專利名稱：根據(jù)作物缺水程度控制灌溉的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，特別是涉及一種根據(jù)作物缺水程度控制灌溉的方
法及其裝置。
背景技術(shù)：
作物生長(zhǎng)發(fā)育需要眾多環(huán)境因子，當(dāng)這些環(huán)境因子變化對(duì)作物產(chǎn)生傷害效應(yīng)時(shí)稱 之為脅迫。作物在生長(zhǎng)過程中常遭受多種環(huán)境脅迫。研究證實(shí)水分虧缺對(duì)作物生長(zhǎng)發(fā)育 和產(chǎn)量的影響超過所有其他脅迫的總和。因此水是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要基礎(chǔ)資源，作物水分的 管理是作物生產(chǎn)中最為重要的措施之一。 一般來說，適宜作物正常生長(zhǎng)發(fā)育的根系活動(dòng)層 (0 90cm)，其土壤含水量為田間持水量的60% 80%，如果低于此含水量時(shí)應(yīng)及時(shí)進(jìn)行 灌溉。土壤含水量對(duì)灌溉有一定參考價(jià)值，并在作物節(jié)水灌溉中得到廣泛應(yīng)用。但是由于 灌溉對(duì)象是作物，而不是土壤，沒有利用作物本身需水信息作為灌溉的直接依據(jù)，因此沒有 真正達(dá)到按照作物的需求供水。 提高自然降水和灌溉水利用效率是節(jié)水農(nóng)業(yè)的核心，節(jié)水農(nóng)業(yè)技術(shù)的研究重點(diǎn)已 從工程節(jié)水向農(nóng)藝節(jié)水、生物(生理)節(jié)水方向傾斜。生物節(jié)水的中心思想是采用科學(xué) 方法，突破傳統(tǒng)的"及時(shí)足量"的灌溉模式，根據(jù)作物耗水和水分利用規(guī)律適時(shí)適量供水，即 在滿足作物生理需要的同時(shí)，減少作物的水分奢侈性蒸騰消耗，根據(jù)作物各生理過程和各 生育階段對(duì)水分的敏感程度，確定作物對(duì)土壤水分的需求，提高作物水分生產(chǎn)效率。長(zhǎng)期以 來，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在生物節(jié)水技術(shù)方面進(jìn)行了大量研究工作。人們直接利用或間接參考作物
的生理變化探討作物的需水信息，先后研究了許多用于作物水分虧缺診斷的方法。但前人 的工作主要是水分虧缺所引起的作物生理的變化規(guī)律，且集中于理論分析和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的 統(tǒng)計(jì)。由于這些作物水分虧缺診斷的方法均存在這樣或那樣的不足，因而將植物的生理指 標(biāo)作為植物需水信息決策并應(yīng)用于實(shí)際的灌溉控制中尚不多見，除個(gè)案外，能夠規(guī)模應(yīng)用 的產(chǎn)品幾乎沒有。下面據(jù)以往的研究成果，就不同的作物水分虧缺診斷指標(biāo)、方法的優(yōu)勢(shì)和 局限性綜述如下 1、作物形態(tài)作物缺水的形態(tài)主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面一是葉面積指數(shù)下降；二是 葉片發(fā)生形態(tài)變化，如葉片萎蔫；葉片改變方位；改變?nèi)~角和改變?nèi)~片顏色等。雖然形態(tài)指 標(biāo)可用來判別作物的水分虧缺，但缺水而引起的作物形態(tài)變化有一個(gè)滯后期，當(dāng)形態(tài)上出 現(xiàn)上述缺水癥狀時(shí)，生理上已經(jīng)受到一定程度的傷害了。另外缺水并非導(dǎo)致作物形態(tài)變化 的唯一原因，即使監(jiān)測(cè)到了作物形態(tài)變化也很難量化其缺水程度。 2、植物水勢(shì)植物水勢(shì)的測(cè)定被認(rèn)為是了解植物水分虧缺程度的最直接方法，但 直接測(cè)定葉水勢(shì)需要進(jìn)行離體檢測(cè)，對(duì)植物體具有破壞性。通過測(cè)量植物莖稈直徑或葉片 厚度微變化可以間接測(cè)定植物水勢(shì)，雖對(duì)植物體不具有破壞性，但與植物有實(shí)體接觸，受植 物生長(zhǎng)影響，需經(jīng)常校準(zhǔn)，不適宜長(zhǎng)期觀測(cè)。植物器官的動(dòng)態(tài)水力特性隨時(shí)間的變化將降低 測(cè)量的可靠性和可行性。測(cè)量裝置附著在植物體上容易脫落，抗擾動(dòng)性差，存在檢測(cè)個(gè)體差
巳 升。
3、氣孔導(dǎo)度當(dāng)植物缺水時(shí)，水分成為決定氣孔開閉的決定性因素，干旱會(huì)導(dǎo)致氣 孔關(guān)閉，從而避免因繼續(xù)大量蒸騰失水而造成傷害。直接測(cè)定氣孔導(dǎo)度需要手工操作，與植 物有實(shí)體接觸，在實(shí)時(shí)灌溉決策中難以實(shí)現(xiàn)。作物吸收水分的99%用于葉面蒸騰，氣孔是 植物蒸騰所必需經(jīng)過的通道。氣孔導(dǎo)度大，蒸騰就強(qiáng)；反之就弱。檢測(cè)葉面蒸騰可以間接測(cè) 定氣孔導(dǎo)度，通過測(cè)量植物莖流變化可以間接檢測(cè)葉面蒸騰進(jìn)而檢測(cè)氣孔導(dǎo)度變化，但該 方法設(shè)備昂貴，操作難度大，與植物有實(shí)體接觸并存在檢測(cè)個(gè)體差異。根據(jù)能量守恒原理， 葉片溫度是環(huán)境和植物內(nèi)部因素共同影響葉片能量平衡的結(jié)果，基于葉溫變化的作物水分 虧缺診斷指標(biāo)更能全面地反映作物的水分虧缺狀況。當(dāng)作物水分供應(yīng)減少時(shí)，作物蒸騰的 潛熱減少顯熱增加，葉片溫度相應(yīng)上升，葉溫的變化間接反映了葉面蒸騰的變化。葉溫的量 測(cè)通過接觸或非接觸方式進(jìn)行，使用細(xì)小的熱電偶線插入植物葉脈或貼在葉面上，在作物 商業(yè)化生產(chǎn)中難以推行。 一般使用非接觸的紅外線溫度傳感器，采用冠氣溫差或CWSI(作 物水分脅迫指標(biāo))作為缺水判斷指標(biāo)。它是迄今為止被認(rèn)為最有商業(yè)化前景的灌溉控制方 法。國(guó)內(nèi)已有專利，例如申請(qǐng)?zhí)?00710178192 —種在線式作物冠氣溫差灌溉決策監(jiān)測(cè)系 統(tǒng)。 4、光合速率在嚴(yán)重水分肋迫下，植物光合作用受到抑制或完全抑制。但測(cè)試光合 速率程序過于復(fù)雜，僅適合于科學(xué)研究。 5、細(xì)胞汁液濃度從植物生理上講干旱使植株體液理化性質(zhì)發(fā)生改變，體液增濃、 葉水勢(shì)增大且能在生理電特性上有所反映。用套針式電阻傳感器測(cè)玉米莖稈生理電阻，用 介電常數(shù)變化型平行平板電容傳感器測(cè)玉米葉片生理電容，都能實(shí)時(shí)準(zhǔn)確反映植株水分狀 況。但與植物有實(shí)體接觸，影響所測(cè)部位正常生理功能，不宜長(zhǎng)期觀測(cè)，測(cè)量裝置插入或附 著在植物體上，抗擾動(dòng)性差，存在檢測(cè)個(gè)體差異。 6、聲音信息根據(jù)水分運(yùn)輸內(nèi)聚力理論，作物在水分脅迫時(shí)植物體內(nèi)的水分子間 的內(nèi)聚力失效或?qū)?dǎo)管壁的附著力失效，發(fā)生斷裂或抽空，即植物木質(zhì)部的氣穴現(xiàn)象，可以 通過聲接收傳感器所獲得的作物信息實(shí)現(xiàn)對(duì)作物視情灌溉和調(diào)節(jié)。但有關(guān)機(jī)理特別是量化 指標(biāo)需進(jìn)一步研究完善，與植物有實(shí)體接觸，測(cè)量裝置附著在植物體上，抗擾動(dòng)性差，存在 檢測(cè)個(gè)體差異。 上述作物水分虧缺診斷指標(biāo)可分為形態(tài)和生理指標(biāo)兩種，植物生理指標(biāo)對(duì)缺水反 應(yīng)的敏感性明顯好于作物形態(tài)指標(biāo)。與植物有實(shí)體接觸的缺水診斷方法，雖然理論架構(gòu)都 很完整，并可通過增加傳感器種類(多指標(biāo))或數(shù)量(多點(diǎn)位)來減少檢測(cè)個(gè)體差異的影 響，但在量產(chǎn)規(guī)模的商業(yè)化作物生產(chǎn)情況下難以落實(shí)推動(dòng)。所以研發(fā)非接觸式，能將植物體 遭受缺水逆境的生理訊號(hào)予以量化的消除個(gè)體差異的感測(cè)方法顯得特別需要，非接觸式將 更受使用者青睞而易于商業(yè)化推廣。 非接觸式目前主要從以下兩方面進(jìn)行研究一是應(yīng)用圖像及光譜技術(shù)進(jìn)行作物缺 水信息診斷的技術(shù)，國(guó)內(nèi)外的研究都在進(jìn)行中。作物形態(tài)變化滯后于作物缺水仍是該種技 術(shù)的主要瓶頸，該種技術(shù)更適用于旱情監(jiān)測(cè)遙感；二是基于紅外線溫度傳感技術(shù)，通過作物 冠層表面溫度來反映作物缺水狀況一直是一個(gè)比較活躍的研究領(lǐng)域，從20世紀(jì)60年代就 已經(jīng)開始。研究主要集中在田間尺度上，其技術(shù)體系的核心是利用紅外測(cè)溫儀研究作物冠 層溫度或冠氣溫差與作物生長(zhǎng)和缺水指標(biāo)的關(guān)系，通過對(duì)作物水分脅迫指標(biāo)(CWSI)的經(jīng) 驗(yàn)?zāi)Ｊ胶屠碚撃Ｊ降难芯?，提出反映作物缺水狀況的指標(biāo)，用于農(nóng)田水分灌溉和管理。從國(guó)外目前的研究結(jié)果看，紅外溫度是個(gè)比較有前途的作物水分狀況診斷信號(hào)。利用紅外測(cè)溫 技術(shù)診斷作物缺水狀況有著多方面的優(yōu)勢(shì)測(cè)定快速，操作簡(jiǎn)便，不干擾破壞樣本，可以連 續(xù)自動(dòng)監(jiān)測(cè)。這種方法克服了以單葉片或單株作物為基本監(jiān)測(cè)單元時(shí)取樣誤差大的弊端， 因此非常適用于大田作物。 一般有以下3種方法一是作物冠層葉面溫度法。作物冠層溫 度是環(huán)境(大氣、土壤水分)和植物體內(nèi)部因素共同影響冠層能量平衡的結(jié)果，作物冠層 溫度與能量的吸收和釋放過程有關(guān)，作物冠層吸收太陽輻射能，這種能量轉(zhuǎn)換成熱能，作物 蒸騰將會(huì)消耗一部分熱能，剩余的熱能會(huì)使冠層溫度升高。因此，在高水分條件下的作物 冠層溫度較低，在低水分條件下，蒸騰會(huì)減少，所消耗的潛熱也會(huì)減少，感熱增加，作物冠層
溫度會(huì)增加。Wanjura DF(1995)等通過測(cè)量1天中棉花冠層溫度超過28°C的時(shí)間數(shù)來控 制灌溉。與之類似的代表性指標(biāo)主要有脅迫積溫SDD(Stress Degree Day)、冠層溫度變率 CTV(Canopy Temperature Variability)禾口溫度脅迫日TSD(Temperature Stress Day)等。 這些指標(biāo)的共同特點(diǎn)是通過考慮作物冠層溫度在時(shí)間上(如SDD、TSD)或空間上(如CTV) 的變化特征來反映作物的水分狀況。由于冠層溫度是農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中能量平衡的結(jié)果，冠 層溫度的變化并不僅僅受到土壤水分多少的影響，因此通過單一冠層溫度建立起來的指標(biāo) 在實(shí)際應(yīng)用中并不理想；二是用作物冠層溫度與氣溫差指標(biāo)反應(yīng)作物的水分虧缺狀態(tài)。很 多研究認(rèn)為作物冠層與冠層上部空氣的溫度差(Tc-Ta)與作物供水狀況密切相關(guān)，一般由 于中午時(shí)分蒸騰最強(qiáng)烈，Tc-Ta差異最大，這時(shí)的冠氣溫差最能反應(yīng)作物的水分供應(yīng)狀態(tài)。 由于作物冠層蒸騰的冷卻作用，不缺水作物的Tc-Ta—般為負(fù)值，出現(xiàn)正值一般表示作物 開始缺水。但一些研究顯示，一般用百葉箱中的氣溫代替冠層上部的氣溫來計(jì)算冠氣溫差， 因?yàn)榍罢叩臏y(cè)量要比后者簡(jiǎn)便。用百葉箱中的溫度代替冠層上部的氣溫，其冠氣溫差的變 化起伏很大，特別是夏季輻射強(qiáng)，冠層上部的大氣溫度可能比百葉箱中的溫度要高，因此用 百葉箱中的溫度代替冠層上部的氣溫，使計(jì)算的冠氣溫差正值偏多。對(duì)于充分供水的夏玉 米，冠層溫度與百葉箱的氣溫差值大多在1.5t:以下，把冠氣溫差1.5t:作為了指導(dǎo)夏玉米 灌水的指標(biāo)。該方法受環(huán)境影響，缺水閾值離散性較大，一般較少單獨(dú)采用。例如中國(guó)水 利水電科學(xué)研究院大興試驗(yàn)基地精量控制灌溉試驗(yàn)區(qū)就采用了冠氣溫差與土壤水分指標(biāo) 相結(jié)合的方式；三是使用作物水分脅迫指標(biāo)CWSI(Crop WaterStress Index)指導(dǎo)灌溉時(shí) 間。目前，使用作物水分脅迫指標(biāo)CWSI(Crop WaterStress Index)來指導(dǎo)灌溉時(shí)間是一種 重要手段。1981年，Idso首先提出了基于經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ降淖魑锼置{迫指標(biāo)CWSI (Crop Water Stress Index), CWSI可定義為實(shí)際蒸散量與水分供給充足時(shí)的作物最大蒸散量相比的虧 缺程度。
ft
, ETp (H) 其中ETa為實(shí)際蒸散量(mm/d) ;ETp為可能(潛在)蒸散量(mm/d)。在作物覆蓋 較好，只有一小部分能量用于土壤蒸發(fā)的情形下，CWSI還有另外一種形式 (，1 =卜77-
^ (l一2) (1-2)式綜合考慮了土壤、作物和外界環(huán)境的因素，被認(rèn)為是較理想的指標(biāo)之一， 但其也存在缺點(diǎn)，即采用彭曼-蒙斯特公式計(jì)算蒸騰速率(T)和潛在蒸騰速率(Tp)時(shí)，只 考慮了氣孔擴(kuò)散阻力，而未考慮水流通路上阻力的變化，而這一阻力是時(shí)刻在變化的。Idso
8等將充分供水時(shí)冠氣溫差(Tc-Ta)與水汽飽和差(VPD)之間的這一關(guān)系定義為下基線。隨 著水分脅迫的加劇，(Tc-Ta)變大且位于下基線之上，當(dāng)蒸騰完全停止時(shí)，(Tc-Ta)將達(dá)到 一個(gè)極限值，Idso將這一極限值定義為上基線。利用Idso的作物水分脅迫指標(biāo)定量診斷 作物的水分狀況關(guān)鍵在于確定充分供水條件下的下基線。上下基線的確定除經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ酵膺€ 有理論模式。 1、經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ絀dso S B等于1981年考慮了影響作物冠層溫度變化的主要環(huán)境因 子空氣濕度，提出了作物水分脅迫指數(shù)CWSI。這一指標(biāo)基于一個(gè)重要的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系，即作物在 充分灌水(或潛在蒸發(fā))條件下作物冠層溫度與空氣溫度的差(簡(jiǎn)稱冠氣溫差)與空氣的 飽和水汽壓差成線性關(guān)系，用公式表達(dá)如下
