CN106525636A - 实时监测土壤墒情的传感器、自动灌溉***及灌溉方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种实时监测土壤墒情的传感器、自动灌溉***及灌溉方法,此土壤墒情传感器具有监测精确度高、反应灵敏、稳定性好、成本低廉的优点。在此基础上建立起测墒自动灌溉***，针对蔬菜根层分布较浅的特点，应用质量传感器开发出性能优良的土壤墒情实时监测调控***，保证了监测结果能代表性，还能够根据需要扩大监测土壤的体积和范围，达到实时精准监测和调控土壤墒情的目标。此实时监测墒情的灌溉方法，针对蔬菜的根层分布特点及其生长特性，制定具体的精准灌溉指标和灌溉制度，能实时监测出土壤墒情状况，在生产应用中能起到节约水资源、增加产量、提高效益的重要作用。本发明适用于农艺学和土壤学领域。

Description

实时监测土壤墒情的传感器、自动灌溉***及灌溉方法

技术领域

本发明涉及农艺学和土壤学领域，特别是涉及一种实时监测土壤墒情的传感器、自动灌溉***及灌溉方法。

背景技术

目前，随着蔬菜生产种植规模的不断扩大，复种指数增高，周年栽培生产用水量也随之增加；加之蔬菜产区大部分集中在水资源供需矛盾突出的较发达地区，因此实施蔬菜节水灌溉技术对缓解水资源短缺有重大意义，农业节水灌溉技术的开发应用也越来越受重视。近年来，农业节水灌溉技术通过多学科的交叉、融合和集成，开发出一批先进的节水灌溉技术及设施装备，在生产应用中节水效果显著。但由于各种土壤墒情监测技术存在各种局限性，使测墒自动灌溉技术及其使用方法与农业生产实际应用之间存在一定距离。

现有的土壤水分传感器有在生产实际应有中都存在一些存在问题：张力计法的土壤墒情传感器存在反应慢，不能实时监测出土壤水分含量；中子水分仪法存在使用和保养方法繁琐，中子源辐射防护操作难度大的技术问题，不适用于在农业生产实际中使用；频域反射仪（FDR）法与TDR法原理、方法、作用和效果基本相似，能够快速、便捷和连续观测土壤含水量，成为土壤墒情实时监测的主流，实现了实时监测土壤水分的目标，也是目前测量土壤含水量中较常用的土壤传感器。但其探头价格较高，用置入法定点实时观测土壤水分含量时投资较大，且对探针的***位置距开挖剖面都有严格要求，必须防止地表和土壤中各层间的水分沿导管与土壤间的缝隙流动，在不同土壤性质测定时参数变化较大，受到土壤质地、环境因素等变化的很大干扰。存在监测点狭小，监测结果不稳定，不具备代表性等问题，在生产应用中监测数据还需要用繁琐的实验分析进行修正，并采取用若干个土壤墒情传感器多点检测，加权平均计算等策略提高传感器精度，监测的手段和方法较复杂，难于在生产上大范围推广应用。

同时，蔬菜生产要求精耕细作，水肥管理上勤施薄施，这是蔬菜水肥需求特点采取的具体措施。蔬菜灌溉存在几个关键问题：（1）蔬菜根层分布浅，吸收能力较弱，土壤中能被蔬菜吸收利用的土壤水分存量小，水分供需矛盾比较突出，生育过程要求频繁灌溉，且灌溉量不容易掌握。生产上由于土壤墒情难于判断造成灌溉不足或灌溉过量的问题普遍存在，必须精准灌溉才能满足蔬菜灌溉要求。（2）蔬菜基地的生产品种较多，不同田块的蔬菜不同，灌溉量要求差别大；而蔬菜产品又要求均衡上市，生产基地种植的蔬菜往往特意错开播种期，使基地的蔬菜生育期不一致，其生育期短，生长过程蒸腾量变化大，需水量变化很大，造成每块土地的需水量都不一致，也造成灌溉量要求的极大差别；灌溉量还受到气候因素的影响很大，必须实时精准灌溉才能满足蔬菜灌溉要求。（3）蔬菜生长及其对水分的需求受多种因素的影响，灌溉对蔬菜生长有极显著的调控作用，必须结合制定标准化生产措施，采取合理灌溉指标和灌溉制度适时适量灌溉，才能调控和促进蔬菜生长，保证满足蔬菜生长需求，达到增加产量，提高品质的目的。因此，亟待一种科学的灌溉方法。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种实时监测土壤墒情的传感器、自动灌溉***及灌溉方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种实时监测土壤墒情的土壤墒情传感器，包括上端设有开口的外壳，所述外壳内设有底座，所述底座上设有质量传感器，所述质量传感器上面设有用于托举检测土壤的挡土板，所述挡土板设置在外壳的开口处，所述挡土板与外壳的开口边缘通过柔性软胶密封。

