CN110036884B - 基于作物生长周期用水特征和实时天气的灌溉方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于作物生长周期用水特征和实时天气的灌溉方法及装置，该灌溉方法根据土壤实测含水量、农作物所在的生长阶段的需水量、未来一天降雨量，判断农作物在生长过程是否缺水，若是缺水，计算农作物实际需水量，并根据蓄水池的蓄水池储量与实际需水量间的关系，自适应启动水泵给农作物供水及在蓄水池蓄水不足时通知管理员。通过该种方式对农作物进行浇水可以确保农作物在每个生长阶段均具有充足的水源，以达到最佳的生长状态，以最终提高农作物的产量；同时还可以保证水泵的安全性。
Description
技术领域
本发明涉及农业灌溉技术，具体涉及一种基于作物生长周期用水特征和实时天气的灌溉方法及装置。
背景技术
水分对农作物的生长有着重要的作用，然而针对不同农作物的每个生长期而言，其需水量存在较大的差异，而在整个农作物生长周期中外界的降雨量仅仅占到其所需水量的四分之一左右。
目前国内在进行农作物浇灌时，主要有喷灌、微灌(滴灌、微喷灌、小管出流灌和渗灌)，而这两种浇灌方式普遍是人工根据天气情况开启灌溉设备进行浇灌，或者设置成每隔设定时间，自动启动灌溉设备进行浇注。
由于作物不同生长期需水量不同，每次采用定量灌溉会存在某个时期水浇灌太多存在水源浪费，某个生长期需水量大存在浇灌不足等问题，即现有的喷灌和微灌出水量固定无法满足精确农作物各生长周期的需水量，灌溉效果差。
发明内容
针对现有技术中的上述不足，本发明提供的基于作物生长周期用水特征和实时天气的灌溉方法及装置能够通过作物每个生长期的需水量及实时天气显示的降雨量实现精准浇灌。
为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：
第一方面，提供一种基于作物生长周期用水特征和实时天气的灌溉方法，其包括：
S1、接收田间土壤中设定深度处埋设的若干土壤水分传感器上传的含水量，并计算所有土壤水分传感器的含水量的平均作为土壤实测含水量；
S2、读取农作物的种植日期及当前日期，定位农作物当前所处的生长阶段；
S3、读取PLC一体机内存储的农作物在当前生长阶段的需水量；
S4、判断土壤实测含水量是否大于等于农作物当前生长阶段的需水量；若是，则返回步骤S1，否则进入步骤S5；
S5、读取当前日期后设定时长内的天气预报显示的降雨量，并计算降雨量与土壤实测含水量的累加值；
S6、判断累加值是否大于等于农作物当前生长阶段的需水量；若是，则返回步骤S1，否则进入步骤S7；
S7、计算累加值与需水量的差异，并根据差异及农作物的种植面积计算浇灌时的实际需水量；
S8、接收田间蓄水池中浮子式水位计采集的水位高度，并根据所述水位高度及蓄水池面积计算蓄水池储量；
S9、比较蓄水池储量与实际需水量之间的大小关系；
S10、当蓄水池储量＞实际需水量时，导通水泵与蓄电池之间的控制开关，开启滴灌带上的电磁阀给农作物浇水，直至水泵输出端的流量计采集的流量等于实际需水量，停止浇灌并返回步骤S1；
S11、当30％实际需水量≤蓄水池储量≤实际需水量时，提醒管理人员给蓄水池添加水量，同时导通水泵与蓄电池之间的控制开关，开启滴灌带上的电磁阀给农作物浇水，之后进入步骤S12；
S12、当水泵输出端的流量计采集的统计流量＞80％蓄水池储量时，判断浮子式水位计上传的水位信息是否低于预设水位，若是进入步骤S13，否则进入步骤S14；
