專利名稱：根據(jù)作物缺水逆境生理反應(yīng)進(jìn)行灌溉的控制方法及其裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于農(nóng)業(yè)灌溉技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種根據(jù)作物缺水逆境生理反應(yīng)進(jìn)行灌溉的控制方法及其裝置。
背景技術(shù)：
水分缺乏或過多對(duì)植物代謝系統(tǒng)具有重要影響，尤其是水分缺乏對(duì)農(nóng)作物的生產(chǎn)影響很大。目前，自動(dòng)灌溉控制裝置均是以土壤含水量作為作物灌水的控制指標(biāo)，通過控制土壤含水量，來滿足作物生理生態(tài)需水。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，作物土壤相對(duì)含水量為60％(占田間持水量％)為輕旱，需要灌水；當(dāng)降到50％時(shí)為重旱，將嚴(yán)重影響作物生長和產(chǎn)量形成；當(dāng)達(dá)到80％時(shí)為適宜水分；85％為灌溉上限，停止灌溉；超過90％時(shí)水分過多。這種灌溉控制方法，實(shí)質(zhì)上是一種充分供給式(前饋式調(diào)節(jié))的灌溉控制方式。該方式并沒有真正反映作物本身不同生長階段，不同天氣情況的實(shí)際需水狀況。指標(biāo)定得過高會(huì)加大棵間蒸發(fā)和作物的奢侈蒸騰，降低水分利用效率。指標(biāo)定得過低將有可能造成某個(gè)時(shí)段供水不足，而影響作物正常生長。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足而提供一種能夠反映作物本身實(shí)際需水狀況的更加高效地進(jìn)行灌溉的控制方法及其裝置。
本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的首先，在作物莖桿上安裝植物莖稈直徑變差變送器，靠該植物莖稈直徑變差變送器采集莖稈直徑的日變化值，在作物莖桿上方安裝有光照變送器，用于采集太陽輻射的日累加值，在作物的根部安裝有土壤水分傳感變送器，用于采集作物土壤含水量，
其次，將植物莖稈直徑變差變送器、光照變送器、土壤水分變送器的輸出數(shù)據(jù)輸入到作物莖稈直徑變化指數(shù)計(jì)算與缺水分析單元，由該單元將采集到的莖稈直徑日變化值代入作物莖稈直徑變化指數(shù)計(jì)算公式計(jì)算出作物莖稈直徑變化指數(shù)并與該種作物需要灌溉的作物莖稈直徑變化指數(shù)進(jìn)行比較，對(duì)采集到的太陽輻射的日累加值和這個(gè)季節(jié)的平均值進(jìn)行比較，對(duì)采集到的作物土壤含水量與設(shè)定的允許最小土壤含水量值進(jìn)行比較，第三，比較后由作物莖稈直徑變化指數(shù)計(jì)算與缺水分析單元輸出控制信號(hào)控制灌溉設(shè)備控制單元，第四，由控制灌溉設(shè)備控制單元啟動(dòng)水泵，打開電磁閥，進(jìn)行灌溉。
將莖變差傳感變送器、光照傳感變送器、土壤水分傳感變送器輸出的可以遠(yuǎn)傳的傳感器標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)4～20MA，經(jīng)過由集成電路RCV420組成的信號(hào)調(diào)理電路轉(zhuǎn)換成適合由ADC0809組成的多通道AD轉(zhuǎn)換電路處理的0～5V信號(hào)，由多通道AD轉(zhuǎn)換電路將0～5V模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，多通道AD轉(zhuǎn)換電路由AT89C52單片機(jī)組成的前端處理CPU單元控制，控制計(jì)算機(jī)通過計(jì)算機(jī)232通訊口經(jīng)過由MAX232E集成電路組成的TTL與232電平轉(zhuǎn)換電路與由AT89C52單片機(jī)組成的前端處理CPU單元連接，根據(jù)控制計(jì)算機(jī)的要求，將采集的莖變差、光照和土壤水分值以數(shù)字信號(hào)的形式，在前端處理CPU單元控制下經(jīng)過由MAX232E集成電路組成的TTL與232電平轉(zhuǎn)換電路和計(jì)算機(jī)232通訊口送入控制計(jì)算機(jī)，控制計(jì)算機(jī)計(jì)算作物莖稈直徑變化指數(shù)CSDCI判斷是否需要灌溉，并形成控制指令，經(jīng)TTL與232電平轉(zhuǎn)換電路回傳給前端處理CPU單元，在前端處理CPU單元的控制下，將控制指令通過由集成電路8255和小功率繼電器組成的灌溉設(shè)備啟閉控制和強(qiáng)弱電隔離電路，控制水泵交流接觸器管道電動(dòng)閥或電磁閥進(jìn)行灌溉。
