CN104663368A - 基于反馈控制的农田灌溉***及方法 - Google Patents

基于反馈控制的农田灌溉***及方法 Download PDF

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Abstract

一种基于反馈控制的农田灌溉***及方法，将作物种类、作物生长阶段划分、每一生长阶段时间T、每一生长阶段所需土壤墒情要求值X、每一生长阶段所需土壤墒情要求下限值Y以及每一生长阶段灌溉限额Z的参数存储至控制中心计算机；控制中心计算机计算出当前作物所处的生长阶段。土壤墒情传感器将农田土壤墒情信息进行收集并通过控制中心计算机将土壤墒情信息与气象信息进行分析判断后控制灌溉，农田可达到自动灌溉的目的。此设计方法实现简单高效，操作直观易懂，节水明显，相比粗放型灌溉可节水40%以上。并可做到真正意义上的少人值守甚至无人值守，大大节约了人工成本。

Description

基于反馈控制的农田灌溉***及方法
技术领域
本发明涉及农田水利信息技术领域，具体涉及一种基于反馈控制的农田灌溉***及方法。
背景技术
我国作为农业大国，农业用水量约占总用水量的80%左右，但是由于农业灌溉效率普遍低下，水资源的利用率仅为45%，而水资源利用率高的国家已达70%～80%，并且我国北方各省水资源严重缺乏，多年来使用传统方式为植株浇水不仅效率低、成本高而且浪费十分来重。因而，解决农业灌溉用水的问题，对于缓解水资源的紧缺是非常重要的。
由传统的充分灌溉向非充分灌溉发展，对灌区用水进行监测预报，实际动态管理。采用传感器来监测土壤的墒情，实现灌溉管理的自动化。高效农业和精细农业要求我们必须提高水资源的利用率。要真正实现水资源的高效，仅凭单项节水灌溉技术是不可能解决的。
发明内容
本发明为了克服以上技术的不足，提供了一种实现精准灌溉、提高水资源利用率的基于反馈控制的农田灌溉***及方法。
本发明克服其技术问题所采用的技术方案是：
本基于反馈控制的农田灌溉方法，包括以下步骤。
a)将作物种类、作物生长阶段划分、每一生长阶段时间T、每一生长阶段所需土壤墒情要求值X、每一生长阶段所需土壤墒情要求下限值Y以及每一生长阶段灌溉限额Z的参数存储至控制中心计算机；
b)进行播种，控制中心计算机以播种时间为起始时间点记录时间值T1，控制中心计算机将时间值T1与作物每一生长阶段时间T进行比较，按照作物生长阶段的划分计算得出当前作物所处的生长阶段；
c)控制中心计算机接受气象信息，得到未来n日有中到大雨或未来n日有小雨或未来n日无雨的气象信息值；
d)若未来n日有中到大雨，则控制中心计算机控制连接于浇灌水管的电磁阀关闭，不进行灌溉；
e)若未来n日有小雨，则土壤墒情传感器实时测量土壤墒情值X1，当实时测量的土壤墒情值X1小于该生长阶段所需土壤墒情要求下限值Y或大于该生长阶段所需土壤墒情要求下限值Y且小于该生长阶段所需土壤墒情要求值X时，控制中心计算机控制连接于浇灌水管的电磁阀开启，进行灌溉，直至X1大于等于该生长阶段所需土壤墒情要求值X且小于该生长阶段灌溉限额Z时，控制中心计算机控制电磁阀关闭，停止灌溉；当实时测量的土壤墒情值X1大于该生长阶段所需土壤墒情要求值X时，控制中心计算机控制电磁阀关闭，不进行灌溉。
f)若未来3日无雨，则土壤墒情传感器实时测量土壤墒情值X2，当实时测量的土壤墒情值X2小于该生长阶段所需土壤墒情要求下限值Y或大于该生长阶段所需土壤墒情要求下限值Y且小于该生长阶段所需土壤墒情要求值X时，控制中心计算机控制连接于浇灌水管的电磁阀开启，进行灌溉，直至X2大于等于该生长阶段所需土壤墒情要求值X且小于该生长阶段灌溉限额Z时，控制中心计算机控制电磁阀关闭，停止灌溉；当实时测量的土壤墒情值X2大于该生长阶段所需土壤墒情要求值X时，控制中心计算机控制电磁阀关闭，不进行灌溉。
