本發(fā)明涉及節(jié)水灌溉技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種智能節(jié)水灌溉物聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

節(jié)水灌溉是根據(jù)作物需水規(guī)律及當(dāng)?shù)毓┧畻l件，為了有效地利用降水和灌溉水，獲取農(nóng)業(yè)的最佳經(jīng)濟(jì)效益、社會效益、生態(tài)環(huán)境效益而采取的多種措施的總稱。灌溉水從水源到田間要經(jīng)過幾個(gè)環(huán)節(jié)，每個(gè)環(huán)節(jié)中都存在水量無益損耗。凡是在這些環(huán)節(jié)中能夠減少水量損失、提高灌溉水使用效率和經(jīng)濟(jì)效益的各種措施，均屬于節(jié)水灌溉的范疇。

我國是一個(gè)水資源不豐富的國家，在各個(gè)用水部門中，灌溉用水最多，約占全國總用水量的70%以上，因此開展節(jié)水灌溉對緩解我國日益突出的水資源供需矛盾具有十分重要的戰(zhàn)略意義。在推行節(jié)水灌溉方面，幾十年來我國已經(jīng)做了許多工作，取得了一定成效。近年來渠道防滲，噴、微灌等節(jié)水新技術(shù)和低壓管道輸水灌溉得到迅速發(fā)展。為了減少田間灌溉用水的損失，很多地區(qū)采用了平整土地、膜上灌、稻田濕潤灌溉、改進(jìn)畦溝灌等節(jié)水措施，效果也較顯著。但是，節(jié)水灌溉在我國畢竟還處于發(fā)展階段，發(fā)展不平衡，規(guī)模也不大。

現(xiàn)有技術(shù)中也已經(jīng)發(fā)展出一種基于物聯(lián)網(wǎng)的灌溉系統(tǒng)，例如公開號為CN204796355U的中國專利文獻(xiàn)公開了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的智能大棚灌溉系統(tǒng)，包括總控中心、控制模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、灌溉系統(tǒng)和雨水收集系統(tǒng)；所述的控制模塊通過電連接并控制從蓄水池抽水的抽水泵、從水源或雨水過濾器抽水的抽水泵、施肥器、各個(gè)電磁閥和大棚天窗；所述的數(shù)據(jù)采集模塊通過無線網(wǎng)絡(luò)連接水位檢測、水表、壓力流量計(jì)、土壤墑情傳感器、溫濕度傳感器、雨量傳感器和室外氣象站的各種實(shí)時(shí)信息；所述的灌溉系統(tǒng)由蓄水池、止回閥、抽水泵、電磁閥、施肥器、水表、壓力流量計(jì)、電磁閥3～N、搖臂噴頭1～N、滴灌管1～N通過水管連接構(gòu)成；所述的雨水收集系統(tǒng)由雨水收集器1～N、雨水過濾器、抽水泵2通過水管連接構(gòu)成。

但是現(xiàn)有技術(shù)中的灌溉系統(tǒng)并沒有具體公開如何利用數(shù)據(jù)采集模塊采集的數(shù)據(jù)控制灌溉系統(tǒng)的運(yùn)行，無法預(yù)測作物蒸發(fā)蒸騰量，也就無法進(jìn)一步預(yù)測灌水日期和灌水定額。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明提供一種智能節(jié)水灌溉物聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)充分利用了田間小氣候自動觀測儀檢測的雨量、空氣溫度、空氣濕度、光照強(qiáng)度等氣象參數(shù)，能夠比較準(zhǔn)確地預(yù)測作物蒸發(fā)蒸騰量，進(jìn)而預(yù)測灌水日期和灌水定額。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所述的智能節(jié)水灌溉物聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)包括田間小氣候自動觀測儀、數(shù)據(jù)分析裝置、控制裝置和灌溉出水裝置，所述的田間小氣候自動觀測儀與數(shù)據(jù)分析裝置連接，數(shù)據(jù)分析裝置與控制裝置連接，控制裝置與灌溉出水裝置連接，所述的田間小氣候自動觀測儀用于對風(fēng)速、風(fēng)向、雨量、空氣溫度、空氣濕度、光照強(qiáng)度、土壤溫度、土壤濕度、蒸發(fā)量、大氣壓力、總輻射氣象要素進(jìn)行全天候現(xiàn)場監(jiān)測，并且將監(jiān)測到的數(shù)據(jù)全部傳輸給數(shù)據(jù)分析裝置；所述的數(shù)據(jù)分析裝置用于根據(jù)從所述的田間小氣候自動觀測儀接收到的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)預(yù)測作物蒸發(fā)蒸騰量，并且將實(shí)時(shí)預(yù)測的作物蒸發(fā)蒸騰量傳輸給控制裝置，所述控制裝置根據(jù)從所述數(shù)據(jù)分析裝置接收到的作物蒸發(fā)蒸騰量控制灌溉出水裝置實(shí)現(xiàn)自動灌溉。