进一步作为本发明技术方案的改进，所述质量传感器设有用于传输信号的数据线，所述外壳的外侧还设有用于保护数据线的硬质管体，所述数据线出口设置在外壳的侧面并穿过硬质管体。

还提供一种测墒自动灌溉*** ，所述土壤墒情传感器通过数据线将捕获的土壤墒情信号输入测墒灌溉控制器，所述测墒灌溉控制器将土壤墒情信号转变成浇灌命令并输出控制灌溉***。

进一步作为本发明技术方案的改进，所述测墒灌溉控制器包括单片机、显示器、控制按键和数据线接口，所述测墒自动灌溉控制器设有设定的灌溉指标和灌溉制度，根据土壤墒情状况测墒自动灌溉，并将墒情传感器的监测值转化成控制灌溉***的命令，所述控制按键用于设置具体的灌溉指标和灌溉制度。

进一步作为本发明技术方案的改进，所述测墒灌溉控制器还设有用于连接 PC机或IC卡的数据线接口，所述灌溉***设有水泵及电磁阀，所述测墒灌溉控制器控制水泵及电磁阀的开启和关闭。

还提供一种实时监测墒情的灌溉方法，包括以下步骤：

A. 根据种植蔬菜及其农艺习惯选择或制造相适应尺寸的土壤墒情传感器;根据种植蔬菜的规格要求设置和安装土壤墒情传感器;

B. 在蔬菜种植前将土壤墒情传感器置入于监测土壤下方；

C. 根据种植蔬菜种类和面积建立起测墒自动灌溉***；

D. 根据土壤质地和蔬菜特征设置调控土壤墒情的灌溉上限及设定适宜的灌溉周期；

E. 捕获监测土壤及其水分含量的信号，通过数据线传输到测墒灌溉控制器中，实时监测和调控测墒自动灌溉***。

进一步作为本发明技术方案的改进，所述步骤B中，土壤墒情传感器的埋置深度低于蔬菜的根层分布区域，根据种植蔬菜选择土壤墒情传感器的埋置深度。

进一步作为本发明技术方案的改进，所述步骤B中，监测点的设置结合滴灌或喷灌等浇灌装置，使监测点的土壤的水分消耗和浇灌情况与整个大田一致。

进一步作为本发明技术方案的改进，所述步骤C中，在安装好土壤墒情传感器的基础上，在田间设置控制电箱及安装测墒灌溉控制器，构成完善墒情监测和调控***；同时根据蔬菜面积及单面积的用水量设置好田间自动灌溉***，并以土壤墒情传感器的监测指标为调控依据。

进一步作为本发明技术方案的改进，所述步骤D中，按照监测土壤的体积和容重，计算出目标土壤墒情灌溉上限指标，并在测墒灌溉***中设定出灌溉上限，使***按照土壤墒情的实时监测指标严密控制灌溉上限。

本发明的有益效果：此土壤墒情传感器克服了现有的土壤墒情传感器的监测点小，监测结果稳定性不高、代表性不强，监测参数难于修正等问题，具有监测精确度高、反应灵敏、稳定性好、成本低廉的优点。在此基础上建立起测墒自动灌溉***，针对蔬菜根层分布较浅的特点，应用质量传感器开发出性能优良的土壤墒情实时监测调控***，再结合标准化的农艺措施，保证了监测结果能代表性，还能够根据需要扩大监测土壤的体积和范围，提高监测结果的准确性，达到实时精准监测和调控土壤墒情的目标。