g)控制中心计算机将时间值T1与n求和，得到时间值T2，控制中心计算机将时间值T2与作物每一生长阶段时间T进行比较，按照作物生长阶段的划分重新计算得出当前作物所处的生长阶段；
h)重复执行步骤c)至步骤g)。
上述步骤c)中n取值为3。
为了实现合理的施肥，追水，上述步骤a)中将每一阶段作物施肥要求值存储至控制中心计算机，控制中心计算机根据每一阶段作物施肥要求值判断步骤b)之前和/或步骤b)之后是否需要施肥，当需要施肥时，土壤墒情传感器实时测量土壤墒情值X3，当X3小于该段作物施肥要求值中的墒情值时，控制中心计算机控制连接于浇灌水管的电磁阀开启，进行灌溉，直至X3等于该长阶段所需土壤墒情要求值X的80%时，控制中心计算机控制连接于浇灌水管的电磁阀关闭，停止灌溉；当X3大于该阶段作物施肥要求值中的墒情值时，控制中心计算机控制连接于浇灌水管的电磁阀关闭，不进行灌溉。
为了实现远程控制，还包括利用远程控制计算机和/或移动智能设备通过GPRS、3G通信模块连接于控制中心计算机以获取土壤墒情传感器测量值并远程控制控制中心计算机的步骤。
本基于反馈控制的农田灌***，包括作物信息管理模块、环境信息管理模块以及智能灌溉模块；所述作物信息管理模块包括控制中心计算机，其存储作物种类、作物生长阶段划分、每一生长阶段时间、每一生长阶段所需土壤墒情要求值、每一生长阶段所需土壤墒情要求下限值以及每一生长阶段灌溉限额的参数；所述环境信息管理模块包括设置于农田中并通过GPRS、3G模块连接于控制中心计算机的土壤墒情传感器以及通过网络连接于控制中心计算机的气象信息数据中心；所述智能灌溉模块包括设置于浇灌水管上并通过GPRS、3G模块连接于控制中心计算机的电磁阀。
为了实现远程控制，还包括通过GPRS、3G模块连接于控制中心计算机的远程控制计算机。
为了实现远程控制，还包括通过GPRS、3G模块连接于控制中心计算机的移动智能设备。
本发明的有益效果是：对农田土壤墒情信息进行收集并通过控制中心计算机将土壤墒情信息与气象信息进行分析判断后控制灌溉，农田可达到自动灌溉的目的。此设计方法实现简单高效，操作直观易懂，节水明显，相比粗放型灌溉可节水40%以上。并可做到真正意义上的少人值守甚至无人值守，大大节约了人工成本。
附图说明
图1为本发明的***连接结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图1对本发明做进一步说明。
本基于反馈控制的农田灌溉方法，包括以下步骤。
a)将作物种类、作物生长阶段划分、每一生长阶段时间T、每一生长阶段所需土壤墒情要求值X、每一生长阶段所需土壤墒情要求下限值Y以及每一生长阶段灌溉限额Z的参数存储至控制中心计算机；
b)进行播种，控制中心计算机以播种时间为起始时间点记录时间值T1，控制中心计算机将时间值T1与作物每一生长阶段时间T进行比较，按照作物生长阶段的划分计算得出当前作物所处的生长阶段；
c)控制中心计算机接受气象信息，得到未来n日有中到大雨或未来n日有小雨或未来n日无雨的气象信息值；
d)若未来n日有中到大雨，则控制中心计算机控制连接于浇灌水管的电磁阀关闭，不进行灌溉；
e)若未来n日有小雨，则土壤墒情传感器实时测量土壤墒情值X1，当实时测量的土壤墒情值X1小于该生长阶段所需土壤墒情要求下限值Y或大于该生长阶段所需土壤墒情要求下限值Y且小于该生长阶段所需土壤墒情要求值X时，控制中心计算机控制连接于浇灌水管的电磁阀开启，进行灌溉，直至X1大于等于该生长阶段所需土壤墒情要求值X且小于该生长阶段灌溉限额Z时，控制中心计算机控制电磁阀关闭，停止灌溉；当实时测量的土壤墒情值X1大于该生长阶段所需土壤墒情要求值X时，控制中心计算机控制电磁阀关闭，不进行灌溉。