在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，所述的數(shù)據(jù)分析裝置根據(jù)第一公式實(shí)時(shí)預(yù)測作物蒸發(fā)蒸騰量，第一公式的內(nèi)容為：

ET_i= ET_oi?K_oi?K_si

其中ET_i為第i天的作物蒸發(fā)蒸騰量，mm/d；ET_oi為第i天的參考作物騰發(fā)量，mm/d；K_oi為第i天的作物系數(shù)，K_si為第i天的土壤水分修正系數(shù)；

ET_oi根據(jù)第二公式計(jì)算，第二公式的內(nèi)容為：

ET_oi = Ф_i?ET_um?exp[-[(I-I_m)/A]²]

其中，Ф_i為第i天的天氣類型修正系數(shù)，通過查表獲得；ET_um為多年平均最大旬參考作物騰發(fā)量平均值，mm/d，通過查詢當(dāng)?shù)亻L期水文氣象資料獲得；I為日序數(shù)；I_m為歷年中出現(xiàn)ET_um之日序數(shù)均值，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，I_m在191至212的范圍內(nèi)取值；A為經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，A在96.8至150的范圍內(nèi)取值；

K_oi根據(jù)第三公式計(jì)算，第三公式的內(nèi)容為：

K_oi=a+b?CC_iⁿ

其中K_oi為第i天的作物系數(shù)，a為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，b為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，n為經(jīng)驗(yàn)指數(shù)，CC_i為第i天的綠葉覆蓋百分率，%；

CC_i根據(jù)第四公式計(jì)算，第四公式的內(nèi)容為：

CC_i=CC₀+（CC_T – CC₀）i_f /T

其中CC_i為第i天的綠葉覆蓋百分率，%，CC₀為初始日的作物綠葉覆蓋百分率，%，CC_T為第T日的作物綠葉覆蓋百分率，%，i_f為從初始日開始往后的日數(shù)；T為從初始日開始到達(dá)某一預(yù)定CC_T所需的日數(shù)；CC₀取自測報(bào)點(diǎn)當(dāng)時(shí)測報(bào)的數(shù)值，CC_T、i_f和T均為根據(jù)作物生長特性和實(shí)際經(jīng)驗(yàn)預(yù)估的經(jīng)驗(yàn)值；

K_si根據(jù)第五公式計(jì)算，第五公式的內(nèi)容為：

K_si=α?exp[(θ_i-θ_c2)]/ θ_c2+R?t_f+Q?h_f

其中K_si為第i天的土壤水分修正系數(shù)；α為0.8~0.95；θ_i為第i日的實(shí)際平均土壤濕度；θ_c2為土壤水分脅迫臨界土壤含水率，稻田為飽和含水率的80%，旱田為第i日的實(shí)際平均土壤濕度的60%；R為空氣溫度經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，R取為0.005；Q為光照強(qiáng)度經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，Q取為0.026；t_f為日平均空氣溫度；h_f為日平均光照強(qiáng)度。

優(yōu)選地，第三公式中a=0.507，b=2.32×10^-5；n=2.27。

優(yōu)選地，第三公式中a=0.35，b=2.56×10^-5；n=2.27。

優(yōu)選地，第三公式中a=0.9，b=0.74×10^-6；n=2.26。

所述的灌溉出水裝置包括噴灌裝置和滴灌裝置，當(dāng)所述的田間小氣候自動觀測儀檢測到風(fēng)速低于10m/s時(shí)，打開噴灌裝置，并且將噴灌裝置的噴頭調(diào)成迎著風(fēng)向的角度，關(guān)閉滴灌裝置。

當(dāng)所述的田間小氣候自動觀測儀檢測到風(fēng)速大于或等于10m/s時(shí)，關(guān)閉噴灌裝置，打開滴灌裝置。

所述的田間小氣候自動觀測儀包括氣象傳感器、氣象數(shù)據(jù)記錄儀、電源系統(tǒng)、野外防護(hù)箱和不銹鋼支架，所述氣象傳感器、氣象數(shù)據(jù)記錄儀和電源系統(tǒng)均設(shè)置在野外防護(hù)箱中，野外防護(hù)箱固定設(shè)置在不銹鋼支架上，氣象傳感器與氣象數(shù)據(jù)記錄儀連接，電源系統(tǒng)與氣象傳感器和氣象數(shù)據(jù)記錄儀分別連接。

在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，所述氣象傳感器至少包括風(fēng)速傳感器、風(fēng)向傳感器、雨量傳感器和/或蒸發(fā)量傳感器。

所述的智能節(jié)水灌溉物聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)還通過標(biāo)準(zhǔn) USB 通訊接口與監(jiān)測中心 PC 機(jī)有線連接，實(shí)時(shí)傳送采集的數(shù)據(jù)。

