基于干深-時域控制的智能節水灌溉系統及其方法技術方案

本發明專利技術涉及一種農業灌溉系統，尤其涉及一種基于干深?時域控制的智能節水灌溉系統及其方法，通過干深度控制、時域控制的結合，形成了干深?時域控制的灌溉新方法，易于控制土壤的干濕狀態，且使用方便、成本低；能夠合理控制灌溉時間及灌溉水量，可有效防止植物、作物及果樹的爛根和病蟲害；無需布置系統間的信號線，通過針對各個子系統設定不同的閾值，即可方便實現若干個灌溉系統的輪灌；能夠結合人的經驗和專家的灌溉知識進行調虧灌溉，能夠智能化、精準化，更加節水，使灌溉更加科學化，從而實現作物、果樹等的優質增產。

Dry deep intelligent water saving irrigation system and method based on time domain control

The invention relates to an agricultural irrigation system, in particular to a deep horizon control based on intelligent water saving irrigation system and method, through depth control, combined with time domain control, the formation of new dry method in time domain control irrigation deep, easy to dry and wet state control of the soil, and is convenient to use and low cost; can reasonable control of irrigation time and irrigation water, can effectively prevent the plant, crop and fruit rot and insect pests; no signal lines arranged between systems, by setting different thresholds for each subsystem, to achieve a number of irrigation system irrigation convenient; can combine human experience and expert knowledge transfer irrigation deficit irrigation, which can realize intelligent and accurate, more water, irrigation is more scientific, so as to achieve the quality of crop production and fruit trees.