f)若未来3日无雨，则土壤墒情传感器实时测量土壤墒情值X2，当实时测量的土壤墒情值X2小于该生长阶段所需土壤墒情要求下限值Y或大于该生长阶段所需土壤墒情要求下限值Y且小于该生长阶段所需土壤墒情要求值X时，控制中心计算机控制连接于浇灌水管的电磁阀开启，进行灌溉，直至X2大于等于该生长阶段所需土壤墒情要求值X且小于该生长阶段灌溉限额Z时，控制中心计算机控制电磁阀关闭，停止灌溉；当实时测量的土壤墒情值X2大于该生长阶段所需土壤墒情要求值X时，控制中心计算机控制电磁阀关闭，不进行灌溉。
g)控制中心计算机将时间值T1与n求和，得到时间值T2，控制中心计算机将时间值T2与作物每一生长阶段时间T进行比较，按照作物生长阶段的划分重新计算得出当前作物所处的生长阶段；
h)重复执行步骤c)至步骤g)。
步骤c)中n取值为3。对于绝大多数的作物，一般在3天内判断气象信息是否降雨与土壤墒情值的比较即可满足控制精度，又能够确保不影响作物的生长。通过以上模型建设，农田可达到自动灌溉的目的。此设计方法实现简单高效，操作直观易懂，节水明显，相比粗放型灌溉可节水40%以上。并可做到真正意义上的少人值守甚至无人值守，大大节约了人工成本。
步骤a)中还可以将每一阶段作物施肥要求值存储至控制中心计算机，控制中心计算机根据每一阶段作物施肥要求值判断步骤b)之前和/或步骤b)之后是否需要施肥，当需要施肥时，土壤墒情传感器实时测量土壤墒情值X3，当X3小于该段作物施肥要求值中的墒情值时，控制中心计算机控制连接于浇灌水管的电磁阀开启，进行灌溉，直至X3等于该长阶段所需土壤墒情要求值X的80%时，控制中心计算机控制连接于浇灌水管的电磁阀关闭，停止灌溉；当X3大于该阶段作物施肥要求值中的墒情值时，控制中心计算机控制连接于浇灌水管的电磁阀关闭，不进行灌溉。因此实现了对作物施肥以及施肥过程中根据土壤墒情判断是否需要追水的目的，进一步提高了本基于反馈控制的农田灌溉方法的多功能性。
还可以包括利用远程控制计算机和/或移动智能设备通过GPRS、3G通信模块连接于控制中心计算机以获取土壤墒情传感器测量值并远程控制控制中心计算机的步骤。远程控制计算机以及移动智能设备可以通过GPRS、3G模块从控制中心计算机获取农田的墒情状态，同时可以远程控制控制中心计算机，实现电磁阀开启关闭，以实现远程控制农田灌溉，改变农田灌溉状态的目的。进一步确保了对农田墒情的可控性。
本发明还涉及一种基于反馈控制的农田灌***，包括作物信息管理模块、环境信息管理模块以及智能灌溉模块；所述作物信息管理模块包括控制中心计算机，其存储作物种类、作物生长阶段划分、每一生长阶段时间、每一生长阶段所需土壤墒情要求值、每一生长阶段所需土壤墒情要求下限值以及每一生长阶段灌溉限额的参数；所述环境信息管理模块包括设置于农田中并通过GPRS、3G模块连接于控制中心计算机的土壤墒情传感器以及通过网络连接于控制中心计算机的气象信息数据中心；所述智能灌溉模块包括设置于浇灌水管上并通过GPRS、3G模块连接于控制中心计算机的电磁阀。本发明还涉及一种基于反馈控制的农田灌***可以实现上述基于反馈控制的农田灌溉方法。三个模块的设计方式可大大扩展灌溉***的适应性，通过收集不同的作物生长信息和环境信息，结合合理配置灌溉限制条件，可达到简单配置即可适用大部分农田的效果，大大降低了人工成本和使用成本。并可通过物联技术实现嵌入式开发，技术扩展性强。
还可以包括通过GPRS、3G模块连接于控制中心计算机的远程控制计算机以及通过GPRS、3G模块连接于控制中心计算机的移动智能设备。远程控制计算机以及移动智能设备可以通过GPRS、3G模块从控制中心计算机获取农田的墒情状态，同时可以远程控制控制中心计算机，实现电磁阀开启关闭，以实现远程控制农田灌溉，改变农田灌溉状态的目的，节省人员成本，方便实用。