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式中Tc作物冠層溫度(°C ) ，Ta空氣溫度(°C ) ，A、B線性回歸系數(shù)；VPD空氣飽和 水汽壓差(Pa)水汽飽和差，(Tc-Ta)n作物在潛在蒸騰狀態(tài)下的冠氣溫差，是冠氣溫差的下 限(下基線)。從而定義CWSI如下
<formula>formula see original document page 9</formula>
式中(Tc-Ta)實(shí)測(cè)的作物冠氣溫差；(Tc_Ta)u作物在無蒸騰狀態(tài)下的冠氣溫差， 為冠氣溫差的上限(上基線)，Idso認(rèn)為這是一個(gè)僅與空氣溫度有關(guān)的值，可以由下式計(jì) <formula>formula see original document page 9</formula>
式中VPG指溫度為Ta時(shí)的空氣飽和水汽壓和溫度為Ta+A時(shí)的空氣飽和水汽壓之 間的差，A、B與公式(1-1)相同。 2、理論模式對(duì)于理論模式，Jackson R D等(1988)根據(jù)能量平衡阻力模式，推導(dǎo) 出葉氣溫差的上、下限方程
<formula>formula see original document page 9</formula>
t密度或冠層下方能量的通量密度(W/m2); Y干濕表常數(shù)(Pa/°C ) ; A空氣飽和水汽 式中Rn冠層凈輻射(W/m2) ;G土壤熱通〗 P空氣密度(kg/m3) ;Cp空氣比熱(J/(kg. °C )) 壓隨溫度變化的斜率(Pa/°C) ;^空氣動(dòng)力學(xué)阻力(s/m) ;r。p冠層在潛在蒸發(fā)狀態(tài)下的最 小冠層阻力(s/m)。從經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ胶屠碚撃Ｊ降墓娇?，?jīng)驗(yàn)公式較為簡(jiǎn)單，其考慮的氣象因 素僅為VPD，而未考慮其它氣象因素的影響；理論模式的理論依據(jù)加強(qiáng)，但公式中所應(yīng)用的 參數(shù)較多，有些參數(shù)的計(jì)算難以得到準(zhǔn)確的結(jié)果，難以廣泛應(yīng)用。CWSI的目的是表明作物水 分虧缺程度，是處于0和l之間的數(shù)值量。然而，采用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算CWSI有時(shí)會(huì)出現(xiàn)大于 1的情況，顯然存在計(jì)算結(jié)果不合理的情況。Al-Faraj，A.等(2000)應(yīng)用模糊邏輯算法，根 據(jù)冠層溫度、凈輻射和水汽壓差等對(duì)酥油草的水分虧缺指標(biāo)CWSI進(jìn)行了動(dòng)態(tài)決策；李國(guó)臣 (2005)以冠層-空氣溫差Tc-Ta (°C )和相關(guān)的環(huán)境因素空氣飽和水汽壓差VPD(kPa)、光 照強(qiáng)度Rn(W/m2)、風(fēng)速Vw(m/s)為輸入變量，以CWSI為目標(biāo)輸出，采用模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法， 以吉林大學(xué)溫室內(nèi)生長(zhǎng)的黃瓜為研究對(duì)象，對(duì)溫室內(nèi)黃瓜水分虧缺指標(biāo)CWSI進(jìn)行動(dòng)態(tài)決策分析，CWSI結(jié)果均在0和1之間的合理范圍。雖應(yīng)用模糊邏輯算法能消除CWSI出現(xiàn)超 出0 1的不合理情況，但存在的問題也是顯而易見的。1、模糊化過程要人為的規(guī)定各影 響因子的影響權(quán)重，經(jīng)驗(yàn)占了相當(dāng)大的比重；2、需要實(shí)測(cè)的參數(shù)數(shù)量與理論模式相差無幾， 參數(shù)仍然較多，優(yōu)勢(shì)并不明顯。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種無需多參數(shù)繁瑣計(jì)算，沒有檢測(cè)個(gè)體差異，非接觸檢測(cè)，
生產(chǎn)上易于實(shí)現(xiàn)的根據(jù)作物缺水程度控制灌溉的方法及其裝置。 本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的 —種根據(jù)作物缺水程度控制灌溉的方法，其特征在于 首先，將不會(huì)產(chǎn)生蒸騰的參考作物置于與檢測(cè)作物環(huán)境相同的地方，參考作物水 平一字布置，在參考作物水平一字布置的一端，位于參考作物的正上方垂直于參考作物水 平一字布置方向水平，依次安裝有參考作物上方超聲波發(fā)射頭和參考作物上方超聲波接收 頭，在參考作物上方超聲波發(fā)射頭和參考作物上方超聲波接收頭順著參考作物水平一字布 置方向的正前方，參考作物水平一字布置的另一端，位于參考作物的正上方垂直于參考作 物水平一字布置方向安裝有參考作物上方超聲波反射板；位于檢測(cè)作物的正上方垂直于檢 測(cè)作物水平種植方向水平依次安裝有檢測(cè)作物上方超聲波發(fā)射頭和檢測(cè)作物上方超聲波 接收頭，在檢測(cè)作物上方超聲波發(fā)射頭和檢測(cè)作物上方超聲波接收頭順著檢測(cè)作物水平種 植方向的正前方，位于檢測(cè)作物的正上方垂直于檢測(cè)作物水平種植方向安裝有檢測(cè)作物上 方超聲波反射板；檢測(cè)作物上方超聲波發(fā)射頭和檢測(cè)作物上方超聲波接收頭到檢測(cè)作物上 方超聲波反射板的距離與參考作物上方超聲波發(fā)射頭和參考作物上方超聲波接收頭到參 考作物上方超聲波反射板的距離相等； 其次，由光照閾值檢測(cè)模塊和光照積分閾值檢測(cè)模塊確定檢測(cè)時(shí)間窗口，當(dāng)光照
達(dá)到所設(shè)定的閾值后，光照閾值檢測(cè)模塊啟動(dòng)光照積分閾值檢測(cè)模塊對(duì)光照強(qiáng)度進(jìn)行積
分，當(dāng)達(dá)到所設(shè)定的光照積分閾值后，進(jìn)入檢測(cè)時(shí)間窗口，當(dāng)光照低于所設(shè)定的閾值后，光
照閾值檢測(cè)模塊的輸出使光照積分閾值檢測(cè)模塊的積分值清零復(fù)位，退出檢測(cè)時(shí)間窗口 ； 第三，進(jìn)入檢測(cè)時(shí)間窗口后，超聲波發(fā)射間隔控制模塊被啟動(dòng)，按時(shí)間間隔控制超
聲波發(fā)生器產(chǎn)生一組超聲波脈沖串，該脈沖串分為兩路，一路通過參考作物上方超聲波發(fā)
射頭，另一路通過檢測(cè)作物上方超聲波發(fā)射頭，同時(shí)發(fā)送出去，當(dāng)參考作物上方超聲波接收
頭收到被參考作物上方超聲波反射板反射回來的超聲波后，確認(rèn)超聲波到達(dá)的時(shí)間點(diǎn)，在
確認(rèn)超聲波到達(dá)的時(shí)間點(diǎn)上啟動(dòng)計(jì)數(shù)、顯示模塊的計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，當(dāng)檢測(cè)作物上方超聲波接
收頭收到被檢測(cè)作物上方超聲波反射板反射回來的超聲波后，確認(rèn)超聲波到達(dá)的時(shí)間點(diǎn)，
在確認(rèn)超聲波到達(dá)的時(shí)間點(diǎn)上關(guān)閉計(jì)數(shù)、顯示模塊的計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)； 第四，將計(jì)數(shù)、顯示模塊的計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值與根據(jù)超聲波渡越時(shí)間作物缺水指數(shù) 通過計(jì)數(shù)預(yù)置模塊預(yù)先設(shè)定的計(jì)數(shù)閾值進(jìn)行比較，如果計(jì)數(shù)、顯示模塊的計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值 小于計(jì)數(shù)預(yù)置模塊所設(shè)定的計(jì)數(shù)閾值，作物缺水達(dá)到了需要灌溉的程度，將啟動(dòng)小額灌溉 系統(tǒng)； 第五，退出檢測(cè)時(shí)間窗口后，超聲波發(fā)射間隔控制模塊被關(guān)閉，除光照閾值檢測(cè)模 塊仍在工作外，其余進(jìn)入休眠狀態(tài)以節(jié)省電力消耗。
所述的參考作物由一字水平排列相互留有間隙的各個(gè)橫著放置的長(zhǎng)方形模擬葉
和順著模擬葉一字水平排列方向位于模擬葉兩側(cè)的前擋風(fēng)板、后擋風(fēng)板組成。 所述的檢測(cè)時(shí)間窗口 ，達(dá)到光照積分閾值是進(jìn)入檢測(cè)時(shí)間窗口的必要條件，陰天
達(dá)不到光照閾值，光照積分閾值檢測(cè)模塊的積分值仍處于被清零復(fù)位狀態(tài)，多云天氣即使
某個(gè)時(shí)刻達(dá)到了光照閾值，光照閾值檢測(cè)模塊的輸出啟動(dòng)了光照積分閾值檢測(cè)模塊對(duì)光照
強(qiáng)度進(jìn)行了積分，但在達(dá)到光照積分閾值前的某個(gè)時(shí)刻，光照又低于了所設(shè)定的閾值，光照
閾值檢測(cè)模塊的輸出將使光照積分閾值檢測(cè)模塊的積分值重新被清零復(fù)位，仍達(dá)不到光照
積分閾值，陰天和多云天氣都進(jìn)入不了檢測(cè)時(shí)間窗口，通過調(diào)整光照閾值和光照積分閾值
使檢測(cè)時(shí)間窗口落在晴好天氣的中午12時(shí)至下午16時(shí)之間。 所述的通過參考作物上方超聲波發(fā)射頭和檢測(cè)作物上方超聲波發(fā)射頭同時(shí)發(fā)送 的超聲波脈沖串，具有相同的頻率和相位，包含有相同的脈沖個(gè)數(shù)，脈沖個(gè)數(shù)以接收到的超 聲波脈沖串波形仍呈"菱形"為上限。 所述的超聲波到達(dá)的時(shí)間點(diǎn)是這樣確認(rèn)的參考作物上方超聲波接收頭和檢測(cè)作 物上方超聲波接收頭分別收到參考作物上方超聲波反射板和檢測(cè)作物上方超聲波反射板 反射回來的超聲波后，分別送入差分放大器A、差分放大器B，經(jīng)差分放大后，分別送入增益 控制放大器A、增益控制放大器B，經(jīng)增益控制放大后，分別送入高Q值帶通濾波器A、高Q值 帶通濾波器B，經(jīng)帶通濾波后，分別送入半波整流器A、半波整流器B進(jìn)行半波整流，去掉半 周后，分別送入變指數(shù)放大器A、變指數(shù)放大器B，分別作為一個(gè)固定電壓的指數(shù)分別對(duì)該 固定電壓進(jìn)行變指數(shù)放大，在不改變剩下半周各脈沖峰值點(diǎn)相對(duì)時(shí)間位置的情況下，拉開 各脈沖峰值點(diǎn)的振幅差距，同時(shí)使各脈沖峰值點(diǎn)兩側(cè)更加陡峭，經(jīng)變指數(shù)放大后，分別送入 門限比較模塊A、門限比較模塊B進(jìn)行門限檢測(cè)，找出振幅最大的脈沖，再分別送入微分和 過零檢測(cè)模塊A、微分和過零檢測(cè)模塊B，進(jìn)行微分和過零檢測(cè)，找出各自振幅最大脈沖峰 值點(diǎn)，分別為參考作物上方超聲波接收頭收到被參考作物上方超聲波反射板反射回來的超 聲波到達(dá)的時(shí)間點(diǎn)和檢測(cè)作物上方超聲波接收頭收到被檢測(cè)作物上方超聲波反射板反射 回來的超聲波到達(dá)的時(shí)間點(diǎn)。 所述的超聲波渡越時(shí)間作物缺水指數(shù)是這樣定義的，超聲波渡越時(shí)間作物缺水指 數(shù)
「0040， Ultrasonic TOF CWS1' = 1 - -=—- (1 — 8 )
A/尸 (1-8)式中A t為實(shí)際的檢測(cè)作物冠層上方與參考作物冠層上方的超聲波渡越時(shí) 間差，A tP為潛在或最大的檢測(cè)作物冠層上方與參考作物冠層上方的超聲波渡越時(shí)間差， A tp可用充分供水時(shí)實(shí)測(cè)的最大A t值代替，參考作物冠層指的是參考作物接受太陽輻射 的模擬葉部分；當(dāng)作物不缺水時(shí)因作物植株蒸騰而產(chǎn)生的降溫幅度最大，與之對(duì)應(yīng)的檢測(cè) 作物冠層上方與參考作物冠層上方的超聲波渡越時(shí)間差A(yù)t最大，與A tp相同，Ultrasonic TOF CWSI計(jì)算結(jié)果為O，表示檢測(cè)作物不缺水，同理，當(dāng)作物完全水分脅迫使作物植株蒸騰 停止時(shí)，因作物植株蒸騰而產(chǎn)生的降溫幅度最小，與之對(duì)應(yīng)的檢測(cè)作物冠層上方與參考作 物冠層上方的超聲波渡越時(shí)間差A(yù)t最小，At為O， Ultrasonic TOF CWSI計(jì)算結(jié)果為1， 表示檢測(cè)作物停止蒸騰處于完全水分脅迫狀態(tài)，Ultrasonic TOF CWSI是指示作物水分虧 缺程度，處于0和1之間的數(shù)值量，數(shù)值越大表示作物缺水程度越高，
所述的計(jì)數(shù)、顯示模塊的計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值是超聲波渡越時(shí)間作物缺水指數(shù)計(jì)算公 式(1-8)中的"實(shí)際的檢測(cè)作物冠層上方與參考作物冠層上方的超聲波渡越時(shí)間差A(yù)t"， 公式(1-8)中的潛在或最大的檢測(cè)作物冠層上方與參考作物冠層上方的超聲波渡越時(shí)間 差A(yù)tp，用灌溉后根系土壤充分侵潤(rùn)，作物供水充足時(shí)實(shí)測(cè)的最大At值代替，對(duì)于小額灌 溉，用灌溉后第4天午后14時(shí)計(jì)數(shù)、顯示模塊的計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值； 所述的計(jì)數(shù)預(yù)置模塊預(yù)先設(shè)定的計(jì)數(shù)閾值是這樣確定的，首先，根據(jù)所種植作物 對(duì)干旱的敏感性，確定需要灌溉時(shí)的超聲波渡越時(shí)間作物缺水指數(shù)Ultrasonic T0F CWSI， 然后，取上次小額灌溉后第4天午后14時(shí)計(jì)數(shù)、顯示模塊的計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值，作為Atp，將 Ultrasonic T0F CWSI和A tP代入公式(1-8)，即
計(jì)數(shù)閾值=(1-UltrasonicTOFCWSI) A tP。 —種根據(jù)作物缺水程度控制灌溉的裝置，其特征在于將不會(huì)產(chǎn)生蒸騰的參考作 物置于與檢測(cè)作物環(huán)境相同的地方，參考作物水平一字布置，在參考作物水平一字布置的 一端，位于參考作物的正上方垂直于參考作物水平一字布置方向水平，依次安裝有參考作 物上方超聲波發(fā)射頭和參考作物上方超聲波接收頭；在參考作物上方超聲波發(fā)射頭和參考 作物上方超聲波接收頭順著參考作物水平一字布置方向的正前方，參考作物水平一字布置 的另一端，位于參考作物的正上方垂直于參考作物水平一字布置方向安裝有參考作物上方 超聲波反射板；位于檢測(cè)作物的正上方垂直于檢測(cè)作物水平種植方向水平依次安裝有檢測(cè) 作物上方超聲波發(fā)射頭和檢測(cè)作物上方超聲波接收頭，在檢測(cè)作物上方超聲波發(fā)射頭和檢 測(cè)作物上方超聲波接收頭順著檢測(cè)作物水平種植方向的正前方，位于檢測(cè)作物的正上方垂 直于檢測(cè)作物水平種植方向安裝有檢測(cè)作物上方超聲波反射板；檢測(cè)作物上方超聲波發(fā)射 頭和檢測(cè)作物上方超聲波接收頭到檢測(cè)作物上方超聲波反射板的距離與參考作物上方超 聲波發(fā)射頭和參考作物上方超聲波接收頭到參考作物上方超聲波反射板的距離相等；