此实时监测墒情的灌溉方法，针对蔬菜的根层分布特点及其生长特性，制定具体的精准灌溉指标和灌溉制度，能实时监测出土壤墒情状况，在生产应用中能起到节约水资源、增加产量、提高效益的重要作用，具有精确度高、反应灵敏、稳定性好、成本低廉的优点。

1）、精确度高。质量传感器法测定土壤水分，实时监测出土壤水分含量，且能够定向精准测量所需要测定大小土块的土壤墒情状况，也不存在监测结果需要修正等其他监测方法所需要的一系列繁锁问题。

2）、反应灵敏。用质量传感器法测定土壤水分，能够实时监测出土壤水分变化状况，精准把握灌溉上限指标，避免过量灌溉。克服了张力计法反应慢，不能随时监测出土壤水分含量的问题。

3）、稳定性好。质量传感器法测量土块可根据需要设计相应大小的档土板，可适当扩大了监测土壤的范围，定向监测目标土块的土壤墒情，保证监测结果精准稳定。克服了FDR法与TDR法监测范围小，代表性差，对探针的***位置距开挖剖面都有严格要求等问题，也不需要用繁琐的实验分析进行修正。

4）、成本低廉。质量传感器法测定土壤水分，材料易得，成本低，使用方便，解决了采中子水分仪法等成本高昂，使用和保养方法繁琐，中子源辐射防护操作难度大等技术问题。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步说明：

图1是本发明实施例土壤墒情传感器结构示意图；

图2是本发明实施例测墒自动灌溉***简化图；

图3是本发明灌溉方法中优选实施例的监测记录图。

具体实施方式

以下将结合实施例和附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果进行清楚、完整地描述，以充分地理解本发明的目的、特征和效果。显然，所描述的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明的实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，均属于本发明保护的范围。

参照图1至图3，本发明为提供一种实时监测土壤墒情的土壤墒情传感器，包括上端设有开口的外壳，所述外壳内设有底座，所述底座上设有质量传感器，所述质量传感器上面设有用于托举检测土壤的挡土板，所述挡土板设置在外壳的开口处，所述挡土板与外壳的开口边缘通过柔性软胶密封。

作为本发明优选的实施方式，所述质量传感器设有用于传输信号的数据线，所述外壳的外侧还设有用于保护数据线的硬质管体，所述数据线出口设置在外壳的侧面并穿过硬质管体。

还提供一种测墒自动灌溉*** ，所述土壤墒情传感器通过数据线将捕获的土壤墒情信号输入测墒灌溉控制器，所述测墒灌溉控制器将土壤墒情信号转变成浇灌命令并输出控制灌溉***。

作为本发明优选的实施方式，所述测墒灌溉控制器包括单片机、显示器、控制按键和数据线接口，所述测墒自动灌溉控制器设有设定的灌溉指标和灌溉制度，根据土壤墒情状况测墒自动灌溉，并将墒情传感器的监测值转化成控制灌溉***的命令，所述控制按键用于设置具体的灌溉指标和灌溉制度。

作为本发明优选的实施方式，所述测墒灌溉控制器还设有用于连接 PC机或IC卡的数据线接口，所述灌溉***设有水泵及电磁阀，所述测墒灌溉控制器控制水泵及电磁阀的开启和关闭。

