本實(shí)用新型涉及農(nóng)業(yè)灌溉和物聯(lián)網(wǎng)交叉領(lǐng)域，適用于自然狀態(tài)下土壤含水率及作物蒸發(fā)蒸騰量變化監(jiān)測，以指導(dǎo)農(nóng)田作物科學(xué)灌溉，特別是一種基于光伏智能微型蒸滲儀的灌溉預(yù)報(bào)系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

我國是傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)大國，耕地面積廣，農(nóng)業(yè)傳統(tǒng)成本較高，農(nóng)業(yè)技術(shù)及基礎(chǔ)設(shè)施落后，嚴(yán)重阻礙了我國農(nóng)業(yè)的發(fā)展。作物蒸發(fā)蒸騰量及作物根系含水率的準(zhǔn)確監(jiān)測，對(duì)計(jì)算農(nóng)田水量平衡與實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)灌溉具有重要的作用。

中國專利中公開號(hào)為CN104266929A的專利文件公開了一種適應(yīng)于砂性土壤的自動(dòng)微型蒸滲儀，該土壤取樣器由外套管，內(nèi)套管，鋼絲網(wǎng)夾層等構(gòu)成。其中外套管內(nèi)部開有若干個(gè)導(dǎo)向槽，槽內(nèi)放置有鋼絲拉繩以及導(dǎo)向環(huán)。外套管的下部留有刀環(huán)，以利于取樣器順利進(jìn)入土壤，同時(shí)刀環(huán)的上邊沿與內(nèi)套管的內(nèi)壁齊平，避免內(nèi)套管受土壤阻力作用。本裝置的自動(dòng)測量記錄系統(tǒng)由精密天平，外支架，內(nèi)支架，鋼絲吊繩，滑輪系統(tǒng)，吊架等部分組成。本實(shí)用新型提出了適合于砂性土壤的，小擾動(dòng)的取土方法。測量時(shí)不需要將土樣取出稱量，可以原位觀測。整體上采用了自動(dòng)計(jì)量的方式，可連續(xù)觀測。取樣器外層采用了柵格結(jié)構(gòu)，減弱了傳統(tǒng)小型蒸滲儀的邊界效應(yīng)。

中國專利中公開號(hào)為CN103278421A的專利文件公開了一種適用于綠化屋頂?shù)恼魸B儀裝置及其使用方法，該裝置包括一蒸發(fā)容器系統(tǒng)和一自動(dòng)控制記錄系統(tǒng)；蒸發(fā)容器系統(tǒng)包括一外筒，一固定在外筒內(nèi)的稱重單元，一不接觸地設(shè)置在外筒中且承靠在稱重單元上的內(nèi)筒，以及一不接觸地放置在內(nèi)筒底部漏水孔下方的雨量計(jì)；自動(dòng)控制記錄系統(tǒng)包括一通過A/D轉(zhuǎn)換器與稱重單元連接的單片機(jī)，一連接單片機(jī)的數(shù)據(jù)儲(chǔ)存器，以及一為單片機(jī)和A/D轉(zhuǎn)換器供電的電源模塊。

上述蒸滲儀裝置雖然實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化操作，但成本較高、功能單一，無法實(shí)現(xiàn)高效監(jiān)測作物蒸發(fā)蒸騰量變化及進(jìn)行灌溉預(yù)報(bào)一體化的目的。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型實(shí)現(xiàn)作物蒸發(fā)蒸騰量、土壤含水率情況的實(shí)時(shí)觀測，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行必要的分析與天氣預(yù)報(bào)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)灌溉，提供了一種自動(dòng)化程度高、成本低廉、能夠達(dá)到高效監(jiān)測作物蒸發(fā)蒸騰量變化及實(shí)現(xiàn)灌溉預(yù)報(bào)的目的，是一種節(jié)能環(huán)保與高度智能化的基于光伏智能微型蒸滲儀的灌溉預(yù)報(bào)系統(tǒng)。

