一種無(wú)線交替灌溉智能控制系統(tǒng)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及地面灌溉技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種智能式作物局部根區(qū)交替灌溉控制方法及系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]康紹忠等于1997年基于節(jié)水灌溉技術(shù)原理與作物感知缺水的根源信號(hào)理論提出了一種根系分區(qū)交替灌溉技術(shù)，該技術(shù)主動(dòng)控制作物根區(qū)土壤在水平或垂直剖面的某個(gè)區(qū)域的水分狀況，使作物根區(qū)始終有一部分生長(zhǎng)在干燥或較為干燥的環(huán)境中，限制該部分的根系吸水，同時(shí)通過(guò)人工控制使根系在水平或垂直剖面的干燥區(qū)域交替出現(xiàn)，使干燥區(qū)的根系產(chǎn)生水分脅迫信號(hào)傳遞到葉氣孔從而有效調(diào)節(jié)氣孔運(yùn)動(dòng)，而處于濕潤(rùn)區(qū)的根系從土壤中吸收水分以滿足作物的生命健康需水，使對(duì)作物的傷害保持在臨界限度以內(nèi)。同時(shí)由于表層土壤總是僅有部分區(qū)域濕潤(rùn)，既可減少棵間全部濕潤(rùn)時(shí)的無(wú)效蒸發(fā)損失和總的灌溉用水量，也可降低土壤機(jī)械強(qiáng)度、改善土壤的通透性，促進(jìn)根系的補(bǔ)償生長(zhǎng)，提高根系對(duì)水分、養(yǎng)分的利用率，提高礦質(zhì)養(yǎng)分的有效性，以達(dá)到不犧牲作物的光合作用累積而大量節(jié)水的目的。
[0003]傳統(tǒng)的地面灌溉技術(shù)存在勞動(dòng)強(qiáng)度大、施肥粗放和水分養(yǎng)分浪費(fèi)嚴(yán)重等問(wèn)題，而滴灌、微噴灌等先進(jìn)的節(jié)水灌溉技術(shù)雖然節(jié)省勞動(dòng)力而且節(jié)水節(jié)肥效果顯著，但同時(shí)又存在易于堵塞、鹽分累積、造價(jià)較高以及管理復(fù)雜等缺陷。結(jié)合田間現(xiàn)有供水系統(tǒng)實(shí)施根系分區(qū)交替灌溉改造是一種節(jié)水、高效、簡(jiǎn)便易行的方式，而且進(jìn)一步挖掘了作物自身的生理節(jié)水潛力并人為創(chuàng)造了一個(gè)高效用水的局部環(huán)境，是現(xiàn)代節(jié)水農(nóng)業(yè)發(fā)展的新方向。
[0004]現(xiàn)有的地面灌溉技術(shù)仍然存在以下幾個(gè)方面的問(wèn)題:一是已有的根系分區(qū)交替灌溉裝置需要借助其他實(shí)驗(yàn)觀測(cè)資料判斷作物根區(qū)的實(shí)際含水情況，確定是否需要灌水以及何時(shí)需要交替灌水，嚴(yán)重影響了控制的精度，往往會(huì)錯(cuò)過(guò)作物需水的關(guān)鍵期而造成減產(chǎn)；二是已有的根系分區(qū)交替灌溉裝置還停留在手動(dòng)控制階段，需通過(guò)機(jī)械或連桿的操作實(shí)現(xiàn)作物局部根區(qū)的交替灌溉，自動(dòng)化程度較低，沒(méi)有實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互和基于土壤水分實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的智能控制，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，響應(yīng)速度較慢。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述問(wèn)題，本發(fā)明提供一種無(wú)線交替灌溉智能控系統(tǒng)及方法，用于提高作物局部根區(qū)交替灌溉的自動(dòng)化程度及控制精度，適合于采用交替灌溉技術(shù)的大田灌溉控制系統(tǒng)，也可以進(jìn)行溫室灌溉。
[0006]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案:
[0007]一種無(wú)線交替灌溉智能控制系統(tǒng)，包括:微處理器模塊，傳感器模塊，電磁閥驅(qū)動(dòng)模塊，人機(jī)交互模塊，無(wú)線通信模塊，電源模塊。其中，
[0008]微處理器模塊，是系統(tǒng)的控制中心，根據(jù)傳感器模塊輸入的信息，完成交替灌溉智能控制算法，輸出控制信號(hào)至電磁閥驅(qū)動(dòng)模塊驅(qū)動(dòng)電磁閥的開閉，實(shí)現(xiàn)灌溉智能控制。