【技術實現步驟摘要】
基于干深-時域控制的智能節水灌溉系統及其方法
本專利技術涉及一種農業灌溉系統，尤其涉及一種基于干深-時域控制的智能節水灌溉系統及其方法。
技術介紹
我國是世界上13個最缺水的國家之一，水資源總量約為28100億立方米，僅占世界總量的6％，人均水資源量約2200立方米，僅為世界平均值的1/4，而且水資源的時空分布極為不勻。作為用水大戶的農業，其用水量占到總水量的62％，但用水效率極低，僅為0.48，與發達國家0.7-0.8的用水效率有著較大的差距。現有植物灌溉方法，從用管送水灌溉角度上講，通常采用兩種方法灌溉：一種是人工拿著水管接通水源對植物實施灌溉；另一種是用水管接上水源通過灌溉噴頭、滴頭等對植物進行節水灌溉。前一種灌溉方法非常麻煩是明顯的，而后一種灌溉又分為工人控制灌溉和自動控制灌溉。目前工人控制灌溉用的比較多，需要人打理，且由于人為因素往往影響節水灌溉效果，因而自動化、智能化灌溉是現代農業、園林節水灌溉主要的發展方向。早在2001年，申請人針對植物灌溉，提出了利用太陽能為動力，對植物澆水進行自動灌溉，專利技術了植物澆水太陽能自動控制器(ZL01266948.2)和植物澆水用全自動控制器(ZL01266763.3)，利用太陽能為動力，借助小功率的太陽能面板，解決了自動控制的灌溉需外加市電的問題，隨后，不少學者和研究者也相繼進行了相關的研究。然而，現有自動控制灌溉技術，包括申請者過去的專利技術，長期以來存在難以解決的問題：(1)采用濕度傳感器進行以濕度控制為主的灌溉難以全面地反映土壤的濕度狀況并且科學合理性和經濟性差。①由于土壤濕度的分布的不均勻性，這種濕度的不均勻性不僅表現為二維平面的不均勻性，而且表現在三維土壤深度的不均勻性，因而對濕度的采集往往很難有代表性，如果在大面積土壤范圍內和不同深度范圍內，大量采用多點濕度檢測，將大大增加灌溉成本，也不利于灌溉植物的松土、栽培等打理，這無疑不現實；②不同的植物在不同的生長期對土壤濕度要求也是不一樣的，而且恒定的土壤濕度也未必對植物有利；③由于野外土壤環境對濕度傳感器性能要求較高，因而目前普遍使用的傳感器價格也很昂貴，也使灌溉成本大大增加。這樣，單純用濕度控制灌溉既不科學合理也不經濟。(2)濕度傳感器進行以濕度控制為主的灌溉往往不一定節水。這是因為：一方面，為了防止植物、作物的旱死，通常將濕度傳感器淺埋，而淺埋的往往會導致頻繁的灌溉，這是因為土壤沒有灌溉透，灌溉的水大部分保持在土壤的表層，因而土壤表層容易干而啟動灌溉，同時一旦灌溉后土壤表面干燥層淺又很容易濕，則灌溉又會很快停止，造成土壤表層含水量較少易于干燥，尤其是在日光強度大、氣溫高、地勢較高或者風力大、氣候干燥的情況下，由于土壤的保水性差，水分是容易揮發喪失的，例如，在炎熱的夏季土壤施以噴灌，實驗表明，如果土壤表面僅噴灑少量的水，由于高溫效應，水分很快就被蒸發而導致土壤很快干燥，然后反復噴灑，水分反復蒸發喪失，表面上看每一次灌溉的用水量少了，似乎節了水，但是由于灌溉的頻繁進行，又會導致水的浪費，則達不到節水效果；另一方面，為了防止頻繁的灌溉，則需要把濕度傳感器深埋，而深埋又可能導致土壤久旱才灌溉，一旦深埋深度掌握不好，還可能導致植物、作物旱死，同時由于土壤和植物及作物的多樣性、復雜性，土壤表面的水滲透到深埋的傳感器往往需要較長的時間，其結果導致土壤層上面的水多、下面的水少，雖然土壤深層的含水率合理，可是土壤表層的含水率過多而又浪費水。(3)采用濕度傳感器進行以濕度控制為主的灌溉，在實施輪灌時，使用起來不方便，這具體表現在：①往往需要通過一臺控制器控制多個電磁閥，這勢必給埋布線帶來諸多不便，例如電磁閥之間的距離太遠，或者有道路、溝道、水泥板、石頭塊等障礙等，在這些場合都不方便拉線連接電磁閥，并且還會增加工程造價成本，而如果把電磁閥進行短距離地集中控制，則又可能導致分管路線過長，增加成本，同時分管口徑小，致使水壓損失大，造成能源浪費；②如果采用傳統的單純濕度控制器控制來分別一個一個地控制每個電磁閥來實施輪灌，由于濕度傳感器則需要給每個控制器設置不同的濕度閾值，這就意味為了實現輪灌而人為造成每個輪灌區的灌水量和濕度不一樣，也不管植物、作物的實際用水的需求，尤其是對大片相同的植物、作物，這樣的灌溉方式顯然不夠科學。(4)采用定時灌溉，把時間作為一種等周期的變化規律來處理(如采用周期性定時灌溉)，顯然，這種灌溉比較粗放和不夠科學。一方面，這種灌溉模式過于固定，不能滿足植物、作物在不同生長期對水需求變化的要求，另一方面，往往在陰天或下雨天不需要灌溉時，會發生錯誤地灌溉而浪費水資源。(5)采用雨量傳感器與定時相結合的灌溉，通過雨量傳感器判斷天晴和下雨，來分別執行預先編好灌溉程序，固然比定時灌溉先進，但是，由于雨后的氣候的變化的不確定性，例如，雨后可能是陰天，也可能是晴天，還可能是半陰半晴，即便是純粹的陰天和晴天，日照的強度和時間，以及風力大小、大氣的壓力與干濕程度，還有環境溫度的高低、地勢的高低、光線的遮擋、植物各個生長期對水的吸收與蒸發等都會影響土壤的濕度。因此，這種預先編好灌溉程序式的灌溉，不能適應各種環境和土壤以及植物、作物生長變化而帶來的變化，難以適應現代農業與園林智能精準節水灌溉的要求。(6)沒有引入干深度的概念(即土壤干燥層的深度)，難以控制三維土壤的干濕狀態，僅僅是考慮對土壤某點濕度參數或土壤含水率的閾值控制。實事上，還應有個深度的概念，即應考慮不同特點的植物、作物在不同生長期對土壤干有多深、濕有多透的要求，尤其是對干有多深和多久，沒有結合土壤深度的概念提出一個控制閾值，因而更談不上根據不同特點的植物、作物在不同生長期并結合人的經驗和專家的灌溉知識進行科學地節水灌溉。(7)沒引入時域的概念，沒有考慮灌溉的時域性，即沒有把時間作為一個基本變量范圍來考慮，也沒有針對不同特點的植物、作物在不同生長期的水分脅迫(缺水)時間與灌溉時間的長短進行同時考慮，僅僅控制土壤的含水率的上下限值，以致土壤適度干的時間不夠充分，或者因為單純濕度控制灌溉的土壤能夠得到即時的灌溉，而使土壤長期保持在變化不大的較為恒定的濕度范圍，造成植物、作物的爛根和病蟲害以及難以充分達到調虧灌溉的節水、優質、增產等效果，或者因濕度(水分)傳感器采集點包括深度不能準確代表三維土壤的濕度狀況，灌溉時間不夠而不能濕透，或者土壤干得不夠就開始灌溉。
技術實現思路
本專利技術的第一個目的在于針對現有技術中的不足提供一種基于干深-時域控制的智能節水灌溉系統。本專利技術的另一個目的在于針對現有技術中的不足提供一種基于干深-時域控制的智能節水灌溉方法。本專利技術的第一個目的通過以下技術方案實現：一種基于干深-時域控制的智能節水灌溉系統，包括用于控制進水與出水的執行器，用于對執行器的啟停進行控制的控制模塊，以及用于為控制模塊及執行器提供電能的電源模塊，所述控制模塊分別與執行器、電源模塊電連接，還包括：干深度檢測模塊，與所述控制模塊電連接，用于實時采集植物、作物不同根區的土壤干深度，并將采集的干深度值傳送至控制模塊；所述干深度檢測模塊與控制模塊電聯接，帶有一個干濕探頭，用于實時地采集植物、作物不同根區的土壤干深度，該干深度是指灌溉土壤從表面到里面干的深度，即灌溉土壤從干燥土壤本文檔來自技高網...