本實(shí)用新型的目的通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)：一種基于光伏智能微型蒸滲儀的灌溉預(yù)報(bào)系統(tǒng)，它包括控制裝置、蒸滲儀裝置和微型光伏裝置，控制裝置和蒸滲儀裝置均與微型光伏裝置連接，所述的蒸滲儀裝置包括至少四個(gè)微型蒸滲儀，微型蒸滲儀由分節(jié)土筒、活動(dòng)節(jié)、長方體空心支架和定位錐組成，定位錐固定于長方體空心支架底部，活動(dòng)節(jié)設(shè)置于長方體空心支架頂部，活動(dòng)節(jié)的底部到長方體空心支架底表面之間順次連接有多個(gè)分節(jié)土筒，分節(jié)土筒位于長方體空心支架內(nèi)，分節(jié)土筒壁上開設(shè)有橫向?qū)祝總€(gè)分節(jié)土筒內(nèi)均設(shè)置有電磁平衡壓力傳感器、過濾片、土壤濕度傳感器、用于固定電磁平衡壓力傳感器的支架、用于支撐過濾片及支撐分節(jié)土筒內(nèi)土壤的支撐裝置，支撐裝置固定于分節(jié)土筒內(nèi)，過濾片覆蓋于支撐裝置表面，支架一端固定于分節(jié)土筒內(nèi)，支架的另一端與電磁平衡壓力傳感器連接，電磁平衡壓力傳感器與支撐裝置下表面接觸；

所述控制裝置包括作為灌溉預(yù)報(bào)用電腦終端處理器和用于收集土壤濕度傳感器、電磁平衡壓力傳感器數(shù)據(jù)的控制器，控制器的輸入端與微型蒸滲儀的土壤濕度傳感器和電磁平衡壓力傳感器電連接，所述的電腦終端處理器由數(shù)據(jù)收集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、智能分析模塊和指令模塊組成，數(shù)據(jù)收集模塊與控制器輸出端電連接，數(shù)據(jù)收集模塊輸出端與數(shù)據(jù)處理模塊電連接，數(shù)據(jù)處理模塊輸出端與智能分析模塊電連接，智能分析模塊與指令模塊電連接。

所述的活動(dòng)節(jié)的底部到長方體空心支架底表面之間順次連接有10cm深度處的分節(jié)土筒、20cm深度處的分節(jié)土筒、30cm深度處的分節(jié)土筒、40cm深度處的分節(jié)土筒、50cm深度處的分節(jié)土筒、60cm深度處的分節(jié)土筒。

所述的分節(jié)土筒的底部設(shè)置有螺紋頭，分節(jié)土筒的頂部設(shè)置有螺紋孔，每相鄰兩個(gè)分節(jié)土筒通過螺紋頭與螺紋孔連接固定。

所述的定位錐為螺紋定位錐。

所述的長方體空心支架底部的四個(gè)角落上均連接有螺紋定位錐。

所述的支撐裝置為金屬網(wǎng)或隔板。

本實(shí)用新型具有以下優(yōu)點(diǎn)：(1)本實(shí)用新型實(shí)現(xiàn)了作物蒸發(fā)蒸騰量、土壤含水率變化的自動(dòng)監(jiān)測。(2)本實(shí)用新型實(shí)現(xiàn)了作物蒸發(fā)蒸騰量、土壤含水率變化及灌溉預(yù)報(bào)一體化操作。(3)本實(shí)用新型實(shí)現(xiàn)了高效精準(zhǔn)灌溉，通過電腦終端處理器對(duì)實(shí)時(shí)傳回的數(shù)據(jù)進(jìn)行程序分析，得出設(shè)定時(shí)間內(nèi)土壤含水率及作物蒸發(fā)蒸騰量在不同深度同一時(shí)間的變化情況及同一深度不同時(shí)間段的變化情況，與未來15d天氣預(yù)報(bào)相結(jié)合，對(duì)準(zhǔn)確計(jì)算農(nóng)田水量平衡及灌溉預(yù)報(bào)起到了重要作用。(3)本實(shí)用新型實(shí)現(xiàn)了對(duì)太陽能的利用，達(dá)到節(jié)能環(huán)保的目的。