本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)：本發(fā)明所述的智能節(jié)水灌溉物聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)與現(xiàn)有技術(shù)相比，充分利用了田間小氣候自動觀測儀檢測的雨量、空氣溫度、空氣濕度、光照強(qiáng)度等氣象參數(shù)，能夠比較準(zhǔn)確地預(yù)測短期作物蒸發(fā)蒸騰量，進(jìn)而預(yù)測灌水日期和灌水定額，以充分利用田間水分狀況、作物生長狀況、天氣條件等實(shí)時(shí)動態(tài)信息，為計(jì)劃用水或節(jié)水灌溉條件下灌溉管理和減產(chǎn)率預(yù)測、某一次灌溉時(shí)水量最優(yōu)分配提供依據(jù)。

附圖說明

圖1是本發(fā)明所述的智能節(jié)水灌溉物聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

以下實(shí)施例用于說明本發(fā)明，但不用來限制本發(fā)明的范圍。

本發(fā)明所述的智能節(jié)水灌溉物聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)包括田間小氣候自動觀測儀、數(shù)據(jù)分析裝置、控制裝置和灌溉出水裝置，所述的田間小氣候自動觀測儀與數(shù)據(jù)分析裝置連接，數(shù)據(jù)分析裝置與控制裝置連接，控制裝置與灌溉出水裝置連接，所述的田間小氣候自動觀測儀用于對風(fēng)速、風(fēng)向、雨量、空氣溫度、空氣濕度、光照強(qiáng)度、土壤溫度、土壤濕度、蒸發(fā)量、大氣壓力、總輻射氣象要素進(jìn)行全天候現(xiàn)場監(jiān)測，并且將監(jiān)測到的數(shù)據(jù)全部傳輸給數(shù)據(jù)分析裝置；所述的數(shù)據(jù)分析裝置用于根據(jù)從所述的田間小氣候自動觀測儀接收到的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)預(yù)測作物蒸發(fā)蒸騰量，并且將實(shí)時(shí)預(yù)測的作物蒸發(fā)蒸騰量傳輸給控制裝置，所述控制裝置根據(jù)從所述數(shù)據(jù)分析裝置接收到的作物蒸發(fā)蒸騰量控制灌溉出水裝置實(shí)現(xiàn)自動灌溉。

在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，所述的數(shù)據(jù)分析裝置根據(jù)第一公式實(shí)時(shí)預(yù)測作物蒸發(fā)蒸騰量，第一公式的內(nèi)容為：

ET_i= ET_oi?K_oi?K_si

其中ET_i為第i天的作物蒸發(fā)蒸騰量，mm/d；ET_oi為第i天的參考作物騰發(fā)量，mm/d；K_oi為第i天的作物系數(shù)，K_si為第i天的土壤水分修正系數(shù)；

ET_oi根據(jù)第二公式計(jì)算，第二公式的內(nèi)容為：

ET_oi = Ф_i?ET_um?exp[-[(I-I_m)/A]²]

其中，Ф_i為第i天的天氣類型修正系數(shù)，通過查表獲得；ET_um為多年平均最大旬參考作物騰發(fā)量平均值，mm/d，通過查詢當(dāng)?shù)亻L期水文氣象資料獲得；I為日序數(shù)；I_m為歷年中出現(xiàn)ET_um之日序數(shù)均值，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，I_m在191至212的范圍內(nèi)取值；A為經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，A在96.8至150的范圍內(nèi)取值；

K_oi根據(jù)第三公式計(jì)算，第三公式的內(nèi)容為：

K_oi=a+b?CC_iⁿ

其中K_oi為第i天的作物系數(shù)，a為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，b為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，n為經(jīng)驗(yàn)指數(shù)，CC_i為第i天的綠葉覆蓋百分率，%；

CC_i根據(jù)第四公式計(jì)算，第四公式的內(nèi)容為：

CC_i=CC₀+（CC_T – CC₀）i_f /T

其中CC_i為第i天的綠葉覆蓋百分率，%，CC₀為初始日的作物綠葉覆蓋百分率，%，CC_T為第T日的作物綠葉覆蓋百分率，%，i_f為從初始日開始往后的日數(shù)；T為從初始日開始到達(dá)某一預(yù)定CC_T所需的日數(shù)；CC₀取自測報(bào)點(diǎn)當(dāng)時(shí)測報(bào)的數(shù)值，CC_T、i_f和T均為根據(jù)作物生長特性和實(shí)際經(jīng)驗(yàn)預(yù)估的經(jīng)驗(yàn)值；

