基于水分特征曲线的农田智能化灌溉系统及方法

摘要

本发明公开了一种基于水分特征曲线的农田智能化灌溉系统及方法，该方法包括：测定土壤的水分特征曲线；基于测定的水分特征曲线，确定适合种植植物生长的土壤水分含量所对应的土壤基质吸力范围；在农田中埋设土壤水分张力计，利用土壤水分张力计对农田土壤的土壤基质吸力进行实时测量，并将测量得到的土壤基质吸力数据发送至电脑，电脑对接收到的土壤基质吸力数据做分析并与土壤基质吸力范围作对比，进而控制灌溉执行单元的启停，将农田的土壤基质吸力限定在第二步确定的范围内。本发明采用基于土壤水分特征曲线原理进行农田灌溉，对于推进农田水利建设和实现田间灌溉精量可控，改善田间灌水控制设施和提高灌水控制技术具有重要意义。

说明书

技术领域

本发明属于农田灌溉技术领域，尤其涉及一种基于水分特征曲线的农田智能化灌溉系统及方法。

背景技术

土壤水分特征曲线是指土壤水分与土壤水吸力(基质势)的关系曲线，反映了土壤水能量与土壤含水量的函数关系，是表示土壤基本水动力学特性的重要指标。是推求土壤水分蒸发、入渗以及溶质运移过程中各种水分运动参数的重要手段。所以准确获取土壤水分特征曲线对于指导农田灌溉、促进作物增产具有重要的意义。

目前在我国很多地区还依然沿袭着几千年来的传统灌水方式，采取大水漫灌的做法。浇地时，把整块田块都放满水，但因田间深层渗漏损失大，可控性差，导致农田用水量大。如果田间土地不平整，高高低低，要使地块都漫上水，需要的水量会更加得大。另外一方面，植物可利用的水量只占总水量的很小的一部分，大量的水分进行农田灌溉导致了水分利用率非常低。虽然在我国南方地区雨水资源相对比较丰富，但是南方的水资源依然存在季节性缺水、水质性缺水等劣势，这在很大程度上要求我们要用有限的水资源进行农田灌溉，对水资源的利用效率提出了更高的要求。

再者，我国目前的配水控制主要是依赖人工，而人工控制往往存在主观性强、控制误差大、劳力费用高等特点，这就导致了灌水质量和灌水成本的增大。因此，采用基于土壤水分特征曲线原理进行农田灌溉对于推进农田水利现代化建设和实现田间灌溉精量可控，改善田间灌水控制设施和提高灌水控制技术具有重要的意义。

发明内容

为了克服长期以来我国采用粗放型灌溉方式及人工控制灌溉的方法中存在的水利用效率低下、人工成本高等问题，本发明提供一种基于水分特征曲线的农田智能化灌溉系统及方法。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

基于水分特征曲线的农田智能化灌溉系统，包括数据收集单元、数据分析及处理单元、系统指挥单元和灌溉执行单元；

其中，数据收集单元负责农田土壤基质吸力数据的收集，并对收集的数据通过无线网络发送至云数据平台；

数据分析及处理单元负责将反馈过来的土壤基质吸力数据与云数据平台中存储的适合种植植物生长的土壤基质吸力范围作对比，并将对比结果反馈至系统指挥单元；

系统指挥单元感应到上一层系统的反馈结果后控制农田灌溉，对下一层系统发送控制命令，灌溉执行单元收到控制命令后执行灌溉工作，对水分供应进行启停操作；

最终将农田的土壤基质吸力限定在适合种植植物生长的土壤水分含量对应的土壤基质吸力范围内。

基于水分特征曲线的农田智能化灌溉方法，包括以下步骤：

第一步：测定土壤的水分特征曲线；

第二步：基于测定的水分特征曲线，确定适合种植植物生长的土壤水分含量所对应的土壤基质吸力范围；

第三步：在农田中埋设土壤水分张力计，利用土壤水分张力计对农田土壤的土壤基质吸力进行实时测量，并将测量得到的土壤基质吸力数据发送至电脑，电脑对接收到的土壤基质吸力数据做分析并与第二步获得的土壤基质吸力范围作对比，进而控制灌溉执行单元的启停，将农田的土壤基质吸力限定在第二步确定的范围内。

