CN101849495A - 无线监测土壤水分的最佳节水灌溉方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种无线监测土壤水分的最佳节水灌溉方法，设置一中央控制单元，并在灌溉地设置有无线监测终端和无线执行终端与中央控制单元进行网上通讯；无线监测终端设置有土壤水分传感器，土壤养分传感器，传感器将当前土壤的湿度、养分数据，传输给中央控制单元，中央控制单元根据当前土壤的情况，发出供水、加养分的指令给无线执行终端，无线执行终端根据指令确定供水多少并实施供水，整个过程都是自动进行的，不但节约了大量人力，特别是节约了大量的水资源。

Description

无线监测土壤水分的最佳节水灌溉方法

技术领域

本发明涉及农田、园林、无土栽培的自动灌溉，特别是通过传感器采集土壤水分、养分，用无线传输技术，实施自动灌溉的方法。

背景技术

中国是一个干旱缺水严重的国家。淡水资源总量为28000亿立方米，占全球水资源的6％，仅次于巴西、俄罗斯和加拿大，居世界第四位，但人均只有2200立方米，仅为世界平均水平的1/4、美国的1/5，在世界上名列121位，是全球13个人均水资源最贫乏的国家之一。

扣除难以利用的洪水和散布在偏远地区的地下水资源后，中国现实可利用的淡水资源量则更少，仅为11000亿立方米左右，人均可利用水资源量约为900立方米，并且其分布极不均衡。到20世纪末，全国600多座城市中，已有400多个城市存在供水不足问题，其中比较严重的缺水城市达110个，全国城市缺水总量为60亿立方米。

就生产用水来说，在宁夏的一些地方，每亩水稻一年大约需要浇2000多立方米水，一亩小麦得1200多立方米水。中国农村普遍的水资源利用率只有40％左右。在宁夏，每公斤大米耗水超过两吨。大水漫灌如果真的对庄稼有好处，倒也罢了，但事实上这种做法是引起土地盐碱化的最根本原因。

因此，如何发展节水灌溉，推广节水农业、林业等，对实现水资源可持续利用和农业、林业可持续发展意义重大。我国农业用水占有量很大，占全国总用水量的70％左右，但灌溉用水量仍严重不足，所以，在农业灌溉中，应充分利用电子技术，进行土壤水分及环境的监测，进行软件的优化配置，达到最佳的节水灌溉的目的。

节约用水，刻不容缓，这是利国利民利后代的大事。

发明内容

本发明提供一种无线监测土壤水分的最佳节水灌溉方法，设置一中央控制单元，并在灌溉地设置有无线监测终端、无线执行终端与中央控制单元进行网上通讯；该方法步骤如下：

(1)中央控制单元向当前地块号所属的无线监测终端发出监测请求；

(2)当前地块号所属无线监测终端向中央控制单元发出适时的土壤温湿度、养分，空气温湿度数据；

(3)中央控制单元将上述数据进行模糊化处理，形成模糊化输入数据；

(4)中央控制单元将模糊化输入数据制成模糊判决表，得到模糊输出参数；

(5)中央控制单元将模糊输出参数，转变为供水，供土壤养分的开关时间；

(6)中央控制单元向当前地块号所属的无线执行终端，发出控制指令；

(7)无线执行终端根据中央控制单元的指令，设定供水、供土壤养分的开关时间定时器；

(8)无线执行终端根据开关时间定时器启动供水、供土壤养分的电磁阀开关，开始供水、供土壤养分；

(9)更改地块号；

(10)返回至(1)。

所述无线监测终端，是在若干灌溉地分别埋设多个空气温湿度传感器、土壤水份传感器、土壤氮含量传感器分别与微处理器芯片连接，微处理器芯片与无线传输模块连接。

所述无线执行终端，是在若干灌溉地分别设置有供水、供土壤养分的容器，容器通过电磁阀开关，另设有微处理器和无线传输模块，微处理器控制驱动电路启动电磁阀打开供水、供土壤养分的容器，并控制定时器控制开关时间。

所述中央控制单元，设置有工业计算机和无线传输模块，与所有无线监测终端通讯，收、发数据。

所述模糊化处理，是对监测终端的数据加权平均处理后，与设定值比较的差值分为若干级，分别定义为：正好、较差、差、太差；与其相对应，控制供水或供土壤养分应是：不供、供少一点、供多一点、再供多一点，即制成模糊判决表。

本发明的有益功效在于，主要应用于农、林、无土栽培、园林、城市绿化带等行业对土壤灌溉远程监测、节水灌溉。对大规模农田灌溉，不但可以节约大量劳动力，特别能够节约大量的水资金源泉。