还提供一种实时监测墒情的灌溉方法，包括以下步骤：

A. 根据种植蔬菜及其农艺习惯选择或制造相适应尺寸的土壤墒情传感器;根据种植蔬菜的规格要求设置和安装土壤墒情传感器;

B. 在蔬菜种植前将土壤墒情传感器置入于监测土壤下方；

C. 根据种植蔬菜种类和面积建立起测墒自动灌溉***；

D. 根据土壤质地和蔬菜特征设置调控土壤墒情的灌溉上限及设定适宜的灌溉周期；

E. 捕获监测土壤及其水分含量的信号，通过数据线传输到测墒灌溉控制器中，实时监测和调控测墒自动灌溉***。

进一步作为本发明技术方案的改进，所述步骤B中，土壤墒情传感器的埋置深度低于蔬菜的根层分布区域，根据种植蔬菜选择土壤墒情传感器的埋置深度。

作为本发明优选的实施方式，所述步骤B中，监测点的设置结合滴灌或喷灌等浇灌装置，使监测点的土壤的水分消耗和浇灌情况与整个大田一致。

作为本发明优选的实施方式，所述步骤C中，在安装好土壤墒情传感器的基础上，在田间设置控制电箱及安装测墒灌溉控制器，构成完善墒情监测和调控***；同时根据蔬菜面积及单面积的用水量设置好田间自动灌溉***，并以土壤墒情传感器的监测指标为调控依据。

作为本发明优选的实施方式，所述步骤D中，按照监测土壤的体积和容重，计算出目标土壤墒情灌溉上限指标，并在测墒灌溉***中设定出灌溉上限，使***按照土壤墒情的实时监测指标严密控制灌溉上限。

本发明提供一种实时监测土壤水分含量的土壤墒情传感器，主要由质量传感器、挡土板、数据线、底座和外壳几个元件构成。如图1所示，在底座上嵌入质量传感器，挡土板安装在质量传感器2上面，测试土块6位于挡土板1的正上方，质量传感器2直接捕获挡土板1上面的土壤墒情指标，监测到相应大小土块的土壤墒情状况，将其信号通过数据线3输出，用数据线将捕获的土壤墒情信号输入测墒灌溉控制器，达到实时监测土壤墒情状况的目标。土壤墒情传感器定向捕获挡土板上方整个土块的土壤墒情信号，可根据具体需要设计大小不同的规格挡土板，定向测定出目标土块的土壤墒情状况，使监测土块的土壤墒情具备代表性。

本发明还提供了一种测墒自动灌溉装置，由土壤墒情传感器、测墒灌溉控制器和控制电箱组成。测墒灌溉控制器是土壤墒情信号转变成浇灌命令的集成电路，由单片机、显示器、控制按键和数据线接口等构成。用单片机设计制造出测墒灌溉控制器，单片机具有操纵和调控测墒自动灌溉***的功能，能将土壤墒情传感器的监测信号转化成浇灌的命令。显示器可以实时显示土壤墒情等各项参数；控制按键用设置和调控各项参数的具体指标，设置出具体的灌溉指标和灌溉制度；测墒灌溉控制器二条数据线分别为输入土壤传感器的信号，以及输出控制水泵、电磁阀等***运行的命令，还有一个数据线的接口可连接PC机或IC卡，用于输出土壤墒情监测结果，复制出贮存于***中的土壤墒情历史记录。控制电箱将土壤墒情传感器和测墒灌溉控制器集成测墒自动灌溉***，输出调控水泵、电磁阀的开启和关闭的命令，保证精准灌溉。

如图2所示，测墒灌溉控制器有显示器、控制按键、数据线接口和二条连线，分别执行土壤墒情数据的读取、调控、导出的功能，显示器能实时读取土壤墒情传感器的监测值；控制按键能设置出具体的浇灌指标和浇灌周期，将墒情传感器的监测值转化成控制灌溉***的命令。测墒灌溉控制器有二条连线分别与土壤墒情传感器和灌溉设施连接，分别输入土壤墒情传感器信号和输出控制灌溉***的命令。测墒自动灌溉控制***运行时能按照所设定的灌溉指标和灌溉制度，根据土壤墒情状况测墒自动灌溉，保证蔬菜需水和灌溉供水的平衡，适时适量满足蔬菜生长对水分的需求，实现灌溉的数字化的精准管理，避免了人工操作的盲目性。测墒自动灌溉装置能够根据蔬菜对水分的具体需求适时适量灌溉，在蔬菜节水灌溉，提高水分利用效率，增加产量中能起重要作用。

本发明为农业节水灌溉还提供一种实时监测和调控土壤墒情的灌溉方法，以质量传感器建立起土壤墒情实时自动测量***，目的是提高土壤墒情监测结果的准确性和代表性；配套单片机建立起自动灌溉控制***，将所监测土壤墒情的信号转化为实时调控浇灌***的命令，实现精准灌溉的目标。