附圖說明

圖1為本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為分節(jié)土筒的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為電磁平衡壓力傳感器、過濾片、支撐裝置和支架的安裝示意圖；

圖4為分節(jié)土筒壁上橫向?qū)椎慕Y(jié)構(gòu)示意圖；

圖5為本實(shí)用新型的原理圖；

圖中，1-微型蒸滲儀，2-支架，3-活動(dòng)節(jié)，4-長方體空心支架，5-定位錐，6-分節(jié)土筒，7-橫向?qū)祝?-過濾片，9-土壤濕度傳感器，10-電磁平衡壓力傳感器，11-支撐裝置，12-控制器，13-數(shù)據(jù)收集模塊，14-數(shù)據(jù)處理模塊，15-智能分析模塊，16-指令模塊，17-螺紋頭，18-螺紋孔，19-灌溉系統(tǒng)，20-微型光伏裝置。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型做進(jìn)一步的描述，本實(shí)用新型的保護(hù)范圍不局限于以下所述：

如圖1～4所示，一種基于光伏智能微型蒸滲儀的灌溉預(yù)報(bào)系統(tǒng)，它包括控制裝置、蒸滲儀裝置和微型光伏裝置20，控制裝置和蒸滲儀裝置均與微型光伏裝置20連接，所述的蒸滲儀裝置包括至少四個(gè)微型蒸滲儀1，微型蒸滲儀1由分節(jié)土筒6、活動(dòng)節(jié)3、長方體空心支架4和定位錐5組成，定位錐5為螺紋定位錐，定位錐5固定于長方體空心支架4底部，活動(dòng)節(jié)3設(shè)置于長方體空心支架4頂部，活動(dòng)節(jié)3的底部到長方體空心支架4底表面之間順次連接有多個(gè)分節(jié)土筒6，活動(dòng)節(jié)3可做上下動(dòng)作，分節(jié)土筒6位于長方體空心支架4內(nèi)，分節(jié)土筒6壁上開設(shè)有橫向?qū)?，每個(gè)分節(jié)土筒6內(nèi)均設(shè)置有電磁平衡壓力傳感器10、過濾片8、土壤濕度傳感器9、用于固定電磁平衡壓力傳感器10的支架2、用于支撐過濾片8及支撐分節(jié)土筒6內(nèi)土壤的支撐裝置11，所述的支撐裝置11為金屬網(wǎng)或隔板，支撐裝置11固定于分節(jié)土筒6內(nèi)，過濾片8覆蓋于支撐裝置11表面，支架2一端固定于分節(jié)土筒6內(nèi)，支架2的另一端與電磁平衡壓力傳感器10連接，電磁平衡壓力傳感器10與支撐裝置11下表面接觸。所述的過濾片8控制相應(yīng)分節(jié)土筒6內(nèi)土體保持不變，但不影響水分的自由傳遞運(yùn)移過程；所述的過濾片8與支撐裝置11配合保障分節(jié)土筒6內(nèi)土壤重力的變化全部傳遞于電磁平衡壓力傳感器10；所述的電磁平衡壓力傳感器10用于實(shí)時(shí)測定相應(yīng)分節(jié)土筒6內(nèi)土壤重量的變化，來判定土壤蒸發(fā)蒸騰量變化情況，并反饋給控制器12；所述土壤濕度傳感器9用于實(shí)時(shí)測定相應(yīng)分節(jié)土筒6的含水情況，并反饋給控制器12。

如圖5所示，所述控制裝置包括作為灌溉預(yù)報(bào)用電腦終端處理器和用于收集土壤濕度傳感器9、電磁平衡壓力傳感器10數(shù)據(jù)的控制器12，控制器12的輸入端與微型蒸滲儀1的土壤濕度傳感器9和電磁平衡壓力傳感器10電連接，所述的電腦終端處理器由數(shù)據(jù)收集模塊13、數(shù)據(jù)處理模塊14、智能分析模塊15和指令模塊16組成，數(shù)據(jù)收集模塊13與控制器12輸出端電連接，數(shù)據(jù)收集模塊13輸出端與數(shù)據(jù)處理模塊14電連接，數(shù)據(jù)處理模塊14輸出端與智能分析模塊15電連接，智能分析模塊15與指令模塊16電連接。