作物莖稈直徑變化指數(shù)的計(jì)算公式為CSDCI＝1-ΔSda/ΔSDm式中CSDCI為作物莖稈直徑變化指數(shù)；ΔSda為水分虧缺植株莖稈直徑變化量；ΔSDm為水分充足植株莖稈直徑變化量，作物莖稈直徑變化指數(shù)計(jì)算與缺水分析單元4中的計(jì)算機(jī)計(jì)算作物莖稈直徑變化指數(shù)CSDCI而確定作物是否需要灌溉的判斷方法為首先將莖變差傳感變送器采集到的莖稈直徑的日變化值代入作物莖稈直徑變化指數(shù)計(jì)算公式，計(jì)算作物莖稈直徑變化指數(shù)CSDCI，如果計(jì)算結(jié)果達(dá)到了作物需要灌溉的作物莖稈直徑變化指數(shù)，說明作物有需要灌溉的可能，是否真正需要灌溉，還要看光照傳感變送器采集到的太陽輻射的日累加值，如果太陽輻射的日累加值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于這個(gè)季節(jié)的平均值，說明是陰天造成的作物植株蒸騰活動(dòng)的減弱而引起的作物植株莖稈收縮和膨脹的幅度減少，而非作物缺水所致，無需灌溉，否則由灌溉設(shè)備控制單元啟動(dòng)水泵交流接觸器打開管道電磁閥進(jìn)行灌溉，在采用莖稈直徑變差值計(jì)算是否需要灌溉時(shí)，采用優(yōu)先級(jí)控制，設(shè)定允許最小土壤含水量值作為控制底線，正常情況下不會(huì)達(dá)到最小允許土壤含水量值，但當(dāng)莖稈直徑變差傳感器1脫落時(shí)，達(dá)到最小允許土壤含水量值，啟動(dòng)灌溉的同時(shí)，灌溉控制裝置自動(dòng)轉(zhuǎn)為土壤含水量閾值控制，避免了由于莖稈直徑變差傳感器1脫落引起控制失敗而沒有及時(shí)灌溉造成的損失。
一種靠作物缺水逆境生理反應(yīng)進(jìn)行灌溉的控制裝置，由莖變差傳感變送器、光照傳感變送器、土壤水分傳感變送器、作物莖稈直徑變化指數(shù)計(jì)算與缺水分析單元、灌溉設(shè)備控制單元、水泵交流接觸器及管道電磁閥組成，莖變差傳感變送器、光照傳感變送器、土壤水分傳感變送器的信號(hào)輸出端與由集成電路RCV420組成的信號(hào)調(diào)理電路的輸入端口相連接，信號(hào)調(diào)理電路的輸出端口與由ADC0809組成的多通道AD轉(zhuǎn)換電路相連接，由多通道AD轉(zhuǎn)換電路5將輸入的0～5V模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，多通道AD轉(zhuǎn)換電路又與由AT89C52單片機(jī)組成的前端處理CPU單元相連接，前端處理CPU單元又通過由MAX232E集成電路組成的TTL與232電平轉(zhuǎn)換電路、計(jì)算機(jī)232通訊口與計(jì)算機(jī)相連接，根據(jù)控制計(jì)算機(jī)的要求，將采集的莖變差、光照和土壤水分值數(shù)字信號(hào)，在前端處理CPU單元控制下經(jīng)過由MAX232E集成電路組成的TTL與232電平轉(zhuǎn)換電路送入計(jì)算機(jī)232通訊口，控制計(jì)算機(jī)計(jì)算作物莖稈直徑變化指數(shù)CSDCI判斷是否需要灌溉并形成控制指令，經(jīng)TTL與232電平轉(zhuǎn)換電路回傳給前端處理CPU單元，前端處理CPU單元又與由集成電路8255和小功率繼電器組成的灌溉設(shè)備啟閉和強(qiáng)弱電隔離電路相連接，灌溉設(shè)備啟閉和強(qiáng)弱電隔離電路與控制水泵交流接觸器和管道電動(dòng)閥或電磁閥相連接，在前端處理CPU單元的控制下，將控制指令通過由集成電路8255和小功率繼電器組成的灌溉設(shè)備啟閉控制和強(qiáng)弱電隔離電路，控制水泵交流接觸器和管道電動(dòng)閥或電磁閥進(jìn)行灌溉。
本發(fā)明能根據(jù)作物在隨機(jī)生長狀況下的實(shí)際需水要求進(jìn)行灌溉，與通常的以土壤含水量作為作物灌水控制指標(biāo)，通過控制土壤含水量，來滿足作物生理生態(tài)需水的充分供給式(前饋式調(diào)節(jié))的灌溉控制方式比較，更加省水和節(jié)能，有利于干物質(zhì)積累，改善收獲物的品質(zhì)。根據(jù)植物生理研究表明，植物處于間歇的暫短缺水逆境，可以使植物產(chǎn)生超補(bǔ)償效應(yīng)，刺激根系的生長，對(duì)作物生長極為有利，這種作物在某段時(shí)期經(jīng)歷了干旱水分虧缺的逆境后，當(dāng)水分條件得到改善時(shí)，會(huì)超常生長的現(xiàn)象，是植物適應(yīng)逆境的一種對(duì)策。


圖1為本發(fā)明的流程圖。
圖2為本發(fā)明的電路連接圖。
圖3為本發(fā)明實(shí)施例的電路圖。
具體實(shí)施例方式
如圖1所示，本發(fā)明根據(jù)作物缺水逆境生理反應(yīng)進(jìn)行灌溉的控制方法如下首先，在作物莖桿上安裝植物莖稈直徑變差變送器1，依靠該植物莖稈直徑變差變送器1采集莖稈直徑的日變化值，在作物莖桿上方安裝有光照變送器2，用于采集太陽輻射的日累加值，在作物的根部安裝有土壤水分傳感變送器3，用于采集作物根部土壤含水量，其次，將植物莖稈直徑變差變送器1、光照變送器2、土壤水分傳感變送器3的輸出數(shù)據(jù)輸入到作物莖稈直徑變化指數(shù)計(jì)算與缺水分析單元4，由該作物莖稈直徑變化指數(shù)計(jì)算與缺水分析單元4，對(duì)采集到的莖稈直徑日變化值與該種作物需要灌溉的作物莖稈直徑變化指數(shù)進(jìn)行比較，對(duì)采集到的太陽輻射的日累加值和這個(gè)季節(jié)的平均值進(jìn)行比較，對(duì)采集到的作物土壤含水量與設(shè)定的允許最小土壤含水量值進(jìn)行比較，第三，比較后由作物莖稈直徑變化指數(shù)計(jì)算與缺水分析單元輸出控制信號(hào)控制灌溉設(shè)備控制單元5，第四，由控制灌溉設(shè)備控制單元5啟動(dòng)水泵6，打開電磁閥7，進(jìn)行灌溉。
