CN104705169A - 一种地下智能节水渗灌及排水*** - Google Patents

Abstract

本发明涉及农田水利灌溉领域，具体涉及一种地下智能节水渗灌及排水***。针对现有农田灌溉技术中存在的水资源利用率低、排涝困难和自动化程度低等缺陷，本发明提供了一种地下智能节水渗灌及排水***。本发明包括供水装置、渗灌网管、排水装置、控制模块和湿度传感模块。供水装置包括供水泵、压力罐以及用于连接压力罐和渗灌网管的第一电磁阀X1。排水装置包括真空泵以及用于连接渗灌网管和真空泵的第二电磁阀X2。控制模块包括控制芯片U1，控制芯片U1的两个输出端接第一电磁阀X1和第二电磁阀X2。湿度传感模块包括湿度传感器U2和两个测试电极J1~J2，两个测试电极J1~J2接湿度传感器U2的两个输入端，湿度传感器U2的输出端接控制芯片U1的输入端。

Description

一种地下智能节水渗灌及排水***

技术领域

本发明涉及农田水利灌溉领域，具体涉及一种地下智能节水渗灌及排水***。

背景技术

我国的农业用水浪费十分严重，随着我国水资源日益缺乏，如何在农田中高效利用水资源逐渐成为我国亟待解决的难题。目前，我国在农田灌溉中使用的灌溉技术较多，以喷灌为主，另外还有软管式人工浇灌、洒水车浇灌、漫灌、喷灌机喷灌等。目前，我国农田灌溉的特点主要体现为智能化程度较低，喷洒漂移、灌溉不均匀和灌溉量不当等问题较为突出，由此引发的地表积水、渗漏或干旱造成的水分损失多达20%-30%，最终导致土壤板结和大量的水资源浪费。此外，现有灌溉技术在沙漠、戈壁、盐碱土壤和荒山荒丘上并不适用，不仅不能够节能减排，而且很难控制盐碱对作物的损害以及化肥的利用率。近年来使用的滴灌技术提高了水的利用率，减少了杂草滋生，改善了土壤结构，但滴灌技术易于引起堵塞并可能限制根系的发展，而且滴灌技术未能充分考虑排涝问题。

随着科技的发展，将智能控制技术应用于农田水利建设中是一种必然的趋势，主要涉及无线通信技术、传感器技术、软件编程技术、电磁控制***技术等。传统的农业灌溉基本依靠人工灌溉，浪费了大量的人力、物力，利用智能化控制***实现自动化管理能够大幅节省成本。

发明内容

针对现有农田灌溉技术中存在的水资源利用率低、排涝困难和自动化程度低等缺陷，本发明提供了一种地下智能节水渗灌及排水***。

为解决以上技术问题，本发明的技术方案为：

一种地下智能节水渗灌及排水***，包括供水装置、渗灌网管、排水装置、控制模块和湿度传感模块。供水装置包括外接水源的供水泵、与供水泵相连的压力罐以及设置在连接压力罐和渗灌网管的管道上的第一电磁阀X1。排水装置包括真空泵以及设置在连接渗灌网管和真空泵的管道上的第二电磁阀X2。控制模块包括控制芯片U1和控制芯片***电路，控制芯片U1的两个输出端分别接第一电磁阀X1和第二电磁阀X2。湿度传感模块包括湿度传感器U2、湿度传感器***电路以及两个测试电极J1~J2，两个测试电极J1~J2分别接湿度传感器U2的两个输入端，湿度传感器U2的输出端接控制芯片U1的输入端。

具体的，渗灌网管包括塑料软管和设置在塑料软管上用于渗水的通透材料层，塑料软管上设置有等间距排布的渗灌孔。

具体的，控制模块还包括无线路由器。

具体的，湿度传感模块还包括无线发射芯片U3，无线发射芯片U3的输入端接湿度传感器U2的输出端，无线发射芯片U3利用无线路由器生成的wifi信号将湿度传感器U2测定的土壤湿度信息发送至控制芯片U1。

