根据作物缺水逆境生理反应进行灌溉的控制方法及其装置

摘要

本发明涉及根据作物缺水逆境生理反应进行灌溉的控制方法及其装置，在作物茎杆上装直径变差变送器，在茎杆上方装有光照变送器，在作物根部装土壤水分传感变送器，将直径变差变送器、光照变送器、土壤水分传感变送器输出数据输入到直径变化指数计算与缺水分析单元，将茎秆直径日变化值与该作物需要灌溉的茎秆直径变化指数比较，对太阳辐射日累加值和季节平均值比较，对作物土壤含水量与设定允许最小土壤含水量值比较，判断是否需要灌溉，由茎变差传感变送器、光照传感变送器、土壤水分传感变送器、作物茎秆直径变化指数计算与缺水分析单元、灌溉设备控制单元、水泵交流接触器及管道电磁阀组成较灌溉控制装置，更能反映作物随机生长情况下实际需水状况，省水节能，特别是作物植株处于间歇的暂短缺水逆境，使作物植株产生超补偿效应，刺激根系的生长，对作物生长极为有利。

说明书

技术领域：

本发明属于农业灌溉技术领域，尤其涉及一种根据作物缺水逆境生理反应进行灌溉的控制方法及其装置。

背景技术

水分缺乏或过多对植物代谢系统具有重要影响，尤其是水分缺乏对农作物的生产影响很大。目前，自动灌溉控制装置均是以土壤含水量作为作物灌水的控制指标，通过控制土壤含水量，来满足作物生理生态需水。根据经验，作物土壤相对含水量为60％(占田间持水量％)为轻旱，需要灌水；当降到50％时为重旱，将严重影响作物生长和产量形成；当达到80％时为适宜水分；85％为灌溉上限，停止灌溉；超过90％时水分过多。这种灌溉控制方法，实质上是一种充分供给式(前馈式调节)的灌溉控制方式。该方式并没有真正反映作物本身不同生长阶段，不同天气情况的实际需水状况。指标定得过高会加大棵间蒸发和作物的奢侈蒸腾，降低水分利用效率。指标定得过低将有可能造成某个时段供水不足，而影响作物正常生长。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中存在的不足而提供一种能够反映作物本身实际需水状况的更加高效地进行灌溉的控制方法及其装置。

本发明的目的是这样实现的：首先，在作物茎杆上安装植物茎秆直径变差变送器，靠该植物茎秆直径变差变送器采集茎秆直径的日变化值，在作物茎杆上方安装有光照变送器，用于采集太阳辐射的日累加值，在作物的根部安装有土壤水分传感变送器，用于采集作物土壤含水量，

其次，将植物茎秆直径变差变送器、光照变送器、土壤水分变送器的输出数据输入到作物茎秆直径变化指数计算与缺水分析单元，由该单元将采集到的茎秆直径日变化值代入作物茎秆直径变化指数计算公式计算出作物茎秆直径变化指数并与该种作物需要灌溉的作物茎秆直径变化指数进行比较，对采集到的太阳辐射的日累加值和这个季节的平均值进行比较，对采集到的作物土壤含水量与设定的允许最小土壤含水量值进行比较，

第三，比较后由作物茎秆直径变化指数计算与缺水分析单元输出控制信号控制灌溉设备控制单元，

第四，由控制灌溉设备控制单元启动水泵，打开电磁阀，进行灌溉。

将茎变差传感变送器、光照传感变送器、土壤水分传感变送器输出的可以远传的传感器标准信号4～20MA，经过由集成电路RCV420组成的信号调理电路转换成适合由ADC0809组成的多通道AD转换电路处理的0～5V信号，由多通道AD转换电路将0～5V模拟信号转换成数字信号，多通道AD转换电路由AT89C52单片机组成的前端处理CPU单元控制，控制计算机通过计算机232通讯口经过由MAX232E集成电路组成的TTL与232电平转换电路与由AT89C52单片机组成的前端处理CPU单元连接，根据控制计算机的要求，将采集的茎变差、光照和土壤水分值以数字信号的形式，在前端处理CPU单元控制下经过由MAX232E集成电路组成的TTL与232电平转换电路和计算机232通讯口送入控制计算机，控制计算机计算作物茎秆直径变化指数CSDCI判断是否需要灌溉，并形成控制指令，经TTL与232电平转换电路回传给前端处理CPU单元，在前端处理CPU单元的控制下，将控制指令通过由集成电路8255和小功率继电器组成的灌溉设备启闭控制和强弱电隔离电路，控制水泵交流接触器管道电动阀或电磁阀进行灌溉。