如圖2所示，本發(fā)明將莖變差傳感變送器1、光照傳感變送器2、土壤水分傳感變送器3輸出的可以遠(yuǎn)傳的傳感器標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)4～20MA，經(jīng)過由集成電路RCV420組成的信號(hào)調(diào)理電路4轉(zhuǎn)換成適合由ADC0809組成的多通道AD轉(zhuǎn)換電路5處理的0～5V信號(hào)，由多通道AD轉(zhuǎn)換電路5將0～5V模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，多通道AD轉(zhuǎn)換電路5由AT89C52單片機(jī)組成的前端處理CPU單元6控制，根據(jù)控制計(jì)算機(jī)9的要求，將采集的莖變差、光照和土壤水分值以數(shù)字信號(hào)的形式，在前端處理CPU單元6控制下經(jīng)過由MAX232E集成電路組成的TTL與232電平轉(zhuǎn)換電路7送入計(jì)算機(jī)232通訊口8，控制計(jì)算機(jī)9計(jì)算作物莖稈直徑變化指數(shù)CSDCI判斷是否需要灌溉，并形成控制指令，經(jīng)TTL與232電平轉(zhuǎn)換電路7回傳給前端處理CPU單元6，在前端處理CPU單元6的控制下，將控制指令通過由集成電路8255和小功率繼電器組成的灌溉設(shè)備啟閉控制和強(qiáng)弱電隔離電路10，控制水泵交流接觸器12管道電動(dòng)閥或電磁閥11進(jìn)行灌溉。
作物莖稈直徑變化指數(shù)的計(jì)算公式為CSDCI＝1-ΔSda/ΔSDm式中CSDCI為作物莖稈直徑變化指數(shù)；ΔSda為水分虧缺植株莖稈直徑變化量；ΔSDm為水分充足植株莖稈直徑變化量，作物莖稈直徑變化指數(shù)計(jì)算與缺水分析單元4(圖一)中的計(jì)算機(jī)9(圖二)計(jì)算作物莖稈直徑變化指數(shù)CSDCI而確定作物是否需要灌溉的判斷方法為首先將莖變差傳感變送器1采集到的莖稈直徑的日變化值代入作物莖稈直徑變化指數(shù)計(jì)算公式，計(jì)算作物莖稈直徑變化指數(shù)CSDCI，如果計(jì)算結(jié)果達(dá)到了作物需要灌溉的作物莖稈直徑變化指數(shù)，說明作物有需要灌溉的可能，是否真正需要灌溉，還要看光照傳感變送器2采集到的太陽輻射的日累加值，如果太陽輻射的日累加值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于這個(gè)季節(jié)的平均值，說明是陰天造成的作物植株蒸騰活動(dòng)的減弱而引起的作物植株莖稈收縮和膨脹的幅度減少，而非作物缺水所致，無需灌溉，否則由灌溉設(shè)備控制單元5啟動(dòng)水泵交流接觸器6打開管道電磁閥7進(jìn)行灌溉，在采用莖稈直徑變差值計(jì)算是否需要灌溉時(shí)，采用優(yōu)先級(jí)控制，設(shè)定允許最小土壤含水量值作為控制底線，正常情況下不會(huì)達(dá)到最小允許土壤含水量值，但當(dāng)莖稈直徑變差傳感器1脫落時(shí)，達(dá)到最小允許土壤含水量值，啟動(dòng)灌溉的同時(shí)，灌溉控制裝置自動(dòng)轉(zhuǎn)為土壤含水量閾值控制，土壤含水量由土壤水分傳感變送器3檢測。
如圖2所示，一種靠作物缺水逆境生理反應(yīng)進(jìn)行灌溉的控制裝置，由莖變差傳感變送器1、光照傳感變送器2、土壤水分傳感變送器3、作物莖稈直徑變化指數(shù)計(jì)算與缺水分析單元、灌溉設(shè)備控制單元、水泵交流接觸器12及管道電磁閥11組成，莖變差傳感變送器1、光照傳感變送器2、土壤水分傳感變送器3的信號(hào)輸出端與由集成電路RCV420組成的信號(hào)調(diào)理電路4的輸入端口相連接，信號(hào)調(diào)理電路4的輸出端口與由ADC0809組成的多通道AD轉(zhuǎn)換電路5相連接，由多通道AD轉(zhuǎn)換電路5將輸入的0～5V模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，多通道AD轉(zhuǎn)換電路5又與由AT89C52單片機(jī)組成的前端處理CPU單元6相連接，前端處理CPU單元6又通過由MAX232E集成電路組成的TTL與232電平轉(zhuǎn)換電路7、計(jì)算機(jī)232通訊口8與計(jì)算機(jī)9相連接，根據(jù)控制計(jì)算機(jī)9的要求，將采集的莖變差、光照和土壤水分值數(shù)字信號(hào)，在前端處理CPU單元6控制下經(jīng)過由MAX232E集成電路組成的TTL與232電平轉(zhuǎn)換電路7送入計(jì)算機(jī)232通訊口8，控制計(jì)算機(jī)9計(jì)算作物莖稈直徑變化指數(shù)CSDCI判斷是否需要灌溉并形成控制指令，經(jīng)TTL與232電平轉(zhuǎn)換電路7回傳給前端處理CPU單元6，前端處理CPU單元6又與由集成電路8255和小功率繼電器組成的灌溉設(shè)備啟閉和強(qiáng)弱電隔離電路10相連接，灌溉設(shè)備啟閉和強(qiáng)弱電隔離電路10與控制水泵交流接觸器12和管道電動(dòng)閥或電磁閥11相連接，在前端處理CPU單元6的控制下，將控制指令通過由集成電路8255和小功率繼電器組成的灌溉設(shè)備啟閉控制和強(qiáng)弱電隔離電路10，控制水泵交流接觸器12和管道電動(dòng)閥或電磁閥11進(jìn)行灌溉。