在同一时期以青花菜、菜心、大白菜3种不同蔬菜为试验材料，在墒情调控水平一致的基础上进行测墒自动灌溉对蔬菜产量、用水量和水分利用效率的差异比较试验。结果表明，测墒自动灌溉大幅增加了需水量较大的大白菜产量，其次为菜心，青花菜、菜心、大白菜的产量分别比传统灌溉增产12.1%、72.4%和96.2%。但测墒自动灌溉能大幅节约了需水量较小的青花菜用水量，其次为菜心，需水量大的大白菜用水量反而有所增加，青花菜、菜心、大白菜的用水量分别比传统灌溉节约了34.1%、5.2%和13.3%。而这3种蔬菜的水分利用效率均有较大幅度的提高，提高幅度却基本处于同一个水平，三种蔬菜分别比传统灌溉提高了70.2%、81.8%和73.2%。可见测墒自动灌溉确实能根据蔬菜生产发育需求进行灌溉，缓解水分供需矛盾的作用，保证蔬菜需水与灌溉供水的平衡，营造出良好的根际土壤条件，避免了人工灌溉操作的盲目性。

土壤墒情监测装置的使用方法，包括如下几方面的内容：

根据种植蔬菜及其农艺习惯选择或制造相适应的土壤墒情传感器。主要是按照图1的基本结构选用相应规格大小的产品，保证适合蔬菜和田间操作使用，并使监测土壤的范围和大小均具备代表性等。

根据种植蔬菜的规格要求设置和安装土壤墒情传感器。在蔬菜种植前将土壤墒情传感器置入于监测土壤下方，深度略低于蔬菜的根层分布区域；结合滴灌或喷灌等浇灌装置，使监测点的土壤的水分消耗和浇灌情况和整个大田一致。

根据种植蔬菜种类和面积建立起测墒自动灌溉装置。在安装好土壤墒情传感器的基础上，设置田间控制电箱并安装测墒灌溉控制器等，构成完善墒情监测和调控***；同时根据蔬菜面积及单面积的用水量设置好田间自动灌溉***；构成用土壤墒情传感器的监测指标为调控依据的测墒自动灌溉装置。

根据土壤质地和蔬菜特征设置调控土壤墒情的灌溉上限。按照监测土壤的体积和容重，计算出目标土壤墒情灌溉上限指标，进一步在测墒灌溉***中设定出灌溉上限，使***按照土壤墒情的实时监测指标严密控制灌溉上限；同时设定适宜的灌溉周期；做到适时适量合理灌溉。

本发明使用方法的优选实施例：如图3所示，该曲线是从测墒灌溉控制器的数据接口中导出的土壤墒情的监测记录，反映出实时监测的调控土壤墒情的状况。该测墒灌溉控制器运行时，设定了以25%的土壤绝对含水量为灌溉上限，每天上午9时灌溉1次为灌溉周期，可以看到单片机自动贮存记录的土壤墒情调控状况：在12月23日和12月26日，分别下了2场雨，使土壤绝对含水量一直高于25%，灌溉***也一直没有启动；12月29日以后，每天早上土壤绝对含水量低于25%的情况下，灌溉***就自动启动，将土壤绝对含水量调节到25%。可见测墒灌溉控制器能够根据土壤墒情状况适时合理灌溉，精准调控土壤墒情，满足植株生长对水分的需求，同时防止过量灌溉引起的水肥流失浪费及其造成的污染，改善田间生态环境。

将土壤墒情传感器在大田中建立起实时精准监测土壤墒情状况的***。能够增大土壤墒情的监测范围和体积，定向监测目标土壤的土壤墒情状况，提高土壤墒情监测的精确性和代表性。根据土壤特点、蔬菜生长需求及蔬菜的根系构型设置土壤墒情传感器的监测范围，制定出合理的灌溉指标和灌溉制度，能严密监控土壤墒情，严格控制灌溉上限，做到蔬菜灌溉的数字化精准管理，适时适量满足蔬菜生长需求。配套标准化农艺技术，使实时监测结果能代表大田整体情况。在大田生产应用时，一方面使监测区域的墒情状况与大田整体的墒情状况保持一致，另一方面使监测区域的灌溉措施和大田整体灌溉措施保持一致，保证监测区域的实时监测结果能够代表性大田整体状况，即通过监测土块能同步调控大田整体的土壤墒情状况，达到实时监测和精准调控土壤墒情的目标。配套测墒自动灌溉***能适时适量灌溉，合理调控土壤墒情，实现蔬菜灌溉的精准管理和自动化。