作物茎秆直径变化指数的计算公式为：

CSDCI＝1-ΔSda/ΔSDm

式中：CSDCI为作物茎秆直径变化指数；ΔSda为水分亏缺植株茎秆直径变化量；ΔSDm为水分充足植株茎秆直径变化量，

作物茎秆直径变化指数计算与缺水分析单元4中的计算机计算作物茎秆直径变化指数CSDCI而确定作物是否需要灌溉的判断方法为：首先将茎变差传感变送器采集到的茎秆直径的日变化值代入作物茎秆直径变化指数计算公式，计算作物茎秆直径变化指数CSDCI，如果计算结果达到了作物需要灌溉的作物茎秆直径变化指数，说明作物有需要灌溉的可能，是否真正需要灌溉，还要看光照传感变送器采集到的太阳辐射的日累加值，如果太阳辐射的日累加值远远小于这个季节的平均值，说明是阴天造成的作物植株蒸腾活动的减弱而引起的作物植株茎秆收缩和膨胀的幅度减少，而非作物缺水所致，无需灌溉，否则由灌溉设备控制单元启动水泵交流接触器打开管道电磁阀进行灌溉，在采用茎秆直径变差值计算是否需要灌溉时，采用优先级控制，设定允许最小土壤含水量值作为控制底线，正常情况下不会达到最小允许土壤含水量值，但当茎秆直径变差传感器1脱落时，达到最小允许土壤含水量值，启动灌溉的同时，灌溉控制装置自动转为土壤含水量阈值控制，避免了由于茎秆直径变差传感器1脱落引起控制失败而没有及时灌溉造成的损失。

一种靠作物缺水逆境生理反应进行灌溉的控制装置，由茎变差传感变送器、光照传感变送器、土壤水分传感变送器、作物茎秆直径变化指数计算与缺水分析单元、灌溉设备控制单元、水泵交流接触器及管道电磁阀组成，茎变差传感变送器、光照传感变送器、土壤水分传感变送器的信号输出端与由集成电路RCV420组成的信号调理电路的输入端口相连接，信号调理电路的输出端口与由ADC0809组成的多通道AD转换电路相连接，由多通道AD转换电路5将输入的0～5V模拟信号转换成数字信号，多通道AD转换电路又与由AT89C52单片机组成的前端处理CPU单元相连接，前端处理CPU单元又通过由MAX232E集成电路组成的TTL与232电平转换电路、计算机232通讯口与计算机相连接，根据控制计算机的要求，将采集的茎变差、光照和土壤水分值数字信号，在前端处理CPU单元控制下经过由MAX232E集成电路组成的TTL与232电平转换电路送入计算机232通讯口，控制计算机计算作物茎秆直径变化指数CSDCI判断是否需要灌溉并形成控制指令，经TTL与232电平转换电路回传给前端处理CPU单元，前端处理CPU单元又与由集成电路8255和小功率继电器组成的灌溉设备启闭和强弱电隔离电路相连接，灌溉设备启闭和强弱电隔离电路与控制水泵交流接触器和管道电动阀或电磁阀相连接，在前端处理CPU单元的控制下，将控制指令通过由集成电路8255和小功率继电器组成的灌溉设备启闭控制和强弱电隔离电路，控制水泵交流接触器和管道电动阀或电磁阀进行灌溉。

本发明能根据作物在随机生长状况下的实际需水要求进行灌溉，与通常的以土壤含水量作为作物灌水控制指标，通过控制土壤含水量，来满足作物生理生态需水的充分供给式(前馈式调节)的灌溉控制方式比较，更加省水和节能，有利于干物质积累，改善收获物的品质。根据植物生理研究表明，植物处于间歇的暂短缺水逆境，可以使植物产生超补偿效应，刺激根系的生长，对作物生长极为有利，这种作物在某段时期经历了干旱水分亏缺的逆境后，当水分条件得到改善时，会超常生长的现象，是植物适应逆境的一种对策。