[0009]傳感器模塊，用于實(shí)時(shí)采集灌溉水壓、流量、土壤水分溫度、雨量、葉面溫濕度等信息數(shù)據(jù)，并送至微處理器模塊。
[0010]電磁閥驅(qū)動(dòng)模塊，包括繼電器和隔離電路。繼電器輸入端與微處理器模塊一個(gè)控制輸出端相連。首先通過(guò)繼電器將微處理器模塊省電模式下的電壓轉(zhuǎn)換為電磁閥標(biāo)準(zhǔn)供電電壓，然后采用隔離電路驅(qū)動(dòng)兩個(gè)水壓電磁閥的開閉。
[0011]人機(jī)交互模塊，包括鍵盤、顯示器和轉(zhuǎn)換接口，用于進(jìn)行參數(shù)設(shè)置、實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)的數(shù)據(jù)和狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)與上位機(jī)的串行通信。
[0012]無(wú)線通信模塊，與微處理器模塊相連，用于實(shí)現(xiàn)與中央控制系統(tǒng)的遠(yuǎn)程通信。
[0013]電源模塊，為系統(tǒng)提供直流供電電源。
[0014]進(jìn)一步地，所述傳感器模塊包括以下傳感器:
[0015]壓力流量傳感器，安裝在水閥前端，用于測(cè)量灌溉水壓、流量；
[0016]土壤水分溫度傳感器，傳感器的三個(gè)探針?lè)謩e埋在地面以下不同同深度處，用于測(cè)量土壤水分溫度；
[0017]雨量傳感器，豎直安裝，用于測(cè)量降雨量；
[0018]葉面濕度傳感器，安裝在作物葉片附近，用于測(cè)量葉面濕度信息；
[0019]葉面溫度傳感器，探頭垂直于作物葉面進(jìn)行安裝，用于測(cè)量葉面溫度信息。
[0020]進(jìn)一步地，所述傳感器模塊還包括A/D轉(zhuǎn)換器，用于將傳感器輸出的模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量后送至微處理器模塊。
[0021]更進(jìn)一步地，所述傳感器模塊還包括電池開啟控制電路，用于在微處理器模塊輸出的控制信號(hào)作用下，控制傳感器電源的開閉，選擇是否給某個(gè)傳感器供電，達(dá)到省電的目的。
[0022]更進(jìn)一步地，所述傳感器模塊還包括傳感器工作狀態(tài)監(jiān)測(cè)電路，通過(guò)監(jiān)測(cè)傳感器管腳的電壓大小判斷該傳感器的工作狀態(tài):如果所述管腳電壓為高電平，說(shuō)明管腳懸空，傳感器處于未接入電路狀態(tài)；如果所述管腳電壓為低電平，說(shuō)明傳感器正常工作。
[0023]應(yīng)用所述智能控制系統(tǒng)進(jìn)行無(wú)線交替灌溉的智能控制方法，包括以下步驟:
[0024]當(dāng)存在土壤水分下限的根區(qū)時(shí)，控制電磁閥開始啟動(dòng)，對(duì)該根區(qū)進(jìn)行灌水，直至根區(qū)的土壤水分達(dá)到灌溉作物的土壤水分上限；
[0025]當(dāng)所有待灌溉根區(qū)的土壤水分均不低于該根區(qū)的土壤水分下限時(shí)，進(jìn)一步判斷各側(cè)根區(qū)的土壤水分的差值是否低于各側(cè)根區(qū)的水分差異交替閾值，若是，控制電磁閥開始啟動(dòng)，對(duì)土壤水分相對(duì)較低的根區(qū)灌水；在對(duì)水分較低側(cè)灌水時(shí)，如果降雨量大于一定值時(shí)，則可認(rèn)為此時(shí)不需要灌水，停止灌水；如果流量傳感器測(cè)得的流量大于灌水量，認(rèn)為已經(jīng)進(jìn)行過(guò)灌水，不必再進(jìn)行檢測(cè)根區(qū)水分是否達(dá)到灌水上限，直接停止灌溉過(guò)程；當(dāng)灌水至該根區(qū)的土壤水分達(dá)到灌溉作物的土壤水分上限時(shí)，則停止灌水過(guò)程；否則，判斷土壤水分相對(duì)較低的根區(qū)的土壤水分是否低于灌溉作物的土壤水分上限，若是，控制電磁閥開始啟動(dòng)，對(duì)土壤水分相對(duì)較低的根區(qū)灌水，直至該根區(qū)的土壤水分達(dá)到灌溉作物的土壤水分上限。
[0026]進(jìn)一步地，所述方法還包括定時(shí)交替控制與遠(yuǎn)程遙控:通過(guò)人機(jī)交互或遠(yuǎn)程通信方式，設(shè)置灌溉程序的定時(shí)時(shí)間，所述系統(tǒng)自動(dòng)定時(shí)運(yùn)行；通過(guò)無(wú)線通信接口，在手機(jī)或電腦上通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程手動(dòng)控制，彌補(bǔ)定時(shí)灌溉的不足。