附图说明

附图1是本发明电气方框图。

附图2是本发明流程图。

附图3是对一块玉米地灌溉的电气方框图。

具体实施方式

请参阅附图1和图2所示，本发明在灌溉地，设置有多个无线监测络端2、3、4、5，多个无线执行终端1、2以及一个中央控制单元1；

由无线监测终端的传感器对各种土质的土壤进行周期性的监测，快速、准确地检测出土壤的容积含水量，并计算出土壤水分的数值，相关的传感器也可对土壤养分进行检测，得出氮、磷、钾、有机质和酸碱度、盐量以及腐殖酸的含量。中央控制单元配套的软件可根据需要灵活设定参数的采样周期和存储周期，并且采用模糊控制的原理，根据土壤成分，农作物的不同，利用数据库里的最佳土壤水分标准值，设置最佳节水灌溉方式。无线执行终端则通过控制电磁阀的方法来控制供水阀门，实现自动化的灌溉。各个终端的供电为太阳能供电，并备用后备蓄电电池，保证***在阴雨天气中仍可正常工作。整个***建立在2.4G短距离无线通信网络下，能够适应各种不易布线的环境下。

主机可实时同步监测多块土壤参数数值，进行数据处理，提供不同农作物在各种土壤生长的最佳参数数据库，并有数据存储、分析、报表、曲线、历史查询等功能，采用模糊控制方法自动配置最佳节水灌溉方案，进行节水灌溉。

本发明采用内置MCU的ZigBee收发器，支持标准802.15.4及内置MCU的收发模块，这些芯片及模块型号：

美国EMBER，               EM250/EM260，

飞思卡尔半导体            MC13212/MC13213

英国jennic公司            JN5139

日本冲电气工业            ML7222

韩国RadioPulse公司        MG-2450/MG-2455

德州仪器                  CC2430/CC2431

DG公司                    XBEE

利用2.4G短距离无线通信把采集的信息反馈到中央控制单元，由中央控制单元判断选择最优的策略，来自动控制供水和供肥的执行单元，达到对种植园自动化管理。

无线监测终端之间、无线监测终端和中央控制单元之间、以及中央控制单元和无线执行终端之间全部通过2.4G短距离无线通信网络连接；

无线节点微处理器和无线传输模块采用内置MCU的ZigBee收发器实现，该收发器支持标准802.15.4，能够实现1000米以内的无线数据通信；中央控制单元软件的核心是模糊控制，它把从各个无线监控终端获得的温湿度和养分的具体数值，通过加权平均后，再进行模糊化的方法，取得模糊参数(如“土壤太湿”、“土壤湿”、“土壤较干”、“土壤干”、“土壤太干”等)；模糊判决表按照输入的模糊值，对应得到输出的模糊量(比如“放水多点”、“放水少点”、“放一点点水”等)；输出的模糊量再通过模糊反变换，转换成相关开关的时间，由此控制无线执行终端的放水或养分量的多少。

无线监控终端通过定时器方法，每隔一定时间(该参数可以通过中央控制单元设置)，对相连的传感器进行采样，并且通过平均值方法后得到相关的传感器数据；另外通过中断响应的方法，对中央控制单元的请求及时响应，把最新的传感器数据回传回去。无线执行终端则通过中断响应的方法，对中央控制单元的控制命令及时响应，利用得到的控制参数来修改内部定时器参数，并控制相关的电磁阀开启时间的长短，来控制放水或养分量的多少。

无线监测终端之间、无线监测终端和中央控制单元之间、以及中央控制单元和无线执行终端之间全部通过2.4G短距离无线通信网络连接。该网络为自组网方式，网络中心为中央控制单元，每次的呼叫发起全部由中央控制单元操纵的无线传输模块发起，按照网络消息的定义，只有相关的被叫无线模块才能发出响应，从而实现一点对多点的主从通信。该2.4G短距离无线通信网络采用国际标准的ZigBee技术，该技术有着完整的网络通信协议定义，其协议完全可以保证网络通信的正常运行。

下面以种植玉米地为例，详细说明如下：

在播种期如果土壤湿度低于15％，就会造成缺苗，如土壤湿度达到25％，属于最佳出苗湿度。把玉米监测地块的土壤湿度临界值设定为15％，最佳值设为25％。

请参阅附图3所示，在该地块合理位置布设3个无线监测终端2、3、4，一个无线执行终端6，每个监测终端连接一个FDR型土壤湿度传感器，监测终端以太阳能+蓄电池供电，以2.4G短距离无线信道(即Zigbee)做为通信链路，不需要再拉任何电源线和数据线。