【技術保護點】
基于干深?時域控制的智能節水灌溉系統，包括用于控制進水與出水的執行器，用于對執行器的啟停進行控制的控制模塊，以及用于為控制模塊及執行器提供電能的電源模塊，所述控制模塊分別與執行器、電源模塊電連接，其特征在于，還包括：干深度檢測模塊，與所述控制模塊電連接，用于實時采集植物、作物不同根區的土壤干深度，并將采集的干深度值傳送至控制模塊；時域輸入模塊，與所述控制模塊電連接，用于水分脅迫時間及灌溉延時時間的設置；所述控制模塊根據干深度檢測模塊采集的干深度值及時域輸入模塊設置的水分脅迫時間與灌溉延時時間，進行時序控制和邏輯運算，當干深度值達到所設定的干深度最大閥值，并達到時域輸入模塊所設置的水分脅迫時間與灌溉延時時間時，發出信號指令控制灌溉系統的執行器啟動和停止。

【技術特征摘要】
1.基于干深-時域控制的智能節水灌溉系統，包括用于控制進水與出水的執行器，用于對執行器的啟停進行控制的控制模塊，以及用于為控制模塊及執行器提供電能的電源模塊，所述控制模塊分別與執行器、電源模塊電連接，其特征在于，還包括：干深度檢測模塊，與所述控制模塊電連接，用于實時采集植物、作物不同根區的土壤干深度，并將采集的干深度值傳送至控制模塊；時域輸入模塊，與所述控制模塊電連接，用于水分脅迫時間及灌溉延時時間的設置；所述控制模塊根據干深度檢測模塊采集的干深度值及時域輸入模塊設置的水分脅迫時間與灌溉延時時間，進行時序控制和邏輯運算，當干深度值達到所設定的干深度最大閥值，并達到時域輸入模塊所設置的水分脅迫時間與灌溉延時時間時，發出信號指令控制灌溉系統的執行器啟動和停止。2.根據權利要求1所述的基于干深-時域控制的智能節水灌溉系統，其特征在于，所述干深度為干燥土壤表面至土壤里層干濕分界面的距離。3.根據權利要求1所述的基于干深-時域控制的智能節水灌溉系統，其特征在于，所述干深度檢測模塊包括用于通過測試土壤電阻的變化而獲得電平信號來判斷干深度值變化的干濕探頭，所述干濕探頭包括兩個上下設置的干濕探測電極，實際使用過程中，所述兩個干濕探測電極分別放置在設定深度的灌溉土壤中，所述上方的干濕探測電極的底表面與干燥土壤表面的距離為干深度最大閥值。4.根據權利要求1所述的基于干深-時域控制的智能節水灌溉系統，其特征在于，所述灌溉延時時間為灌溉后干深度值為零時開始計時到灌溉停止的時間。5.根據權利要求4所述的基于干深-時域控制的智能節水灌溉系統，其特征在于，當土壤里層干濕分界面與上方的干濕...

【專利技術屬性】
技術研發人員：劉曉初，
申請(專利權)人：廣州大學，
類型：發明
國別省市：廣東,44