S13、关闭控制开关和滴灌带上的电磁阀，记录统计流量，并继续提醒管理人员给蓄水池添加水量，之后进入步骤S14；
S14、在设定时间后判断浮子式水位计上传的水位信息是否低于预设水位；若是，再次提醒管理人员给蓄水池添加水量，之后继续执行步骤S14；否则，导通水泵与蓄电池之间的控制开关，开启滴灌带上的电磁阀，并进入步骤S15；
S15、继续浇灌，直至水泵输出端的流量计采集的流量等于实际需水量，停止浇灌并返回步骤S1；
S16、当蓄水池储量＜30％实际需水量时，提醒管理人员给蓄水池添加水量，之后返回步骤S8。
第二方面，提供一种基于作物生长周期用水特征和实时天气的灌溉方法的灌溉装置，其包括蓄水池、机房及布设于田间地表面的滴管带；机房的房顶上铺设有柔性太阳能电池板，柔性太阳能电池板通过太阳能控制器与机房内的蓄电池电连接；
蓄水池的顶部通过拉绳连接有一弧形塑料盖，弧形塑料盖的直径比蓄水池的直径小1cm；弧形塑料盖的一圈边缘设置有向上凸起的高为1cm的挡圈；蓄水池内设置有浮子式水位计；
机房内放置有水泵和内部存储有农作物各个生长阶段的需水量及农作物种植日期的PLC一体机，水泵的输入端连接的进水管延伸至蓄水池的底部，且在进水管位于蓄水池内的端部安装有球形过滤网；
水泵的输出端连接的出水管上连接有一管接头，滴灌带的主水管与管接头固定连接，出水管上安装有流量计，主水管与管接头连接端上安装有电磁阀；农作物种植范围内的田间在设定深度处埋设有若干土壤水分传感器；
水泵分别通过一个控制开关与蓄电池和市电连接，电量传感器分别与蓄电池和PLC一体机连接，土壤水分传感器、浮子式水位计、控制开关、太阳能控制器、电磁阀和水泵均与PLC一体机连接。
本发明的有益效果为：本方案在进行农作物浇灌时，能够根据农作物在不同生长阶段的需水量及土壤湿度和降雨量计算农作物的需水量，并根据该水量进行浇灌，以确保农作物在每个生长阶段均具有充足的水源，以达到最佳的生长状态，以最终提高农作物的产量。
在具体浇灌过程，本方案能够根据蓄水池储量与农作物的实际需水量进行水泵的启动，该种方式可以在蓄水池水源不足时边及时给农作物补水，边提醒管理人员，同时还可以避免水泵出现空抽现象，保证了水泵的安全性。
附图说明
图1为基于作物生长周期用水特征和实时天气的灌溉方法的流程图。
图2为基于作物生长周期用水特征和实时天气的灌溉装置的结构示意图。
图3为图2中A部的放大图。
图4为支架的的结构示意图。
图5为滴灌带的示意图。
其中，1、蓄水池；11、拉绳；12、弧形塑料盖；121、挡圈；122、拉绳；2、机房；21、柔性太阳能电池板；22、蓄电池；23、水泵；24、进水管；241、球形过滤网；25、出水管；251、管接头；252、流量计；253、电磁阀；26、PLC一体机；3、滴灌带；31、主水管；4、喷淋管；5、主管道；6、支架；61、底座；611、卡爪；62、伸缩杆。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
参考图1，图1示出了基于作物生长周期用水特征和实时天气的灌溉方法的流程图；如图1所示，该灌溉方法S包括步骤S1至步骤S16。
在步骤S1中，接收田间土壤中设定深度处埋设的若干土壤水分传感器上传的含水量，并计算所有土壤水分传感器的含水量的平均作为土壤实测含水量；此处的设定深度为10cm，即土壤水分传感器距离地表面的距离为10cm。
在步骤S2中，读取农作物的种植日期及当前日期，定位农作物当前所处的生长阶段；假设农作物为冬小麦，其种植日期为10月15，当前日期为2月15，通过两者之间的时间间距可以确定为小麦处于返青阶段。