具体的，控制芯片U1为AT89S52型单片机，湿度传感器U2为WTH-215型湿度传感器，无线发射芯片U3为XC4388型芯片。

本发明的有益效果：利用本发明的智能地下渗灌及排涝***能够实现农田灌溉，节水效果明显，一次渗灌用水量约为25m³，约为普通大水漫灌用水量的1/4，约为喷灌用水量的1/3，约为滴灌用水量的1/2。当农田灌水量过大或出现洪涝时，通过本***中第二电磁阀X2和真空泵能够实现农田排涝。本***中控制模块和湿度传感模块能够实时监控农田的湿度信息，根据湿度信息实时调整第一电磁阀X1和第二电磁阀X2的开启或关闭，实现渗灌或排涝的自动化管理。本***的成本较低，每亩农田的建设成本约为2000元，使用年限约为40至50年，一次投资长期受益，年均亩投入仅为50元，相对于喷灌和滴灌技术，本***的建设成本更低。本发明的智能地下渗灌及排涝***适用于各类农田及农作物，实现农田灌溉的全自动化，并且节水效果显著，具有较大的推广应用前景。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为渗灌网管的结构示意图。

图3为湿度传感模块的电路原理图。

图4为控制模块的电路原理图。

其中，1供水泵，2压力罐，3第一电磁阀X1，4 +12V直流电压源，5分压电阻，6控制芯片U1，7渗灌网管，7-1塑料软管，7-2通透材料层，7-3渗灌孔，8湿度传感器U2，9无线路由器，10真空泵，11第二电磁阀X2。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

参照图1，实施例包括供水泵1、与供水泵1相连的压力罐2、渗灌网管7、设置在连接压力罐2和渗灌网管7的管道上的第一电磁阀X1、真空泵10、设置在连接渗灌网管7和真空泵10的管道上的第二电磁阀X2、控制芯片U1及其***电路、无线路由器9、湿度传感器U2及其***电路、与湿度传感器U2的输出端相连的无线发射芯片U3以及分别接在湿度传感器U2的输入端的两个测试电极J1~J2。其中，控制芯片U1的两个输出端分别经两个分压电阻5接第一电磁阀X1和第二电磁阀X2，+12V直流电压源4为第一电磁阀X1和第二电磁阀X2供电，湿度传感器U2的输出端接控制芯片U1的输入端。

参照图2，渗灌网管7包括塑料软管7-1和设置在塑料软管7-1上用于渗水的通透材料层7-2，塑料软管7-1上设置有等间距排布的渗灌孔7-3。本实施例中，通透材料层为厚度25g/m²的阻沙渗水布。

本实施例中，控制芯片U1为具有wifi无线接收信号功能的AT89S52型单片机，湿度传感器U2为WTH-215型湿度传感器，无线发射芯片U3为XC4388型芯片。

由湿度传感器U2及其***电路、无线发射芯片U3和两个测试电极J1~J2组成的湿度传感模块的电路原理图，如图3所示。由于土壤中含有矿物质离子，这些矿物质离子都溶解在土壤中的水中。将两个测试电极J1~J2***土壤中，测试电极J1~J2之间就可以通过这些离子导电，两个测试电极J1~J2之间的电阻值可表征土壤湿度的大小。由于两级间的电阻与电压成正比，所以通过计算两级间的电压可表征土壤湿度，湿度传感器U2将***土壤中的两个测试电极J1~J2间的电压数据，即土壤湿度信息，通过无线发射芯片U3发送到控制芯片U1。无线发射芯片U3利用无线路由器9生成的wifi信号将湿度传感器U2测定的土壤湿度信息发送至控制芯片U1。

控制芯片U1接收土壤湿度信息并据此控制第一电磁阀X1和第二电磁阀X2的开启或关闭，控制芯片U1对第一电磁阀X1和第二电磁阀X2的控制电路结构相同，如图4所示。以控制芯片U1对第一电磁阀X1的控制为例，控制芯片U1的输出端通过分压电阻5接三极管T1的基极，三极管T1的发射极接地，三极管T1的集电极接第一电磁阀X1的一个电源控制端，第一电磁阀X1的另一个电源控制端接+12V直流电压源4。本实施例中，三极管T1为2N222A型三极管。当与三极管T1基极相连的控制芯片U1输出端输出高电平时，三极管T1导通，第一电磁阀X1开启，***执行渗灌操作；当与三极管T1基极相连的控制芯片U1输出端输出低电平时，三极管T1截止，第一电磁阀X1关闭，***停止执行渗灌操作。本实施例中，第二电磁阀X2开启则***通过真空泵10向外排涝，第二电磁阀X2关闭则***停止向外排涝。