控制裝置包括如下各部分光照閾值檢測(cè)模塊，光照積分閾值檢測(cè)模塊，超聲波發(fā) 射間隔控制模塊，計(jì)數(shù)啟、閉控制模塊，計(jì)數(shù)用振蕩器，超聲波脈沖個(gè)數(shù)控制設(shè)置模塊，超聲 波發(fā)生器，計(jì)數(shù)、顯示模塊，計(jì)數(shù)預(yù)置模塊，計(jì)數(shù)值與計(jì)數(shù)閾值比較模塊，比較結(jié)果延時(shí)采樣 與保持模塊，小額灌溉系統(tǒng)；超聲波發(fā)射和接收部分分為對(duì)稱結(jié)構(gòu)的兩路， 一路和參考作物 有關(guān)，它們是超聲波發(fā)射頭高電壓差分驅(qū)動(dòng)模塊A，參考作物上方超聲波發(fā)射頭，參考作物 上方超聲波接收頭，差分放大器A，增益控制放大器A，高Q值帶通濾波器A，半波整流器A， 變指數(shù)放大器A，門限比較模塊A，微分和過零檢測(cè)模塊A，另一路和檢測(cè)作物有關(guān)，它們是 超聲波發(fā)射頭高電壓差分驅(qū)動(dòng)模塊B，檢測(cè)作物上方超聲波發(fā)射頭，檢測(cè)作物上方超聲波接 收頭，差分放大器B，增益控制放大器B，高Q值帶通濾波器B，半波整流器B，變指數(shù)放大器 B，門限比較模塊B，微分和過零檢測(cè)模塊B， 控制裝置各部分連接如下光照閾值檢測(cè)模塊輸出端和光照積分閾值檢測(cè)模塊連 接；光照積分閾值檢測(cè)模塊輸出端分別與超聲波發(fā)射間隔控制模塊和比較結(jié)果延時(shí)采樣與 保持模塊連接；超聲波發(fā)射間隔控制模塊輸出端分別與計(jì)數(shù)啟、閉控制模塊和超聲波脈沖 個(gè)數(shù)控制設(shè)置模塊連接；計(jì)數(shù)用振蕩器輸出端和計(jì)數(shù)啟、閉控制模塊連接；計(jì)數(shù)啟、閉控制 模塊輸出端分別與計(jì)數(shù)、顯示模塊和比較結(jié)果延時(shí)采樣與保持模塊連接；計(jì)數(shù)、顯示模塊輸 出端和計(jì)數(shù)值與計(jì)數(shù)閾值比較模塊連接；計(jì)數(shù)預(yù)置模塊輸出端和計(jì)數(shù)值與計(jì)數(shù)閾值比較模 塊連接；計(jì)數(shù)值與計(jì)數(shù)閾值比較模塊輸出端和比較結(jié)果延時(shí)采樣與保持模塊連接；比較結(jié)
12果延時(shí)采樣與保持模塊輸出端和小額灌溉系統(tǒng)連接；超聲波脈沖個(gè)數(shù)控制設(shè)置模塊輸出端 和超聲波發(fā)生器連接；超聲波發(fā)生器的輸出分為兩路，為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，一路經(jīng)過參考作物上 方，用于啟動(dòng)計(jì)數(shù)、顯示模塊的計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，另一路經(jīng)過檢測(cè)作物上方，用于關(guān)閉計(jì)數(shù)、顯示 模塊的計(jì)數(shù)，參考作物超聲波發(fā)生器輸出端和超聲波發(fā)射頭高電壓差分驅(qū)動(dòng)模塊A連接； 超聲波發(fā)射頭高電壓差分驅(qū)動(dòng)模塊A輸出端和參考作物上方超聲波發(fā)射頭連接；參考作物 上方超聲波接收頭輸出端和差分放大器A連接；差分放大器A輸出端和增益控制放大器A 連接；增益控制放大器A輸出端和高Q值帶通濾波器A連接；高Q值帶通濾波器A輸出端和 半波整流器A連接；半波整流器A輸出端和變指數(shù)放大器A連接；變指數(shù)放大器A輸出端和 門限比較模塊A連接；門限比較模塊A輸出端與微分和過零檢測(cè)模塊A連接；微分和過零檢
測(cè)模塊A輸出端與計(jì)數(shù)啟、閉控制模塊連接，用于啟動(dòng)計(jì)數(shù)、顯示模塊的計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，檢測(cè)
作物超聲波發(fā)生器輸出端和超聲波發(fā)射頭高電壓差分驅(qū)動(dòng)模塊B連接；超聲波發(fā)射頭高 電壓差分驅(qū)動(dòng)模塊B輸出端和檢測(cè)作物上方超聲波發(fā)射頭連接；檢測(cè)作物上方超聲波接收 頭輸出端和差分放大器B連接；差分放大器B輸出端和增益控制放大器B連接；增益控制放
大器B輸出端和高Q值帶通濾波器B連接；高Q值帶通濾波器B輸出端和半波整流器B連 接；半波整流器B輸出端和變指數(shù)放大器B連接；變指數(shù)放大器B輸出端和門限比較模塊B 連接；門限比較模塊B輸出端與微分和過零檢測(cè)模塊B連接；微分和過零檢測(cè)模塊B輸出端
與計(jì)數(shù)啟、閉控制模塊連接，用于關(guān)閉計(jì)數(shù)、顯示模塊的計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)。 所述的參考作物由一字水平排列相互留有間隙的各個(gè)橫著放置的長(zhǎng)方形模擬葉
和順著模擬葉一字水平排列方向位于模擬葉兩側(cè)的前擋風(fēng)板、后擋風(fēng)板組成。
針對(duì)存在的技術(shù)問題本發(fā)明所采用的技術(shù)方案的有益效果詳述如下 目前國(guó)內(nèi)外的研究者在基于冠層溫度方法研究作物缺水指標(biāo)的研究中，一致認(rèn)同
氣溫作為作物冠層溫度的參照，幾乎沒有人對(duì)其合理性產(chǎn)生質(zhì)疑。事實(shí)上氣溫作為作物冠
層溫度的參照并不合理，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面 1、冠層溫度和大氣溫度兩者溫升不同步，最大值在時(shí)間點(diǎn)上并不重合，存在雙峰 現(xiàn)象。因此，沒有統(tǒng)一的最佳觀測(cè)時(shí)間點(diǎn)。據(jù)呂川根(2008)觀測(cè)，在晴天，白天6:00 13:00植株溫度(采用針式熱電偶傳感器插入葉鞘內(nèi))比空氣溫度(百葉箱溫度)提前l(fā)h 升高，日最高植株溫度出現(xiàn)在13:00?？諝鉁囟瓤偙戎仓隃囟韧韑h升高，日最高氣溫出現(xiàn) 在14:00。兩者不僅時(shí)間相差lh，強(qiáng)度也是植株溫度比空氣溫度高。呂川根(2008)認(rèn)為 造成白天植株溫度與空氣溫度位相和強(qiáng)度差異的原因，是由于植株對(duì)太陽短波輻射的吸收 率遠(yuǎn)大于空氣。當(dāng)植株吸收太陽輻射升溫后，釋放的長(zhǎng)波輻射加熱周圍空氣，通過湍流使空 氣層溫度升高。13:00以后，隨著太陽輻射的減弱，植株溫度下降，而此時(shí)空氣溫度仍維持較 高水平，因而植株溫度低于空氣溫度。所以，不難理解，為什么現(xiàn)有的研究一般推薦冠氣溫 差最佳觀測(cè)時(shí)間為13:00或14:00而不是同一個(gè)時(shí)間。 2、冠層溫度和大氣溫度對(duì)影響兩者溫度升降的主要環(huán)境因素太陽輻射、空氣飽和 差、風(fēng)速等變化反應(yīng)不一致，存在時(shí)間和強(qiáng)度上的明顯差異，使可比性變差，不確定性增加。 導(dǎo)致CWSI的冠層-空氣溫差Tc-Ta (°C )的上下基線需要溫度之外的環(huán)境因素另外計(jì)算，不 僅繁瑣，而且準(zhǔn)確性差，會(huì)導(dǎo)致CWSI出現(xiàn)超出0 1的不合理情況。 3、冠層溫度和大氣溫度兩者溫度觀測(cè)存在手段和方法上的不一致(氣溫是不能 用紅外線測(cè)溫儀監(jiān)測(cè)的)，也產(chǎn)生了相當(dāng)?shù)牟淮_定性。
13
4、準(zhǔn)確測(cè)量氣溫其實(shí)很困難，不同方法、位置及環(huán)境所測(cè)氣溫差異很大，沒有統(tǒng)一 的標(biāo)準(zhǔn)。 基于以上分析，本發(fā)明提出了理論上可克服上述缺陷的方法，它是這樣實(shí)現(xiàn)的
首先，將與檢測(cè)作物環(huán)境相同的作物植株上可能產(chǎn)生蒸騰的部位涂上膠水作為參 考作物，使參考作物與檢測(cè)作物的唯一差別就是參考作物沒有蒸騰。然后，仿造公式(1-2) 定義一個(gè)作物水分脅迫指標(biāo)CWSI (Crop Water Stresslndex) c、VSI = 1——E (l — 9)
△7;, (1-9)式中AT為實(shí)際的參考作物冠層與檢測(cè)作物冠層的溫度差(°C) ;ATp為可 能(潛在或最大)的參考作物冠層與檢測(cè)作物冠層的溫度差(°C)， ATp可用充分供水時(shí)實(shí) 測(cè)的最大AT值代替。 用紅外線溫度計(jì)同時(shí)測(cè)量參考作物冠層和檢測(cè)作物冠層的溫度并將差值代入 (1-9)式計(jì)算CWSI，當(dāng)作物不缺水時(shí)因作物植株蒸騰而產(chǎn)生的降溫幅度最大AT與ATp相 同，CWSI計(jì)算結(jié)果為O，表示檢測(cè)作物不缺水。同理，當(dāng)作物極度缺水(完全水分脅迫)使 作物植株蒸騰停止時(shí)，因作物植株蒸騰而產(chǎn)生的降溫幅度最小AT為0，CWSI計(jì)算結(jié)果為1， 表示檢測(cè)作物停止蒸騰處于極度缺水(完全水分脅迫)狀態(tài)。因此，CWSI可以表明作物水 分虧缺程度，是處于0和1之間的數(shù)值量，數(shù)值越大表示作物缺水程度越高。
因?yàn)閰⒖甲魑锱c檢測(cè)作物的冠層溫度升降條件除植株蒸騰外高度一致，所以兩者 的溫差變化僅僅與植株蒸騰有關(guān)，排出了其它環(huán)境因素影響。(1-9)式直接反映了植株蒸騰 能力，與同樣反映植株蒸騰能力的(1-2)式具有相同的計(jì)算結(jié)果，完全可以作為指示作物 水分脅迫的有效指標(biāo)。 如果將參考作物冠層與檢測(cè)作物冠層溫度差的極限值代入(1-4)式同樣可以得 到(1-9)式，印證了該方法的合理性。
「 ， 「ww(Tc-Ta)-(Tc-Ta)n — A7'-(—A7， LWS! =-------------------------------二--------= 1---
l 」 (Tc-Ta)u-(Tc-Ta)n ()-(-A7;,) M; 另外，邱國(guó)玉(2004)，王麗明(2005)試驗(yàn)證實(shí)，用涂上一層膠水以阻塞氣孔，使之 不再產(chǎn)生蒸騰作用制成模擬葉片，其實(shí)測(cè)溫度與考慮冠層凈輻射等環(huán)境因素計(jì)算的作物完 全沒有蒸騰情況下的冠層溫度高度一致。從另外一個(gè)角度證實(shí)了參考作物冠層與檢測(cè)作物 冠層的溫度差可以排除太陽輻射等環(huán)境因素的影響，僅僅與植株蒸騰有關(guān)的結(jié)論。
綜上所述，該方法最重要的貢獻(xiàn)是無需采用其它因子額外計(jì)算沒有蒸騰的上基 線和潛在蒸騰的下基線，在公式(1-9)中，AT二0為上基線，ATp為下基線。使CWSI的計(jì) 算得以最大程度的化簡(jiǎn)。提出上述方法的目的，是為了讓讀者能更好的理解發(fā)明人的最終 發(fā)明。該方法從根本上排除了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)植株蒸騰時(shí)太陽輻射等環(huán)境因素的影響，僅需溫度 一種參數(shù)，就能準(zhǔn)確檢測(cè)作物植株的蒸騰狀況。其次參考作物和檢測(cè)作物冠層(葉片)的 兩者溫度可以同時(shí)用紅外線測(cè)溫儀監(jiān)測(cè)，消除了溫度觀測(cè)手段和方法不一致產(chǎn)生的不確定 性。但該方法仍有以下不足1、采用真實(shí)作物植株涂抹膠水的方法制作參考作物在生產(chǎn)上 是不現(xiàn)實(shí)的；2、投資大幅增加。在實(shí)際應(yīng)用中，因?yàn)榧t外線測(cè)溫儀的檢測(cè)視角非常小，為了 減少空間變異性(檢測(cè)個(gè)體差異)，非移動(dòng)的紅外線測(cè)溫方式一般需要分開布置的紅外線 測(cè)溫儀3臺(tái)，取平均值作為觀測(cè)結(jié)果。為了保留觀測(cè)手段和方法一致的優(yōu)勢(shì)，參考作物也需
14要用紅外線測(cè)溫儀測(cè)溫，因此，紅外線測(cè)溫儀要增加到4臺(tái)或以上。為克服以上不足，本發(fā) 明采用了以下技術(shù)方案。 1、用便于生產(chǎn)的人造參考作物替代了用真實(shí)作物植株涂抹膠水的方法制作的參
考作物。邱國(guó)玉(2004)，王麗明(2005)試驗(yàn)證實(shí)，采用與葉片同一顏色的紙裁剪成葉片形
狀制成的模擬葉片完全可以替代用真實(shí)作物植株葉片涂抹膠水制成的模擬葉片。 2、采用了超聲波渡越時(shí)間(time-of-flight簡(jiǎn)稱ToF)環(huán)境溫度測(cè)量方法非接觸
的同時(shí)測(cè)量多棵作物植株的平均溫度，既節(jié)省了投資，又沒有了檢測(cè)個(gè)體差異，尤其適合作
物的行播種植習(xí)慣，有效減少了裸露土壤對(duì)觀測(cè)結(jié)果的影響，優(yōu)勢(shì)是顯而易見的。 聲波在空氣中的傳播速度可以由以下公式計(jì)算 v、Z二71^— (1 — 10)
M 式中Y是空氣定壓比熱容和定容比熱容比(Y = CP/CV) ;R是氣體普適常數(shù)；M是 氣體分子量；T是絕對(duì)溫度。
由式(1-10)可見，溫度是影響空氣中聲速的主要因素。
在0°C (T。 = 273. 15K)時(shí)的聲速
I 7，
v。 = 、 /-乙:-—」1 = 331.45M"' (l — ll)
(' M
在tt:時(shí)的聲速(M/s)
/ 、
- 331.4 + 0.607/ (1 — 12)
，、273.15. 由式(1-12)可以看出，聲速是聲波傳輸媒介空氣平均溫度的函數(shù)，在聲波傳輸距 離已知的情況下，只要檢測(cè)出聲波渡越時(shí)間就可以計(jì)算出聲速，進(jìn)而計(jì)算出聲波傳輸媒介 空氣的平均溫度。 用該方法測(cè)量環(huán)境溫度已經(jīng)獲得實(shí)際應(yīng)用。例如美國(guó)SEI公司的
BOILERWATCH⑧一聲波氣體溫度場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)就成功的用于測(cè)量爐溫；臺(tái)灣高苑技術(shù)學(xué)院
等已研究用該方法測(cè)量轎車內(nèi)的環(huán)境溫度用于車內(nèi)空調(diào)等等。 在本發(fā)明中，為了減少計(jì)算量節(jié)省軟硬件投入和易于實(shí)現(xiàn)，沒有實(shí)際計(jì)算溫度和 溫差，而是仿造(1-9)式的原理，直接定義了一個(gè)超聲波渡越時(shí)間作物水分脅迫指標(biāo)(Crop Water Stress Index on Ultrasonic time_of_flight簡(jiǎn)稱Ultrasonic T0F CWSI，本發(fā)明 中也稱作超聲波渡越時(shí)間作物缺水指數(shù))