在步骤S3中，读取PLC一体机26内存储的农作物在当前生长阶段的需水量；假设农作物为冬小麦，当前生长阶段为返青阶段，那么可以直接读取PLC一体机26内存储的冬小麦在返青阶段的需水量。
在步骤S4中，判断土壤实测含水量是否大于等于农作物当前生长阶段的需水量；若是，则返回步骤S1，否则进入步骤S5；
在步骤S5中，读取当前日期后设定时长内的天气预报显示的降雨量，并计算降雨量与土壤实测含水量的累加值；此处的设定时长为3天或7天，也即读取的当前日期后未来3天或7天内的天气预报显示的降雨量。
在步骤S6中，判断累加值是否大于等于农作物当前生长阶段的需水量；若是，则返回步骤S1，否则进入步骤S7；
在步骤S7中，计算累加值与需水量的差异，并根据差异及农作物的种植面积计算浇灌时的实际需水量；
在步骤S8中，接收田间蓄水池1中浮子式水位计采集的水位高度，并根据水位高度及蓄水池1面积计算蓄水池1储量；
在步骤S9中，比较蓄水池1储量与实际需水量之间的大小关系；
在步骤S10中，当蓄水池1储量＞实际需水量时，导通水泵23与蓄电池22之间的控制开关，开启滴灌带3上的电磁阀253给农作物浇水，直至水泵23输出端的流量计252采集的流量等于实际需水量，停止浇灌并返回步骤S1；
在步骤S11中，当30％实际需水量≤蓄水池1储量≤实际需水量时，提醒管理人员给蓄水池1添加水量，同时导通水泵23与蓄电池22之间的控制开关，开启滴灌带3上的电磁阀253给农作物浇水，之后进入步骤S12；
在步骤S12中，当水泵23输出端的流量计252采集的统计流量＞80％蓄水池1储量时，判断浮子式水位计上传的水位信息是否低于预设水位，若是进入步骤S13，否则进入步骤S14；
在步骤S13中，关闭控制开关和滴灌带3上的电磁阀253，记录统计流量，并继续提醒管理人员给蓄水池1添加水量，之后进入步骤S14；
在步骤S14中，在设定时间(1小时)后判断浮子式水位计上传的水位信息是否低于预设水位；若是，再次提醒管理人员给蓄水池1添加水量，之后继续执行步骤S14；否则，导通水泵23与蓄电池22之间的控制开关，开启滴灌带3上的电磁阀253，并进入步骤S15；
在步骤S15中，继续浇灌，直至水泵23输出端的流量计252采集的流量等于实际需水量，停止浇灌并返回步骤S1；
在步骤S16中，当蓄水池1储量＜30％实际需水量时，提醒管理人员给蓄水池1添加水量，之后返回步骤S8。
在本发明的一个实施例中，在步骤S10、步骤S11和S14中导通水泵23与蓄电池22之间的控制开关，开启滴灌带3上的电磁阀253之前还包括：
A1、接收田间土壤中设定深度处埋设的若干第一温度传感器上传的土温，并计算所有第一温度传感器的土温的平均作为土壤实测温度；
A2、判断土壤实测温度是否大于等于预设土温，若是返回步骤A1，否则进入步骤S10。
本方案设计土壤实测温度的判断，可以避免在高温的白天发现作物缺水而直接浇灌，出现高温的土壤与水接触出现损伤农作物根部。
实施时，本方案优选在启动水泵23浇灌至结束浇灌期间还包括：
B1、实时采集蓄电池22的电量，并判断电量是否低于预设电量，若是，则进入步骤B2，否则继续执行步骤B1；
B2、断开水泵23与蓄电池22之间的控制开关，导通水泵23与市电之间的控制开关；
B3、当水泵23输出端的流量计252采集的流量等于实际需水量时，断开水泵23与市电之间的控制开关。