在由作物缺水逆境生理反應(yīng)控制的自動(dòng)灌溉控制裝置的前端安裝有作物植株莖稈直徑變差測量變送器，該變送器的結(jié)構(gòu)請(qǐng)閱讀發(fā)明人的另一個(gè)專利“植物莖稈直徑變差測量變送器”專利申請(qǐng)?zhí)?00410060504.9，用于檢測由于作物處于缺水逆境而引發(fā)的作物生理反應(yīng)產(chǎn)生的作物缺水生理體征。
在作物植株莖稈直徑變差測量變送器后是作物缺水信息計(jì)算分析和灌溉控制部分。它的工作原理是這樣的作物植株莖稈是作物植株去水(蒸騰失水)和來水(根系吸水)的緩沖地帶，當(dāng)去水速度大于來水速度時(shí)作物植株莖稈就會(huì)發(fā)生收縮，反之就會(huì)膨脹。在通常情況下，作物植株蒸騰失水的速度圍繞根系吸水的速度上下波動(dòng)，使作物植株莖稈隨之收縮和膨脹，并有其明顯的日變化規(guī)律，日出前作物莖桿直徑最大，而午后作物莖桿直徑最小，處于一種動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)。當(dāng)作物植株缺水時(shí)，由于作物植株處于缺水逆境，產(chǎn)生了自我保護(hù)的生理反應(yīng)關(guān)閉或縮小了葉片氣孔開度，從而使作物植株蒸騰量和作物植株蒸騰失水的速度特別是作物植株蒸騰失水的速度變化幅度減少，進(jìn)而作物植株莖稈收縮和膨脹的幅度也隨之減少。因此，作物植株莖稈直徑變差(莖稈收縮和膨脹幅度的變化)能夠很好的反映作物的實(shí)際缺水程度。作物莖桿直徑日變差的減少，就是控制裝置要采集的作物缺水的生理體征。作物植株莖稈直徑變差測量不改變作物原有的生態(tài)環(huán)境，精度高，對(duì)作物植株不具破壞性，可以長期觀測，比較適合作為根據(jù)作物缺水逆境生理反應(yīng)控制的自動(dòng)灌溉控制裝置的作物缺水生理體征檢測傳感變送器。
根據(jù)作物缺水逆境生理反應(yīng)控制的自動(dòng)灌溉控制裝置與通常的自動(dòng)灌溉控制裝置不同。它采用的是反饋式調(diào)節(jié)(短缺補(bǔ)充)方式，它是偏差在前，調(diào)節(jié)在后的一種滯后調(diào)節(jié)方式。因此，首先要掌握合適的灌水時(shí)機(jī)，提前，作物缺水生理體征不明顯，可能產(chǎn)生錯(cuò)誤的灌溉，提后可能因?yàn)楣嗨患皶r(shí)而對(duì)作物造成不可逆的永久傷害。由于不同作物對(duì)缺水的敏感程度不同，應(yīng)提前做試驗(yàn)以確定該作物的最佳的灌水時(shí)機(jī)。為了計(jì)算方便，這里我們引入了一個(gè)作物莖稈直徑變化指數(shù)(Index of Crops Stem Diameter Changes，CSDCI)的概念，即
CSDCI＝1-ΔSda/ΔSDm式中CSDCI為作物莖稈直徑變化指數(shù)；ΔSda為水分虧缺植株莖稈直徑變化量；ΔSDm為水分充足植株莖稈直徑變化量。據(jù)此式計(jì)算，辣椒植株莖稈直徑變化指數(shù)，當(dāng)CSDCI＞0.14時(shí)，辣椒嚴(yán)重缺水；CSDCI＝0.14時(shí)辣椒輕度缺水，可視為辣椒適宜水分下限，需要灌溉；0＜CSDCI＜0.14為辣椒水分適宜范圍；CSDCI＝0時(shí)辣椒水分達(dá)適宜上限。
由作物缺水逆境生理反應(yīng)控制的自動(dòng)灌溉控制裝置的作物缺水信息計(jì)算分析部分，將作物植株莖稈直徑變差測量變送器測得的作物莖稈直徑變差數(shù)據(jù)代入作物莖稈直徑變化指數(shù)計(jì)算公式，根據(jù)是否達(dá)到該種作物需要灌溉的作物莖稈直徑變化指數(shù)，決定是否進(jìn)行灌溉。如果需要灌溉，由根據(jù)作物缺水逆境生理反應(yīng)控制的自動(dòng)灌溉控制裝置的灌溉控制部分啟動(dòng)水泵或電磁閥進(jìn)行灌溉。