「0078， Ultrasonic TOF C WS1 =卜—! (1 — 8)
A。， (1-8)式中A t為實(shí)際的檢測(cè)作物冠層上方與參考作物冠層上方的超聲波渡越時(shí) 間差；A tP為可能(潛在或最大)的檢測(cè)作物冠層上方與參考作物冠層上方的超聲波渡越 時(shí)間差，Atp可用充分供水時(shí)實(shí)測(cè)的最大At值代替。(注本發(fā)明中所說的參考作物冠 層指的是參考作物接受太陽輻射的模擬葉部分)。當(dāng)作物不缺水時(shí)因作物植株蒸騰而產(chǎn)生 的降溫幅度最大，與之對(duì)應(yīng)的檢測(cè)作物冠層上方與參考作物冠層上方的超聲波渡越時(shí)間差 At最大，與Atp相同，UltrasonicT0F CWSI計(jì)算結(jié)果為0，表示檢測(cè)作物不缺水。同理， 當(dāng)作物極度缺水(完全水分脅迫)使作物植株蒸騰停止時(shí)，因作物植株蒸騰而產(chǎn)生的降溫
15幅度最小，與之對(duì)應(yīng)的檢測(cè)作物冠層上方與參考作物冠層上方的超聲波渡越時(shí)間差△t最 小，At為O，Ultrasonic T0F CWSI計(jì)算結(jié)果為1，表示檢測(cè)作物停止蒸騰處于極度缺水(完 全水分脅迫)狀態(tài)。因此，Ultrasonic TOF CWSI可以表明作物水分虧缺程度，是處于0和 1之間的數(shù)值量，數(shù)值越大表示作物缺水程度越高。 在本發(fā)明中，超聲波測(cè)量的是參考作物和檢測(cè)作物熱輻射加熱冠層上方空氣后的 環(huán)境溫度，雖不能與紅外線測(cè)溫儀一樣直接測(cè)量參考作物和檢測(cè)作物冠層本身的溫度，但 如果參考作物和檢測(cè)作物冠層的檢測(cè)條件一致，兩者冠層環(huán)境溫差的絕對(duì)值即使小于紅外 線測(cè)溫儀測(cè)得的兩者冠層本身溫差，也并不影響(1-8)式的計(jì)算結(jié)果，因?yàn)?1-8)式計(jì)算的 是同一量相對(duì)值的比值(結(jié)果為無量綱值，與參考作物和檢測(cè)作物冠層溫度相對(duì)值的比值 (1-9)式功效相同)。 檢測(cè)作物冠層上方與參考作物冠層上方的環(huán)境溫差的絕對(duì)值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于紅外線測(cè) 溫儀測(cè)得的兩者冠層本身溫差，因此對(duì)超聲波測(cè)溫的分辨率和精度有了更高的要求。
超聲波測(cè)量環(huán)境溫度的精度主要取決于準(zhǔn)確檢測(cè)超聲波渡越時(shí)間，準(zhǔn)確檢測(cè)超聲 波渡越時(shí)間取決于準(zhǔn)確地判斷超聲波到達(dá)的時(shí)間點(diǎn)。如圖l所示，在超聲波換能器能量轉(zhuǎn) 換和聲波空氣傳輸過程中，由于機(jī)械彈性(超聲波換能器壓電陶瓷片和空氣的彈性)的存 在，在接收到的超聲波脈沖串的頭部和尾部會(huì)產(chǎn)生超聲波波形振幅衰減。超聲波到達(dá)時(shí)的 強(qiáng)度(振幅)存在隨機(jī)變化的成分，采用常規(guī)的強(qiáng)度門限(threshold也稱為門檻或閾值) 方法判斷超聲波到達(dá)的時(shí)間點(diǎn)是不準(zhǔn)確的，不能準(zhǔn)確地檢測(cè)超聲波渡越時(shí)間。 一般僅用于 機(jī)器人避障、倒車防撞裝置等要求不高的場(chǎng)合。 為了準(zhǔn)確地判斷超聲波到達(dá)的時(shí)間點(diǎn)，人們進(jìn)行了很多改進(jìn)，應(yīng)用較多的有3種。
1、相位差(phase-shift)法。該方法短距離應(yīng)用非常準(zhǔn)確，已廣泛應(yīng)用于超聲波 風(fēng)速儀，自動(dòng)氣象站的大氣測(cè)溫等。測(cè)溫精度高達(dá)士0.05t:。但該方法只能用于超聲波傳 輸距離很短的場(chǎng)合，例如10cm。顯然不能用于本發(fā)明。 2、調(diào)制波形標(biāo)記法。對(duì)聲波進(jìn)行調(diào)制、編碼、擴(kuò)頻等均屬于此類。應(yīng)用較多的是雙 頻頻移鍵控(binary frequency shift-keyed簡(jiǎn)稱BFSK)法，已用于轎車空調(diào)測(cè)溫和超聲 波測(cè)距儀。測(cè)溫精度±0.4°C。臺(tái)灣高苑科技大學(xué)蔡文元將該方法和相位差法結(jié)合起來，使
測(cè)溫精度提高到±0. 3t:，仍不能滿足本發(fā)明的要求。 3、脈沖串包絡(luò)線(envelope pulsed)峰值法。與此類似的還有脈沖串包絡(luò)線重心
橫坐標(biāo)法。測(cè)溫精度士o.39t:，仍不能滿足本發(fā)明的要求。 很不幸，現(xiàn)有的超聲波測(cè)溫方法不能滿足要求。為了實(shí)現(xiàn)本發(fā)明，必須有更準(zhǔn)確的 較遠(yuǎn)距離超聲波渡越時(shí)間的檢測(cè)方法。為此，發(fā)明了一種新的超聲波渡越時(shí)間的檢測(cè)方法， 有關(guān)詳細(xì)介紹請(qǐng)看本發(fā)明第一發(fā)明人同時(shí)申請(qǐng)的另外一項(xiàng)發(fā)明專利"檢測(cè)超聲波渡越時(shí)間 的方法及其裝置"。 現(xiàn)有文獻(xiàn)一般建議把CWSI的檢測(cè)時(shí)間窗口放在中午12時(shí)至下午16時(shí)之間，并剔 除陰天和多云天氣，最優(yōu)觀測(cè)時(shí)間為午后13時(shí)或14時(shí)，現(xiàn)有文獻(xiàn)基本局限在研究層面手工 操作。還沒有見到具體的自動(dòng)確定檢測(cè)時(shí)間窗口的方法。在本發(fā)明中提出了一個(gè)用光照閾 值剔除陰天，用光照積分閾值剔除多云天氣新的自動(dòng)確定檢測(cè)時(shí)間窗口的技術(shù)方案。
本發(fā)明的工作原理和控制灌溉過程是這樣的 光照閾值檢測(cè)部分始終處于工作狀態(tài)，耗電量較大的超聲波發(fā)射和數(shù)碼管顯示部分處于休眠狀態(tài)。在晴好天氣，隨著太陽的升起，光照逐步增強(qiáng)，當(dāng)達(dá)到所設(shè)定的光照閾值 后，啟動(dòng)光照積分部分對(duì)光照強(qiáng)度進(jìn)行積分，當(dāng)達(dá)到所設(shè)定的光照積分閾值后，進(jìn)入檢測(cè)時(shí) 間窗口，控制裝置從休眠狀態(tài)被喚醒，按設(shè)定的時(shí)間間隔分別在挨近參考作物(不產(chǎn)生蒸 騰的模擬作物)和檢測(cè)作物的上方，平行于各自下方作物所在平面，同時(shí)向等距的位于各 自正前方的超聲波反射板發(fā)射超聲波，當(dāng)收到各自反射回來的超聲波后，分別啟動(dòng)和停止 同一個(gè)計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，將計(jì)數(shù)值與根據(jù)超聲波渡越時(shí)間作物缺水指數(shù)設(shè)定的計(jì)數(shù)閾值進(jìn)行比 較，如果計(jì)數(shù)值小于所設(shè)定的計(jì)數(shù)閾值，作物缺水達(dá)到了需要灌溉的程度，將啟動(dòng)灌溉。隨 著太陽降落，光照逐步減弱，當(dāng)?shù)陀谒O(shè)定的光照閾值后，光照積分值被清零，退出檢測(cè)時(shí) 間窗口，控制裝置重新進(jìn)入休眠狀態(tài)。在陰天時(shí)達(dá)不到光照閾值，多云天氣達(dá)不到光照積分 閾值，不能進(jìn)入檢測(cè)時(shí)間窗口 ，控制裝置仍處于休眠狀態(tài)不會(huì)改變。 本發(fā)明首先將控制裝置分成了需要一直工作但耗電量較少(光照檢測(cè))和不需要 經(jīng)常工作但耗電量較大(超聲波發(fā)射和數(shù)碼管顯示等)的兩部分，通常使耗電量較大的部 分處于休眠狀態(tài)，需要工作時(shí)再被喚醒，以節(jié)省電力消耗。光照閾值檢測(cè)部分和光照積分閾 值檢測(cè)部分是用來自動(dòng)確定檢測(cè)時(shí)間窗口的。當(dāng)太陽的輻射強(qiáng)度不夠或陰天時(shí)，光照將達(dá) 不到所設(shè)閾值，控制裝置始終處于休眠狀態(tài)；如果是多云天氣，即使某個(gè)時(shí)刻達(dá)到了光照閾 值，啟動(dòng)了光照積分但光照積分值達(dá)不到所設(shè)定的光照積分閾值，控制裝置仍處于休眠狀 態(tài)；如果是晴好天氣，隨著太陽的升起，光照逐步增強(qiáng)，當(dāng)達(dá)到所設(shè)定的光照閾值后，啟動(dòng)光 照積分部分對(duì)光照強(qiáng)度進(jìn)行積分，當(dāng)達(dá)到所設(shè)定的光照積分閾值后，進(jìn)入檢測(cè)時(shí)間窗口 ，控 制裝置從休眠狀態(tài)被喚醒。從而剔除了陰天和多云天氣，通過調(diào)整光照閾值和光照積分閾 值可使檢測(cè)時(shí)間窗口落在晴好天氣的中午12時(shí)至下午16時(shí)之間?？刂蒲b置從休眠狀態(tài)被 喚醒后，按設(shè)定的時(shí)間間隔分別在挨近參考作物(不產(chǎn)生蒸騰的模擬作物)和檢測(cè)作物的 上方，平行于各自下方作物所在平面，同時(shí)向等距的位于各自正前方的超聲波反射板發(fā)射 超聲波，當(dāng)收到各自反射回來的超聲波后，分別啟動(dòng)和停止同一個(gè)計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，將計(jì)數(shù)值與 所設(shè)定的計(jì)數(shù)閾值進(jìn)行比較，如果計(jì)數(shù)值小于所設(shè)定的計(jì)數(shù)閾值，將啟動(dòng)灌溉。這里的計(jì)數(shù) 值就是超聲波渡越時(shí)間作物水分脅迫指標(biāo)計(jì)算公式(1-8)中的"實(shí)際的檢測(cè)作物冠層上方 與參考作物冠層上方的超聲波渡越時(shí)間差A(yù)t"。公式(1-8)中的"可能(潛在或最大)的 檢測(cè)作物冠層上方與參考作物冠層上方的超聲波渡越時(shí)間差A(yù)tp"，可用灌溉后根系土壤 充分侵潤(rùn)，作物供水充足時(shí)實(shí)測(cè)的最大At值代替，對(duì)于小額灌溉，可用灌溉后第4天(陰 雨多云天氣順延)午后14時(shí)的計(jì)數(shù)值。 一般情況下，可用上述Atp計(jì)數(shù)值的80X 60X， 確定灌溉時(shí)間點(diǎn)的計(jì)數(shù)閾值，兩者代入公式(1-8)后，計(jì)算超聲波渡越時(shí)間作物水分脅迫 指標(biāo)(缺水指數(shù))為0. 2 0. 4，具體數(shù)值可根據(jù)所種植作物對(duì)干旱的敏感性確定。當(dāng)然， 可用作物凋萎點(diǎn)實(shí)測(cè)計(jì)數(shù)閾值底線后，再由作物水分生產(chǎn)效率和可供水情況進(jìn)一步確定， 除科研外，實(shí)際灌溉不推薦也沒必要那樣做。以作物缺水指數(shù)大于0. 4時(shí)啟動(dòng)灌溉為例，一 個(gè)普通農(nóng)民用本發(fā)明的裝置控制灌溉時(shí)的情形在本裝置安裝好后，首先將本裝置的計(jì)數(shù) 閾值預(yù)置數(shù)字撥碼開關(guān)的每位數(shù)字都撥到0，然后手動(dòng)進(jìn)行小額灌溉，于灌溉后的第4天午 后14時(shí)查看本裝置數(shù)碼管顯示的計(jì)數(shù)值，將該計(jì)數(shù)值乘以0. 6后，再用本裝置的計(jì)數(shù)閾值 預(yù)置用數(shù)字撥碼開關(guān)輸入到本裝置，本裝置處于了自動(dòng)控制狀態(tài)。當(dāng)光照達(dá)到所設(shè)定的光 照閾值后，啟動(dòng)光照積分部分對(duì)光照強(qiáng)度進(jìn)行積分，當(dāng)達(dá)到所設(shè)定的光照積分閾值后，進(jìn)入 檢測(cè)時(shí)間窗口 ，控制裝置從休眠狀態(tài)被喚醒。進(jìn)行作物缺水指數(shù)檢測(cè)，如果作物缺水指數(shù)大
17于O. 4即計(jì)數(shù)值小于計(jì)數(shù)閾值，就啟動(dòng)灌溉。當(dāng)光照低于所設(shè)定的光照閾值后，退出檢測(cè)時(shí) 間窗口 ，控制裝置重新進(jìn)入休眠狀態(tài)，等待進(jìn)入下一個(gè)檢測(cè)時(shí)間窗口時(shí)被喚醒。如果進(jìn)行了 灌溉，于灌溉后的第4天午后14時(shí)查看本裝置數(shù)碼管顯示的計(jì)數(shù)值，將該計(jì)數(shù)值乘以0. 6 后，再用本裝置的計(jì)數(shù)閾值預(yù)置數(shù)字撥碼開關(guān)輸入到本裝置。依此類推完成了整個(gè)作物生 長(zhǎng)季節(jié)控制灌溉過程。 如上所述，當(dāng)本裝置進(jìn)入檢測(cè)時(shí)間窗口 ，控制裝置從休眠狀態(tài)被喚醒，超聲波定時(shí) 發(fā)送被啟動(dòng)，分別在挨近參考作物和檢測(cè)作物的上方，平行于作物所在平面同時(shí)向等距的 位于各自正前方的超聲波反射板發(fā)射具有相同脈沖個(gè)數(shù)，由同一個(gè)超聲波發(fā)生器產(chǎn)生的且 具有相同的頻率和相位的超聲波脈沖串。只有發(fā)射時(shí)頻率和相位相同，收到的兩路超聲波 脈沖串最大脈沖峰值點(diǎn)才具可比性。超聲波在空氣中采用了直線往返方式是為了排除風(fēng)的 影響。脈沖串所包含的脈沖個(gè)數(shù)由本裝置超聲波脈沖個(gè)數(shù)撥碼開關(guān)事先設(shè)定，設(shè)定個(gè)數(shù)取 決于超聲波換能器壓電陶瓷片彈性和超聲波(機(jī)械能波)傳輸距離，以形成"菱形"接收脈 沖串波形為原則(脈沖個(gè)數(shù)交用戶使用前已被設(shè)定，無需用戶改動(dòng)。)。當(dāng)參考作物和檢測(cè) 作物上方的超聲波接收頭，分別接收到各自超聲波反射板反射回來的超聲波后，分別經(jīng)各 自差分放大器放大到一定幅度后，分別送入各自增益控制放大器。差分放大的目的是減少 共模噪聲提高信噪比。分別經(jīng)各自增益控制放大器放大后，分別送入各自高Q值帶通濾波 器，進(jìn)行高"Q"值濾波和小幅放大，目的是濾除帶外噪聲和壓縮畸變部分的波形振幅，有利 于形成"菱形"接收脈沖串波形。然后，分別進(jìn)行半波整流，去掉半周后作為一個(gè)固定電壓 的指數(shù)，分別送入各自變指數(shù)放大器，對(duì)這個(gè)固定電壓進(jìn)行變指數(shù)放大。變指數(shù)放大的目 的，是在不改變剩下半周各脈沖峰值點(diǎn)相對(duì)時(shí)間位置的情況下，拉開各脈沖峰值點(diǎn)的振幅 差距，同時(shí)使脈沖峰值點(diǎn)兩側(cè)更加陡峭，方便識(shí)別振幅最大的脈沖及其峰值點(diǎn)的準(zhǔn)確位置。 然后分別送入各自門限比較模塊進(jìn)行門限檢測(cè)分別找出振幅最大的脈沖。再分別對(duì)其進(jìn)行 微分和過零檢測(cè)，分別找出振幅最大脈沖峰值點(diǎn)，分別用于啟動(dòng)和關(guān)閉同一個(gè)計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)。 