在进行浇灌时，水泵23需要将蓄水池1的水泵23送到田间的滴管带进行滴管，由于泵送距离较远，水泵23的功率较大，比较费电，通过对蓄电池22的电量检测，其一可以避免蓄电池22过度放电，影响使用寿命，其二还可以避免突然断电停止浇灌，而不能及时切换供电方式。
在本发明的一个实施例中，本方案的灌溉方法还包括：
C1、接收若干通过支架6均布于农作物之间的第二温度传感器上传的空气温度，并计算所有第二温度传感器的空气温度的平均作为空气实测温度；
C2、判断空气实测温度是否大于等于预设空气温度，若是，进入步骤C3，否则返回步骤C1；
C3、导通水泵23与蓄电池22之间的控制开关，开启与喷淋管4连接的主管道5上的电磁阀253给农作物叶片洒水降温，直至水泵23启动时间达到预设时长(10分钟)，停止洒水。
本方案进一步进行空气温度判断，可以避免天气过热，农作物蒸发量过大使得叶片出现蔫的现象，影响叶片进行光合作用，通过喷淋管4可以给叶片进行补水的同时还可以对地表上的空气进行降温，以使农作物处于最佳的生长环境。
如图2和图3所示，本方案还提供了一种应用于基于作物生长周期用水特征和实时天气的灌溉方法的灌溉装置，其包括蓄水池1、机房2及布设于田间地表面的滴管带；机房2的房顶上铺设有柔性太阳能电池板21，柔性太阳能电池板21通过太阳能控制器与机房2内的蓄电池22电连接。
蓄水池1的顶部通过拉绳11连接有一弧形塑料盖12，弧形塑料盖12的直径比蓄水池1的直径小1cm；弧形塑料盖12的一圈边缘设置有向上凸起的高为1cm的挡圈121；蓄水池1内设置有浮子式水位计。
弧形塑料盖12的设置，可以避免大颗粒杂质进入蓄水池1内，进入抽水泵23而影响水泵23叶片使用寿命；弧形塑料盖12尺寸的设置，保证雨水顺序进行蓄水池1内，同时还可以减缓蓄水池1内水的蒸发速度；挡圈121及其尺寸的设置，可以保证雨水顺利进入蓄水池1内的同时，又可以阻挡跟随雨水滑下的大颗粒杂质。
实施时，本方案优选弧形塑料盖12的上表面设置有白色反光涂层。白色反光涂层的设置，可以进一步减缓蓄水池1内水的蒸发速度。
机房2内放置有水泵23和内部存储有农作物各个生长阶段的需水量及农作物种植日期的PLC一体机26，水泵23的输入端连接的进水管24延伸至蓄水池1的底部，且在进水管24位于蓄水池1内的端部安装有球形过滤网241。
水泵23的输出端连接的出水管25上连接有一管接头251，滴灌带3(滴灌带3的示意图可以参考图5)的主水管31与管接头251固定连接，出水管25上安装有流量计252，主水管31与管接头251连接端上安装有电磁阀253；农作物种植范围内的田间在设定深度处埋设有若干土壤水分传感器；
水泵23分别通过一个控制开关与蓄电池22和市电连接，电量传感器分别与蓄电池和PLC一体机连接，土壤水分传感器、浮子式水位计、控制开关、太阳能控制器、电磁阀253和水泵23均与PLC一体机26连接。土壤水分传感器为TDR-3土壤水分传感器；浮子式水位计为WFH-2A型浮子式水位计；流量计的型号为SG-NZ-KD1，电量传感器的为RCS07D开环霍尔电流传感器。
实施时，本方案优选农作物种植范围内的田间在设定深度处埋设有若干第一温度传感器；第一温度传感器与PLC一体机26连接。
第一温度传感器的设置，可以避免在高温的白天发现作物缺水而直接浇灌，出现高温的土壤与水接触出现损伤农作物根部。
本方案的灌溉装置还包括布设于田间的若干喷淋管4，所有的喷淋管4均与埋设于土壤内的主管道5连接；管接头251为三通管，其一个出水口与主水管31连接，另一个出水口与主管道5连接；主管道5与出水口的连接端安装有与PLC一体机26连接的电磁阀253。