本实施例的工作过程如下：

1.铺设渗灌网管

2014年10月10日，申请人在河北省沧州市东光县大单镇辛店村选取一面积为225m²的长方形地块作为试验田，试验田土质为沙性加少许红土。在平整土地后，使用机械在试验田上开沟，东西开沟17条，南北开沟2条，沟深45cm，行距90cm，全长200m。开沟完成后在沟底铺设渗灌网管7，渗灌网管7全长210m。铺设渗灌网管7时应当尽量使渗灌网管7平直，避免渗灌网管7在沟内弯曲或在拐弯处打结，以免增大阻力和用水量，可根据不同农田的地块状况采用不同的设计方案，以达到节水和因地适宜的目的。铺设渗灌网管7完成后，立即进行填土，填土时应当避免掺入硬土块，以避免硬土块压扁构成渗灌网管7的塑料软管7-1进而造成渗灌时出水不畅。在填土是应当一边填土一边压实，这样做有利于渗灌均匀。开沟和填土过程中，在试验田渗灌网管7相邻两排塑料软管7-1的中间地带等距离预留3个观测口，观测口为长方形，其长度为100cm，宽度为20cm，深度为100cm,观测口用于观察渗灌水量、渗灌均匀程度及渗灌进展情况。

2.安装供水装置、排水装置、控制模块和湿度传感模块

在渗灌网管7上安装供水装置、排水装置、控制模块和湿度传感模块。由于试验田面积较小，本实施例中压力罐2为储水量1.5m³的塑料储水罐，其架设高度为2.5m，压力罐2出水口与渗灌网管7之间的高度差为3m，使用出水量为1m³/h的供水泵1向压力罐2中注水。压力罐2的出水量为1m³/h，渗灌作业过程中压力罐2连续储水10m³，对试验田进行了10小时的渗灌作业。湿度传感模块中的两个测试电极J1~J2设置在试验田地表下25cm深度处。根据地块的面积，可适当选择设置湿度传感模块的数量的具***置。由于试验田面积较小，本实施例中仅设置两个湿度传感模块，分别埋于输水管道的末端和试验田的中心。

3.渗灌作业

2014年10月17日至2014年10月18日对试验田进行渗灌作业。将供水泵1通电使其正常运转并向压力罐2注水，压力罐2出水口与渗灌网管7之间因高度差形成水压，压力罐2中的水在该水压作用下经开启的第一电磁阀X1输送至渗灌网管7并最终至试验田土壤中。湿度传感模块检测当前土壤湿度并将当前土壤湿度信号传输至控制模块，控制模块接收并记录土壤湿度信息，控制模块将当前土壤湿度与湿度阈值进行比较。若当前土壤湿度小于第一湿度阈值则保持第一电磁阀X1开启以继续执行渗灌作业，若当前土壤湿度大于等于第一湿度阈值则关闭第一电磁阀X1以停止渗灌作业。若当前土壤湿度大于第二湿度阈值则开启第二电磁阀X2以利用真空泵10向外排水，即执行排涝作业，若当前土壤湿度小于等于第二湿度阈值则关闭第二电磁阀X2以停止排涝作业。

4.观测

2014年10月18日完成试验田的渗灌作业。经观测口观测，渗灌过程中渗水始终均匀，渗灌完成后地表干土层厚度13至15cm，渗灌网管7下方的渗水层厚度约为30cm，整个渗水层厚度约为60cm，预计保墒时间可达60天左右。渗灌用时10小时，用电量12千瓦时，用水量10m³，经计算每亩地的用水量为25至30m³。2014年10月20日使用拖拉机旋耕梨对试验田进行旋耕作业并播种小麦，2014年10月30日小麦出苗整齐，达到实际要求，实验获得成功。