本發(fā)明采用了定門限控增益的方式找出振幅最大的脈沖。發(fā)射超聲波后，計(jì)數(shù)器沒有馬上 進(jìn)入工作狀態(tài)，而是經(jīng)過了適當(dāng)?shù)难訒r(shí)，目的是避免發(fā)射頭泄露的超聲波直接進(jìn)入接收頭 非正常啟動(dòng)計(jì)數(shù)器。用上述方法實(shí)現(xiàn)了精確的超聲波渡越時(shí)間檢測(cè)，解決了關(guān)乎本發(fā)明成 敗的關(guān)鍵技術(shù)問題。 本發(fā)明的原型機(jī)是根據(jù)中國(guó)國(guó)情特別設(shè)計(jì)的有利于推廣應(yīng)用的廉價(jià)機(jī)型，全部投 入不到3000 Y，甚至低于一個(gè)進(jìn)口的專用作物冠層紅外測(cè)溫傳感器(如Apogee專用作物 冠層紅外測(cè)溫傳感器$598)的售價(jià)。在微機(jī)控制的豪華機(jī)型中，可實(shí)現(xiàn)包括AtP自動(dòng)采集 自動(dòng)輸入在內(nèi)的全部自動(dòng)化運(yùn)行，工作參數(shù)可由鼠標(biāo)、鍵盤輸入，結(jié)果(包括運(yùn)行曲線等歷 史數(shù)據(jù))可在電腦桌面顯示查詢。 A tP采用了每次灌溉后的實(shí)測(cè)值，不僅取值方便，更重要的是考慮了不同作物、不 同生長(zhǎng)季節(jié)、不同覆蓋條件下的Atp的變化。采用小額灌溉方式，有助于增加Atp的檢測(cè) 密度，提高Atp代表的準(zhǔn)確性和灌溉控制精度。 采用本發(fā)明的技術(shù)方案與傳統(tǒng)的紅外線CWSI法相比，具有以下優(yōu)勢(shì)1、該方案從 根本上排除了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)植株蒸騰時(shí)太陽輻射等環(huán)境因素的影響，僅需溫度一種參數(shù)，就能 準(zhǔn)確檢測(cè)作物植株的蒸騰狀況，無需采用其它因子(環(huán)境參數(shù))額外計(jì)算沒有蒸騰的上基 線和潛在蒸騰的下基線，在Ultrasonic TOF CWSI公式(1-8)中，At二O為上基線，A tP為下基線。因此，檢測(cè)參數(shù)少，沒有繁瑣計(jì)算和多因子檢測(cè)累積誤差；2、該方案直接檢測(cè)多 棵作物的平均值，因此，沒有檢測(cè)個(gè)體差異，無需通過增加傳感器的數(shù)量和種類來減少這種 差異；3、采用相同類型的溫度傳感器(即超聲波溫度傳感器)，可比性好，數(shù)據(jù)可靠；4、所需 傳感器的種類和數(shù)量最少，成本低廉，易于實(shí)現(xiàn)和推廣。


圖1為接收的超聲波脈沖串示意圖。
圖2為本發(fā)明控制裝置檢測(cè)探頭現(xiàn)場(chǎng)布置示意圖。 圖3為本發(fā)明控制裝置組成與工作流程圖。 圖4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15為本發(fā)明實(shí)施例電路圖。
具體實(shí)施例方式
如圖2、圖3所示， 一種根據(jù)作物缺水程度控制灌溉的方法 首先，將不會(huì)產(chǎn)生蒸騰的參考作物置于與檢測(cè)作物46環(huán)境相同的地方，參考作物 水平一字布置，在參考作物水平一字布置的一端，位于參考作物的正上方垂直于參考作物 水平一字布置方向水平，依次安裝有參考作物上方超聲波發(fā)射頭16和參考作物上方超聲 波接收頭18，在參考作物上方超聲波發(fā)射頭16和參考作物上方超聲波接收頭18順著參考 作物水平一字布置方向的正前方，參考作物水平一字布置的另一端，位于參考作物的正上 方垂直于參考作物水平一字布置方向安裝有參考作物上方超聲波反射板45，位于檢測(cè)作物 46的正上方垂直于檢測(cè)作物46水平種植方向水平，依次安裝有檢測(cè)作物上方超聲波發(fā)射 頭15和檢測(cè)作物上方超聲波接收頭17，在檢測(cè)作物上方超聲波發(fā)射頭15和檢測(cè)作物上方 超聲波接收頭17順著檢測(cè)作物46水平種植方向的正前方，位于檢測(cè)作物46的正上方垂直 于檢測(cè)作物46水平種植方向安裝有檢測(cè)作物上方超聲波反射板47，檢測(cè)作物上方超聲波 發(fā)射頭15和檢測(cè)作物上方超聲波接收頭17到檢測(cè)作物上方超聲波反射板47的距離與參 考作物上方超聲波發(fā)射頭16和參考作物上方超聲波接收頭18到參考作物上方超聲波反射 板45的距離相等。 所述的參考作物由一字水平排列相互留有適當(dāng)間隙的若干橫著放置的長(zhǎng)方形模 擬葉42和順著模擬葉42 —字水平排列方向位于模擬葉42兩側(cè)的前后擋風(fēng)板43、44組成，
其次，由光照閾值檢測(cè)模塊1和光照積分閾值檢測(cè)模塊2確定檢測(cè)時(shí)間窗口，當(dāng) 光照達(dá)到所設(shè)定的閾值后，光照閾值檢測(cè)模塊1啟動(dòng)光照積分閾值檢測(cè)模塊2對(duì)光照強(qiáng)度 進(jìn)行積分，當(dāng)達(dá)到所設(shè)定的光照積分閾值后，進(jìn)入檢測(cè)時(shí)間窗口，當(dāng)光照低于所設(shè)定的閾值 后，光照閾值檢測(cè)模塊1的輸出使光照積分閾值檢測(cè)模塊2的積分值清零復(fù)位，退出檢測(cè)時(shí) 間窗口， 所述的檢測(cè)時(shí)間窗口 ，達(dá)到光照積分閾值是進(jìn)入檢測(cè)時(shí)間窗口的必要條件，陰天 達(dá)不到光照閾值，光照積分閾值檢測(cè)模塊2的積分值仍處于被清零復(fù)位狀態(tài)，多云天氣即 使某個(gè)時(shí)刻達(dá)到了光照閾值，光照閾值檢測(cè)模塊1的輸出啟動(dòng)了光照積分閾值檢測(cè)模塊2 對(duì)光照強(qiáng)度進(jìn)行了積分，在達(dá)到光照積分閾值前的某個(gè)時(shí)刻，光照又低于所設(shè)定的閾值，光 照閾值檢測(cè)模塊1的輸出使光照積分閾值檢測(cè)模塊2的積分值重新被清零復(fù)位，仍達(dá)不到 光照積分閾值，陰天和多云天氣都進(jìn)入不了檢測(cè)時(shí)間窗口，通過調(diào)整光照閾值和光照積分
19閾值使檢測(cè)時(shí)間窗口落在晴好天氣的中午12時(shí)至下午16時(shí)之間， 第三，進(jìn)入檢測(cè)時(shí)間窗口后，超聲波發(fā)射間隔控制模塊3被啟動(dòng)，按一定的時(shí)間間 隔控制超聲波發(fā)生器6產(chǎn)生一組超聲波脈沖串，該脈沖串分為兩路，一路通過參考作物上 方超聲波發(fā)射頭16，另一路通過檢測(cè)作物上方超聲波發(fā)射頭15，同時(shí)發(fā)送出去，當(dāng)參考作 物上方超聲波接收頭18收到被參考作物上方超聲波反射板45反射回來的超聲波后，確認(rèn) 超聲波到達(dá)的時(shí)間點(diǎn)，在確認(rèn)超聲波到達(dá)的時(shí)間點(diǎn)上啟動(dòng)計(jì)數(shù)、顯示模塊8的計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)， 當(dāng)檢測(cè)作物上方超聲波接收頭17收到被檢測(cè)作物上方超聲波反射板47反射回來的超聲波 后，確認(rèn)超聲波到達(dá)的時(shí)間點(diǎn)，在確認(rèn)超聲波到達(dá)的時(shí)間點(diǎn)上關(guān)閉計(jì)數(shù)、顯示模塊8的計(jì)數(shù) 器計(jì)數(shù)， 所述的通過參考作物上方超聲波發(fā)射頭16和檢測(cè)作物上方超聲波發(fā)射頭15同時(shí) 發(fā)送的超聲波脈沖串，具有相同的頻率和相位，包含有相同的脈沖個(gè)數(shù)，脈沖個(gè)數(shù)以接收到 的超聲波脈沖串波形仍呈圖1所示的"菱形"為上限， 所述的超聲波到達(dá)的時(shí)間點(diǎn)是這樣確認(rèn)的參考作物上方超聲波接收頭18和檢 測(cè)作物上方超聲波接收頭17分別收到參考作物上方超聲波反射板45和檢測(cè)作物上方超 聲波反射板47反射回來的超聲波后，分別送入差分放大器A20、差分放大器B19進(jìn)行初步 放大，采用差分放大的形式是為了更好的抑制共模噪聲提高信噪比，經(jīng)差分放大后，分別送 入增益控制放大器A22、增益控制放大器B21進(jìn)一步放大到所要求的幅度，經(jīng)增益控制放大 后，分別送入高Q值帶通濾波器A24、高Q值帶通濾波器B23進(jìn)行帶通濾波，濾除帶外噪音， 同時(shí)降低偏離主頻的信號(hào)幅度，經(jīng)帶通濾波后，分別送入半波整流器A26、半波整流器B25 進(jìn)行半波整流，去掉半周后，分別送入變指數(shù)放大器A28、變指數(shù)放大器B27，分別作為一個(gè) 固定電壓的指數(shù)分別對(duì)該固定電壓進(jìn)行變指數(shù)放大，變指數(shù)放大的目的，是在不改變剩下 半周各脈沖峰值點(diǎn)相對(duì)時(shí)間位置的情況下，拉開各脈沖峰值點(diǎn)的振幅差距，同時(shí)使脈沖峰 值點(diǎn)兩側(cè)更加陡峭，方便識(shí)別振幅最大的脈沖及其峰值點(diǎn)的準(zhǔn)確位置，經(jīng)變指數(shù)放大后，分 別送入門限比較模塊A30、門限比較模塊B29進(jìn)行門限檢測(cè)，找出振幅最大的脈沖，再分別 送入微分和過零檢測(cè)模塊A32、微分和過零檢測(cè)模塊B31，進(jìn)行微分和過零檢測(cè)，找出各自 振幅最大脈沖峰值點(diǎn)，分別為參考作物上方超聲波接收頭18收到被參考作物上方超聲波 反射板45反射回來的超聲波到達(dá)的時(shí)間點(diǎn)和檢測(cè)作物上方超聲波接收頭17收到被檢測(cè)作 物上方超聲波反射板47反射回來的超聲波到達(dá)的時(shí)間點(diǎn)， 第四，將計(jì)數(shù)、顯示模塊8的計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值與根據(jù)超聲波渡越時(shí)間作物缺水指 數(shù)通過計(jì)數(shù)預(yù)置模塊9預(yù)先設(shè)定的計(jì)數(shù)閾值進(jìn)行比較，如果計(jì)數(shù)、顯示模塊8的計(jì)數(shù)器的計(jì) 數(shù)值小于計(jì)數(shù)預(yù)置模塊9所設(shè)定的計(jì)數(shù)閾值，作物缺水達(dá)到了需要灌溉的程度，將啟動(dòng)小 額灌溉系統(tǒng)12， 所述的超聲波渡越時(shí)間作物缺水指數(shù)是這樣定義的，一個(gè)超聲波渡越時(shí)間作物水 分脅迫指標(biāo)(Crop Water Stress Index on Ultrasonic time_of_flight簡(jiǎn)禾爾Ultrasonic T0F CWSI本發(fā)明也稱作超聲波渡越時(shí)間作物缺水指數(shù))
「011 o，Ultrasonic TOF C WSi 二 i — ( 1 _8 ) (1-8)式中A t為實(shí)際的檢測(cè)作物冠層上方與參考作物冠層上方的超聲波渡越時(shí) 間差，Atp為可能(潛在或最大)的檢測(cè)作物冠層上方與參考作物冠層上方的超聲波渡越
20時(shí)間差，Atp可用充分供水時(shí)實(shí)測(cè)的最大At值代替，參考作物冠層指的是參考作物接受太 陽輻射的模擬葉部分， 當(dāng)作物不缺水時(shí)因作物植株蒸騰而產(chǎn)生的降溫幅度最大，與之對(duì)應(yīng)的檢測(cè)作物冠 層上方與參考作物冠層上方的超聲波渡越時(shí)間差A(yù)t最大，與Atp相同，Ultrasonic TOF CWSI計(jì)算結(jié)果為O，表示檢測(cè)作物不缺水，同理，當(dāng)作物極度缺水(完全水分脅迫)使作物 植株蒸騰停止時(shí)，因作物植株蒸騰而產(chǎn)生的降溫幅度最小，與之對(duì)應(yīng)的檢測(cè)作物冠層上方 與參考作物冠層上方的超聲波渡越時(shí)間差A(yù)t最小，At為O，Ultrasonic TOF CWSI計(jì)算結(jié) 果為l，表示檢測(cè)作物停止蒸騰處于極度缺水(完全水分脅迫)狀態(tài)，Ultrasonic TOF CWSI 是指示作物水分虧缺程度，處于0和1之間的數(shù)值量，數(shù)值越大表示作物缺水程度越高，
所述的計(jì)數(shù)、顯示模塊8的計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值就是超聲波渡越時(shí)間作物水分脅迫指 標(biāo)計(jì)算公式(1-8)中的"實(shí)際的檢測(cè)作物冠層上方與參考作物冠層上方的超聲波渡越時(shí)間 差A(yù)t"，公式(1-8)中的"可能(潛在或最大)的檢測(cè)作物冠層上方與參考作物冠層上方的 超聲波渡越時(shí)間差A(yù)tp"，可用灌溉后根系土壤充分侵潤(rùn)，作物供水充足時(shí)實(shí)測(cè)的最大At 值代替，對(duì)于小額灌溉，可用灌溉后第4天(陰雨多云天氣順延)午后14時(shí)計(jì)數(shù)、顯示模塊 8的計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值， 一般情況下，可用上述A tP計(jì)數(shù)值的80% 60% ，確定灌溉時(shí)間點(diǎn)的 計(jì)數(shù)閾值，兩者代入公式(1-8)后，計(jì)算超聲波渡越時(shí)間作物水分脅迫指標(biāo)(缺水指數(shù))為 0. 2 0. 4，超聲波渡越時(shí)間作物缺水指數(shù)具體數(shù)值可根據(jù)所種植作物對(duì)干旱的敏感性確 定， 所述的計(jì)數(shù)預(yù)置模塊9預(yù)先設(shè)定的計(jì)數(shù)閾值是這樣確定的，首先，根據(jù)所種植 作物對(duì)干旱的敏感性，確定需要灌溉時(shí)的超聲波渡越時(shí)間作物缺水指數(shù)Ultrasonic TOF CWSI，然后，取上次小額灌溉后第4天(陰雨多云天氣順延)午后14時(shí)計(jì)數(shù)、顯示模塊8的 計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值，作為A tp，將Ultrasonic T0FCWSI和A tP代入公式(1-8)，即
