基于干深-时域控制的智能节水灌溉系统及其方法技术方案

本发明专利技术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，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；能够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；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；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。

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.

【技术实现步骤摘要】
基于干深-时域控制的智能节水灌溉系统及其方法
本专利技术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。
技术介绍
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，专利技术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。
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术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。本专利技术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本文档来自技高网...

【技术保护点】
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，其特征在于，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；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。

【技术特征摘要】
1.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，其特征在于，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；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。2.根据权利要求1所述的基于干深-时域控制的智能节水灌溉系统，其特征在于，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。3.根据权利要求1所述的基于干深-时域控制的智能节水灌溉系统，其特征在于，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。4.根据权利要求1所述的基于干深-时域控制的智能节水灌溉系统，其特征在于，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。5.根据权利要求4所述的基于干深-时域控制的智能节水灌溉系统，其特征在于，当土壤里层干湿分界面与上方的干湿...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘晓初，
申请(专利权)人：广州大学，
类型：发明
国别省市：广东,44