本实施例中，利用智能地下渗灌及排涝***进行渗灌，渗灌在农田地表下进行，渗灌后农田地表留有厚度13至15cm的地表干土层，地表干土层可有效避免地表水蒸发，保墒时间可达60天左右。干燥的地表干土层能够减少杂草生长，降低耕种中除草的劳动量。地表轻度干燥不仅有利于阻碍虫卵破土孵化，而且能够有效降低农作物锈病、立枯病等病虫害的发生。本实施例中的智能地下渗灌及排涝***具有向农田外排水的功能，能够用于盐碱地的治理，相较于传统的在农田周围挖排水沟以渗出盐碱的方法，其排水的用时更短、排盐碱效果更好，可连续灌溉和排水，能够迅速减少土壤中盐碱含量，同时能够在设置于地下的渗灌网管7周围形成厚度10至15cm的富水隔层，该富水隔层能够使阻止地下盐碱返回地表，使土壤不断得到改良并提高肥力。本实施例中的智能地下渗灌及排涝***有效觉解了农作物根系对渗灌网管7的影响。传统地下埋管渗灌***直接在管上制作微孔，由于农作物根系具有趋水性，农作物根系会向微孔内生长，影响渗灌出水，影响灌溉效果。本实施例利用通透材料包裹于塑料软管7-1外部形成通透材料层7-2，通透材料层7-2能够阻止农作物根系进入塑料软管7-1上的渗灌孔7-3内，同时通透材料层7-2增大了渗水面积使得渗灌对农作物根系的分散生长影响很小。渗灌作业时，可根据农田土壤土质和农作物生长需要适量加入液体肥料，以促进农作物根系生长和农作物增产，提高农作物品质。本实施例中的智能地下渗灌及排涝***能够根据土壤墒情自动执行渗灌或向外排水，达到旱涝保丰收的双重水利效果。本实施例中的智能地下渗灌及排涝***还可用于荒漠化治理。

以上所述实施方式仅为本发明的优选实施例，而并非本发明可行实施的穷举。对于本领域一般技术人员而言，在不背离本发明原理和精神的前提下对其所作出的任何显而易见的改动，都应当被认为包含在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (5)

1.一种地下智能节水渗灌及排水***，其特征在于其包括供水装置、渗灌网管（7）、排水装置、控制模块和湿度传感模块；所述供水装置包括外接水源的供水泵（1）、与供水泵（1）相连的压力罐（2）以及设置在连接压力罐（2）和渗灌网管（7）的管道上的第一电磁阀X1（3）；所述排水装置包括真空泵（10）以及设置在连接渗灌网管（7）和真空泵（10）的管道上的第二电磁阀X2（11）；所述控制模块包括控制芯片U1和控制芯片***电路，所述控制芯片U1的两个输出端分别接第一电磁阀X1（3）和第二电磁阀X2（11）；所述湿度传感模块包括湿度传感器U2、湿度传感器***电路以及两个测试电极J1~J2，两个所述测试电极J1~J2分别接湿度传感器U2的两个输入端，所述湿度传感器U2的输出端接控制芯片U1的输入端。

2.根据权利要求1所述的一种地下智能节水渗灌及排水***，其特征在于所述渗灌网管（7）包括塑料软管（7-1）和设置在塑料软管（7-1）上用于渗水的通透材料层（7-2），所述塑料软管（7-1）上设置有等间距排布的渗灌孔（7-3）。

3.根据权利要求1或2所述的一种地下智能节水渗灌及排水***，其特征在于所述控制模块还包括无线路由器。

4.根据权利要求3所述的一种地下智能节水渗灌及排水***，其特征在于所述湿度传感模块还包括无线发射芯片U3，所述无线发射芯片U3的输入端接湿度传感器U2的输出端，所述无线发射芯片U3利用无线路由器生成的wifi信号将湿度传感器U2测定的土壤湿度信息发送至控制芯片U1。

5.根据权利要求4所述的一种地下智能节水渗灌及排水***，其特征在于所述控制芯片U1为AT89S52型单片机，所述湿度传感器U2为WTH-215型湿度传感器，所述无线发射芯片U3为XC4388型芯片。