具体的，所述灌溉执行单元包括抽吸管、输水管和灌溉泵，所述灌溉泵与所述电脑电性连接，所述灌溉泵的一端由抽吸管连接至水源，另一端由输水管延伸至农田中。

具体的，所述土壤水分张力计内设有压力传感器，所述土壤水分张力计上还设有用于接收所述压力传感器的数据并将接收数据发送至电脑的接收发射器。

具体的，所述土壤水分张力计包括储水管、微孔陶土头、管塞和压力传感器，所述储水管的下端与所述微孔陶土头的螺旋接口连接，上端通过所述管塞密封，所述压力传感器联接在所述储水管的侧面。

具体的，所述微孔陶土头的前端呈锥形。

具体的，所述灌溉泵设置在泵房内。

具体的，所述土壤水分张力计在所述农田中均匀布置多个。

具体的，所述农田的土壤为黏土，种植植物为大豆，所述土壤基质吸力范围为33kpa-80kpa。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果在于：本发明采用基于土壤水分特征曲线原理进行农田灌溉，对于推进农田水利现代化建设和实现田间灌溉精量可控，改善田间灌水控制设施和提高灌水控制技术具有重要的意义。整套系统具有结构简单，维护方便的优点，解决了水资源利用效率低、人工成本大等问题，实现了将理论知识与实际应用相结合，对于我国现阶段农田水利精准灌溉、节水增效具有重大的现实意义。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例涉及智能灌溉系统结构组成图；

图2为本发明实施例涉及智能灌溉系统决策流程图；

图3是本发明实施例涉及的水分特征曲线图；

图4为本发明实施例涉及的灌溉执行单元结构示意图；

图5为本发明实施例涉及的土壤水分张力计结构示意图；

其中：1-灌溉管；2-土壤水分张力计；3-水源；4-农田；5-灌溉泵；6-泵房；7-压力传感器；8-接收发射器；9-电脑；10-储水管；11-微孔陶土头；12-管塞。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参见图1和图2，一种基于水分特征曲线的农田智能化灌溉系统，该智能化灌溉系统分为四大部分，包括数据收集单元(层)、数据分析及处理单元、系统指挥单元和灌溉执行单元。数据收集单元负责农田土壤基质吸力数据的收集，并对收集的数据通过无线网络发送至电脑的云数据平台，云数据平台中存储有适合种植植物生长的土壤水分含量所对应的土壤基质吸力范围，电脑的数据分析及处理单元负责将反馈过来的土壤基质吸力数据与存储的土壤基质吸力范围作对比，并将对比结果反馈至电脑的系统指挥单元；电脑的系统指挥单元感应到上一层系统的反馈结果后控制农田灌溉，对下一层系统发送控制命令，灌溉执行单元收到控制命令后执行灌溉工作，对水分供应进行提供或停止操作最终将农田的土壤基质吸力限定在适合种植植物生长的土壤水分含量对应的土壤基质吸力范围内。

数据收集单元由若干个分布在农田里的土壤水分张力计组成，利用土壤水分张力计对农田土壤的土壤基质吸力进行实时测量，并将测量得到的土壤基质吸力数据发送至电脑的云数据平台，电脑中的数据分析及处理单元对接收到的土壤基质吸力数据做分析并与第二步获得的土壤基质吸力范围作对比，电脑中系统指挥单元进而控制灌溉执行单元的灌溉执行单元(灌溉泵)启停，将农田的土壤基质吸力限定在第二步确定的范围内，

本实施例，利用土壤水分张力计实时地将监测到的土壤数据传输到数据库里面，数据库系统将数据进行相关分析后进行处理，最后显示出灌溉制度，并发送指令，进行智能化的农田灌溉方式。

