本實(shí)用新型是關(guān)于一種基于光輻射的智能灌溉系統(tǒng)，屬于自動(dòng)灌溉技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

我國(guó)是一個(gè)水資源嚴(yán)重短缺的國(guó)家，水資源供需矛盾突出仍然是可持續(xù)發(fā)展的主要瓶頸。農(nóng)業(yè)是用水大戶(hù)，近年來(lái)農(nóng)業(yè)用水量約占經(jīng)濟(jì)社會(huì)用水總量的62％，部分地區(qū)高達(dá)90％以上，農(nóng)業(yè)用水效率不高，節(jié)水潛力很大。同時(shí)我國(guó)還面臨著土地資源和農(nóng)業(yè)勞動(dòng)力緊缺的嚴(yán)峻形勢(shì)。大力發(fā)展以規(guī)?；⒐?jié)約化和園區(qū)化為特征的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)，轉(zhuǎn)變農(nóng)業(yè)方式，實(shí)現(xiàn)資源節(jié)約，提高土地產(chǎn)出率、勞動(dòng)生產(chǎn)率以及資源的利用率是必然要求。灌溉自動(dòng)化是現(xiàn)代設(shè)施農(nóng)業(yè)的重要技術(shù)環(huán)節(jié)，一般與微灌施肥技術(shù)結(jié)合應(yīng)用，可最大限度的減少灌溉施肥用工，實(shí)現(xiàn)定量精確供水供肥，促進(jìn)作物優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)，是今后發(fā)展的方向。目前，我國(guó)常用的智能灌溉系統(tǒng)主要有兩種，一種是依據(jù)墑情進(jìn)行智能灌溉決策的灌溉系統(tǒng)，另一種是人工設(shè)定時(shí)序自動(dòng)灌溉系統(tǒng)。

依據(jù)墑情進(jìn)行智能灌溉決策的灌溉系統(tǒng)應(yīng)用較為廣泛，其最大的限制因素是設(shè)施內(nèi)土壤墑情分布均勻性差，主要原因包括設(shè)施內(nèi)棚膜上附著的露水通常在棚膜下凹處聚集并滴入土壤；自然降水會(huì)在通風(fēng)口處進(jìn)入設(shè)施土壤；傳統(tǒng)地面灌溉條件下地勢(shì)高低也是影響墑情分布的重要因素。由于土壤墑情傳感器價(jià)格較高，生產(chǎn)中每個(gè)設(shè)施一般只能布置1個(gè)墑情傳感器，在設(shè)施內(nèi)的土壤墑情分布均勻性差的條件下，墑情傳感器的埋設(shè)位置就成為了決策是否成功的關(guān)鍵。

人工設(shè)定時(shí)序自動(dòng)灌溉系統(tǒng)需要根據(jù)農(nóng)事生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，綜合考慮作物、茬口及天氣的不斷變化，對(duì)管理者生產(chǎn)技術(shù)水平要求較高，且需要大量的手動(dòng)調(diào)節(jié)，人工干擾因素大，比如，遇到連續(xù)陰天時(shí)，必須人工關(guān)閉時(shí)序自動(dòng)灌溉系統(tǒng)或減少灌溉水量，否則會(huì)導(dǎo)致設(shè)施內(nèi)濕度過(guò)高，甚至導(dǎo)致作物感染病害，難以真正實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)化灌溉。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)上述問(wèn)題，本實(shí)用新型的目的是提供一種能夠真正實(shí)現(xiàn)精確化灌溉的基于光輻射的智能灌溉系統(tǒng)。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型采取以下技術(shù)方案：一種基于光輻射的智能灌溉系統(tǒng)，其特征在于，包括光照監(jiān)測(cè)裝置和灌溉控制系統(tǒng)；所述光照監(jiān)測(cè)裝置放置在設(shè)施內(nèi)的環(huán)境監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)處，用于采集設(shè)施內(nèi)的光照強(qiáng)度數(shù)據(jù)；所述灌溉控制系統(tǒng)定時(shí)對(duì)所述光照監(jiān)測(cè)裝置進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并發(fā)送控制信號(hào)到灌溉控制柜，控制相應(yīng)設(shè)施所對(duì)應(yīng)輸水管路的電磁閥開(kāi)啟或關(guān)閉。

優(yōu)選地，所述光照監(jiān)測(cè)裝置采用光照傳感器，所述光照傳感器的個(gè)數(shù)根據(jù)所監(jiān)測(cè)的設(shè)施個(gè)數(shù)進(jìn)行確定。