所述的活動(dòng)節(jié)3的底部到長方體空心支架4底表面之間順次連接有10cm深度處的分節(jié)土筒6、20cm深度處的分節(jié)土筒6、30cm深度處的分節(jié)土筒6、40cm深度處的分節(jié)土筒6、50cm深度處的分節(jié)土筒6、60cm深度處的分節(jié)土筒6；所述的分節(jié)土筒6的底部設(shè)置有螺紋頭17，分節(jié)土筒6的頂部設(shè)置有螺紋孔18，每相鄰兩個(gè)分節(jié)土筒6通過螺紋頭17與螺紋孔18連接固定；長方體空心支架4底部的四個(gè)角落上均連接有螺紋定位錐。所述數(shù)據(jù)收集模塊13能夠?qū)⒔?jīng)控制器12簡單處理后傳回的數(shù)據(jù)進(jìn)行收集分類，即將不同深度處的分節(jié)土筒6中的土壤濕度傳感器9及電磁平衡壓力傳感器10的數(shù)據(jù)進(jìn)行分類收集；所述數(shù)據(jù)處理模塊14能夠?qū)Ψ诸惡玫臄?shù)據(jù)作最終處理分析，判定土壤指定時(shí)間內(nèi)指定深度土壤含水率變化及作物蒸發(fā)蒸騰量的變化情況；所述的指令模塊16用于發(fā)出灌溉指令。

本實(shí)用新型的工作步驟為：

S1、微型蒸滲儀的安裝：具體操作步驟為：S1a、在待測土壤上挖出略大于60cm的坑，將長方體空心支架4置于坑內(nèi)并將定位錐5固定，防止對(duì)周圍土體的擾動(dòng)；S1b、在相應(yīng)分節(jié)土筒6內(nèi)安裝土壤濕度傳感器9、支架2、支撐裝置11、電磁平衡壓力傳感器10以及過濾片8；S1c、將60cm深度處的分節(jié)土筒6安裝于長方體空心支架4底部，向筒體內(nèi)回填土，且土的密實(shí)度與周圍土相應(yīng)深度土的密實(shí)度基本保持一致，同時(shí)向橫向?qū)?塞土，隨后將50cm深度處的分節(jié)土筒6下方的螺紋頭17與60cm深度處的分節(jié)土筒6上方的螺紋孔18螺紋連接，再對(duì)50cm深度處的分節(jié)土筒6內(nèi)回填相應(yīng)密實(shí)度的土；S1d、重復(fù)步驟S1c以將40cm深度處分節(jié)土筒6、30cm深度處分節(jié)土筒6、20cm深度處分節(jié)土筒6、10cm深度處分節(jié)土筒6進(jìn)行安裝并回填相應(yīng)深度密實(shí)度的土；S1e、對(duì)長方體空心支架4其余內(nèi)部空間進(jìn)行回填，最終實(shí)現(xiàn)了微型蒸滲儀的安裝；

S2、設(shè)定兩個(gè)工作時(shí)間段，即8:00-20:00和22:00-8:00，在8:00-11:00時(shí)間段，土壤濕度傳感器9每隔30min將收集的數(shù)據(jù)經(jīng)控制器簡單分類處理發(fā)送給數(shù)據(jù)收集模塊13，數(shù)據(jù)收集模塊13將不同深度處分節(jié)土筒6中的土壤濕度傳感器9的數(shù)據(jù)傳遞給數(shù)據(jù)處理模塊14，數(shù)據(jù)處理模塊14每隔3h對(duì)收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，亦可以天為單位進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，例如：8:00-11：00期間處理結(jié)果下表所示：