该流程中通过电脑的控制中心控制灌溉，灌溉方式分为自动模式和手动模式，自动模式采用自动控制系统控制，手动模式采用人工输入参数的方式控制流程。土壤基质吸力参数采用张力计进行收集，并反馈至数据库，数据库通过分析及时进行整理并对数据进行清洗，最终反馈至控制中心。决策流程整体上形成闭环，不断进行“收集-分析-处理-反馈-决策-执行”的过程，实现系统的自动化管理。

参见图3-图5，基于水分特征曲线的农田智能化灌溉方法，包括以下步骤：

第一步：测定土壤的水分特征曲线；

土壤水分特征曲线的影响因素包括：土壤质地、土壤结构、土壤容重、土壤胶体吸附性离子、土壤溶液的溶质类型等。虽然水分特征曲线的影响因素较多，但是对于同一个土壤质地类型区域来说，种植同一种作物(例如：大豆，水稻)，在其农田管理方式一定的前提下，其土壤结构、容重、土壤胶体吸附性离子、土壤溶液溶质的影响是大致一样的，所以在进行土壤水分特征曲线的测定时，只需要考虑其主要影响因素——土壤质地类型。不同质地的土壤，水分特征曲线是存在差异的。按照国际土壤质地分类方法，可以将土壤大致分为3个大类，即砂土、壤土和黏土。因此，对应的土壤水分特征曲线应该是3种。在进行土壤水分特征曲线的测定时首先应该确定的是土壤的质地类型。

测定土壤水分特征曲线采用的是张力计法测定，张力计法具有简单、快速、可连续测定的优势。其测定原理是通过连续称重法得到土壤基质势与对应的含水率值，即得到水分特征曲线。其测定土壤基质势范围是：0kpa—80kpa。不同质地的土壤的水分特征曲线是不同的，在运用水分特征曲线进行计算时需要与土壤质地类型相互对应。

第二步：基于测定的水分特征曲线，确定各类型土壤适合种植植物生长的土壤水分含量所对应的土壤基质吸力范围；

如本实施例中以土壤为黏土，种植植物为大豆为例，以土壤水分特征曲线是土壤基质吸力与土壤含水量之间的对应关系。(如图1所示)依据学术界的定义方法，可将土壤基质势分为三个部分：小于33kpa、33-1500kpa和大于1500kpa三个部分，其中介于33-1500kpa之间所吸持的水分定义为有效含水率，即能够被作物有效吸收和利用的水分，小于33kpa部分所吸持的水分是会通过孔隙流走、散失的水分，大于1500kpa为残留水分，该部分水分不能被植物吸收利用。所以该发明专利是要将有效含水率的水分保持在一个常态，而减少处在大于1500kpa范围和小于33kpa范围的含水率过程。

运用张力计法测定的基质吸力在0kpa-80kpa，那么我们可以进一步将上述的三个范围定位为0kpa-33kpa、33kpa-80kpa、>80kpa三个部分。本发明目的在于将水分尽量控制在33kpa-80kpa之间，这样才更加有利于作物的水分吸收，提高水资源的利用效率，达到节水的目标。

第三步：因为不同质地的土壤水分特征曲线存在差异，建立不同质地土壤水分特征曲线数据库，并上传至云数据平台。数据库将土壤基质吸力与土壤水分进行一一对应，找出33kpa、80kpa对应的含水率值，最后建立作物的灌溉制度。

第四步：将张力计数据与电脑9系统进行网络连接，实时监控。

在农田中埋设土壤水分张力计2，利用土壤水分张力计2对农田土壤的土壤基质吸力进行实时测量，并将测量得到的土壤基质吸力数据发送至电脑9，电脑9对接收到的土壤基质吸力数据做分析并与第二步获得的土壤基质吸力范围作对比，进而控制灌溉执行单元的启停，将农田的土壤基质吸力限定在第二步确定的范围内。

张力计的土壤基质吸力由安装在张力计上的压力传感器7显示，压力传感器7与电脑9系统进行了连接，土壤中的含水率数据由张力计进行实时监控，当土壤基质吸力脱离了33kpa-80kpa范围，即立即启动/关闭灌溉系统，当吸力值大于80kpa时，说明土壤水分处于缺乏状态，则系统启动灌溉工作；当吸力值小于33kpa时，说明土壤水分处于充足状态，则灌溉系统关闭。