如圖1所示，本發(fā)明的自動(dòng)灌溉控制裝置分別安裝有莖變差傳感變送器1、光照傳感變送器2、土壤水分傳感變送器3。其中植物莖稈直徑變差變送器1安裝在作物(例如辣椒)莖桿上，采集莖稈直徑的日變化值。光照變送器2安裝在作物莖桿的上方，用于采集太陽輻射的日累加值。土壤水分變送器3安裝在作物的根部，用于采集作物土壤水分。CSDCI--作物莖稈直徑變化指數(shù)計(jì)算與缺水分析單元4首先將采集到的莖稈直徑的日變化值代入作物莖稈直徑變化指數(shù)計(jì)算公式，計(jì)算作物莖稈直徑變化指數(shù)CSDCI，如果計(jì)算結(jié)果達(dá)到了作物需要灌溉的作物莖稈直徑變化指數(shù)(以辣椒為例CSDCI≥0.14)，說明作物有需要灌溉的可能。是否真正需要灌溉，還要看太陽輻射的日累加值。如果太陽輻射的日累加值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于這個(gè)季節(jié)的平均值，說明是陰天造成的作物植株蒸騰活動(dòng)的減弱而引起的作物植株莖稈收縮和膨脹的幅度減少，而非作物缺水所致，無需灌溉，否則由灌溉設(shè)備控制單元5啟動(dòng)水泵6打開電磁閥7進(jìn)行灌溉。由于莖稈直徑變差傳感器1是安裝在植株體上的，抗擾動(dòng)性相對(duì)要差。為了避免莖稈直徑變差傳感器1脫落而造成不必要的損失，要采取保護(hù)性措施。這里采用了優(yōu)先級(jí)控制，即在采用莖稈直徑變差值計(jì)算是否需要灌溉時(shí)，設(shè)定允許最小土壤含水量值作為控制底線，正常情況下不會(huì)達(dá)到最小允許土壤含水量值。但當(dāng)莖稈直徑變差傳感器1脫落時(shí)，達(dá)到最小允許土壤含水量值，啟動(dòng)灌溉的同時(shí)，灌溉控制裝置自動(dòng)轉(zhuǎn)為土壤含水量閾值控制。土壤含水量由土壤水分傳感變送器3提供。
本發(fā)明采用的是“少吃多餐”的等額灌水方式或根據(jù)前時(shí)段耗水速度推算后時(shí)段灌水量的灌水量可以進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)的非等額灌水方式(如果前個(gè)灌水周期作物缺水生理體征出現(xiàn)的間隔時(shí)間短，加大后一個(gè)灌水周期的灌水量，反之亦然。即前個(gè)灌水周期作物缺水生理體征出現(xiàn)的間隔時(shí)間與后一個(gè)灌水周期的灌水量成反比進(jìn)行控制調(diào)節(jié))，后者可以減少灌水的頻繁程度，有利于更好的節(jié)水。該方法真正反映了作物在隨機(jī)生長狀況下的實(shí)際需水量變化，精度優(yōu)于采用現(xiàn)階段的作物耗(需)水量預(yù)報(bào)模型的方法，并且更加簡單和實(shí)用(無需增加額外的傳感器和進(jìn)行復(fù)雜的數(shù)學(xué)運(yùn)算)。
如圖2所示，以辣椒為實(shí)施例莖變差傳感變送器1，采用本發(fā)明人的專利產(chǎn)品，具體結(jié)構(gòu)請(qǐng)閱讀發(fā)明專利“植物莖稈直徑變差測量變送器”，申請(qǐng)?zhí)?00410060504.9；光照傳感變送器2，采用北京前景惠邦溫室控制技術(shù)公司的LT/G照度變送器；土壤水分傳感變送器3，采用北京渠道科學(xué)器材公司經(jīng)銷的AQUA-TEL-TDR土壤水分變送器。莖變差傳感變送器1、光照傳感變送器2、土壤水分傳感變送器3輸出的可以遠(yuǎn)傳的傳感器標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)4～20MA，經(jīng)過由集成電路RCV420組成的信號(hào)調(diào)理電路4轉(zhuǎn)換成適合由ADC0809組成的多通道AD轉(zhuǎn)換電路5處理的0～5V信號(hào)，由多通道AD轉(zhuǎn)換電路5將0～5V模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。多通道AD轉(zhuǎn)換電路5由AT89C52單片機(jī)組成的前端處理CPU單元6控制，根據(jù)控制計(jì)算機(jī)9的要求，將采集的莖變差、光照和土壤水分值(數(shù)字信號(hào))，在前端處理CPU單元6控制下經(jīng)過由MAX232E集成電路組成的TTL與232電平轉(zhuǎn)換電路7送入計(jì)算機(jī)232通訊口8?？刂朴?jì)算機(jī)9按前述方法，計(jì)算作物莖稈直徑變化指數(shù)CSDCI判斷是否需要灌溉，灌多少？并形成控制指令，經(jīng)TTL與232電平轉(zhuǎn)換電路7回傳給前端處理CPU單元6，在前端處理CPU單元6的控制下，將控制指令通過由集成電路8255和小功率繼電器組成的灌溉設(shè)備啟閉控制和強(qiáng)弱電隔離電路10，控制水泵交流接觸器12管道電動(dòng)閥或電磁閥11進(jìn)行灌溉。土壤水分和光照每一個(gè)小時(shí)采集一次，將一天的每一小時(shí)采集的光照值進(jìn)行累加作為光照的日累計(jì)值(代替太陽輻射的日累加值)。日出前采集作物莖稈直徑最大值，午后采集作物莖稈直徑最小值，兩者之差既是作物莖稈直徑日變化值。
實(shí)施例電路圖3中U1為單片機(jī)集成電路AT89C52，U2為集成電路74LS373，U3為集成電路ADC0809，U4、U5、U6為集成電路RCV420，U7為集成電路74LS02，U8為集成電路74LS74，U9為集成電路MAX232E，U10為集成電路8255。