附图说明

图1为本发明的流程图。

图2为本发明的电路连接图。

图3为本发明实施例的电路图。

具体实施方式

如图1所示，本发明根据作物缺水逆境生理反应进行灌溉的控制方法如下：

首先，在作物茎杆上安装植物茎秆直径变差变送器1，依靠该植物茎秆直径变差变送器1采集茎秆直径的日变化值，在作物茎杆上方安装有光照变送器2，用于采集太阳辐射的日累加值，在作物的根部安装有土壤水分传感变送器3，用于采集作物根部土壤含水量，

其次，将植物茎秆直径变差变送器1、光照变送器2、土壤水分传感变送器3的输出数据输入到作物茎秆直径变化指数计算与缺水分析单元4，由该作物茎秆直径变化指数计算与缺水分析单元4，对采集到的茎秆直径日变化值与该种作物需要灌溉的作物茎秆直径变化指数进行比较，对采集到的太阳辐射的日累加值和这个季节的平均值进行比较，对采集到的作物土壤含水量与设定的允许最小土壤含水量值进行比较，

第三，比较后由作物茎秆直径变化指数计算与缺水分析单元输出控制信号控制灌溉设备控制单元5，

第四，由控制灌溉设备控制单元5启动水泵6，打开电磁阀7，进行灌溉。

如图2所示，本发明将茎变差传感变送器1、光照传感变送器2、土壤水分传感变送器3输出的可以远传的传感器标准信号4～20MA，经过由集成电路RCV420组成的信号调理电路4转换成适合由ADC0809组成的多通道AD转换电路5处理的0～5V信号，由多通道AD转换电路5将0～5V模拟信号转换成数字信号，多通道AD转换电路5由AT89C52单片机组成的前端处理CPU单元6控制，根据控制计算机9的要求，将采集的茎变差、光照和土壤水分值以数字信号的形式，在前端处理CPU单元6控制下经过由MAX232E集成电路组成的TTL与232电平转换电路7送入计算机232通讯口8，控制计算机9计算作物茎秆直径变化指数CSDCI判断是否需要灌溉，并形成控制指令，经TTL与232电平转换电路7回传给前端处理CPU单元6，在前端处理CPU单元6的控制下，将控制指令通过由集成电路8255和小功率继电器组成的灌溉设备启闭控制和强弱电隔离电路10，控制水泵交流接触器12管道电动阀或电磁阀11进行灌溉。

作物茎秆直径变化指数的计算公式为：

CSDCI＝1-ΔSda/ΔSDm

式中：CSDCI为作物茎秆直径变化指数；ΔSda为水分亏缺植株茎秆直径变化量；ΔSDm为水分充足植株茎秆直径变化量，

作物茎秆直径变化指数计算与缺水分析单元4(图一)中的计算机9(图二)计算作物茎秆直径变化指数CSDCI而确定作物是否需要灌溉的判断方法为：首先将茎变差传感变送器1采集到的茎秆直径的日变化值代入作物茎秆直径变化指数计算公式，计算作物茎秆直径变化指数CSDCI，如果计算结果达到了作物需要灌溉的作物茎秆直径变化指数，说明作物有需要灌溉的可能，是否真正需要灌溉，还要看光照传感变送器2采集到的太阳辐射的日累加值，如果太阳辐射的日累加值远远小于这个季节的平均值，说明是阴天造成的作物植株蒸腾活动的减弱而引起的作物植株茎秆收缩和膨胀的幅度减少，而非作物缺水所致，无需灌溉，否则由灌溉设备控制单元5启动水泵交流接触器6打开管道电磁阀7进行灌溉，在采用茎秆直径变差值计算是否需要灌溉时，采用优先级控制，设定允许最小土壤含水量值作为控制底线，正常情况下不会达到最小允许土壤含水量值，但当茎秆直径变差传感器1脱落时，达到最小允许土壤含水量值，启动灌溉的同时，灌溉控制装置自动转为土壤含水量阈值控制，土壤含水量由土壤水分传感变送器3检测。