当然，本发明创造并不局限于上述实施方式，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做出等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (10)

1.实时监测土壤墒情的土壤墒情传感器，其特征在于：包括上端设有开口的外壳，所述外壳内设有底座，所述底座上设有质量传感器，所述质量传感器上面设有用于托举检测土壤的挡土板，所述挡土板设置在外壳的开口处，所述挡土板与外壳的开口边缘通过柔性软胶密封。

2.根据权利要求1所述的实时监测土壤墒情的土壤墒情传感器 ，其特征在于：所述质量传感器设有用于传输信号的数据线，所述外壳的外侧还设有用于保护数据线的硬质管体，所述数据线出口设置在外壳的侧面并穿过硬质管体。

3.一种使用权利要求1或2所述土壤墒情传感器实时监测土壤墒情的测墒自动灌溉*** ，其特征在于：所述土壤墒情传感器通过数据线将捕获的土壤墒情信号输入测墒灌溉控制器，所述测墒灌溉控制器将土壤墒情信号转变成浇灌命令并输出控制灌溉***。

4.根据权利要求3所述的测墒自动灌溉***，其特征在于：所述测墒灌溉控制器包括单片机、显示器、控制按键和数据线接口，所述测墒自动灌溉控制器设有设定的灌溉指标和灌溉制度，根据土壤墒情状况测墒自动灌溉，并将墒情传感器的监测值转化成控制灌溉***的命令，所述控制按键用于设置具体的灌溉指标和灌溉制度。

5.根据权利要求3所述的测墒自动灌溉***，其特征在于：所述测墒灌溉控制器还设有用于连接 PC机或IC卡的数据线接口，所述灌溉***设有水泵及电磁阀，所述测墒灌溉控制器控制水泵及电磁阀的开启和关闭。

6.一种使用权利要求3至5中任意一项所述的测墒自动灌溉***实时监测墒情的灌溉方法 ，其特征在于，包括以下步骤：

A.种植蔬菜及其农艺习惯选择或制造相适应尺寸的土壤墒情传感器;根据种植蔬菜的规格要求设置和安装土壤墒情传感器;

B.菜种植前将土壤墒情传感器置入于监测土壤下方；

C.种植蔬菜种类和面积建立起测墒自动灌溉***；

D.土壤质地和蔬菜特征设置调控土壤墒情的灌溉上限及设定适宜的灌溉周期；

E.监测土壤及其水分含量的信号，通过数据线传输到测墒灌溉控制器中，实时监测和调控测墒自动灌溉***。

7.根据权利要求6所述的实时监测墒情的灌溉方法 ，其特征在于：所述步骤B中，土壤墒情传感器的埋置深度低于蔬菜的根层分布区域，根据种植蔬菜选择土壤墒情传感器的埋置深度。

8.根据权利要求6所述的实时监测墒情的灌溉方法 ，其特征在于：所述步骤B中，监测点的设置结合滴灌或喷灌等浇灌装置，使监测点的土壤的水分消耗和浇灌情况与整个大田一致。

9.根据权利要求6所述的实时监测墒情的灌溉方法，其特征在于：所述步骤C中，在安装好土壤墒情传感器的基础上，在田间设置控制电箱及安装测墒灌溉控制器，构成完善墒情监测和调控***；同时根据蔬菜面积及单面积的用水量设置好田间自动灌溉***，并以土壤墒情传感器的监测指标为调控依据。

10.根据权利要求6所述的实时监测墒情的灌溉方法 ，其特征在于：所述步骤D中，按照监测土壤的体积和容重，计算出目标土壤墒情灌溉上限指标，并在测墒灌溉***中设定出灌溉上限，使***按照土壤墒情的实时监测指标严密控制灌溉上限。