在该地块的无线执行终端连接一个继电器式通用性电磁阀，直接安装到一个供水管的入口(就设置在水房处)，该部分以220V交流电经过开关电源供电，以2.4G短距离无线信道(即Zigbee)做为通信链路，不需要再拉数据线。

中央控制单元以220V交流电供电，也以2.4G无线信道(即Zigbee)做为通信链路，不需要再拉数据线。

在***布设好之后，设置各个无线监测终端、无线执行终端和中央控制单元之间的无线通信网络，因为通信节点比较少，直接设置成2级的树型结构：

运行时各个无线监测终端，每隔1分钟读一次FDR型土壤湿度传感器的值，保留在通信缓冲区中；中央控制单元每隔10分钟，通过2.4G无线信道(即Zigbee)分别向1号、2号到3号无线监测终端发出询问命令；各个无线监测终端收到该命令后，把已经放在通信缓冲区中的湿度传感器的值，通过2.4G无线信道(即Zigbee)返回到中央控制单元。

中央控制单元在收到无线监测终端传递的土壤湿度值后，通过加权平均的方法，得出该地块的综合湿度值，如果该湿度值小于25％，将启动模糊判决过程，把湿度差(即综合湿度值-25％)加5％的随机量，做成四级模糊输入量：0％认为“正好”，-5％认为“较干”，-10％认为“干”，-15％认为“太干”，再通过模糊判决表，得到输出的模糊量：“太干”时输出“放水多点”、“干”时“放水少点”、“较干”时“放一点点水”等，再把该模糊量改成具体的放水时间(加上-2到+2分钟的随机量)，比如“放水多点”的放水时间对应为6-10分钟，“放水少点”对应为2-6分钟，“放一点点水”对应为0-4分钟。

随后中央控制单元把放水时间通过2.4G无线信道(即Zigbee)发给无线执行终端，该终端将通过定时器的方法，开启电磁阀，也就是开启了供水管，给玉米地供水，当定时器设定时间到后，关闭电磁阀。

Claims (5)

1.一种无线监测土壤水分的最佳节水灌溉方法，设置一中央控制单元，并在灌溉地设置有无线监测终端、无线执行终端与中央控制单元进行网上通讯；该方法步骤如下：

(1)中央控制单元向当前地块号所属的无线监测终端发出监测请求；

(2)当前地块号所属无线监测终端向中央控制单元发出适时的土壤温湿度、养分，空气温湿度数据；

(3)中央控制单元将上述数据进行模糊化处理，形成模糊化输入数据；

(4)中央控制单元将模糊化输入数据制成模糊判决表，得到模糊输出参数；

(5)中央控制单元将模糊输出参数，转变为供水，供土壤养分的开关时间；

(6)中央控制单元向当前地块号所属的无线执行终端，发出控制指令；

(7)无线执行终端根据中央控制单元的指令，设定供水、供土壤养分的开关时间定时器；

(8)无线执行终端根据开关时间定时器启动供水、供土壤养分的电磁阀开关，开始供水、供土壤养分；

(9)更改地块号；

(10)返回至(1)。

2.按权利要求1所述的无线监测土壤水分的最佳节水灌溉方法，其特征在于，所述无线监测终端，是在若干灌溉地分别埋设多个空气温湿度传感器、土壤水份传感器、土壤氮含量传感器分别与微处理器芯片连接，微处理器芯片与无线传输模块连接。

3.按权利要求1所述的无线监测土壤水分的最佳节水灌溉方法，其特征在于，所述无线执行终端，是在若干灌溉地分别设置有供水、供土壤养分的容器，容器通过电磁阀开关，另设有微处理器和无线传输模块，微处理器控制驱动电路启动电磁阀打开供水、供土壤养分的容器，并控制定时器控制开关时间。

4.按权利要求1所述的无线监测土壤水分的最佳节水灌溉方法，其特征在于，所述中央控制单元，设置有工业计算机和无线传输模块，与所有无线监测终端通讯，收、发数据。

5.按权利要求1或4所述的无线监测土壤水分的最佳节水灌溉方法，其特征在于，所述模糊化处理，是对监测终端的数据加权平均处理后，与设定值比较的差值分为若干级，分别定义为：正好、较差、差、太差；与其相对应，控制供水或供土壤养分应是：不供、供少一点、供多一点、再供多一点，即制成模糊判决表。

Images