如圖2、圖3所示，莖變差傳感變送器1、光照傳感變送器2、土壤水分傳感變送器3的信號(hào)輸出端，分別通過JK1、JK2、JK3插座與信號(hào)調(diào)理電路4的集成電路U4、U5、U6即RCV420的輸入端口3、2腳相連接，信號(hào)調(diào)理電路4的集成電路U4、U5、U6即RCV420的輸出端口14、15腳分別與多通道AD轉(zhuǎn)換電路5的集成電路U3即ADC0809輸入端口26、27、28腳相連接，多通道AD轉(zhuǎn)換電路5的集成電路U3即ADC0809的數(shù)據(jù)總線17、14、15、8、18、19、20、21腳分別與前端處理CPU單元6的單片機(jī)集成電路U1即AT89C52的數(shù)據(jù)總線39、38、37、36、35、34、33、32腳相連接，多通道AD轉(zhuǎn)換電路5的集成電路U3即ADC0809的地址線25、24、23腳分別與集成電路U2即74LS373的2、5、6腳相連接，集成電路U2即74LS373的3、4、7、8、13、14、17、18腳又分別與前端處理CPU單元6的單片機(jī)集成電路U1即AT89C52的數(shù)據(jù)總線39、38、37、36、35、34、33、32腳相連接，集成電路U2即74LS373的11腳與前端處理CPU單元6的單片機(jī)集成電路U1即AT89C52的30腳相連接，多通道AD轉(zhuǎn)換電路5的集成電路U3即ADC0809的9腳與集成電路U7即74LS02的1腳相連接，多通道AD轉(zhuǎn)換電路5的集成電路U3即ADC0809的22、6腳與集成電路U7即74LS02的4腳相連接，集成電路U7即74LS02的3、5腳又與前端處理CPU單元6的單片機(jī)集成電路U1即AT89C52的地址線21腳相連接，集成電路U7即74LS02的2、6腳又分別與前端處理CPU單元6的單片機(jī)集成電路U1即AT89C52的讀寫控制線17、16腳相連接，前端處理CPU單元6的單片機(jī)集成電路U1即AT89C52的串行數(shù)據(jù)線10、11腳分別與TTL與232電平轉(zhuǎn)換電路7的集成電路U9即MAX232E的9、10腳相連接，TTL與232電平轉(zhuǎn)換電路7的集成電路U9即MAX232E的7、8腳通過JK6插座的2、3腳與計(jì)算機(jī)232通訊口8相連接，灌溉設(shè)備啟閉和強(qiáng)弱電隔離電路10的集成電路U10即8255的數(shù)據(jù)線34、33、32、31、30、29、28、27腳分別與前端處理CPU單元6的單片機(jī)集成電路U1即AT89C52的數(shù)據(jù)總線39、38、37、36、35、34、33、32腳相連接，灌溉設(shè)備啟閉和強(qiáng)弱電隔離電路10的集成電路U10即8255的6、5、36、35腳分別與前端處理CPU單元6的單片機(jī)集成電路U1即AT89C52的22、17、16、9腳相連接，灌溉設(shè)備啟閉和強(qiáng)弱電隔離電路10的集成電路U10即8255的9、8腳分別與集成電路U2即74LS373的2、5、腳相連接，灌溉設(shè)備啟閉和強(qiáng)弱電隔離電路10的集成電路U10即8255的4、3、2、1、40、39、38、37、18、19、20、21、22、23、24、25、14、15、16、17、13、12、11、10腳分別與NPN三極管Q的基極連接，NPN三極管Q的集電極分別與小功率繼電器J的線圈連接，小功率繼電器J的觸點(diǎn)分別與水泵交流接觸器12和管道電磁閥、電動(dòng)閥11連接。
權(quán)利要求
1.一種根據(jù)作物缺水逆境生理反應(yīng)進(jìn)行灌溉的控制方法，其特征在于首先，在作物莖桿上安裝植物莖稈直徑變差變送器，依靠該植物莖稈直徑變差變送器采集莖稈直徑的日變化值，在作物莖桿上方安裝有光照變送器，用于采集太陽輻射的日累加值，在作物的根部安裝有土壤水分傳感變送器，用于采集作物根部土壤含水量，其次，將植物莖稈直徑變差變送器、光照變送器、土壤水分傳感變送器的輸出數(shù)據(jù)輸入到作物莖稈直徑變化指數(shù)計(jì)算與缺水分析單元，由該單元將采集到的莖稈直徑日變化值代入作物莖稈直徑變化指數(shù)計(jì)算公式計(jì)算出作物莖稈直徑變化指數(shù)并與該種作物需要灌溉的作物莖稈直徑變化指數(shù)進(jìn)行比較，對(duì)采集到的太陽輻射的日累加值和這個(gè)季節(jié)的平均值進(jìn)行比較，對(duì)采集到的作物土壤含水量與設(shè)定的允許最小土壤含水量值進(jìn)行比較，第三，比較后由作物莖稈直徑變化指數(shù)計(jì)算與缺水分析單元輸出控制信號(hào)控制灌溉設(shè)備控制單元，第四，由控制灌溉設(shè)備控制單元啟動(dòng)水泵，打開電磁閥，進(jìn)行灌溉。