K_si根據(jù)第五公式計(jì)算，第五公式的內(nèi)容為：

K_si=α?exp[(θ_i-θ_c2)]/ θ_c2+R?t_f+Q?h_f

其中K_si為第i天的土壤水分修正系數(shù)；α為0.8~0.95；θ_i為第i日的實(shí)際平均土壤濕度；θ_c2為土壤水分脅迫臨界土壤含水率，稻田為飽和含水率的80%，旱田為第i日的實(shí)際平均土壤濕度的60%；R為空氣溫度經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，R取為0.005；Q為光照強(qiáng)度經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，Q取為0.026；t_f為日平均空氣溫度；h_f為日平均光照強(qiáng)度。

上文中的第i日的實(shí)際平均土壤濕度、日平均空氣溫度、日平均光照強(qiáng)度均由田間小氣候自動觀測儀檢測獲得。

第二公式中的第i天的天氣類型修正系數(shù)Ф_i通過查下表獲得：

對于類似于棉花的作物，第三公式中a=0.507，b=2.32×10^-5；n=2.27。

對于類似于玉米的作物，第三公式中a=0.35，b=2.56×10^-5；n=2.27。

對于類似于水稻及冬小麥的作物，第三公式中a=0.9，b=0.74×10^-6；n=2.26。

確定了實(shí)時(shí)預(yù)測的作物蒸發(fā)蒸騰量，即可按照現(xiàn)有技術(shù)中的方法（例如亨特蒸散系統(tǒng)，即ET系統(tǒng)）確定灌溉程序，獲得具體的灌溉日期和灌水定額，根據(jù)灌溉日期和灌水定額控制灌溉出水裝置實(shí)現(xiàn)自動灌溉。

所述的灌溉出水裝置包括噴灌裝置和滴灌裝置，當(dāng)所述的田間小氣候自動觀測儀檢測到風(fēng)速低于10m/s時(shí)，打開噴灌裝置，并且將噴灌裝置的噴頭調(diào)成迎著風(fēng)向的角度，關(guān)閉滴灌裝置。

當(dāng)所述的田間小氣候自動觀測儀檢測到風(fēng)速大于或等于10m/s時(shí)，關(guān)閉噴灌裝置，打開滴灌裝置。

由于滴灌裝置受風(fēng)力的影響較小，噴灌裝置受風(fēng)力的影響較大，因此在風(fēng)速低時(shí)采用噴灌，在風(fēng)力高時(shí)采用滴灌有利于保證節(jié)水效率。將噴灌裝置的噴頭調(diào)成迎著風(fēng)向的角度有利于擴(kuò)大水滴的落點(diǎn)范圍，避免水滴被順風(fēng)吹離農(nóng)作物過遠(yuǎn)，失去灌溉效果。

所述的田間小氣候自動觀測儀包括氣象傳感器、氣象數(shù)據(jù)記錄儀、電源系統(tǒng)、野外防護(hù)箱和不銹鋼支架，所述氣象傳感器、氣象數(shù)據(jù)記錄儀和電源系統(tǒng)均設(shè)置在野外防護(hù)箱中，野外防護(hù)箱固定設(shè)置在不銹鋼支架上，氣象傳感器與氣象數(shù)據(jù)記錄儀連接，電源系統(tǒng)與氣象傳感器和氣象數(shù)據(jù)記錄儀分別連接。

在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，所述氣象傳感器至少包括風(fēng)速傳感器、風(fēng)向傳感器、雨量傳感器和/或蒸發(fā)量傳感器。

風(fēng)速傳感器、風(fēng)向傳感器、雨量傳感器、蒸發(fā)量傳感器為氣象專用傳感器，具有高精度、高可靠性的特點(diǎn)。

氣象數(shù)據(jù)記錄儀具有氣象數(shù)據(jù)采集、氣象數(shù)據(jù)定時(shí)存儲、參數(shù)設(shè)定、友好的軟件人機(jī)界面和標(biāo)準(zhǔn)通信功能，圖形數(shù)據(jù)顯示，有線通訊方式，在Windows2000以上系統(tǒng)環(huán)境即可運(yùn)行,存儲數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)存儲格式為EXCEL標(biāo)準(zhǔn)格式，可生成氣象數(shù)據(jù)圖表，供其它軟件調(diào)用。

所述的智能節(jié)水灌溉物聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)還通過標(biāo)準(zhǔn) USB 通訊接口與監(jiān)測中心 PC 機(jī)有線連接，實(shí)時(shí)傳送采集的數(shù)據(jù)。

雖然，上文中已經(jīng)用一般性說明及具體實(shí)施例對本發(fā)明作了詳盡的描述，但在本發(fā)明基礎(chǔ)上，可以對之作一些修改或改進(jìn)，這對本領(lǐng)域技術(shù)人員而言是顯而易見的。因此，在不偏離本發(fā)明精神的基礎(chǔ)上所做的這些修改或改進(jìn)，均屬于本發(fā)明要求保護(hù)的范圍。