優(yōu)選地，所述灌溉控制系統(tǒng)采用單片機(jī)。

本實(shí)用新型由于采取以上技術(shù)方案，其具有以下優(yōu)點(diǎn)：本實(shí)用新型包括光照監(jiān)測(cè)裝置和灌溉控制系統(tǒng)，光照監(jiān)測(cè)裝置放置在設(shè)施內(nèi)的環(huán)境監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)處，用于采集設(shè)施內(nèi)的光照強(qiáng)度數(shù)據(jù)；灌溉控制系統(tǒng)定時(shí)對(duì)所述光照監(jiān)測(cè)裝置進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并發(fā)送信號(hào)控制相應(yīng)設(shè)施所對(duì)應(yīng)輸水管路的電磁閥開(kāi)啟，向設(shè)施進(jìn)行定時(shí)灌溉，準(zhǔn)確性大大提高，真正實(shí)現(xiàn)了精確化灌溉，與人工設(shè)定的時(shí)序自動(dòng)灌溉相比更加精確，有效節(jié)省人工成本，減少人為干擾因素。本實(shí)用新型可以廣泛應(yīng)用于溫室或大棚等設(shè)施的農(nóng)業(yè)灌溉中。

附圖說(shuō)明

圖1是本實(shí)用新型基于光輻射的智能灌溉系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本實(shí)用新型基于光輻射的智能灌溉系統(tǒng)的灌溉策略流程圖；

圖3是本實(shí)用新型實(shí)施例中本實(shí)用新型智能灌溉系統(tǒng)與對(duì)照系統(tǒng)分別對(duì)番茄生長(zhǎng)指標(biāo)的影響示意圖，其中，圖(a)是智能灌溉系統(tǒng)與對(duì)照系統(tǒng)分別對(duì)番茄株高的影響示意圖，圖(b)是智能灌溉系統(tǒng)與對(duì)照系統(tǒng)分別對(duì)番茄葉片數(shù)的影響示意圖；圖(c)是智能灌溉系統(tǒng)與對(duì)照系統(tǒng)分別對(duì)番茄株莖粗的影響示意圖；圖(d)是智能灌溉系統(tǒng)與對(duì)照系統(tǒng)分別對(duì)番茄頂部第四葉葉長(zhǎng)的影響示意圖。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖來(lái)對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)行詳細(xì)的描繪。然而應(yīng)當(dāng)理解，附圖的提供僅為了更好地理解本實(shí)用新型，它們不應(yīng)該理解成對(duì)本實(shí)用新型的限制。

1948年英國(guó)科學(xué)家彭曼根據(jù)能量平衡原理、水汽擴(kuò)散原理和空氣的熱導(dǎo)定律首次提出了彭曼公式的基本型式：

式中，E₀為水面蒸發(fā)量，L為蒸發(fā)潛熱，E_α為水面附近的空氣干燥力，H₀為為輻射平衡值，γ為濕度計(jì)常數(shù)，Δ為飽和水汽壓-溫度曲線斜率。

1979年，聯(lián)合國(guó)糧食與農(nóng)業(yè)組織FAO給出了參考作物騰發(fā)量的推薦公式：

幾經(jīng)修正，1992年，聯(lián)合國(guó)糧食與農(nóng)業(yè)組織FAO給出了最新的彭曼-蒙蒂斯公式：

式中，ET₀為參考作物騰發(fā)量，單位mm/d；R_n為作物冠層頂?shù)膬糨椛?，單位MJ/(m²·day)；G為土壤熱流強(qiáng)度，單位MJ/(m²·day)；T為2m高度處的日平均氣溫，單位℃；μ₂為2m高度處的風(fēng)速，單位m/s；e_s為飽和水汽壓，單位Kpa；e_a為實(shí)際水汽壓，單位Kpa；為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓與實(shí)際大氣壓之間的比值：該值僅與海拔高度L_H和氣溫T_a有關(guān)；Δ為飽和水汽壓-溫度曲線斜率，該值僅與氣溫T_a有關(guān)；γ為濕度計(jì)常數(shù)，γ＝0.6455+0.00064T_a，該值與氣溫T_a有關(guān)，單位kPa/℃；E_α為水面附近的空氣干燥力，該值與飽和水汽壓、實(shí)際水汽壓、風(fēng)速及其修正系數(shù)有關(guān)。

由于在設(shè)施內(nèi)，2m處風(fēng)速μ₂近似為0，土壤熱流G較凈太陽(yáng)輻射R_n較小，所以彭曼-蒙蒂斯公式(3)可以近似簡(jiǎn)化為：

