一种低环境影响的农田自动化精准灌排系统

摘要

本发明公开了一种低环境影响的农田自动化精准灌排系统，通过采集农作物生长态势视频数据并生成对应的农作物灌溉方案，符合农作物实际的生长规律，能够有效提高灌溉效率。本发明可根据农田的气象数据和水位数据动态调整农田的灌溉和排水方案，使农田的灌溉和排水方案更加贴合农作物实际生长环境和生长规律，促进农作物生长，实现对农作物的精准灌排。本发明通过在田间渠道入河口设置水质监测子系统和渠道量控一体化闸门，控制农田排水不直接排入河流，通过水质监测子系统监测农田排水水质，当水质不符合要求时通过渠道生态作物净化水质，直到水质符合要求后再开启渠道量控一体化闸门排放入河，有效减少了农业面源污染。

说明书

技术领域

本发明属于农田灌排技术领域，具体涉及一种低环境影响的农田自动化精准灌排系统的设计。

背景技术

传统农田灌排技术多采用渠道和管道灌溉，由管理人员在现场通过电脑、手机端控制闸门和电动阀进水、控制排水闸门排水，管理范围过广、操作费时费力，同时由管理人员通过经验种植农作物，农田灌溉依然采用漫灌模式。此外，过量的化肥使用和不合理的灌溉方式，导致农作物的肥药的吸收利用率低，以氮磷为例，氮肥吸收率占施肥量的30-50％，磷肥吸收率占施肥量的15-25％，70％肥药通过排水直接排至河流，导致河流产生面源污染，控制农田化肥流失对我国防治农田面源污染十分关键，以减少农业面源污染排放为目的的低环境影响的自动化灌排一体化系统尚未出现。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有农田灌排模式无法有效减少农田面源污染的问题，提出了一种低环境影响的农田自动化精准灌排系统。

本发明的技术方案为：一种低环境影响的农田自动化精准灌排系统，包括依次通信连接的数据采集子系统、田间水量控制子系统、水质监测子系统和渠道排水测控子系统；数据采集子系统用于采集农田的农作物生长态势视频数据、田间气象数据和田间水位数据；田间水量控制子系统用于根据田间气象数据和田间水位数据动态调整农田的进水量和出水量；水质监测子系统用于自动监测农田排水的水质指标；渠道排水测控子系统用于根据农田排水的水质指标动态控制田间渠道向河流的排水量。

优选地，数据采集子系统包括视频监控模块、气象采集模块和田间水层精测仪；视频监控模块用于采集农田的农作物生长态势视频数据，并生成对应的农作物灌溉方案；气象采集模块用于采集农田的田间气象数据，并在检测到气象灾害时自动报警；田间水层精测仪分布安装在农田中的相对水平点，采用超声波非接触式高精度测量模式采集农田的田间水位数据。

优选地，视频监控模块包括前端摄像头和专家诊断平台；前端摄像头安装在田埂旁视野范围广的位置，用于采集农田的农作物生长态势视频数据；专家诊断平台用于根据农作物生长态势视频数据生成对应的农作物灌溉方案。

优选地，气象采集模块包括传感器设备和报警器；传感器设备安装于农田地势开阔的位置，其包括空气温度传感器、空气湿度传感器、风速传感器、风向传感器、雨量传感器和气压传感器，用于采集农田的气温、湿度、风向、风速、雨量和气压这6个气象观测要素；报警器用于在检测到气象灾害时自动发出报警信号。

优选地，田间水量控制子系统包括田间灌排调度模块、田首远程遥控进水电动阀和田间自动排水闸；田间灌排调度模块用于根据蓄雨薄露灌溉模型向田首远程遥控进水电动阀或田间自动排水闸发送开启指令；田首远程遥控进水电动阀安装在农田进水口，内置LORA无线控制模块，并处于常闭状态，当接收到田间灌排调度模块发送的开启指令后，田首远程遥控进水电动阀开启，精准控制农田灌溉水层；田间自动排水闸安装在田间排水口，并处于常闭状态，当接收到田间灌排调度模块发送的开启指令后，田间自动排水闸开启，保证农田水位正常。

优选地，蓄雨薄露灌溉模型具体为：当田间水位数据达到下限时，向田首远程遥控进水电动阀发送开启指令；当田间未降雨时，若田间水位数据达到灌溉上限，则向田间自动排水闸发送开启指令；当田间降雨时，若田间水位数据达到蓄雨上限，则向田间自动排水闸发送开启指令。