灌溉执行单元包括灌溉管1和灌溉泵5，灌溉管1由抽吸管和输水管组成，灌溉泵5的一端由抽吸管与水源3连接，另一端与延伸至农田4中输水管连接，灌溉泵5设置在泵房6内，土壤水分张力计2埋设在农田的土壤中，土壤水分张力计2内设有压力传感器7，土壤水分张力计2上还设有用于接收压力传感器7的数据并将接收数据发送至电脑9的接收发射器8，电脑9与灌溉管1上的灌溉泵5电性连接。

本实施例中，土壤水分数据收集通过张力计上的压力传感器7进行采集，接收发射器8与压力传感器7之间通过数据线连接，接收发射器8与电脑9之间无线通信连接，通过无线网络将接收发射器8接收的数据传输至电脑9，电脑9中的数据处理模块通过将接受的土壤基质吸力数据与设定值进行比对，如本实施例中，针对黏土类土壤，依据水分特征曲线，可以找到适合灌溉的水分含量对应的土壤基质吸力，将水分控制在土壤基质吸力在33kpa-80kpa之间，并对灌溉泵5发送指令；灌溉泵5收到电脑9发送的命令后切入自动灌溉和切断灌溉模式，控制整个灌溉过程，当土壤基质吸力值大于80kpa时，说明土壤水分处于缺乏状态，电脑9发送启动指令至灌溉泵5，则系统启动灌溉工作；当吸力值小于33kpa时，说明土壤水分处于充足状态，电脑9发送关闭指令至灌溉泵5，灌溉系统关闭。

本实施例采用基于土壤水分特征曲线原理进行农田灌溉，对于推进农田水利现代化建设和实现田间灌溉精量可控，改善田间灌水控制设施和提高灌水控制技术具有重要的意义。整套系统具有结构简单，维护方便的优点，解决了水资源利用效率低、人工成本大等问题，实现了将理论知识与实际应用相结合，对于我国现阶段农田水利精准灌溉、节水增效具有重大的现实意义。

参见图2，具体的，土壤水分张力计2包括储水管10、微孔陶土头11、管塞12和压力传感器7，储水管10的下端与微孔陶土头的螺纹接口螺纹固定连接，上端通过管塞12密封，压力传感器7联接在储水管10的侧面，微孔陶土头11的前端呈锥形，从而方便土壤水分张力计2的安装与取出。

其中，微孔陶土头11作为张力计的核心部分，具有只通水不通气的特点，土壤中的水分与储水管10内的水分依据水分平衡原理通过微孔陶土头11进行水分交换，达到平衡后，张力计内部压力才稳定，储水管10的作用是储存张力计内部的水分。由于在张力计使用过程中对内部气压的敏感性很高，所以，为了解决由外界因素影响内部气压的问题，采用经过沸腾过后的无气水作为储水管10的水，压力传感器7作为张力计内部的负压传感装置，当土壤水分与张力计内部水分不平衡，即土壤水需要补充的时候，储水管10内部的水分会不断减少，因水量减少而系统又处于密闭状态会使得储水管10内部出现负压状态，负压值由压力传感器7来进行显示，最后通过电磁波将信息传输到互联网上，电脑9进行分析之后发送出指令来进行灌溉。

在实际设计中，土壤水分张力计2在农田中均匀布置多个，并将实时地将监测到的土壤数据传输到电脑9，电脑9的数据处理系统将数据进行相关分析后进行处理，最后显示出灌溉制度，并发送指令，进行智能化的农田灌溉方式。这里需要说明的是，可以以单个土壤水分张力计2测量的土壤基质吸力作为与设计值的比较数据，也可以以所有土壤水分张力计2测量的土壤基质吸力的平均值作为与设计值的比较数据。

上述实施例仅仅是清楚地说明本发明所作的举例，而非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里也无需也无法对所有的实施例予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。