由公式(4)可以看出，參考作物騰發(fā)量ET₀與凈輻射R_n呈正相關(guān)關(guān)系。而作物蒸發(fā)蒸騰量可用公式ET＝ET₀·K_c(K_c為作物系數(shù))表示，所以作物蒸發(fā)蒸騰量與太陽(yáng)凈輻射呈正相關(guān)關(guān)系，即可近似的建立公式ET＝K·R_n，K＝0.408·Kc。也就是說(shuō)，可以根據(jù)凈輻射量得出作物的蒸騰蒸發(fā)量，從而給出作物灌溉策略。

基于上述原理，本實(shí)用新型的基于光輻射的智能灌溉系統(tǒng)，包括一光照監(jiān)測(cè)裝置1和一灌溉控制系統(tǒng)2；光照監(jiān)測(cè)裝置1放置在溫室或大棚等設(shè)施3的環(huán)境監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)，用于采集設(shè)施內(nèi)的光照強(qiáng)度數(shù)據(jù)，灌溉控制系統(tǒng)2定時(shí)對(duì)光照監(jiān)測(cè)裝置1進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并將采集的光照強(qiáng)度數(shù)據(jù)累計(jì)計(jì)算獲得光輻射累計(jì)能量，將設(shè)定時(shí)間段內(nèi)的光輻射累計(jì)能量與預(yù)先設(shè)定的臨界能量進(jìn)行比較，當(dāng)光輻射累計(jì)能量大于預(yù)先設(shè)定的臨界能量時(shí)，灌溉控制系統(tǒng)執(zhí)行預(yù)設(shè)灌溉策略，并發(fā)送信號(hào)到灌溉控制柜4，控制相應(yīng)設(shè)施所對(duì)應(yīng)輸水管路的電磁閥5開(kāi)啟，向該設(shè)施3進(jìn)行灌溉，達(dá)到灌溉策略設(shè)定的灌溉要求，電磁閥5關(guān)閉，此次灌溉過(guò)程結(jié)束，等待進(jìn)入下一次灌溉過(guò)程。

上述實(shí)施例中，光照監(jiān)測(cè)裝置1可以采用光照傳感器，光照傳感器的個(gè)數(shù)根據(jù)所監(jiān)測(cè)的溫室或大棚個(gè)數(shù)進(jìn)行確定，通常一個(gè)溫室或大棚內(nèi)放置一個(gè)光照傳感器。

上述各實(shí)施例中，灌溉控制系統(tǒng)2可以采用單片機(jī)。

上述各實(shí)施例中，如圖2所示，光照強(qiáng)度數(shù)據(jù)是一個(gè)瞬時(shí)值，而光輻射累計(jì)能量是經(jīng)過(guò)一定時(shí)間光輻射累計(jì)后的總輻射能量，光輻射累計(jì)能量的計(jì)算過(guò)程為：

①假定光照傳感器采集數(shù)據(jù)的時(shí)間間隔T，單位min，本實(shí)施例中取T＝10min，以此為例，不限于此；

②各采集時(shí)刻光照強(qiáng)度值為r₁、r₂、r₃…r_i；

③各時(shí)段間隔內(nèi)平均光照強(qiáng)度(單位W/cm²)：r_1,2＝(r₁+r₂)/2，r_2,3＝(r₂+r₃)/2…r_i，i+1＝(r_i+r_i+1)/2；

④各時(shí)段間隔內(nèi)平均輻射能量(單位J/cm²)：R_1,2＝60T(r₁+r₂)/2，R_2,3＝60T(r₂+r₃)/2…R_i,i+1＝60T(r_i+r_j)/2；

⑤各時(shí)間段內(nèi)的光輻射累計(jì)能量：R₁＝R_1,2，R₂＝R₁+R_2,3，R₃＝R₂+R_3,4…R_i+1＝R_i+R_i,i+1。

上述各實(shí)施例中，本實(shí)用新型的灌溉控制系統(tǒng)2制定的灌溉策略為：

a)上午日出后智能灌溉系統(tǒng)啟動(dòng)，光輻射能量開(kāi)始累積，當(dāng)R_i+1>R時(shí)，R為預(yù)先設(shè)定的臨界能量，輸水管路電磁閥開(kāi)啟，開(kāi)始進(jìn)行灌溉，光輻射能量自動(dòng)進(jìn)入下一累計(jì)過(guò)程，R值根據(jù)作物品種和生育時(shí)期調(diào)整，調(diào)節(jié)R值可實(shí)現(xiàn)對(duì)灌水定額(單次灌溉用水量)和灌溉周期(2次灌溉的時(shí)間間隔)的調(diào)整；

b)確定灌水定額及灌溉時(shí)長(zhǎng)：

灌水定額I(m³/hm²)＝K*R，其中，K為需水系數(shù)，單位為10^-8m³/J，R為預(yù)先設(shè)定的臨界能量，單位為J/cm²；

灌溉時(shí)長(zhǎng)：t(min)＝6*I/(De*q)，其中，De為滴頭密度，可調(diào)，個(gè)/m²，q為滴頭流量，L/h。

下面通過(guò)具體實(shí)施例驗(yàn)證本實(shí)用新型的基于光輻射的智能灌溉系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。