优选地，田间水位数据在返青期的下限为5mm，灌溉上限为30mm，蓄雨上限为50mm；田间水位数据在分蘖前期的下限为0，灌溉上限为20mm，蓄雨上限为80mm；田间水位数据在分蘖后期的下限为0，灌溉上限为20mm，蓄雨上限为0；田间水位数据在拔节孕穗期的下限为0，灌溉上限为30mm，蓄雨上限为140mm；田间水位数据在抽穗开花期的下限为0，灌溉上限为30mm，蓄雨上限为120mm；田间水位数据在乳熟期的下限为0，灌溉上限为20mm，蓄雨上限为80mm。

优选地，水质监测子系统包括水质测量模块、数据传输模块和辅助安装设备；水质测量模块用于自动监测农田排水的化学需氧量、高锰酸盐指数、氨氮、总磷和溶解氧这5项水质指标；数据传输模块用于通过GPRS、RTU或CDMA的方式将水质指标无线远程传输至上位机客户端；辅助安装设备为户外无站房立杆，用于将水质测量模块和数据传输模块安装于田间渠道入河口。

优选地，渠道排水测控子系统包括渠道量控一体化闸门，安装在田间渠道入河口，当降雨量大于预设降雨量阈值且农田排水的水质指标符合排放要求时，渠道量控一体化闸门开启，将渠道水排放入河流，当农田排水的水质指标不符合排放要求时，渠道量控一体化闸门关闭，减少河流面源污染，当河流水位高于预设水位阈值时，渠道量控一体化闸门关闭，防止河水倒灌入田。

优选地，数据采集子系统、田间水量控制子系统、水质监测子系统和渠道排水测控子系统均采用太阳能电池供电。

本发明的有益效果是：

(1)本发明首先采集农作物生长态势视频数据，并根据农作物生长态势视频数据生成对应的农作物灌溉方案，符合农作物实际的生长规律，能够有效提高灌溉效率。

(2)本发明采用蓄雨薄露灌溉模型，可根据农田的气象数据和水位数据动态调整农田的灌溉和排水方案，使农田的灌溉和排水方案更加贴合农作物实际生长环境和生长规律，促进农作物生长，实现对农作物的精准灌排。

(3)本发明通过在田间渠道入河口设置水质监测子系统和渠道量控一体化闸门，控制农田排水不直接排入河流，通过水质监测子系统监测农田排水水质，当水质不符合要求时通过渠道生态作物净化水质，直到水质符合要求后再开启渠道量控一体化闸门排放入河，有效减少了农业面源污染。

(4)本发明通过采集田间的气象数据和水位数据，可自动化反馈控制田间水量，无需过多的人为干预，有效提高了农田灌排效率。

(5)本发明中所有设备均采用太阳能电池供电，清洁环保，节能高效。

附图说明

图1所示为本发明实施例提供的一种低环境影响的农田自动化精准灌排系统结构框图。

具体实施方式

现在将参考附图来详细描述本发明的示例性实施方式。应当理解，附图中示出和描述的实施方式仅仅是示例性的，意在阐释本发明的原理和精神，而并非限制本发明的范围。

本发明实施例提供了一种低环境影响的农田自动化精准灌排系统，如图1所示，包括依次通信连接的数据采集子系统、田间水量控制子系统、水质监测子系统和渠道排水测控子系统。

其中，数据采集子系统用于采集农田的农作物生长态势视频数据、田间气象数据和田间水位数据；田间水量控制子系统用于根据田间气象数据和田间水位数据动态调整农田的进水量和出水量；水质监测子系统用于自动监测农田排水的水质指标；渠道排水测控子系统用于根据农田排水的水质指标动态控制田间渠道向河流的排水量。

如图1所示，数据采集子系统包括视频监控模块、气象采集模块和田间水层精测仪。

其中，视频监控模块用于采集农田的农作物生长态势视频数据，并生成对应的农作物灌溉方案；气象采集模块用于采集农田的田间气象数据，并在检测到气象灾害时自动报警；田间水层精测仪分布安装在农田中的相对水平点，采用超声波非接触式高精度测量模式采集农田的田间水位数据。

本发明实施例中，视频监控模块包括前端摄像头和专家诊断平台。前端摄像头安装在田埂旁视野范围广的位置，用于采集农田的农作物生长态势视频数据；专家诊断平台用于根据农作物生长态势视频数据生成对应的农作物灌溉方案。视频监控模块设备支持多种传感器接口，同时支持音频、视频功能，是一套针对农业生产过程监控和灾害防治专项应用的无线视频监控系统，可以有效的为用户提供第一手的农作物生长态势数据，指导生成更加贴合农作物实际生长环境和生长规律的灌溉方案。