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種根據(jù)作物缺水逆境生理反應(yīng)進(jìn)行灌溉的控制方法，其特征在于將莖變差傳感變送器(1)、光照傳感變送器(2)、土壤水分傳感變送器(3)輸出的可以遠(yuǎn)傳的傳感器標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，經(jīng)過信號(hào)調(diào)理電路(4)轉(zhuǎn)換成適合多通道AD轉(zhuǎn)換電路(5)處理的信號(hào)，由多通道AD轉(zhuǎn)換電路(5)將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，多通道AD轉(zhuǎn)換電路(5)由前端處理CPU單元(6)控制，根據(jù)控制計(jì)算機(jī)(9)的要求，將采集的莖變差、光照和土壤水分值以數(shù)字信號(hào)的形式，在前端處理CPU單元(6)控制下經(jīng)過由TTL與232電平轉(zhuǎn)換電路(7)送入計(jì)算機(jī)232通訊口(8)，控制計(jì)算機(jī)(9)計(jì)算作物莖稈直徑變化指數(shù)CSDCI判斷是否需要灌溉，并形成控制指令，經(jīng)TTL與232電平轉(zhuǎn)換電路(7)回傳給前端處理CPU單元(6)，在前端處理CPU單元(6)的控制下，將控制指令通過灌溉設(shè)備啟閉控制和強(qiáng)弱電隔離電路(10)，控制水泵交流接觸器(12)管道電動(dòng)閥或電磁閥(11)進(jìn)行灌溉。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種根據(jù)作物缺水逆境生理反應(yīng)進(jìn)行灌溉的控制方法，其特征在于作物莖稈直徑變化指數(shù)的計(jì)算公式為CSDCI＝1-ΔSda/ΔSDm式中CSDCI為作物莖稈直徑變化指數(shù)；ΔSda為水分虧缺植株莖稈直徑變化量；ΔSDm為水分充足植株莖稈直徑變化量，作物莖稈直徑變化指數(shù)計(jì)算與缺水分析單元(4)(圖一)中的計(jì)算機(jī)(9)(圖二)計(jì)算作物莖稈直徑變化指數(shù)CSDCI而確定作物是否需要灌溉的判斷方法為首先將莖變差傳感變送器(1)采集到的莖稈直徑的日變化值代入作物莖稈直徑變化指數(shù)計(jì)算公式，計(jì)算作物莖稈直徑變化指數(shù)CSDCI，如果計(jì)算結(jié)果達(dá)到了作物需要灌溉的作物莖稈直徑變化指數(shù)，說明作物有需要灌溉的可能，是否真正需要灌溉，還要看光照傳感變送器(2)采集到的太陽輻射的日累加值，如果太陽輻射的日累加值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于這個(gè)季節(jié)的平均值，說明是陰天造成的作物植株蒸騰活動(dòng)的減弱而引起的作物植株莖稈收縮和膨脹的幅度減少，而非作物缺水所致，無需灌溉，否則由灌溉設(shè)備控制單元(5)啟動(dòng)水泵交流接觸器(6)打開管道電磁閥(7)進(jìn)行灌溉，在采用莖稈直徑變差值計(jì)算是否需要灌溉時(shí)，采用優(yōu)先級(jí)控制，設(shè)定允許最小土壤含水量值作為控制底線，正常情況下不會(huì)達(dá)到最小允許土壤含水量值，但當(dāng)莖稈直徑變差傳感器(1)脫落時(shí)，達(dá)到最小允許土壤含水量值，啟動(dòng)灌溉的同時(shí)，灌溉控制裝置自動(dòng)轉(zhuǎn)為土壤含水量閾值控制，土壤含水量由土壤水分傳感變送器(3)檢測。
4.一種根據(jù)作物缺水逆境生理反應(yīng)進(jìn)行灌溉的控制裝置，其特征在于由莖變差傳感變送器(1)、光照傳感變送器(2)、土壤水分傳感變送器(3)、作物莖稈直徑變化指數(shù)計(jì)算與缺水分析單元、灌溉設(shè)備控制單元、水泵交流接觸器(12)及管道電磁閥(11)組成，莖變差傳感變送器(1)、光照傳感變送器(2)、土壤水分傳感變送器(3)的信號(hào)輸出端與信號(hào)調(diào)理電路(4)的輸入端口相連接，信號(hào)調(diào)理電路(4)的輸出端口與多通道AD轉(zhuǎn)換電路(5)相連接，由多通道AD轉(zhuǎn)換電路(5)將輸入的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，多通道AD轉(zhuǎn)換電路(5)又與前端處 CPU單元(6)相連接，前端處 CPU單元(6)又通過TTL與232電平轉(zhuǎn)換電路(7)、計(jì)算機(jī)232通訊口(8)與計(jì)算機(jī)(9)相連接，根據(jù)控制計(jì)算機(jī)(9)的要求，將采集的莖變差、光照和土壤水分值數(shù)字信號(hào)，在前端處理CPU單元(6)控制下經(jīng)過TTL與232電平轉(zhuǎn)換電路(7)送入計(jì)算機(jī)232通訊口(8)，控制計(jì)算機(jī)(9)計(jì)算作物莖稈直徑變化指數(shù)CSDCI判斷是否需要灌溉并形成控制指令，經(jīng)TTL與232電平轉(zhuǎn)換電路(7)回傳給前端處 CPU單元(6)，前端處理CPU單元(6)又與灌溉設(shè)備啟閉和強(qiáng)弱電隔離電路(10)相連接，灌溉設(shè)備啟閉和強(qiáng)弱電隔離電路(10)與控制水泵交流接觸器(12)和管道電動(dòng)閥或電磁閥(11)相連接，在前端處理CPU單元(6)的控制下，將控制指令通過灌溉設(shè)備啟閉控制和強(qiáng)弱電隔離電路(10)，控制水泵交流接觸器(12)和管道電動(dòng)閥或電磁閥(11)進(jìn)行灌溉。