[0027]進(jìn)一步地，所述方法還包括故障智能診斷和狀態(tài)分析:自動(dòng)診斷是否有缺水源、閥門異常啟閉和傳感器接入異?，F(xiàn)象發(fā)生，發(fā)現(xiàn)故障后通過(guò)無(wú)線通訊報(bào)警，提醒系統(tǒng)維護(hù)人員進(jìn)行維修；同時(shí)自動(dòng)分析設(shè)備能量和通訊成功率。
[0028]更進(jìn)一步地，所述故障智能診斷的方法是:采集監(jiān)測(cè)點(diǎn)信號(hào)，根據(jù)監(jiān)測(cè)點(diǎn)信號(hào)幅度是否在可接受的范圍內(nèi)，判斷是否有硬件故障發(fā)生；如果是硬件故障，刪除故障所在任務(wù)；否則，檢查信號(hào)幅度是否超過(guò)設(shè)定的傳感器的上下限值，如果超過(guò)上下限，進(jìn)行報(bào)警，停止所運(yùn)行程序，檢查數(shù)據(jù)設(shè)置及當(dāng)?shù)丨h(huán)境情況，進(jìn)行系統(tǒng)故障排查。
[0029]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn):
[0030]本發(fā)明基于作物局部分區(qū)交替灌溉的基礎(chǔ)理論，通過(guò)采用壓力流量傳感器、土壤水分溫度傳感器、雨量傳感器、葉面溫度傳感器和葉面濕度傳感器等多種傳感器獲得豐富的灌溉信息，提高了作物灌溉控制的智能化程度和控制精度。與現(xiàn)有灌溉技術(shù)相比，本發(fā)明具有智能化程度高、人機(jī)交互性好和故障診斷自動(dòng)化程度高等優(yōu)點(diǎn)，適合于采用交替灌溉技術(shù)的大田灌溉控制系統(tǒng)，也可以進(jìn)行溫室灌溉。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)或遠(yuǎn)程調(diào)整作物類型，可以滿足玉米、棉花、蔬菜等作物的灌溉要求。
【附圖說(shuō)明】
[0031]圖1是本發(fā)明所涉及的無(wú)線交替灌溉智能控制系統(tǒng)組成框圖；
[0032]圖2是實(shí)施例的無(wú)線交替灌溉智能控制系統(tǒng)的硬件組成框圖；
[0033]圖3是實(shí)施例的智能式作物交替灌溉的方法流程圖；
[0034]圖4是實(shí)施例的智能式作物交替灌溉的故障診斷流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0035]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】作進(jìn)一步詳細(xì)描述。以下實(shí)施例用于說(shuō)明本發(fā)明，但不用來(lái)限制本發(fā)明的范圍。
[0036]一種無(wú)線交替灌溉智能控制系統(tǒng)，如圖1、2所示，包括:微處理器模塊1，傳感器模塊2，電磁閥驅(qū)動(dòng)模塊3，人機(jī)交互模塊4，無(wú)線通信模塊5，電源模塊6。其中，
[0037]微處理器模塊1，采用jennic公司生產(chǎn)的JN5139型微處理器。該芯片集成了一個(gè)32位16MHz主頻的RISC處理器，代碼效率、代碼大小方面高度優(yōu)化，其內(nèi)置的193KB的ROM存儲(chǔ)器集成了點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信和網(wǎng)狀網(wǎng)通信的完整協(xié)議棧，96KB的RAM存儲(chǔ)器可以支持網(wǎng)狀路由和控制器功能，而不需要外部擴(kuò)展任何的存儲(chǔ)器空間。同時(shí)，它擁有4路12位的模擬量輸入，2路11位的模擬量輸出，2個(gè)比較器，溫度傳感器，2個(gè)應(yīng)用程序定時(shí)器，3個(gè)系統(tǒng)定時(shí)器，2個(gè)UART異步串口( 一個(gè)用于系統(tǒng)調(diào)試)，SPI接口以及2線串行接口，21個(gè)可用的1引腳。
[0038]傳感器模塊2，包括傳感器、12位的A/D轉(zhuǎn)換器和外圍電路。采用SMC16系列的傳感器提取灌溉水壓、流量、土壤水分溫度、雨量、葉面溫濕度等信息數(shù)據(jù)的模擬量。通過(guò)12位的A/D轉(zhuǎn)換器將模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，將數(shù)據(jù)傳入微處理器處理。外圍電路包括:電池開啟控制電路和傳感器管腳電壓監(jiān)測(cè)電路，電池開啟控制電路可以實(shí)現(xiàn)控制傳感器的電源的開閉，選擇是否給某個(gè)傳感器供電，達(dá)到節(jié)電的作用。傳感器管腳電壓監(jiān)測(cè)電路監(jiān)測(cè)具體某個(gè)傳感器管腳的電壓大小，如果電壓為高電平，則管腳懸空，即傳感器處于未接入電路狀態(tài)，不能工作，而管腳為低電平，則傳感器能正常工作。
[0039]電磁閥