專利名稱：一種作物灌溉系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種作物灌溉系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
當(dāng)前，在水資源日益短缺，農(nóng)業(yè)灌溉用水不能增加，而糧食需增收的背景下，如何 將有限的灌溉用水在作物不同生育期優(yōu)化配置，以及對作物進(jìn)行精量灌溉控制，使灌溉效 益最高，成為農(nóng)業(yè)灌溉工程的研究熱點(diǎn)。從可持續(xù)農(nóng)業(yè)的觀點(diǎn)來看，國內(nèi)外學(xué)者對農(nóng)業(yè)灌 溉的研究逐漸從灌溉產(chǎn)量最大轉(zhuǎn)變到灌溉效益最大。但國內(nèi)學(xué)者多以產(chǎn)量最大作為目標(biāo)函
數(shù)，從模型的建立來看，國內(nèi)學(xué)者一般是基于作物水分需求與作物產(chǎn)出的關(guān)系來建立模型， 而國外學(xué)者所建立的灌溉模型則由于國情的不同而無法應(yīng)用到我國的灌溉實(shí)踐中去。 如何綜合考慮灌溉水量、作物水分需求、水分生產(chǎn)函數(shù)、降雨量、土壤水分平衡、缺
水敏感指數(shù)、糧食市場價(jià)格、農(nóng)田灌溉用水價(jià)格、最低產(chǎn)量需求和灌溉成本等因素，建立適
應(yīng)我國國情的基于灌水收益最大的單作物優(yōu)化灌溉系統(tǒng)，并在特定條件下以有限的灌水量
在作物不同生長期內(nèi)最優(yōu)分配，使灌溉效益最大，是本領(lǐng)域要解決的技術(shù)問題。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型要解決的技術(shù)問題是提供一種作物灌溉系統(tǒng)，用于綜合考慮灌溉水 量、作物水分需求、水分生產(chǎn)函數(shù)、降雨量、土壤水分平衡、缺水敏感指數(shù)、糧食市場價(jià)格、農(nóng) 田灌溉用水價(jià)格、最低產(chǎn)量需求和灌溉成本等因素，建立基于灌水收益最大的單作物優(yōu)化 灌溉系統(tǒng)，并在特定條件下以有限的灌水量在作物不同生長期內(nèi)最優(yōu)分配，使灌溉效益最 大。 為解決上述技術(shù)問題，本實(shí)用新型提供了一種作物灌溉系統(tǒng)，其包括運(yùn)行作物灌 溉數(shù)學(xué)模型軟件的上位機(jī)，通過通信總線與上位機(jī)的作物灌溉控制端相連的下位機(jī)，通過 1/0接口與下位機(jī)相連的用于向上位機(jī)提供運(yùn)行所述作物灌溉數(shù)學(xué)模型軟件所需的土壤濕 度信息、太陽輻射信息和空氣濕度信息的傳感器，以及與下位機(jī)相連的由下位機(jī)根據(jù)上位 機(jī)發(fā)出的控制命令執(zhí)行相應(yīng)動(dòng)作的執(zhí)行機(jī)構(gòu)；所述執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括水泵、設(shè)于水泵下游的 總水閥、設(shè)于水泵和總水閥之間的用于控制灌溉用肥料用量的肥料控制閥、設(shè)于總水閥下 游的流量計(jì)、設(shè)于流量計(jì)下游的用于向各灌溉區(qū)域供水的分水閥。 進(jìn)一步，所述傳感器包括土壤濕度傳感器、太陽輻射傳感器和空氣濕度傳感器。 進(jìn)一步，所述下位機(jī)連接有用于參數(shù)設(shè)置的鍵盤和用于顯示傳感器的采樣數(shù)據(jù)的 顯示屏。 進(jìn)一步，所述上位機(jī)連接有顯示器和用于打印報(bào)表和圖形的打印機(jī)。 進(jìn)一步，所述下位機(jī)包括單片機(jī)，與單片機(jī)相連的用于驅(qū)動(dòng)所述總水閥和分水閥
的放大驅(qū)動(dòng)電路，與單片機(jī)相連的用于狀態(tài)顯示的LED，與單片機(jī)相連的擴(kuò)展存儲(chǔ)器，與單