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種根據(jù)作物缺水逆境生理反應(yīng)進(jìn)行灌溉的控制裝置，其特征在于莖變差傳感變送器(1)、光照傳感變送器(2)、土壤水分傳感變送器(3)的信號(hào)輸出端，分別通過插座JK1、JK2、JK3與信號(hào)調(diào)理電路(4)的集成電路U4、U5、U6即RCV420的輸入端口3、2腳相連接，信號(hào)調(diào)理電路(4)的集成電路U4、U5、U6即RCV420的輸出端口14、15腳分別與多通道AD轉(zhuǎn)換電路5的集成電路U3即ADC0809輸入端口26、27、28腳相連接，多通道AD轉(zhuǎn)換電路5的集成電路U3即ADC0809的數(shù)據(jù)總線17、14、15、8、18、19、20、21腳分別與前端處理CPU單元6的單片機(jī)集成電路U1即AT89C52的數(shù)據(jù)總線39、38、37、36、35、34、33、32腳相連接，多通道AD轉(zhuǎn)換電路5的集成電路U3即ADC0809的地址線25、24、23腳分別與集成電路U2即74LS373的2、5、6腳相連接，集成電路U2即74LS373的3、4、7、8、13、14、17、18腳又分別與前端處理CPU單元6的單片機(jī)集成電路U1即AT89C52的數(shù)據(jù)總線39、38、37、36、35、34、33、32腳相連接，集成電路U2即74LS373的11腳與前端處理CPU單元6的單片機(jī)集成電路U1即AT89C52的30腳相連接，多通道AD轉(zhuǎn)換電路(5)的集成電路U3即ADC0809的9腳與集成電路U7即74LS02的1腳相連接，多通道AD轉(zhuǎn)換電路5的集成電路U3即ADC0809的22、6腳與集成電路U7即74LS02的4腳相連接，集成電路U7即74LS02的3、5腳又與前端處理CPU單元6的單片機(jī)集成電路U1即AT89C52的地址線21腳相連接，集成電路U7即74LS02的2、6腳又分別與前端處理CPU單元(6)的單片機(jī)集成電路U1即AT89C52的讀寫控制線17、16腳相連接，前端處理CPU單元(6)的單片機(jī)集成電路U1即AT89C52的串行數(shù)據(jù)線10、11腳分別與TTL與232電平轉(zhuǎn)換電路(7)的集成電路U9即MAX232E的9、10腳相連接，TTL與232電平轉(zhuǎn)換電路(7)的集成電路U9即MAX232E的7、8腳通過JK6插座的2、3腳與計(jì)算機(jī)232通訊口(8)相連接，灌溉設(shè)備啟閉和強(qiáng)弱電隔離電路(10)的集成電路U10即8255的數(shù)據(jù)線34、33、32、31、30、29、28、27腳分別與前端處理CPU單元(6)的單片機(jī)集成電路U1即AT89C52的數(shù)據(jù)總線39、38、37、36、35、34、33、32腳相連接，灌溉設(shè)備啟閉和強(qiáng)弱電隔離電路(10)的集成電路U10即8255的6、5、36、35腳分別與前端處理CPU單元(6)的單片機(jī)集成電路U1即AT89C52的22、17、16、9腳相連接，灌溉設(shè)備啟閉和強(qiáng)弱電隔離電路(10)的集成電路U10即8255的9、8腳分別與集成電路U2即74LS373的2、5、腳相連接，灌溉設(shè)備啟閉和強(qiáng)弱電隔離電路(10)的集成電路U10即8255的4、3、2、1、40、39、38、37、18、19、20、21、22、23、24、25、14、15、16、17、13、12、11、10腳分別與NPN三極管Q的基極連接，NPN三極管Q的集電極分別與小功率繼電器J的線圈連接，小功率繼電器J的觸點(diǎn)分別與水泵交流接觸器(12)和管道電磁閥、電動(dòng)閥(11)連接。
全文摘要
本發(fā)明涉及根據(jù)作物缺水逆境生理反應(yīng)進(jìn)行灌溉的控制方法及其裝置，在作物莖桿上裝直徑變差變送器，在莖桿上方裝有光照變送器，在作物根部裝土壤水分傳感變送器，將直徑變差變送器、光照變送器、土壤水分傳感變送器輸出數(shù)據(jù)輸入到直徑變化指數(shù)計(jì)算與缺水分析單元，將莖稈直徑日變化值與該作物需要灌溉的莖稈直徑變化指數(shù)比較，對(duì)太陽輻射日累加值和季節(jié)平均值比較，對(duì)作物土壤含水量與設(shè)定允許最小土壤含水量值比較，判斷是否需要灌溉，由莖變差傳感變送器、光照傳感變送器、土壤水分傳感變送器、作物莖稈直徑變化指數(shù)計(jì)算與缺水分析單元、灌溉設(shè)備控制單元、水泵交流接觸器及管道電磁閥組成較灌溉控制裝置，更能反映作物隨機(jī)生長情況下實(shí)際需水狀況，省水節(jié)能，特別是作物植株處于間歇的暫短缺水逆境，使作物植株產(chǎn)生超補(bǔ)償效應(yīng)，刺激根系的生長，對(duì)作物生長極為有利。
文檔編號(hào)A01G25/00GK1602668SQ200410060260
公開日2005年4月6日 申請(qǐng)日期2004年11月17日 優(yōu)先權(quán)日2004年11月17日
發(fā)明者高勝國, 段愛旺, 孟兆江, 劉祖貴, 張寄陽, 肖俊夫, 陳金平 申請(qǐng)人:中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)田灌溉研究所