本发明实施例中，气象采集模块包括传感器设备和报警器。传感器设备支持MODBUS通讯，开放通讯协议，提供通讯协议规程并开放OPC代码，主模块符合国家气象局DZZ4型观测站或更高型号标准，安装于农田地势开阔的位置，其包括空气温度传感器、空气湿度传感器、风速传感器、风向传感器、雨量传感器和气压传感器，用于采集农田的气温、湿度、风向、风速、雨量和气压这6个气象观测要素。报警器用于在检测到大风、暴雨、高温、热害、冰雪、霜冻、寒露风等气象灾害时自动发出报警信号。气象采集模块通过构建现代化、规范化、标准化的自然农田常规气象要素观测网，提供常规气象要素空间精细化的分析依据，可及时对田间水量控制子系统进行临时干预，减少农作物受自然灾害的影响，保障农作物的生长。

本发明实施例中，田间水层精测仪分布安装在农田中的相对水平点，采用超声波非接触式高精度(mm级)测量模式采集农田的田间水位数据，配装有无线通讯智能执行系统。农业种植者采用便携移动式中央服务器发出指令，田间无线通讯执行终端控制田间水层精测仪执行精准测量，并反馈测量数据到上位机上，上位机根据接收到的数据，控制田间水量控制子系统的运行。

如图1所示，田间水量控制子系统包括田间灌排调度模块、田首远程遥控进水电动阀和田间自动排水闸。

本发明实施例中，田间灌排调度模块用于根据蓄雨薄露灌溉模型向田首远程遥控进水电动阀或田间自动排水闸发送开启指令。蓄雨薄露灌溉模型具体为：当田间水位数据达到下限时，向田首远程遥控进水电动阀发送开启指令；当田间未降雨时，若田间水位数据达到灌溉上限，则向田间自动排水闸发送开启指令；当田间降雨时，若田间水位数据达到蓄雨上限，则向田间自动排水闸发送开启指令。

本发明实施例中，田间水位数据在农作物(水稻)各个阶段的下限、灌溉上限和蓄雨上限如表1所示。

表1水稻灌溉排水控制规则(单位：mm)

本发明实施例中，田首远程遥控进水电动阀安装在农田进水口，内置LORA无线控制模块，并处于常闭状态，支持远程控制和本地应急控制，软件应用Java设计，实现农田节水灌溉自动化、智能化、信息化，并优化水资源配置。当接收到田间灌排调度模块发送的开启指令后，田首远程遥控进水电动阀开启，精准控制农田灌溉水层，实现田间无人巡值，自行灌溉管理控制。

本发明实施例中，田间自动排水闸安装在田间排水口，并处于常闭状态，当接收到田间灌排调度模块发送的开启指令后，田间自动排水闸开启，保证农田水位正常。田间自动排水闸可自行完成灌排工作，达到自动排水、无人值守的目的。

如图1所示，水质监测子系统包括水质测量模块、数据传输模块和辅助安装设备。

本发明实施例中，水质测量模块用于自动监测农田排水的化学需氧量、高锰酸盐指数、氨氮、总磷和溶解氧这5项水质指标，用于对农田排水水质进行评估，指导农田用肥，对渠道排水测控子系统进行农田排水入河提供控制依据。

本发明实施例中，数据传输模块用于通过GPRS、RTU或CDMA的方式将水质指标无线远程传输至上位机客户端，无需建设特定的水质自动监测站站房。

本发明实施例中，辅助安装设备为户外无站房立杆，用于将水质测量模块和数据传输模块安装于田间渠道入河口。

如图1所示，渠道排水测控子系统包括渠道量控一体化闸门，安装在田间渠道入河口，当降雨量大于预设降雨量阈值且农田排水的水质指标符合排放要求时，渠道量控一体化闸门开启，将渠道水排放入河流，当农田排水的水质指标不符合排放要求时，渠道量控一体化闸门关闭，减少河流面源污染，当河流水位高于预设水位阈值时，渠道量控一体化闸门关闭，防止河水倒灌入田。渠道排水测控子系统集成无线通讯远程控制水位测量、流量测量、精确流量控制等功能，解决了农田排水末端控制问题。

本发明实施例中，数据采集子系统、田间水量控制子系统、水质监测子系统和渠道排水测控子系统均采用太阳能电池供电，清洁环保，节能高效。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。