080]
按照公式(8)计算灌溉时长t：
[0081][0082]
其中，i0为灌溉用水量，q为灌溉设备的流量。
[0083]
按照公式(9)计算灌溉强度i，也称最佳灌溉流速：
[0084]
i＝λ*i0/v
ꢀꢀ
(9)
[0085]
其中，λ表示灌溉强度系数，i0为灌溉用水量，v为土壤渗透速度。
[0086]
具体地，灌溉强度i主要指示灌溉时灌溉流速的大小，若流速过大则容易产生地表径流，无法起到节水灌溉的效果；若灌溉时流量过小，则灌溉时间过长，影响灌溉效率。本发明实施例中，一般选择λ的取值范围为1.2-1.5。
[0087]
按照公式(10)计算灌溉深度d：
[0088][0089]
其中，v为土壤渗透速度，t为灌溉时长，pc为当前土壤墒情含水量，fb为饱和含水量。
[0090]
本发明提供的灌溉用水量精准计算方法，根据土壤组分与用水量关系进行建模，构建不同组分对土壤灌溉用水量影响的模型，大幅提升了对灌溉用水量的计算精度。
[0091]
需要说明的是，本发明提供的方法仅对当前土壤墒情下的灌溉量等参数进行计算，不考虑未来降雨量等外部数据。
[0092]
实施例2
[0093]
在上述实施例的基础上，如图1所示，为了更进一步地实现灌溉作业的智能化运
行，本发明实施例还包括步骤s104：
[0094]
s104：根据所述三级变量生成四级变量，所述四级变量是指灌溉设备的控制参数，所述灌溉设备的控制参数用于控制水泵的开启与关闭，电磁阀的开启与关闭，变频器的功率以及开启与关闭。
[0095]
具体地，水泵一般为直控式水泵和变频器控制水泵，根据灌溉作业的地块大小、土壤类型的不同，系统根据控制参数操作水泵、变频器、电磁阀等设备的开启或关闭，实现灌溉作业的智能化运行。
[0096]
实施例3
[0097]
如图2所示，本发明实施例提供一种适用于嵌入式设备的灌溉用水量精准计算装置，包括：一级变量模块、二级变量模块、三级变量模块和四级变量模块；
[0098]
其中，一级变量模块用于设置一级变量，所述一级变量是指用于表现土壤基本理化性质的参数，所述一级变量包括土壤的沙含量、黏土含量、有机质含量与疏松度。二级变量模块用于根据所述一级变量计算得到二级变量，所述二级变量是指用于反映土壤水分特征的参数；所述二级变量包括作物萎蔫点、田间持水量、土壤容重与土壤渗透速度。三级变量模块用于根据给定灌溉设备的额定技术参数和所述二级变量计算得到三级变量，所述三级变量是指用于表征灌溉程度的参数；所述三级变量包括灌溉用水量、灌溉时长、灌溉强度与灌溉深度。四级变量模块用于根据所述三级变量生成四级变量，所述四级变量是指灌溉设备的控制参数，所述灌溉设备的控制参数用于控制水泵的开启与关闭，电磁阀的开启与关闭，变频器的功率以及开启与关闭。
[0099]
具体地，在装置运行后，首先根据土壤组分信息计算土壤容重等二级变量，计算过后的二级变量存储在装置内，土壤组分参数未更改可直接使用。如图3所示，每次开始灌溉作业时，该装置通过当前土壤墒情传感器的数值，结合二级变量，生成具有指导意义的三级变量。三级变量属于目标变量，主要指示系统灌溉目标，无法直接操作灌溉设备，因此在三级变量的基础上，结合使用者数据的信息(包括地块信息与灌溉设备参数信息)生成可操作灌溉设备的四级变量，然后通过监测装置状态是否达到四级变量参数值来判断是否结束灌溉作业。
[0100]
需要说明的是，本发明实施例提供的适用于嵌入式设备的灌溉用水量精准计算装置，是为了实现上述方法实施例的，其功能具体可参考上述方法实施例，此处不再赘述。
[0101]
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。