如图2所示，一种靠作物缺水逆境生理反应进行灌溉的控制装置，由茎变差传感变送器1、光照传感变送器2、土壤水分传感变送器3、作物茎秆直径变化指数计算与缺水分析单元、灌溉设备控制单元、水泵交流接触器12及管道电磁阀11组成，茎变差传感变送器1、光照传感变送器2、土壤水分传感变送器3的信号输出端与由集成电路RCV420组成的信号调理电路4的输入端口相连接，信号调理电路4的输出端口与由ADC0809组成的多通道AD转换电路5相连接，由多通道AD转换电路5将输入的0～5V模拟信号转换成数字信号，多通道AD转换电路5又与由AT89C52单片机组成的前端处理CPU单元6相连接，前端处理CPU单元6又通过由MAX232E集成电路组成的TTL与232电平转换电路7、计算机232通讯口8与计算机9相连接，根据控制计算机9的要求，将采集的茎变差、光照和土壤水分值数字信号，在前端处理CPU单元6控制下经过由MAX232E集成电路组成的TTL与232电平转换电路7送入计算机232通讯口8，控制计算机9计算作物茎秆直径变化指数CSDCI判断是否需要灌溉并形成控制指令，经TTL与232电平转换电路7回传给前端处理CPU单元6，前端处理CPU单元6又与由集成电路8255和小功率继电器组成的灌溉设备启闭和强弱电隔离电路10相连接，灌溉设备启闭和强弱电隔离电路10与控制水泵交流接触器12和管道电动阀或电磁阀11相连接，在前端处理CPU单元6的控制下，将控制指令通过由集成电路8255和小功率继电器组成的灌溉设备启闭控制和强弱电隔离电路10，控制水泵交流接触器12和管道电动阀或电磁阀11进行灌溉。

在由作物缺水逆境生理反应控制的自动灌溉控制装置的前端安装有作物植株茎秆直径变差测量变送器，该变送器的结构请阅读发明人的另一个专利“植物茎秆直径变差测量变送器”专利申请号：200410060504.9，用于检测由于作物处于缺水逆境而引发的作物生理反应产生的作物缺水生理体征。

在作物植株茎秆直径变差测量变送器后是作物缺水信息计算分析和灌溉控制部分。它的工作原理是这样的：作物植株茎秆是作物植株去水(蒸腾失水)和来水(根系吸水)的缓冲地带，当去水速度大于来水速度时作物植株茎秆就会发生收缩，反之就会膨胀。在通常情况下，作物植株蒸腾失水的速度围绕根系吸水的速度上下波动，使作物植株茎秆随之收缩和膨胀，并有其明显的日变化规律，日出前作物茎杆直径最大，而午后作物茎杆直径最小，处于一种动态平衡状态。当作物植株缺水时，由于作物植株处于缺水逆境，产生了自我保护的生理反应关闭或缩小了叶片气孔开度，从而使作物植株蒸腾量和作物植株蒸腾失水的速度特别是作物植株蒸腾失水的速度变化幅度减少，进而作物植株茎秆收缩和膨胀的幅度也随之减少。因此，作物植株茎秆直径变差(茎秆收缩和膨胀幅度的变化)能够很好的反映作物的实际缺水程度。作物茎杆直径日变差的减少，就是控制装置要采集的作物缺水的生理体征。作物植株茎秆直径变差测量不改变作物原有的生态环境，精度高，对作物植株不具破坏性，可以长期观测，比较适合作为根据作物缺水逆境生理反应控制的自动灌溉控制装置的作物缺水生理体征检测传感变送器。

根据作物缺水逆境生理反应控制的自动灌溉控制装置与通常的自动灌溉控制装置不同。它采用的是反馈式调节(短缺补充)方式，它是偏差在前，调节在后的一种滞后调节方式。因此，首先要掌握合适的灌水时机，提前，作物缺水生理体征不明显，可能产生错误的灌溉，提后可能因为灌水不及时而对作物造成不可逆的永久伤害。由于不同作物对缺水的敏感程度不同，应提前做试验以确定该作物的最佳的灌水时机。为了计算方便，这里我们引入了一个作物茎秆直径变化指数(Index of Crops Stem Diameter Changes，CSDCI)的概念，即：