計(jì)數(shù)閾值=(1-UltrasonicTOF CWSI) A tP Atp采用了每次灌溉后的實(shí)測(cè)值，不僅取值方便，更重要的是考慮了不同作物、不 同生長(zhǎng)季節(jié)、不同覆蓋條件下的Atp的變化，采用小額灌溉方式，有助于增加Atp的檢測(cè)密 度，提高Atp代表的準(zhǔn)確性和灌溉控制精度， 第五，退出檢測(cè)時(shí)間窗口后，超聲波發(fā)射間隔控制模塊3被關(guān)閉，除光照閾值檢測(cè) 模塊1仍在工作外，其余進(jìn)入休眠狀態(tài)以節(jié)省電力消耗。 —種根據(jù)作物缺水程度控制灌溉的裝置本發(fā)明控制裝置檢測(cè)探頭的現(xiàn)場(chǎng)布置如 圖2所示。 將不會(huì)產(chǎn)生蒸騰的參考作物置于與檢測(cè)作物46環(huán)境相同的地方，參考作物水平 一字布置，在參考作物水平一字布置的一端，位于參考作物的正上方垂直于參考作物水平 一字布置方向水平依次安裝有參考作物上方超聲波發(fā)射頭16和參考作物上方超聲波接收 頭18，在參考作物上方超聲波發(fā)射頭16和參考作物上方超聲波接收頭18順著參考作物水 平一字布置方向的正前方，參考作物水平一字布置的另一端，位于參考作物的正上方垂直 于參考作物水平一字布置方向安裝有參考作物上方超聲波反射板45，位于檢測(cè)作物46的 正上方垂直于檢測(cè)作物46水平種植方向水平依次安裝有檢測(cè)作物上方超聲波發(fā)射頭15和 檢測(cè)作物上方超聲波接收頭17，在檢測(cè)作物上方超聲波發(fā)射頭15和檢測(cè)作物上方超聲波 接收頭17順著檢測(cè)作物46水平種植方向的正前方，位于檢測(cè)作物46的正上方垂直于檢測(cè)作物46水平種植方向安裝有檢測(cè)作物上方超聲波反射板47，檢測(cè)作物上方超聲波發(fā)射頭 15和檢測(cè)作物上方超聲波接收頭17到檢測(cè)作物上方超聲波反射板47的距離與參考作物上 方超聲波發(fā)射頭16和參考作物上方超聲波接收頭18到參考作物上方超聲波反射板45的 距離相等。 所述參考作物由一字水平排列相互留有適當(dāng)間隙的若干橫著放置的長(zhǎng)方形模擬 葉42和順著模擬葉42 —字水平排列方向位于模擬葉42兩側(cè)的前后擋風(fēng)板43、44組成。
本發(fā)明的控制裝置各部分組成如圖3所示，光照閾值檢測(cè)模塊l，光照積分閾值檢 測(cè)模塊2，超聲波發(fā)射間隔控制模塊3，計(jì)數(shù)啟、閉控制模塊4，計(jì)數(shù)用振蕩器5，超聲波脈沖 個(gè)數(shù)控制設(shè)置模塊6，超聲波發(fā)生器7，計(jì)數(shù)、顯示模塊8，計(jì)數(shù)預(yù)置模塊9，計(jì)數(shù)值與計(jì)數(shù)閾 值比較模塊10，比較結(jié)果延時(shí)采樣與保持模塊ll，小額灌溉系統(tǒng)12，超聲波發(fā)射和接收部 分分為兩路，為對(duì)稱結(jié)構(gòu)， 一路和參考作物有關(guān)，它們是超聲波發(fā)射頭高電壓差分驅(qū)動(dòng)模塊 A14，參考作物上方超聲波發(fā)射頭16，參考作物上方超聲波接收頭18，差分放大器A20，增益 控制放大器A22，高Q值帶通濾波器A24，半波整流器A26，變指數(shù)放大器A28，門限比較模塊 A30，微分和過零檢測(cè)模塊A32 ;另一路和檢測(cè)作物有關(guān)，它們是超聲波發(fā)射頭高電壓差分 驅(qū)動(dòng)模塊B13，檢測(cè)作物上方超聲波發(fā)射頭15，檢測(cè)作物上方超聲波接收頭17，差分放大器 B19，增益控制放大器B21，高Q值帶通濾波器B23，半波整流器B25，變指數(shù)放大器B27，門限 比較模塊B29，微分和過零檢測(cè)模塊B31， 本發(fā)明的控制裝置各部分連接如圖3所示，光照閾值檢測(cè)模塊1輸出端和光照積 分閾值檢測(cè)模塊2連接；光照積分閾值檢測(cè)模塊2輸出端分別與超聲波發(fā)射間隔控制模塊 3和比較結(jié)果延時(shí)采樣與保持模塊11連接；超聲波發(fā)射間隔控制模塊3輸出端分別與計(jì)數(shù) 啟、閉控制模塊4和超聲波脈沖個(gè)數(shù)控制設(shè)置模塊6連接；計(jì)數(shù)用振蕩器5輸出端和計(jì)數(shù) 啟、閉控制模塊4連接；計(jì)數(shù)啟、閉控制模塊4輸出端分別與計(jì)數(shù)、顯示模塊8和比較結(jié)果延 時(shí)采樣與保持模塊11連接；計(jì)數(shù)、顯示模塊8輸出端和計(jì)數(shù)值與計(jì)數(shù)閾值比較模塊10連 接；計(jì)數(shù)預(yù)置模塊9輸出端和計(jì)數(shù)值與計(jì)數(shù)閾值比較模塊10連接；計(jì)數(shù)值與計(jì)數(shù)閾值比較 模塊10輸出端和比較結(jié)果延時(shí)采樣與保持模塊11連接；比較結(jié)果延時(shí)采樣與保持模塊11 輸出端和小額灌溉系統(tǒng)12連接；超聲波脈沖個(gè)數(shù)控制設(shè)置模塊6輸出端和超聲波發(fā)生器7 連接；超聲波發(fā)生器7的輸出分為兩路，為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，一路經(jīng)過參考作物上方，用于啟動(dòng)計(jì) 數(shù)、顯示模塊8的計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，另一路經(jīng)過檢測(cè)作物上方，用于關(guān)閉計(jì)數(shù)、顯示模塊8的計(jì)數(shù) 器計(jì)數(shù)，參考作物超聲波發(fā)生器7輸出端和超聲波發(fā)射頭高電壓差分驅(qū)動(dòng)模塊A14連接； 超聲波發(fā)射頭高電壓差分驅(qū)動(dòng)模塊A14輸出端和參考作物上方超聲波發(fā)射頭16連接；參考 作物上方超聲波接收頭18輸出端和差分放大器A20連接；差分放大器A20輸出端和增益控 制放大器A22連接；增益控制放大器A22輸出端和高Q值帶通濾波器A24連接；高Q值帶通 濾波器A24輸出端和半波整流器A26連接；半波整流器A26輸出端和變指數(shù)放大器A28連 接；變指數(shù)放大器A28輸出端和門限比較模塊A30連接；門限比較模塊A30輸出端與微分 和過零檢測(cè)模塊A32連接；微分和過零檢測(cè)模塊A32輸出端與計(jì)數(shù)啟、閉控制模塊4連接， 用于啟動(dòng)計(jì)數(shù)、顯示模塊8的計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)。檢測(cè)作物超聲波發(fā)生器7輸出端和超聲波發(fā)射 頭高電壓差分驅(qū)動(dòng)模塊B13連接；超聲波發(fā)射頭高電壓差分驅(qū)動(dòng)模塊B13輸出端和檢測(cè)作 物上方超聲波發(fā)射頭15連接；檢測(cè)作物上方超聲波接收頭17輸出端和差分放大器B19連 接；差分放大器B19輸出端和增益控制放大器B21連接；增益控制放大器B21輸出端和高Q
22值帶通濾波器B23連接；高Q值帶通濾波器B23輸出端和半波整流器B25連接；半波整流器 B25輸出端和變指數(shù)放大器B27連接；變指數(shù)放大器B27輸出端和門限比較模塊B29連接； 門限比較模塊B29輸出端與微分和過零檢測(cè)模塊B31連接；微分和過零檢測(cè)B31輸出端與 計(jì)數(shù)啟、閉控制模塊4連接，用于關(guān)閉計(jì)數(shù)、顯示模塊8的計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，
本發(fā)明的控制裝置工作流程如圖2、圖3所示，光照閾值檢測(cè)模塊1始終處于工作 狀態(tài)，晴好天氣，太陽升起，當(dāng)光照達(dá)到所設(shè)定的閾值后，光照閾值檢測(cè)模塊1啟動(dòng)光照積 分閾值檢測(cè)模塊2對(duì)光照強(qiáng)度進(jìn)行積分，當(dāng)達(dá)到所設(shè)定的光照積分閾值后，進(jìn)入檢測(cè)時(shí)間 窗口，控制裝置從休眠狀態(tài)被喚醒，光照積分閾值檢測(cè)模塊2的輸出分為兩路，一路使比較 結(jié)果延時(shí)采樣與保持模塊11解除復(fù)位狀態(tài)；另一路啟動(dòng)超聲波發(fā)射間隔控制模塊3工作， 超聲波發(fā)射間隔控制模塊3按設(shè)定的時(shí)間間隔發(fā)出啟動(dòng)信號(hào)，該啟動(dòng)信號(hào)分為兩路，一路 啟動(dòng)超聲波脈沖個(gè)數(shù)控制設(shè)置模塊6控制超聲波發(fā)生器7產(chǎn)生一組超聲波脈沖串，超聲波 脈沖串包含的脈沖個(gè)數(shù)由超聲波脈沖個(gè)數(shù)控制設(shè)置模塊6預(yù)先設(shè)定；另一路送入計(jì)數(shù)啟、 閉控制模塊4，在計(jì)數(shù)啟、閉控制模塊4的內(nèi)部由該啟動(dòng)信號(hào)的上升沿觸發(fā)產(chǎn)生一個(gè)被展寬 了的復(fù)位信號(hào)，使計(jì)數(shù)啟、閉控制模塊4復(fù)位，展寬復(fù)位信號(hào)是為了避免參考作物上方超聲 波發(fā)射頭16泄露的超聲波直接進(jìn)入?yún)⒖甲魑锷戏匠暡ń邮疹^18非正常啟動(dòng)計(jì)數(shù)、顯示 模塊8的計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)和避免檢測(cè)作物上方超聲波發(fā)射頭15泄露的超聲波直接進(jìn)入檢測(cè)作 物上方超聲波接收頭17非正常關(guān)閉計(jì)數(shù)、顯示模塊8的計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，超聲波發(fā)生器7產(chǎn)生 的超聲波脈沖串分為兩路，為對(duì)稱結(jié)構(gòu)， 一路經(jīng)過參考作物上方，用于啟動(dòng)計(jì)數(shù)、顯示模塊8 的計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，另一路經(jīng)過檢測(cè)作物上方，用于關(guān)閉計(jì)數(shù)、顯示模塊8的計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，參考 作物超聲波發(fā)生器7輸出的超聲波脈沖串送入超聲波發(fā)射頭高電壓差分驅(qū)動(dòng)模塊A14進(jìn) 行功率放大，驅(qū)動(dòng)參考作物上方超聲波發(fā)射頭16向參考作物上方超聲波反射板45發(fā)射超 聲波，參考作物上方超聲波反射板45反射回來的超聲波被參考作物上方超聲波接收頭18 所接收，參考作物上方超聲波接收頭18所接的收超聲波信號(hào)送入差分放大器A20進(jìn)行初步 放大，采用差分放大的形式是為了更好的抑制共模噪聲提高信噪比，經(jīng)差分放大后，送入增 益控制放大器A22進(jìn)一步放大到所要求的幅度，經(jīng)增益控制放大后，送入高Q值帶通濾波器 A24進(jìn)行帶通濾波，濾除帶外噪音，同時(shí)降低偏離主頻的信號(hào)幅度，經(jīng)帶通濾波后，送入半波 整流器A26進(jìn)行半波整流，去掉半周后，送入變指數(shù)放大器A28，作為一個(gè)固定電壓的指數(shù) 對(duì)該固定電壓進(jìn)行變指數(shù)放大，變指數(shù)放大的目的，是在不改變剩下半周各脈沖峰值點(diǎn)相 對(duì)時(shí)間位置的情況下，拉開各脈沖峰值點(diǎn)的振幅差距，同時(shí)使各脈沖峰值點(diǎn)兩側(cè)更加陡峭， 方便識(shí)別振幅最大的脈沖及其峰值點(diǎn)的準(zhǔn)確位置，經(jīng)變指數(shù)放大后，送入門限比較模塊A30 進(jìn)行門限檢領(lǐng)U，找出振幅最大的脈沖，再送入微分和過零檢測(cè)模塊A32，進(jìn)行微分和過零檢 測(cè)，找出振幅最大脈沖峰值點(diǎn)，通過計(jì)數(shù)啟、閉控制模塊4啟動(dòng)計(jì)數(shù)、顯示模塊8的計(jì)數(shù)器 計(jì)數(shù)，檢測(cè)作物超聲波發(fā)生器7輸出的超聲波脈沖串送入超聲波發(fā)射頭高電壓差分驅(qū)動(dòng) 模塊B13進(jìn)行功率放大，驅(qū)動(dòng)檢測(cè)作物上方超聲波發(fā)射頭15向檢測(cè)作物上方超聲波反射 板47發(fā)射超聲波，檢測(cè)作物上方超聲波反射板47反射回來的超聲波被參考作物上方超聲 波接收頭17所接收，檢測(cè)作物上方超聲波接收頭17所接的收超聲波信號(hào)送入差分放大器 B19進(jìn)行初步放大，采用差分放大的形式是為了更好的抑制共模噪聲提高信噪比，經(jīng)差分放 大后，送入增益控制放大器B21進(jìn)一步放大到所要求的幅度，經(jīng)增益控制放大后，送入高Q 值帶通濾波器B23進(jìn)行帶通濾波，濾除帶外噪音，同時(shí)降低偏離主頻的信號(hào)幅度，經(jīng)帶通濾波后，送入半波整流器B25進(jìn)行半波整流，去掉半周后送入變指數(shù)放大器B27，作為一個(gè)固 定電壓的指數(shù)對(duì)該固定電壓進(jìn)行變指數(shù)放大，變指數(shù)放大的目的，是在不改變剩下半周各 脈沖峰值點(diǎn)相對(duì)時(shí)間位置的情況下，拉開各脈沖峰值點(diǎn)的振幅差距，同時(shí)使各脈沖峰值點(diǎn) 兩側(cè)更加陡峭，方便識(shí)別振幅最大的脈沖及其峰值點(diǎn)的準(zhǔn)確位置，經(jīng)變指數(shù)放大后，送入門 限比較模塊B29進(jìn)行門限檢測(cè)，找出振幅最大的脈沖，再送入微分和過零檢測(cè)模塊B31，進(jìn) 行微分和過零檢測(cè)，找出振幅最大脈沖峰值點(diǎn)，通過計(jì)數(shù)啟、閉控制模塊4關(guān)閉計(jì)數(shù)、顯示 模塊8的計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)啟、閉控制模塊4關(guān)閉計(jì)數(shù)、顯示模塊8的計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)的同時(shí)啟 動(dòng)比較結(jié)果延時(shí)采樣與保持模塊11內(nèi)部的延時(shí)采樣電路工作；計(jì)數(shù)、顯示模塊8的計(jì)數(shù)器 計(jì)數(shù)結(jié)果和計(jì)數(shù)預(yù)置模塊9預(yù)先設(shè)定的計(jì)數(shù)閾值送入計(jì)數(shù)值與計(jì)數(shù)閾值比較模塊10進(jìn)行 比較，比較結(jié)果送入比較結(jié)果延時(shí)采樣與保持模塊11以供讀取，比較結(jié)果延時(shí)采樣與保持 模塊11經(jīng)適當(dāng)延時(shí)待比較結(jié)果穩(wěn)定后，對(duì)比較結(jié)果進(jìn)行采樣和保持，再送入小額灌溉系統(tǒng) 12，如果比較結(jié)果是計(jì)數(shù)、顯示模塊8的計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)值小于計(jì)數(shù)預(yù)置模塊9預(yù)先設(shè)定的計(jì)數(shù) 閾值，小額灌溉系統(tǒng)12將被啟動(dòng)，進(jìn)行小額灌溉，太陽降落，當(dāng)光照低于所設(shè)定的閾值后， 光照閾值檢測(cè)模塊1的輸出使光照積分閾值檢測(cè)模塊2的積分值清零復(fù)位，退出了檢測(cè)時(shí) 間窗口 ，停止超聲波發(fā)射間隔控制模塊3工作并使比較結(jié)果延時(shí)采樣與保持模塊11復(fù)位同 時(shí)熄滅數(shù)碼管顯示，控制裝置進(jìn)入了休眠狀態(tài)以節(jié)省電力消耗， 所述的檢測(cè)時(shí)間窗口，達(dá)到光照積分閾值是進(jìn)入檢測(cè)時(shí)間窗口的必要條件，陰天 達(dá)不到光照閾值，光照積分閾值檢測(cè)模塊2的積分值仍處于被清零復(fù)位狀態(tài)，多云天氣即 使某個(gè)時(shí)刻達(dá)到了光照閾值，光照閾值檢測(cè)模塊1的輸出啟動(dòng)了光照積分閾值檢測(cè)模塊2 對(duì)光照強(qiáng)度進(jìn)行了積分，但，在達(dá)到光照積分閾值前的某個(gè)時(shí)刻，光照又低于了所設(shè)定的閾 值，光照閾值檢測(cè)模塊1的輸出將使光照積分閾值檢測(cè)模塊2的積分值重新被清零復(fù)位，仍 達(dá)不到光照積分閾值，因此，陰天和多云天氣都進(jìn)入不了檢測(cè)時(shí)間窗口，控制裝置仍處于休 眠狀態(tài)不會(huì)改變，通過調(diào)整光照閾值和光照積分閾值使檢測(cè)時(shí)間窗口落在晴好天氣的中午 12時(shí)至下午16時(shí)之間， 所述的計(jì)數(shù)預(yù)置模塊9預(yù)先設(shè)定的計(jì)數(shù)閾值是這樣確定的，首先，根據(jù)所種植 作物對(duì)干旱的敏感性，確定需要灌溉時(shí)的超聲波渡越時(shí)間作物缺水指數(shù)Ultrasonic T0F CWSI，然后，取上次小額灌溉后第4天(陰雨多云天氣順延)午后14時(shí)計(jì)數(shù)、顯示模塊8的 計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)值，作為A tp，將Ultrasonic T0F CWSI和A tP代入公式(1-8)，即