喷淋管4设置后，使得浇灌装置可以对农作物进行滴灌也可以对农作物进行喷淋，这样可以根据不同季节种植的农作物进行浇灌方式的灵活切换。
如图3所示，本方案的灌溉装置还包括若干通过支架6均布在农作物之间、并与PLC一体机26进行通信的第二温度传感器。如图4所示，支架6包括底座61和固定在底座61上的伸缩杆62，每个第二温度传感器安装在伸缩杆62顶端；底座61的底部安装有若干卡爪611。
通过喷淋管4、第二温度传感器和PLC一体机26的相互结合，在空气温度较高时，可以对农作物所在环境的空气进行降温，以使农作物所处的土壤环境和空气环境均处于农作物的最佳生长状态。第一温度传感器和第二温度传感器的型号均为WRM-101。
由于农作物在不同生长阶段的高度是不相同的，伸缩杆62的设置，可以在农作物生长至下一个生长阶段时，人为调整伸缩杆62的高度，以使第二温度传感器采集的温度最能反映农作物所在环境的空气温度。
实施时，本方案优选伸缩杆62为与蓄电池22和PLC一体机26连接的电动推杆。电动推杆的引入，可以通过PLC一体机26调整电动推杆伸长量，不需要人工调整，可以降低劳动强度。
Claims (8)
1.基于作物生长周期用水特征和实时天气的灌溉方法，其特征在于，包括：
S1、接收田间土壤中设定深度处埋设的若干土壤水分传感器上传的含水量，并计算所有土壤水分传感器的含水量的平均作为土壤实测含水量；
S2、读取农作物的种植日期及当前日期，定位农作物当前所处的生长阶段；
S3、读取PLC一体机内存储的农作物在当前生长阶段的需水量；
S4、判断土壤实测含水量是否大于等于农作物当前生长阶段的需水量；若是，则返回步骤S1，否则进入步骤S5；
S5、读取当前日期后设定时长内的天气预报显示的降雨量，并计算降雨量与土壤实测含水量的累加值；
S6、判断累加值是否大于等于农作物当前生长阶段的需水量；若是，则返回步骤S1，否则进入步骤S7；
S7、计算累加值与需水量的差异，并根据所述差异及农作物的种植面积计算浇灌时的实际需水量；
S8、接收田间蓄水池中浮子式水位计采集的水位高度，并根据所述水位高度及蓄水池面积计算蓄水池储量；
S9、比较所述蓄水池储量与实际需水量之间的大小关系；
S10、当蓄水池储量＞实际需水量时，导通水泵与蓄电池之间的控制开关，开启滴灌带上的电磁阀给农作物浇水，直至水泵输出端的流量计采集的流量等于实际需水量，停止浇灌并返回步骤S1；
S11、当30％实际需水量≤蓄水池储量≤实际需水量时，提醒管理人员给蓄水池添加水量，同时导通水泵与蓄电池之间的控制开关，开启滴灌带上的电磁阀给农作物浇水，之后进入步骤S12；
S12、当水泵输出端的流量计采集的统计流量＞80％蓄水池储量时，判断浮子式水位计上传的水位信息是否低于预设水位，若是进入步骤S13，否则进入步骤S14；
S13、关闭控制开关和滴灌带上的电磁阀，记录统计流量，并继续提醒管理人员给蓄水池添加水量，之后进入步骤S14；
S14、在设定时间后判断浮子式水位计上传的水位信息是否低于预设水位；若是，再次提醒管理人员给蓄水池添加水量，之后继续执行步骤S14；否则，导通水泵与蓄电池之间的控制开关，开启滴灌带上的电磁阀，并进入步骤S15；
S15、继续浇灌，直至水泵输出端的流量计采集的流量等于实际需水量，停止浇灌并返回步骤S1；
S16、当蓄水池储量＜30％实际需水量时，提醒管理人员给蓄水池添加水量，之后返回步骤S8；
在步骤S10、步骤S11和S14中导通水泵与蓄电池之间的控制开关，开启滴灌带上的电磁阀之前还包括：