片機(jī)相連的用于異常報(bào)警的報(bào)警電路，與所述土壤濕度傳感器、太陽輻射傳感器和空氣濕
度傳感器相連的多路開關(guān)、與該多路開關(guān)相連的A/D轉(zhuǎn)換電路、設(shè)于A/D轉(zhuǎn)換電路和單片機(jī)的傳感信號輸入端的譯碼驅(qū)動(dòng)器。 本實(shí)用新型具有積極的效果(l)本實(shí)用新型的作物灌溉系統(tǒng)使用時(shí)，上位機(jī)運(yùn) 行作物灌溉數(shù)學(xué)模型軟件，以根據(jù)土壤濕度信息、太陽輻射信息和空氣濕度信息，綜合考慮 灌溉水量、作物水分需求、水分生產(chǎn)函數(shù)、降雨量、土壤水分平衡、缺水敏感指數(shù)、糧食市場 價(jià)格、農(nóng)田灌溉用水價(jià)格、最低產(chǎn)量需求和灌溉成本等因素，通過下位機(jī)命令執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行 相應(yīng)的動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)基于灌水收益最大的單作物優(yōu)化灌溉方式，并在特定條件下以有限 的灌水量在作物不同生長期內(nèi)最優(yōu)分配，使灌溉效益最大。

圖1為實(shí)施例中的作物灌溉系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意框圖。 圖2為圖1中執(zhí)行機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意框圖。 圖3為圖1中的下位機(jī)的結(jié)構(gòu)示意框圖。
具體實(shí)施方式見圖1-3，本實(shí)施例的作物灌溉系統(tǒng)包括運(yùn)行作物灌溉數(shù)學(xué)模型軟件的上位機(jī) l，通過通信總線3與上位機(jī)1的作物灌溉控制端相連的下位機(jī)2，通過1/0接口 4與下位 機(jī)2相連的用于向上位機(jī)1提供運(yùn)行所述作物灌溉數(shù)學(xué)模型軟件所需的土壤濕度信息、太 陽輻射信息和空氣濕度信息的傳感器6，以及與下位機(jī)2相連的由下位機(jī)2根據(jù)上位機(jī)1發(fā) 出的控制命令執(zhí)行相應(yīng)動(dòng)作的執(zhí)行機(jī)構(gòu)5。 所述執(zhí)行機(jī)構(gòu)5包括水泵13、設(shè)于水泵13下游的總水閥14、設(shè)于水泵13和總水
閥14之間的用于控制灌溉用肥料12用量的肥料控制閥16、設(shè)于總水閥14下游的流量計(jì)
11、設(shè)于流量計(jì)11下游的用于向各灌溉區(qū)域15供水的分水閥。 所述傳感器6包括土壤濕度傳感器、太陽輻射傳感器和空氣濕度傳感器。 所述下位機(jī)2連接有用于參數(shù)設(shè)置的鍵盤7和用于顯示傳感器6的采樣數(shù)據(jù)的顯
示屏8。所述上位機(jī)1連接有顯示器10和用于打印報(bào)表和圖形的打印機(jī)9。 所述下位機(jī)2包括單片機(jī)21，與單片機(jī)21相連的用于驅(qū)動(dòng)所述總水閥14和分
水閥的放大驅(qū)動(dòng)電路22，與單片機(jī)21相連的用于狀態(tài)顯示的LED23，與單片機(jī)21相連的擴(kuò)
展存儲(chǔ)器24，與單片機(jī)21相連的用于異常報(bào)警的報(bào)警電路25，與所述土壤濕度傳感器、太
陽輻射傳感器和空氣濕度傳感器相連的多路開關(guān)28、與該多路開關(guān)28相連的A/D轉(zhuǎn)換電路
27、設(shè)于A/D轉(zhuǎn)換電路27和單片機(jī)21的傳感信號輸入端的譯碼驅(qū)動(dòng)器26。 所述作物灌溉數(shù)學(xué)模型用投入產(chǎn)出的關(guān)系來確定每公頃農(nóng)作物的凈收入。農(nóng)作物
總產(chǎn)出為糧食總產(chǎn)量與當(dāng)年糧食市場收購價(jià)格的乘積，投入包括灌溉費(fèi)用、肥料、農(nóng)藥、勞