Claims (7)

1.一种基于反馈控制的农田灌溉方法，其特征在于：包括以下步骤：
a)将作物种类、作物生长阶段划分、每一生长阶段时间T、每一生长阶段所需土壤墒情要求值X、每一生长阶段所需土壤墒情要求下限值Y以及每一生长阶段灌溉限额Z的参数存储至控制中心计算机；
b)进行播种，控制中心计算机以播种时间为起始时间点记录时间值T1，控制中心计算机将时间值T1与作物每一生长阶段时间T进行比较，按照作物生长阶段的划分计算得出当前作物所处的生长阶段；
c)控制中心计算机接受气象信息，得到未来n日有中到大雨或未来n日有小雨或未来n日无雨的气象信息值；
d)若未来n日有中到大雨，则控制中心计算机控制连接于浇灌水管的电磁阀关闭，不进行灌溉；
e)若未来n日有小雨，则土壤墒情传感器实时测量土壤墒情值X1，当实时测量的土壤墒情值X1小于该生长阶段所需土壤墒情要求下限值Y或大于该生长阶段所需土壤墒情要求下限值Y且小于该生长阶段所需土壤墒情要求值X时，控制中心计算机控制连接于浇灌水管的电磁阀开启，进行灌溉，直至X1大于等于该生长阶段所需土壤墒情要求值X且小于该生长阶段灌溉限额Z时，控制中心计算机控制电磁阀关闭，停止灌溉；当实时测量的土壤墒情值X1大于该生长阶段所需土壤墒情要求值X时，控制中心计算机控制电磁阀关闭，不进行灌溉；
f)若未来3日无雨，则土壤墒情传感器实时测量土壤墒情值X2，当实时测量的土壤墒情值X2小于该生长阶段所需土壤墒情要求下限值Y或大于该生长阶段所需土壤墒情要求下限值Y且小于该生长阶段所需土壤墒情要求值X时，控制中心计算机控制连接于浇灌水管的电磁阀开启，进行灌溉，直至X2大于等于该生长阶段所需土壤墒情要求值X且小于该生长阶段灌溉限额Z时，控制中心计算机控制电磁阀关闭，停止灌溉；当实时测量的土壤墒情值X2大于该生长阶段所需土壤墒情要求值X时，控制中心计算机控制电磁阀关闭，不进行灌溉；
g)控制中心计算机将时间值T1与n求和，得到时间值T2，控制中心计算机将时间值T2与作物每一生长阶段时间T进行比较，按照作物生长阶段的划分重新计算得出当前作物所处的生长阶段；
h)重复执行步骤c)至步骤g)。
2.根据权利要求1所述的基于反馈控制的农田灌溉方法，其特征在于：所述步骤a)中将每一阶段作物施肥要求值存储至控制中心计算机，控制中心计算机根据每一阶段作物施肥要求值判断步骤b)之前和/或步骤b)之后是否需要施肥，当需要施肥时，土壤墒情传感器实时测量土壤墒情值X3，当X3小于该段作物施肥要求值中的墒情值时，控制中心计算机控制连接于浇灌水管的电磁阀开启，进行灌溉，直至X3等于该长阶段所需土壤墒情要求值X的80%时，控制中心计算机控制连接于浇灌水管的电磁阀关闭，停止灌溉；当X3大于该阶段作物施肥要求值中的墒情值时，控制中心计算机控制连接于浇灌水管的电磁阀关闭，不进行灌溉。
3.根据权利要求1所述的基于反馈控制的农田灌溉方法，其特征在于：所述步骤c)中n取值为3。
4.根据权利要求1或2所述的基于反馈控制的农田灌溉方法，其特征在于：还包括利用远程控制计算机和/或移动智能设备通过GPRS、3G通信模块连接于控制中心计算机以获取土壤墒情传感器测量值并远程控制控制中心计算机的步骤。
5.一种基于反馈控制的农田灌***，其特征在于：包括作物信息管理模块、环境信息管理模块以及智能灌溉模块；所述作物信息管理模块包括控制中心计算机，其存储作物种类、作物生长阶段划分、每一生长阶段时间、每一生长阶段所需土壤墒情要求值、每一生长阶段所需土壤墒情要求下限值以及每一生长阶段灌溉限额的参数；所述环境信息管理模块包括设置于农田中并通过GPRS、3G模块连接于控制中心计算机的土壤墒情传感器以及通过网络连接于控制中心计算机的气象信息数据中心；所述智能灌溉模块包括设置于浇灌水管上并通过GPRS、3G模块连接于控制中心计算机的电磁阀。
6.根据权利要求4所述的基于反馈控制的农田灌***，其特征在于：还包括通过GPRS、3G模块连接于控制中心计算机的远程控制计算机。
7.根据权利要求4或5所述的基于反馈控制的农田灌***，其特征在于：还包括通过GPRS、3G模块连接于控制中心计算机的移动智能设备。
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