其中A表示含水率，H表示深度，T表示時(shí)間，K_i表示同一深度不同時(shí)刻含水率隨時(shí)間的變化規(guī)律，K表示某一時(shí)刻(3h或一天)時(shí)K_i隨深度的變化規(guī)律，即求出K的變化曲線，根據(jù)深度不同得出K值，代入A_Hi式中便可得出某一時(shí)刻某一深度的A_Hi(土壤含水率變化值)值，Y表示K隨深度h的變化規(guī)律；L_i表示同一時(shí)刻不同深度含水率的變化規(guī)律，L表示某指定深度時(shí)L_i隨時(shí)間(3h或一天)的變化規(guī)律，即求出L曲線，代入L_i式中便可得出某一時(shí)刻某一深度的A_Ti，M表示L隨時(shí)間t的變化規(guī)律，C、B均為常數(shù)；

S3、根據(jù)回歸得出K、L的變化曲線，表示每3h(一天)內(nèi)土壤含水率縱向規(guī)律隨深度的變化曲線K，規(guī)律變化率為Y，然后回歸代入方程A_Hi、A_Ti中，并由電腦終端處理器進(jìn)行繪制成圖并存儲(chǔ)；

S4、重復(fù)步驟S2～S3，數(shù)據(jù)處理模塊分別在11:00-14:00，14:00-17:00，17:00-20:00這3個(gè)時(shí)間段進(jìn)行相同數(shù)據(jù)收集處理，繪制相應(yīng)圖形并存儲(chǔ)，保存相應(yīng)時(shí)間段得出的K、L值；

S5、對(duì)8：00-20：00存儲(chǔ)的4個(gè)K、L值進(jìn)行重復(fù)步驟S3處理，得出一天中Y＝Ft+Q，M＝Zh+E，其中Y表示一天中土壤含水率橫向規(guī)律隨時(shí)間的變化曲線，F(xiàn)為規(guī)律變化率，Q為常數(shù)；M表示土壤含水率縱向規(guī)律隨深度的變化曲線，Z為規(guī)律變化率，E為常數(shù)；

S6、當(dāng)在22:00-8:00時(shí)間段，由于作物蒸發(fā)蒸騰量及土壤含水率變化情況不明顯，設(shè)定單獨(dú)收集數(shù)據(jù)模塊，與8：00-20：00時(shí)間段數(shù)值區(qū)分，測定自然狀態(tài)下夜間土壤含水率的變化及作物蒸發(fā)蒸騰量變化，夜間蒸滲裝置同步北京時(shí)間，到達(dá)指定工作時(shí)間自動(dòng)切換收集模式；

S7、數(shù)據(jù)處理模塊14將處理的結(jié)果傳送給智能分析模塊15，智能分析模塊15根據(jù)處理好的結(jié)果進(jìn)行分析，即土壤含水率的變化、作物蒸發(fā)蒸騰量分析，智能分析模塊15與實(shí)時(shí)天氣預(yù)報(bào)結(jié)合進(jìn)行灌溉預(yù)報(bào)，即首先通過了解相應(yīng)作物的正常生長需水狀況，在電腦終端控制器中設(shè)定土壤含水率變化的上限值P、下限O值，將土壤濕度傳感器實(shí)時(shí)傳回的某一時(shí)刻土壤含水率G，代入系統(tǒng)模擬的K、L曲線，可計(jì)算出作物根系層土壤含水率達(dá)到下限的時(shí)間R，根據(jù)電腦終端處理器傳回的天氣預(yù)報(bào)報(bào)降雨時(shí)間S進(jìn)行對(duì)比，若S<R，則指令模塊不工作，由降雨進(jìn)行灌溉，若S≥R土壤主要根系層含水率低于正常生長下限，自動(dòng)給指令模塊發(fā)出命令，進(jìn)行灌溉預(yù)報(bào)并指導(dǎo)灌溉系統(tǒng)19進(jìn)行灌溉。因此該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)監(jiān)測土壤含水率變化、作物蒸發(fā)蒸騰量變化與灌溉預(yù)報(bào)一體化的目的，并能指導(dǎo)灌溉科學(xué)進(jìn)行。所述的電磁平衡壓力傳感器10的工作方式與土壤濕度傳感器9的工作方式相同。