計(jì)數(shù)閾值=(1-Ultrasonic TOF CWSI) A tP 實(shí)施例見圖2，位于正南方向的太陽40，在圖中用來指示方位；46是由東向西水 平種植的檢測(cè)作物；支架41用來固定下述各部分的相對(duì)位置；由東向西一字水平排列相互 留有適當(dāng)間隙的若干橫著放置的長(zhǎng)方形模擬葉42和位于模擬葉42南北兩側(cè)的擋風(fēng)板43、 44組成了不產(chǎn)生蒸騰的參考作物； 在參考作物水平一字布置的東端，位于參考作物的正上方垂直于參考作物水平一 字布置方向水平依次安裝了參考作物上方超聲波發(fā)射頭16和參考作物上方超聲波接收頭 18，在參考作物上方超聲波發(fā)射頭16和參考作物上方超聲波接收頭18順著參考作物水平 一字布置方向的正前方，參考作物水平一字布置的西端，位于參考作物的正上方垂直于參 考作物水平一字布置方向安裝了參考作物上方超聲波反射板45 ;在距參考作物上方超聲 波發(fā)射頭16和參考作物上方超聲波接收頭18較遠(yuǎn)的正下方，距檢測(cè)作物46較近的正上方垂直于檢測(cè)作物46水平種植方向水平依次對(duì)應(yīng)安裝了檢測(cè)作物上方超聲波發(fā)射頭15和檢 測(cè)作物上方超聲波接收頭17，在檢測(cè)作物上方超聲波發(fā)射頭15和檢測(cè)作物上方超聲波接 收頭17順著檢測(cè)作物46水平種植方向的正前方，位于檢測(cè)作物46的正上方垂直于檢測(cè)作 物46水平種植方向安裝了檢測(cè)作物上方超聲波反射板47，檢測(cè)作物上方超聲波發(fā)射頭15 和檢測(cè)作物上方超聲波接收頭17到檢測(cè)作物上方超聲波反射板47的距離與參考作物上方 超聲波發(fā)射頭16和參考作物上方超聲波接收頭18到參考作物上方超聲波反射板45的距 離相等。 圖4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15為本發(fā)明的實(shí)施例電路圖，與圖3的對(duì)應(yīng)關(guān) 系如下 圖4中的集成電路U15B、光敏電阻GR2和電位器RV2組成了圖3的光照閾值檢測(cè) 模塊1 ，其中，RV2用于調(diào)整光照閾值。圖4中的集成電路U23、Ul3、電容C46、光敏電阻GR1 、 電位器RV1、電阻R8、電阻R15、發(fā)光二極管LED2組成了圖3的光照積分閾值檢測(cè)模塊2，其 中，電位器RV1用于調(diào)整光照積分閾值，發(fā)光二極管LED2用于指示光照積分閾值檢測(cè)模塊 2的工作狀態(tài)。圖4中的集成電路U15D、U15C、電容51、電阻R16、R19組成了圖3的超聲波 發(fā)射間隔控制模塊3。圖5中的集成電路U6的左半部、U14、撥碼開關(guān)S1、二極管D2、D3、電 阻R17組成了圖3的超聲波脈沖個(gè)數(shù)控制設(shè)置模塊6，其中的二極管D2、 D3、電阻R17用于 保證超聲波發(fā)生器7產(chǎn)生的每組超聲波脈沖串的最后一個(gè)脈沖的波形完整。圖5中的集成 電路U24A、 U24B、 U24C、 U24D、電阻R18、 R7、電位器RV3、電容C52、二極管D4、 D5組成了圖3 的超聲波發(fā)生器7，其中，電位器RV3用于調(diào)整超聲波頻率，二極管D4、D5用于保證超聲波發(fā) 生器7的振蕩器第一個(gè)周期與隨后周期的一致性。圖6中的集成電路U21、電容C36、 C39、 C40、C41、C47、C48組成了圖3的超聲波發(fā)射頭高電壓差分驅(qū)動(dòng)模塊A14。圖6中的集成電 路U22、電容C38、C42、C43、C44、C49、C50組成了圖3的超聲波發(fā)射頭高電壓差分驅(qū)動(dòng)模塊 B13。圖7中的集成電路U11、U12、U16、三極管Q2、Q3、電阻R3、R4、R9、RIO、R12、R13和圖5 中的集成電路U6的右半部、電阻R20、二極管D6、電容C65組成了圖3的計(jì)數(shù)啟、閉控制模 塊4。圖8中的集成振蕩模塊0SC1組成了圖3的計(jì)數(shù)用振蕩器5。圖8中的集成電路U17、 U18、U19、U20和圖9中的集成電路U7、U8、U9、U10、數(shù)碼管SM1、 SM2、 SM3、 SM4及圖4中的 三極管Q4、電阻R14、R11組成了圖3的計(jì)數(shù)、顯示模塊8。圖10中的電阻排ZP1、ZP2、ZP3、 ZP4、 BCD撥碼開關(guān)SB1、 SB2、 SB3、 SB4組成了圖3的計(jì)數(shù)預(yù)置模塊9。圖11中的集成電路 U1、U2、U3、U4組成了圖3的計(jì)數(shù)值與計(jì)數(shù)閾值比較模塊IO，圖11中的集成電路U5、三極管 Ql、二極管Dl、電容C9、電阻Rl、 R2、 R5、 R6、發(fā)光二極管LED1和圖4中的集成電路U15A組 成了圖3的比較結(jié)果延時(shí)采樣與保持模塊ll，其中的發(fā)光二極管LEDl用于指示計(jì)數(shù)值與 計(jì)數(shù)閾值比較結(jié)果。圖12中的集成電路U25、電阻R21、R22、R23、R24、R25、R26、R27、電容 C51、C52、C53、C54、C55組成了圖3的差分放大器A20，其中的電阻R21、R22、R23、R24、電容 C51、 C52、 C53、 C54、 C55組成了無源濾波器用于抑制帶外噪聲，R23、 R24同時(shí)為U25輸入偏 置電流提供一個(gè)DC返回路徑。圖12中的集成電路U26、電阻R28、R29、R30、電位器RV4、電 容C60、 C61、 C62、 C63、 C64、 C67、 C68組成了圖3的增益控制放大器A22，其中，電位器RV4 用于調(diào)整放大增益。圖13中的集成電路U27、電阻R31、R32、R33、R34、R35、R36、R37、R38、 電容C71、 C72組成了圖3的高Q值帶通濾波器A24，圖13中的二極管D7、電阻R39組成了 圖3的半波整流器A26，圖13中的集成電路U28、電阻R40、R41、R42、電容C79、精密電壓基準(zhǔn)DVl組成了圖3的變指數(shù)放大器A28，圖13中的集成電路U29、電阻R43、R44、電容C80組 成了圖3的門限比較模塊A30，圖13中的集成電路U30、電阻R45、R46、R47、R48、電容C82、 三極管Q5組成了圖3的微分和過零檢測(cè)模塊A32，圖14中的集成電路U31、電阻R49、R50、 R51、 R52、 R53、 R54、 R55、電容C88、 C89、 C90、 C91、 C92組成了圖3的差分放大器B19，其中 的電阻R49 、 R50 、 R51 、 R52 、電容C88 、 C89 、 C90 、 C91 、 C92組成了無源濾波器用于抑制帶外噪 聲，R51、 R52同時(shí)為B31輸入偏置電流提供一個(gè)DC返回路徑。圖14中的集成電路U32、電 阻R56、R57、R58、電位器RV5、電容C97、C98、C99、C100、C101、C104、C105組成了圖3的增益 控制放大器B21，其中，電位器RV5用于調(diào)整放大增益。圖15中的集成電路U33、電阻R59、 R60、 R61、 R62、 R63、 R64、 R65、 R66、電容C106、 C107組成了圖3的高Q值帶通濾波器B23， 圖15中的二極管D8、電阻R67組成了圖3的半波整流器B25，圖15中的集成電路U34、電阻 R68、 R69、 R70、電容C112、精密電壓基準(zhǔn)DV2組成了圖3的變指數(shù)放大器B27，圖15中的集 成電路U35、電阻R71 、R72、電容CI 17組成了圖3的門限比較模塊B29，圖15中的集成電路 U36、電阻R73、R74、R75、R76、電容C119、三極管Q6組成了圖3的微分和過零檢測(cè)模塊B31。
未說明的電容均為電源旁路濾波電容。集成電路U1、U2、U2、U4型號(hào)為74LS85， U5、U6型號(hào)為CD4013， U7、U8、U9、U10型號(hào)為74LS248, U11、U12型號(hào)為6N137， U13、U14型 號(hào)為CD4017, U15型號(hào)為CD4093, U16型號(hào)為74HC74, U17、 U18、 U19、 U20型號(hào)為74LS160, U21、 U22型號(hào)為恵232， U23型號(hào)為CD4060, U24型號(hào)為CD4011， U25、 U31型號(hào)為AD830， U26、 U32型號(hào)為AD605, U27、 U33型號(hào)為MAX275， U28、 U34型號(hào)為VCA810， U29、 U35型號(hào)為 LM360， U30、U36型號(hào)為L(zhǎng)M361。集成振蕩器模i央0SC1頻率為20M。
2權(quán)利要求
一種根據(jù)作物缺水程度控制灌溉的方法，其特征在于首先，將不會(huì)產(chǎn)生蒸騰的參考作物置于與檢測(cè)作物(46)環(huán)境相同的地方，參考作物水平一字布置；在參考作物水平一字布置的一端，位于參考作物的正上方垂直于參考作物水平一字布置方向，水平依次安裝有參考作物上方超聲波發(fā)射頭(16)和參考作物上方超聲波接收頭(18)；在參考作物上方超聲波發(fā)射頭(16)和參考作物上方超聲波接收頭(18)順著參考作物水平一字布置方向的正前方，參考作物水平一字布置的另一端，位于參考作物的正上方垂直于參考作物水平一字布置方向安裝有參考作物上方超聲波反射板(45)；位于檢測(cè)作物(46)的正上方垂直于檢測(cè)作物(46)水平種植方向水平，依次安裝有檢測(cè)作物上方超聲波發(fā)射頭(15)和檢測(cè)作物上方超聲波接收頭(17)；在檢測(cè)作物上方超聲波發(fā)射頭(15)和檢測(cè)作物上方超聲波接收頭(17)順著檢測(cè)作物(46)水平種植方向的正前方，位于檢測(cè)作物(46)的正上方垂直于檢測(cè)作物(46)水平種植方向安裝有檢測(cè)作物上方超聲波反射板(47)；檢測(cè)作物上方超聲波發(fā)射頭(15)和檢測(cè)作物上方超聲波接收頭(17)到檢測(cè)作物上方超聲波反射板(47)的距離與參考作物上方超聲波發(fā)射頭(16)和參考作物上方超聲波接收頭(18)到參考作物上方超聲波反射板(45)的距離相等；其次，由光照閾值檢測(cè)模塊(1)和光照積分閾值檢測(cè)模塊(2)確定檢測(cè)時(shí)間窗口，當(dāng)光照達(dá)到所設(shè)定的閾值后，光照閾值檢測(cè)模塊(1)啟動(dòng)光照積分閾值檢測(cè)模塊(2)對(duì)光照強(qiáng)度進(jìn)行積分，當(dāng)達(dá)到所設(shè)定的光照積分閾值后，進(jìn)入檢測(cè)時(shí)間窗口，當(dāng)光照低于所設(shè)定的閾值后，光照閾值檢測(cè)模塊(1)的輸出使光照積分閾值檢測(cè)模塊(2)的積分值清零復(fù)位，退出檢測(cè)時(shí)間窗口；第三，進(jìn)入檢測(cè)時(shí)間窗口后，超聲波發(fā)射間隔控制模塊(3)被啟動(dòng)，按時(shí)間間隔控制超聲波發(fā)生器(6)產(chǎn)生一組超聲波脈沖串，該脈沖串分為兩路，一路通過參考作物上方超聲波發(fā)射頭(16)，另一路通過檢測(cè)作物上方超聲波發(fā)射頭(15)，同時(shí)發(fā)送出去；當(dāng)參考作物上方超聲波接收頭(18)收到被參考作物上方超聲波反射板(45)反射回來的超聲波后，確認(rèn)超聲波到達(dá)的時(shí)間點(diǎn)，在確認(rèn)超聲波到達(dá)的時(shí)間點(diǎn)上啟動(dòng)計(jì)數(shù)、顯示模塊(8)的計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，當(dāng)檢測(cè)作物上方超聲波接收頭(17)收到被檢測(cè)作物上方超聲波反射板(47)反射回來的超聲波后，確認(rèn)超聲波到達(dá)的時(shí)間點(diǎn)，在確認(rèn)超聲波到達(dá)的時(shí)間點(diǎn)上關(guān)閉計(jì)數(shù)、顯示模塊(8)的計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)；第四，將計(jì)數(shù)、顯示模塊(8)的計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值與根據(jù)超聲波渡越時(shí)間作物缺水指數(shù)通過計(jì)數(shù)預(yù)置模塊(9)預(yù)先設(shè)定的計(jì)數(shù)閾值進(jìn)行比較，如果計(jì)數(shù)、顯示模塊(8)的計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值小于計(jì)數(shù)預(yù)置模塊(9)所設(shè)定的計(jì)數(shù)閾值，作物缺水達(dá)到了需要灌溉的程度，將啟動(dòng)小額灌溉系統(tǒng)(12)；第五，退出檢測(cè)時(shí)間窗口后，超聲波發(fā)射間隔控制模塊(3)被關(guān)閉，除光照閾值檢測(cè)模塊(1)仍在工作外，其余進(jìn)入休眠狀態(tài)以節(jié)省電力消耗。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的根據(jù)作物缺水程度控制灌溉的方法，其特征在于所述的參 考作物由一字水平排列相互留有間隙的各個(gè)橫著放置的長(zhǎng)方形模擬葉(42)和順著模擬葉 (42) —字水平排列方向位于模擬葉(42)兩側(cè)的前擋風(fēng)板(43)、后擋風(fēng)板(44)組成。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的根據(jù)作物缺水程度控制灌溉的方法，其特征在于所述的檢 測(cè)時(shí)間窗口，達(dá)到光照積分閾值是進(jìn)入檢測(cè)時(shí)間窗口的必要條件，陰天達(dá)不到光照閾值，光 照積分閾值檢測(cè)模塊(2)的積分值仍處于被清零復(fù)位狀態(tài)，多云天氣即使某個(gè)時(shí)刻達(dá)到了光照閾值，光照閾值檢測(cè)模塊(1)的輸出啟動(dòng)了光照積分閾值檢測(cè)模塊(2)對(duì)光照強(qiáng)度進(jìn) 行了積分，但在達(dá)到光照積分閾值前的某個(gè)時(shí)刻，光照又低于了所設(shè)定的閾值，光照閾值檢 測(cè)模塊(1)的輸出將使光照積分閾值檢測(cè)模塊(2)的積分值重新被清零復(fù)位，仍達(dá)不到光 照積分閾值，陰天和多云天氣都進(jìn)入不了檢測(cè)時(shí)間窗口，通過調(diào)整光照閾值和光照積分閾 值使檢測(cè)時(shí)間窗口落在晴好天氣的中午12時(shí)至下午16時(shí)之間。