1、試驗(yàn)方法，本實(shí)施例的具體試驗(yàn)參數(shù)：

供試作物品種：番茄，品種“浙粉702”。

試驗(yàn)地點(diǎn)：北京市順義區(qū)木林鎮(zhèn)王泮莊村塑料大棚，土壤栽培。

試驗(yàn)時(shí)間：2015年4月2日-2015年7月8日。

試驗(yàn)設(shè)計(jì)：試驗(yàn)設(shè)置2個(gè)處理，每個(gè)處理3次重復(fù)。

處理1采用本實(shí)用新型的基于光輻射智能灌溉系統(tǒng)，番茄灌水定額I(m³/hm²)＝K*R，其中，K為需水系數(shù)，單位為10^-8m³/J；R為凈輻射能量，單位為J/cm²。

處理2采用現(xiàn)有技術(shù)基于土壤墑情的自動(dòng)灌溉系統(tǒng)，相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表1，灌水定額W＝10p×h×γ×(θ_后-θ_前)。

表1依據(jù)土壤墑情進(jìn)行番茄灌溉決策的參數(shù)

注：土壤質(zhì)地為中壤土，土壤容重γ＝1.40克/立方厘米，田間持水量24％。土壤濕潤(rùn)比p取70％。

2、試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1)基于光輻射的智能灌溉系統(tǒng)對(duì)番茄生長(zhǎng)指標(biāo)的影響

本試驗(yàn)條件下，番茄的株高、莖粗(生長(zhǎng)點(diǎn)向下第四片展開(kāi)葉的基部莖粗)、葉片數(shù)、生長(zhǎng)點(diǎn)向下第四片展開(kāi)葉的葉長(zhǎng)和葉寬在各個(gè)處理之間均未表現(xiàn)出明顯的差異。如圖3(a)所示，從株高來(lái)看，番茄自4月2日定植后，2周內(nèi)的株高生長(zhǎng)很緩慢，之后株高迅速增加，一直到打頂時(shí)株高增加速率基本不變；如圖3(b)所示，番茄葉片數(shù)的變化趨勢(shì)與株高變化趨勢(shì)基本一致；生長(zhǎng)點(diǎn)向下第4片展開(kāi)葉的基部莖粗在定植后1周內(nèi)變化很小，之后開(kāi)始迅速增加，如圖3(c)所示，至5月14日達(dá)到峰值，之后開(kāi)始逐漸降低；如圖3(d)所示，生長(zhǎng)點(diǎn)向下第四片葉的葉長(zhǎng)的變化趨勢(shì)與莖粗的變化趨勢(shì)基本一致。

2.2)基于光輻射的智能灌溉對(duì)番茄產(chǎn)量和水分生產(chǎn)效率的影響

依據(jù)光輻射的智能灌溉系統(tǒng)處理的番茄產(chǎn)量較土壤墑情的灌溉決策相比顯著增產(chǎn)520kg/667m²，番茄單果重雖略高于土壤墑情的灌溉決策所對(duì)應(yīng)的番茄單果重，但是差異未達(dá)到顯著水平。依據(jù)光輻射的智能灌溉處理番茄全生育期灌溉量為136.2m³/667m²，較對(duì)照節(jié)水12.7m³/667m²，單方水產(chǎn)出番茄達(dá)到60.4kg/m³，較土壤墑情的灌溉決策增加7.3kg/m³，如表2所示。

表2依據(jù)光輻射的智能灌溉對(duì)番茄產(chǎn)量和水分生產(chǎn)效率的影響

注：表中數(shù)據(jù)為對(duì)番茄生長(zhǎng)指標(biāo)的影響(平均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差)，LSD法測(cè)驗(yàn)，P＝0.05。表

上述實(shí)施例僅用于說(shuō)明本實(shí)用新型，其中各部件的結(jié)構(gòu)、連接方式和制作工藝等都是可以有所變化的，凡是在本實(shí)用新型技術(shù)方案的基礎(chǔ)上進(jìn)行的等同變換和改進(jìn)，均不應(yīng)排除在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之外。