動(dòng)力費(fèi)用等，把其他農(nóng)業(yè)投入作為一固定的投入模式，僅僅考慮灌溉對收入的影響，那么灌
溉收益模型可表達(dá)為 f (Ya， W) = Ya*Pr-W*Pw_Ct (1) f——凈收入，元/hm2 Ya——作物的實(shí)際產(chǎn)量，kg/hm2 PY——糧食的市場價(jià)格，元/kg W——總灌水量，m3
4]
PW——農(nóng)業(yè)灌溉用水的價(jià)格，元/m3
Ct一其他農(nóng)業(yè)生產(chǎn)費(fèi)用總投入，元/hm2
式1中，灌溉模型中凈收入f與灌水量W是非線性關(guān)系，而灌溉是在土壤水量平衡 的理論上進(jìn)行的。在缺水條件下，可以忽略土壤水的深層滲漏、地表徑流等因素，土壤水量 平衡可簡化為 土壤水量平衡Wi = ETi_Pei (2) 式中Wi—作物第i生長階段的灌水量，m3 ; ETi—作物第i個(gè)生長階段的實(shí)際騰發(fā)量mm ; [OO31] Pei-作物第i生長階段的有效降雨量，mm。 在非充分灌溉條件下，一次降雨不超過田面允許水深上限的降雨量均為有效降雨
量，超過部分為排水量。有效降雨量可表達(dá)為
), 當(dāng)芍《巧_—巧0時(shí)
凡=
當(dāng)p^"開 一仏時(shí)
(3)
式中Pei-作物第i生長階段的有效降雨量，mm ; Pi—作物第i生長階段的降雨量，mm ; Hi。一作物第i生長階段開始降雨時(shí)田間水層深度，mm ; Himax-作物第i生長階段田面允許最大蓄水深度，mm ;
作物不同生育階段灌水量對產(chǎn)量的影響比較復(fù)雜，用數(shù)學(xué)模型的結(jié)構(gòu)關(guān)系表征作
物不同生育階段水分對產(chǎn)量的影響，應(yīng)用比較普及的為Jensen乘法模型 Jensen模型f =

i誦l 、丑4.夕
(4)
式中ETmi--作物第i個(gè)生長階段的最大騰發(fā)量mm ; n—作物生育階段劃分(n = 1、2...);
A i—作物第i個(gè)生長階段的缺水對產(chǎn)量影響的敏感指數(shù)； Ym--充分灌溉條件下作物的最大產(chǎn)量kg/hm2 ;
綜合式(1)、(2)、(3)和(4)，得到考慮多因素的作物灌溉模型，該模型既考慮了灌 水量、降雨量、作物缺水敏感指數(shù)，又考慮了受市場影響的糧食價(jià)格和衣業(yè)灌溉用水價(jià)格， 而且模型還受多因素約束的影響。
廣,+ /3 、4
型:/o:,ir)《n !.." 灌溉模; 約束條件如下:^L
!.=1 、丑t. 乂
巧-巧-Cf
a.=l
(5)
!.=1 總灌溉水量約束 式中Wmin為總可供灌水量下限，Wma 各階段灌水量約束Wimin《Wi《Wi,
為總可供灌水量上限[0050] 式中Wimin為作物第i階段可供灌水量下限； Wi^為作物第階段可供灌水量上限。
最低糧食產(chǎn)量約束Ya > Ymin 式中Ymin為滿足基本需求的最低產(chǎn)量。 Ct = const 其他農(nóng)業(yè)投入費(fèi)用約束 式中Ct為其他農(nóng)業(yè)投入費(fèi)用，由于本模型只研究灌水量與收益的關(guān)系，因而把其他投入作為固定投入。 上述實(shí)施例僅僅是為清楚地說明本實(shí)用新型所作的舉例，而并非是對本實(shí)用新型的實(shí)施方式的限定。對于所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在上述說明的基礎(chǔ)上還可以做出其它不同形式的變化或變動(dòng)。這里無需也無法對所有的實(shí)施方式予以窮舉。而這些屬于本實(shí)用新型的精神所引伸出的顯而易見的變化或變動(dòng)仍處于本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之中。