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的根據(jù)作物缺水程度控制灌溉的方法，其特征在于所述的通 過參考作物上方超聲波發(fā)射頭(16)和檢測(cè)作物上方超聲波發(fā)射頭(15)同時(shí)發(fā)送的超聲波 脈沖串，具有相同的頻率和相位，包含有相同的脈沖個(gè)數(shù)，脈沖個(gè)數(shù)以接收到的超聲波脈沖 串波形仍呈"菱形"為上限。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的根據(jù)作物缺水程度控制灌溉的方法，其特征在于所述的 超聲波到達(dá)的時(shí)間點(diǎn)是這樣確認(rèn)的參考作物上方超聲波接收頭(18)和檢測(cè)作物上方超 聲波接收頭(17)分別收到參考作物上方超聲波反射板(45)和檢測(cè)作物上方超聲波反射 板(47)反射回來的超聲波后，分別送入差分放大器A(20)、差分放大器B(19)，經(jīng)差分放大 后，分別送入增益控制放大器A (22)、增益控制放大器B (21)，經(jīng)增益控制放大后，分別送入 高Q值帶通濾波器A(24)、高Q值帶通濾波器B(23)，經(jīng)帶通濾波后，分別送入半波整流器 A(26)、半波整流器B(25)進(jìn)行半波整流，去掉半周后，分別送入變指數(shù)放大器A(28)、變指 數(shù)放大器B(27)，分別作為一個(gè)固定電壓的指數(shù)分別對(duì)該固定電壓進(jìn)行變指數(shù)放大，在不改 變剩下半周各脈沖峰值點(diǎn)相對(duì)時(shí)間位置的情況下，拉開各脈沖峰值點(diǎn)的振幅差距，同時(shí)使 各脈沖峰值點(diǎn)兩側(cè)更加陡峭，經(jīng)變指數(shù)放大后，分別送入門限比較模塊A (30)、門限比較模 塊B(29)進(jìn)行門限檢測(cè)，找出振幅最大的脈沖，再分別送入微分和過零檢測(cè)模塊A(32)、微 分和過零檢測(cè)模塊B (31)，進(jìn)行微分和過零檢測(cè)，找出各自振幅最大脈沖峰值點(diǎn)，分別為參 考作物上方超聲波接收頭(18)收到被參考作物上方超聲波反射板(45)反射回來的超聲波 到達(dá)的時(shí)間點(diǎn)和檢測(cè)作物上方超聲波接收頭(17)收到被檢測(cè)作物上方超聲波反射板(47) 反射回來的超聲波到達(dá)的時(shí)間點(diǎn)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的根據(jù)作物缺水程度控制灌溉的方法，其特征在于所述的超 聲波渡越時(shí)間作物缺水指數(shù)是這樣定義的，超聲波渡越時(shí)間作物缺水指數(shù)UltrasonicTOF CWSI =1 ——包 (l一8)Az〃(1-8)式中At為實(shí)際的檢測(cè)作物冠層上方與參考作物冠層上方的超聲波渡越時(shí)間 差，Atp為潛在或最大的檢測(cè)作物冠層上方與參考作物冠層上方的超聲波渡越時(shí)間差，AtP 可用充分供水時(shí)實(shí)測(cè)的最大A t值代替，參考作物冠層指的是參考作物接受太陽輻射的模 擬葉部分；當(dāng)作物不缺水時(shí)因作物植株蒸騰而產(chǎn)生的降溫幅度最大，與之對(duì)應(yīng)的檢測(cè)作物 冠層上方與參考作物冠層上方的超聲波渡越時(shí)間差A(yù)t最大，與A tp相同，Ultrasonic TOF CWSI計(jì)算結(jié)果為O，表示檢測(cè)作物不缺水，同理，當(dāng)作物完全水分脅迫使作物植株蒸騰停止 時(shí)，因作物植株蒸騰而產(chǎn)生的降溫幅度最小，與之對(duì)應(yīng)的檢測(cè)作物冠層上方與參考作物冠 層上方的超聲波渡越時(shí)間差A(yù)t最小，At為0，Ultrasonic T0FCWSI計(jì)算結(jié)果為l，表示檢 測(cè)作物停止蒸騰處于完全水分脅迫狀態(tài)，Ultrasonic TOF CWSI是指示作物水分虧缺程度， 處于0和1之間的數(shù)值量，數(shù)值越大表示作物缺水程度越高，所述的計(jì)數(shù)、顯示模塊(8)的計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值是超聲波渡越時(shí)間作物缺水指數(shù)計(jì)算公式(1-8)中的"實(shí)際的檢測(cè)作物冠層上方與參考作物冠層上方的超聲波渡越時(shí)間差A(yù)t"， 公式(1-8)中的潛在或最大的檢測(cè)作物冠層上方與參考作物冠層上方的超聲波渡越時(shí)間 差A(yù)tp，用灌溉后根系土壤充分侵潤(rùn)，作物供水充足時(shí)實(shí)測(cè)的最大At值代替，對(duì)于小額灌 溉，用灌溉后第4天午后14時(shí)計(jì)數(shù)、顯示模塊(8)的計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值；所述的計(jì)數(shù)預(yù)置模塊(9)預(yù)先設(shè)定的計(jì)數(shù)閾值是這樣確定的，首先，根據(jù)所種植作物 對(duì)干旱的敏感性，確定需要灌溉時(shí)的超聲波渡越時(shí)間作物缺水指數(shù)Ultrasonic T0F CWSI， 然后，取上次小額灌溉后第4天午后14時(shí)計(jì)數(shù)、顯示模塊(8)的計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值，作為Atp， 將Ultrasonic T0F CWSI和A tP代入公式(1-8)，即計(jì)數(shù)閾值=(1-UltrasonicTOFCWSI) A tP。
7. —種根據(jù)作物缺水程度控制灌溉的裝置，其特征在于將不會(huì)產(chǎn)生蒸騰的參考作物 置于與檢測(cè)作物(46)環(huán)境相同的地方，參考作物水平一字布置，在參考作物水平一字布置 的一端，位于參考作物的正上方垂直于參考作物水平一字布置方向水平，依次安裝有參考 作物上方超聲波發(fā)射頭(16)和參考作物上方超聲波接收頭(18);在參考作物上方超聲波 發(fā)射頭(16)和參考作物上方超聲波接收頭(18)順著參考作物水平一字布置方向的正前 方，參考作物水平一字布置的另一端，位于參考作物的正上方垂直于參考作物水平一字布 置方向安裝有參考作物上方超聲波反射板(45);位于檢測(cè)作物(46)的正上方垂直于檢測(cè) 作物(46)水平種植方向水平，依次安裝有檢測(cè)作物上方超聲波發(fā)射頭(15)和檢測(cè)作物上 方超聲波接收頭(17);在檢測(cè)作物上方超聲波發(fā)射頭(15)和檢測(cè)作物上方超聲波接收頭 (17)順著檢測(cè)作物(46)水平種植方向的正前方，位于檢測(cè)作物(46)的正上方垂直于檢測(cè) 作物(46)水平種植方向安裝有檢測(cè)作物上方超聲波反射板(47);檢測(cè)作物上方超聲波發(fā) 射頭(15)和檢測(cè)作物上方超聲波接收頭(17)到檢測(cè)作物上方超聲波反射板(47)的距離 與參考作物上方超聲波發(fā)射頭(16)和參考作物上方超聲波接收頭(18)到參考作物上方超 聲波反射板(45)的距離相等；控制裝置包括如下各部分光照閾值檢測(cè)模塊(l)，光照積分閾值檢測(cè)模塊(2)，超聲 波發(fā)射間隔控制模塊(3)，計(jì)數(shù)啟、閉控制模塊(4)，計(jì)數(shù)用振蕩器(5)，超聲波脈沖個(gè)數(shù)控 制設(shè)置模塊(6)，超聲波發(fā)生器(7)，計(jì)數(shù)、顯示模塊(8)，計(jì)數(shù)預(yù)置模塊(9)，計(jì)數(shù)值與計(jì)數(shù) 閾值比較模塊(IO)，比較結(jié)果延時(shí)采樣與保持模塊(ll)，小額灌溉系統(tǒng)(12);超聲波發(fā)射 和接收部分分為對(duì)稱結(jié)構(gòu)的兩路， 一路和參考作物有關(guān)，它們是超聲波發(fā)射頭高電壓差分 驅(qū)動(dòng)模塊A(14)，參考作物上方超聲波發(fā)射頭(16)，參考作物上方超聲波接收頭(1S)，差分 放大器A (20)，增益控制放大器A (22)，高Q值帶通濾波器A (24)，半波整流器A (26)，變指數(shù) 放大器A (28)，門限比較模塊A (30)，微分和過零檢測(cè)模塊A (32)，另一路和檢測(cè)作物有關(guān)， 它們是超聲波發(fā)射頭高電壓差分驅(qū)動(dòng)模塊B (13)，檢測(cè)作物上方超聲波發(fā)射頭(15)，檢測(cè) 作物上方超聲波接收頭(17)，差分放大器B (19)，增益控制放大器B (21)，高Q值帶通濾波器 B (23)，半波整流器B (25)，變指數(shù)放大器B (27)，門限比較模塊B (29)，微分和過零檢測(cè)模塊 B(31);控制裝置各部分連接如下光照閾值檢測(cè)模塊(1)輸出端和光照積分閾值檢測(cè)模塊(2)連接；光照積分閾值檢測(cè)模塊(2)輸出端分別與超聲波發(fā)射間隔控制模塊(3)和比較 結(jié)果延時(shí)采樣與保持模塊(11)連接；超聲波發(fā)射間隔控制模塊(3)輸出端分別與計(jì)數(shù)啟、 閉控制模塊(4)和超聲波脈沖個(gè)數(shù)控制設(shè)置模塊(6)連接；計(jì)數(shù)用振蕩器(5)輸出端和計(jì)數(shù)啟、閉控制模塊(4)連接；計(jì)數(shù)啟、閉控制模塊(4)輸出端分別與計(jì)數(shù)、顯示模塊(8)和比 較結(jié)果延時(shí)采樣與保持模塊(11)連接；計(jì)數(shù)、顯示模塊(8)輸出端和計(jì)數(shù)值與計(jì)數(shù)閾值比 較模塊(10)連接；計(jì)數(shù)預(yù)置模塊(9)輸出端和計(jì)數(shù)值與計(jì)數(shù)閾值比較模塊(10)連接；計(jì)數(shù) 值與計(jì)數(shù)閾值比較模塊(10)輸出端和比較結(jié)果延時(shí)采樣與保持模塊(11)連接；比較結(jié)果 延時(shí)采樣與保持模塊(11)輸出端和小額灌溉系統(tǒng)(12)連接；超聲波脈沖個(gè)數(shù)控制設(shè)置模 塊(6)輸出端和超聲波發(fā)生器(7)連接；超聲波發(fā)生器(7)的輸出分為兩路，為對(duì)稱結(jié)構(gòu)， 一路經(jīng)過參考作物上方，用于啟動(dòng)計(jì)數(shù)、顯示模塊(8)的計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，另一路經(jīng)過檢測(cè)作物上方，用于關(guān)閉計(jì)數(shù)、顯示模塊(8)的計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，參考作物超聲波發(fā)生器(7)輸出端和超聲波發(fā)射頭高電壓差分驅(qū)動(dòng)模塊A(14)連接；超聲波發(fā)射頭高電壓差分驅(qū)動(dòng)模塊A(14)輸 出端和參考作物上方超聲波發(fā)射頭(16)連接；參考作物上方超聲波接收頭(18)輸出端和 差分放大器A(20)連接；差分放大器A(20)輸出端和增益控制放大器A(22)連接；增益控制 放大器A(22)輸出端和高Q值帶通濾波器A(24)連接；高Q值帶通濾波器A(24)輸出端和 半波整流器A(26)連接；半波整流器A(26)輸出端和變指數(shù)放大器A(28)連接；變指數(shù)放 大器A(28)輸出端和門限比較模塊A(30)連接；門限比較模塊A(30)輸出端與微分和過零 檢測(cè)模塊A(32)連接；微分和過零檢測(cè)模塊A(32)輸出端與計(jì)數(shù)啟、閉控制模塊(4)連接， 用于啟動(dòng)計(jì)數(shù)、顯示模塊(8)的計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，檢測(cè)作物超聲波發(fā)生器(7)輸出端和超聲波 發(fā)射頭高電壓差分驅(qū)動(dòng)模塊B(13)連接；超聲波發(fā)射頭高電壓差分驅(qū)動(dòng)模塊B(13)輸出端 和檢測(cè)作物上方超聲波發(fā)射頭(15)連接；檢測(cè)作物上方超聲波接收頭(17)輸出端和差分 放大器B(19)連接；差分放大器B(19)輸出端和增益控制放大器B(21)連接；增益控制放 大器B(21)輸出端和高Q值帶通濾波器B(23)連接；高Q值帶通濾波器B(23)輸出端和半 波整流器B(25)連接；半波整流器B(25)輸出端和變指數(shù)放大器B(27)連接；變指數(shù)放大 器B(27)輸出端和門限比較模塊B(29)連接；門限比較模塊B(29)輸出端與微分和過零檢 測(cè)模塊B(31)連接；微分和過零檢測(cè)模塊B(31)輸出端與計(jì)數(shù)啟、閉控制模塊(4)連接，用 于關(guān)閉計(jì)數(shù)、顯示模塊(8)的計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的根據(jù)作物缺水程度控制灌溉的裝置，其特征在于所述的參 考作物由一字水平排列相互留有間隙的各個(gè)橫著放置的長(zhǎng)方形模擬葉(42)和順著模擬葉 (42) —字水平排列方向位于模擬葉(42)兩側(cè)的前擋風(fēng)板(43)、后擋風(fēng)板(44)組成。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種根據(jù)作物缺水程度控制灌溉的方法及其裝置，用光照閾值和光照積分閾值確定檢測(cè)時(shí)間窗口，進(jìn)入檢測(cè)時(shí)間窗口后，按設(shè)定的時(shí)間間隔分別在挨近參考作物和檢測(cè)作物的上方，平行于各自下方作物所在平面，同時(shí)向等距的位于各自正前方的超聲波反射板發(fā)射超聲波，當(dāng)收到各自反射回來的超聲波后，分別啟動(dòng)和停止同一個(gè)計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，將計(jì)數(shù)值與根據(jù)超聲波渡越時(shí)間作物缺水指數(shù)設(shè)定的計(jì)數(shù)閾值進(jìn)行比較，如果計(jì)數(shù)值小于計(jì)數(shù)閾值，作物缺水達(dá)到了需要灌溉的程度，將啟動(dòng)灌溉。具有檢測(cè)參數(shù)少、沒有繁瑣計(jì)算、無檢測(cè)個(gè)體差異、非接觸測(cè)量、經(jīng)濟(jì)實(shí)用的優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)A01G25/16GK101790955SQ201010102820
公開日2010年8月4日 申請(qǐng)日期2010年1月29日 優(yōu)先權(quán)日2010年1月29日
發(fā)明者馮俊杰, 段愛旺, 賈艷輝, 高勝國(guó), 黃修橋 申請(qǐng)人:中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)田灌溉研究所