A1、接收田间土壤中设定深度处埋设的若干第一温度传感器上传的土温，并计算所有第一温度传感器的土温的平均作为土壤实测温度；
A2、判断土壤实测温度是否大于等于预设土温，若是返回步骤A1，否则进入步骤S10；
基于作物生长周期用水特征和实时天气的灌溉方法还包括：
C1、接收若干通过支架均布于农作物之间的第二温度传感器上传的空气温度，并计算所有第二温度传感器的空气温度的平均作为空气实测温度；
C2、判断空气实测温度是否大于等于预设空气温度，若是，进入步骤C3，否则返回步骤C1；
C3、导通水泵与蓄电池之间的控制开关，开启与喷淋管连接的主管道上的电磁阀给农作物叶片洒水降温，直至水泵启动时间达到预设时长，停止洒水。
2.根据权利要求1所述的基于作物生长周期用水特征和实时天气的灌溉方法，其特征在于，在启动水泵浇灌至结束浇灌期间还包括：
B1、实时采集蓄电池的电量，并判断所述电量是否低于预设电量，若是，则进入步骤B2，否则继续执行步骤B1；
B2、断开水泵与蓄电池之间的控制开关，导通水泵与市电之间的控制开关；
B3、当水泵输出端的流量计采集的流量等于实际需水量时，断开水泵与市电之间的控制开关。
3.一种应用于权利要求1或2所述的基于作物生长周期用水特征和实时天气的灌溉方法的灌溉装置，其特征在于：包括蓄水池、机房及布设于田间地表面的滴管带；所述机房的房顶上铺设有柔性太阳能电池板，所述柔性太阳能电池板通过太阳能控制器与机房内的蓄电池电连接；
所述蓄水池的顶部通过拉绳连接有一弧形塑料盖，所述弧形塑料盖的直径比蓄水池的直径小1cm；所述弧形塑料盖的一圈边缘设置有向上凸起的高为1cm的挡圈；所述蓄水池内设置有浮子式水位计；
所述机房内放置有水泵和内部存储有农作物各个生长阶段的需水量及农作物种植日期的PLC一体机，所述水泵的输入端连接的进水管延伸至蓄水池的底部，且在进水管位于蓄水池内的端部安装有球形过滤网；
所述水泵的输出端连接的出水管上连接有一管接头，所述滴灌带的主水管与所述管接头固定连接，所述出水管上安装有流量计，所述主水管与管接头连接端上安装有电磁阀；农作物种植范围内的田间在设定深度处埋设有若干土壤水分传感器；
所述水泵分别通过一个控制开关与蓄电池和市电连接，电量传感器分别与蓄电池和PLC一体机连接，所述土壤水分传感器、浮子式水位计、控制开关、太阳能控制器、电磁阀和水泵均与PLC一体机连接。
4.根据权利要求3所述的灌溉装置，其特征在于：农作物种植范围内的田间在设定深度处埋设有若干第一温度传感器；所述第一温度传感器与PLC一体机连接。
5.根据权利要求4所述的灌溉装置，其特征在于：还包括布设于田间的若干喷淋管，所有的喷淋管均与埋设于土壤内的主管道连接；所述管接头为三通管，其一个出水口与主水管连接，另一个出水口与主管道连接；所述主管道与出水口的连接端安装有与PLC一体机连接的电磁阀。
6.根据权利要求5所述的灌溉装置，其特征在于：还包括若干通过支架均布在农作物之间、并与PLC一体机进行通信的第二温度传感器，所述支架包括底座和固定在底座上的伸缩杆，每个第二温度传感器安装在伸缩杆顶端；所述底座的底部安装有若干卡爪。
7.根据权利要求6所述的灌溉装置，其特征在于：所述伸缩杆为与蓄电池和PLC一体机连接的电动推杆。
8.根据权利要求3所述的灌溉装置，其特征在于：所述弧形塑料盖的上表面设置有白色反光涂层。
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