權(quán)利要求一種作物灌溉系統(tǒng)，其特征在于包括運(yùn)行作物灌溉數(shù)學(xué)模型軟件的上位機(jī)(1)，通過通信總線(3)與上位機(jī)(1)的作物灌溉控制端相連的下位機(jī)(2)，通過I/O接口(4)與下位機(jī)(2)相連的用于向上位機(jī)(1)提供運(yùn)行所述作物灌溉數(shù)學(xué)模型軟件所需的土壤濕度信息、太陽輻射信息和空氣濕度信息的傳感器(6)，以及與下位機(jī)(2)相連的由下位機(jī)(2)根據(jù)上位機(jī)(1)發(fā)出的控制命令執(zhí)行相應(yīng)動(dòng)作的執(zhí)行機(jī)構(gòu)(5)；所述執(zhí)行機(jī)構(gòu)(5)包括水泵(13)、設(shè)于水泵(13)下游的總水閥(14)、設(shè)于水泵(13)和總水閥(14)之間的用于控制灌溉用肥料(12)用量的肥料控制閥(16)、設(shè)于總水閥(14)下游的流量計(jì)(11)、設(shè)于流量計(jì)(11)下游的用于向各灌溉區(qū)域(15)供水的分水閥。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的一種作物灌溉系統(tǒng)，其特征在于所述傳感器(6)包括土壤 濕度傳感器、太陽輻射傳感器和空氣濕度傳感器。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種作物灌溉系統(tǒng)，其特征在于所述下位機(jī)(2)連接有用 于參數(shù)設(shè)置的鍵盤(7)和用于顯示傳感器(6)的采樣數(shù)據(jù)的顯示屏(8)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種作物灌溉系統(tǒng)，其特征在于所述上位機(jī)(1)連接有顯 示器(10)和用于打印報(bào)表和圖形的打印機(jī)(9)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種作物灌溉系統(tǒng)，其特征在于所述下位機(jī)(2)包括單片機(jī)(21)，與單片機(jī)(21)相連的用于驅(qū)動(dòng)所述總水閥(14)和分水閥的放大驅(qū)動(dòng)電路(22)， 與單片機(jī)(21)相連的用于狀態(tài)顯示的LED(23)，與單片機(jī)(21)相連的擴(kuò)展存儲(chǔ)器(24)，與 單片機(jī)(21)相連的用于異常報(bào)警的報(bào)警電路(25)，與所述土壤濕度傳感器、太陽輻射傳感 器和空氣濕度傳感器相連的多路開關(guān)(28)、與該多路開關(guān)(28)相連的A/D轉(zhuǎn)換電路(27)、 設(shè)于A/D轉(zhuǎn)換電路(27)和單片機(jī)(21)的傳感信號輸入端的譯碼驅(qū)動(dòng)器(26)。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種作物灌溉系統(tǒng)，其包括上位機(jī)、下位機(jī)、用于向上位機(jī)提供土壤濕度信息、太陽輻射信息和空氣濕度信息的傳感器，以及由下位機(jī)根據(jù)上位機(jī)發(fā)出的控制命令執(zhí)行相應(yīng)動(dòng)作的執(zhí)行機(jī)構(gòu)；使用時(shí)，上位機(jī)運(yùn)行作物灌溉數(shù)學(xué)模型軟件，以根據(jù)土壤濕度信息、太陽輻射信息和空氣濕度信息，綜合考慮灌溉水量、作物水分需求、水分生產(chǎn)函數(shù)、降雨量、土壤水分平衡、缺水敏感指數(shù)、糧食市場價(jià)格、農(nóng)田灌溉用水價(jià)格、最低產(chǎn)量需求和灌溉成本等因素，通過下位機(jī)命令執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)基于灌水收益最大的單作物優(yōu)化灌溉方式，并在特定條件下以有限的灌水量在作物不同生長期內(nèi)最優(yōu)分配，使灌溉效益最大。
文檔編號A01G25/16GK201518643SQ200920312259

公開日2010年7月7日 申請日期2009年10月12日 優(yōu)先權(quán)日2009年10月12日
發(fā)明者張兵 申請人:常州工學(xué)院