CSDCI＝1-ΔSda/ΔSDm

式中：CSDCI为作物茎秆直径变化指数；ΔSda为水分亏缺植株茎秆直径变化量；ΔSDm为水分充足植株茎秆直径变化量。据此式计算，辣椒植株茎秆直径变化指数，当CSDCI＞0.14时，辣椒严重缺水；CSDCI＝0.14时辣椒轻度缺水，可视为辣椒适宜水分下限，需要灌溉；0＜CSDCI＜0.14为辣椒水分适宜范围；CSDCI＝0时辣椒水分达适宜上限。

由作物缺水逆境生理反应控制的自动灌溉控制装置的作物缺水信息计算分析部分，将作物植株茎秆直径变差测量变送器测得的作物茎秆直径变差数据代入作物茎秆直径变化指数计算公式，根据是否达到该种作物需要灌溉的作物茎秆直径变化指数，决定是否进行灌溉。如果需要灌溉，由根据作物缺水逆境生理反应控制的自动灌溉控制装置的灌溉控制部分启动水泵或电磁阀进行灌溉。

如图1所示，本发明的自动灌溉控制装置分别安装有茎变差传感变送器1、光照传感变送器2、土壤水分传感变送器3。其中植物茎秆直径变差变送器1安装在作物(例如：辣椒)茎杆上，采集茎秆直径的日变化值。光照变送器2安装在作物茎杆的上方，用于采集太阳辐射的日累加值。土壤水分变送器3安装在作物的根部，用于采集作物土壤水分。CSDCI--作物茎秆直径变化指数计算与缺水分析单元4首先将采集到的茎秆直径的日变化值代入作物茎秆直径变化指数计算公式，计算作物茎秆直径变化指数CSDCI，如果计算结果达到了作物需要灌溉的作物茎秆直径变化指数(以辣椒为例CSDCI≥0.14)，说明作物有需要灌溉的可能。是否真正需要灌溉，还要看太阳辐射的日累加值。如果太阳辐射的日累加值远远小于这个季节的平均值，说明是阴天造成的作物植株蒸腾活动的减弱而引起的作物植株茎秆收缩和膨胀的幅度减少，而非作物缺水所致，无需灌溉，否则由灌溉设备控制单元5启动水泵6打开电磁阀7进行灌溉。由于茎秆直径变差传感器1是安装在植株体上的，抗扰动性相对要差。为了避免茎秆直径变差传感器1脱落而造成不必要的损失，要采取保护性措施。这里采用了优先级控制，即在采用茎秆直径变差值计算是否需要灌溉时，设定允许最小土壤含水量值作为控制底线，正常情况下不会达到最小允许土壤含水量值。但当茎秆直径变差传感器1脱落时，达到最小允许土壤含水量值，启动灌溉的同时，灌溉控制装置自动转为土壤含水量阈值控制。土壤含水量由土壤水分传感变送器3提供。

本发明采用的是“少吃多餐”的等额灌水方式或根据前时段耗水速度推算后时段灌水量的灌水量可以进行自动调节的非等额灌水方式(如果前个灌水周期作物缺水生理体征出现的间隔时间短，加大后一个灌水周期的灌水量，反之亦然。即前个灌水周期作物缺水生理体征出现的间隔时间与后一个灌水周期的灌水量成反比进行控制调节)，后者可以减少灌水的频繁程度，有利于更好的节水。该方法真正反映了作物在随机生长状况下的实际需水量变化，精度优于采用现阶段的作物耗(需)水量预报模型的方法，并且更加简单和实用(无需增加额外的传感器和进行复杂的数学运算)。

如图2所示，以辣椒为实施例：茎变差传感变送器1，采用本发明人的专利产品，具体结构请阅读发明专利“植物茎秆直径变差测量变送器”，申请号：200410060504.9；光照传感变送器2，采用北京前景惠邦温室控制技术公司的LT/G照度变送器；土壤水分传感变送器3，采用北京渠道科学器材公司经销的AQUA-TEL-TDR土壤水分变送器。茎变差传感变送器1、光照传感变送器2、土壤水分传感变送器3输出的可以远传的传感器标准信号4～20MA，经过由集成电路RCV420组成的信号调理电路4转换成适合由ADC0809组成的多通道AD转换电路5处理的0～5V信号，由多通道AD转换电路5将0～5V模拟信号转换成数字信号。多通道AD转换电路5由AT89C52单片机组成的前端处理CPU单元6控制，根据控制计算机9的要求，将采集的茎变差、光照和土壤水分值(数字信号)，在前端处理CPU单元6控制下经过由MAX232E集成电路组成的TTL与232电平转换电路7送入计算机232通讯口8。控制计算机9按前述方法，计算作物茎秆直径变化指数CSDCI判断是否需要灌溉，灌多少？并形成控制指令，经TTL与232电平转换电路7回传给前端处理CPU单元6，在前端处理CPU单元6的控制下，将控制指令通过由集成电路8255和小功率继电器组成的灌溉设备启闭控制和强弱电隔离电路10，控制水泵交流接触器12管道电动阀或电磁阀11进行灌溉。土壤水分和光照每一个小时采集一次，将一天的每一小时采集的光照值进行累加作为光照的日累计值(代替太阳辐射的日累加值)。日出前采集作物茎秆直径最大值，午后采集作物茎秆直径最小值，两者之差既是作物茎秆直径日变化值。

实施例电路图3中：U1为单片机集成电路AT89C52，U2为集成电路74LS373，U3为集成电路ADC0809，U4、U5、U6为集成电路RCV420，U7为集成电路74LS02，U8为集成电路74LS74，U9为集成电路MAX232E，U10为集成电路8255。

如图2、图3所示，茎变差传感变送器1、光照传感变送器2、土壤水分传感变送器3的信号输出端，分别通过JK1、JK2、JK3插座与信号调理电路4的集成电路U4、U5、U6即RCV420的输入端口3、2脚相连接，信号调理电路4的集成电路U4、U5、U6即RCV420的输出端口14、15脚分别与多通道AD转换电路5的集成电路U3即ADC0809输入端口26、27、28脚相连接，多通道AD转换电路5的集成电路U3即ADC0809的数据总线17、14、15、8、18、19、20、21脚分别与前端处理CPU单元6的单片机集成电路U1即AT89C52的数据总线39、38、37、36、35、34、33、32脚相连接，多通道AD转换电路5的集成电路U3即ADC0809的地址线25、24、23脚分别与集成电路U2即74LS373的2、5、6脚相连接，集成电路U2即74LS373的3、4、7、8、13、14、17、18脚又分别与前端处理CPU单元6的单片机集成电路U1即AT89C52的数据总线39、38、37、36、35、34、33、32脚相连接，集成电路U2即74LS373的11脚与前端处理CPU单元6的单片机集成电路U1即AT89C52的30脚相连接，多通道AD转换电路5的集成电路U3即ADC0809的9脚与集成电路U7即74LS02的1脚相连接，多通道AD转换电路5的集成电路U3即ADC0809的22、6脚与集成电路U7即74LS02的4脚相连接，集成电路U7即74LS02的3、5脚又与前端处理CPU单元6的单片机集成电路U1即AT89C52的地址线21脚相连接，集成电路U7即74LS02的2、6脚又分别与前端处理CPU单元6的单片机集成电路U1即AT89C52的读写控制线17、16脚相连接，前端处理CPU单元6的单片机集成电路U1即AT89C52的串行数据线10、11脚分别与TTL与232电平转换电路7的集成电路U9即MAX232E的9、10脚相连接，TTL与232电平转换电路7的集成电路U9即MAX232E的7、8脚通过JK6插座的2、3脚与计算机232通讯口8相连接，灌溉设备启闭和强弱电隔离电路10的集成电路U10即8255的数据线34、33、32、31、30、29、28、27脚分别与前端处理CPU单元6的单片机集成电路U1即AT89C52的数据总线39、38、37、36、35、34、33、32脚相连接，灌溉设备启闭和强弱电隔离电路10的集成电路U10即8255的6、5、36、35脚分别与前端处理CPU单元6的单片机集成电路U1即AT89C52的22、17、16、9脚相连接，灌溉设备启闭和强弱电隔离电路10的集成电路U10即8255的9、8脚分别与集成电路U2即74LS373的2、5、脚相连接，灌溉设备启闭和强弱电隔离电路10的集成电路U10即8255的4、3、2、1、40、39、38、37、18、19、20、21、22、23、24、25、14、15、16、17、13、12、11、10脚分别与NPN三极管Q的基极连接，NPN三极管Q的集电极分别与小功率继电器J的线圈连接，小功率继电器J的触点分别与水泵交流接触器12和管道电磁阀、电动阀11连接。