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

背景技術(shù)：

我國是一個水資源嚴重短缺的國家，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，近年來農(nóng)業(yè)用水量約占經(jīng)濟社會用水總量的62％，部分地區(qū)高達90％以上，農(nóng)業(yè)用水效率不高，節(jié)水潛力很大。同時我國還面臨著土地資源和農(nóng)業(yè)勞動力緊缺的嚴峻形勢。大力發(fā)展以規(guī)模化、節(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，實現(xiàn)資源節(jié)約，提高土地產(chǎn)出率、勞動生產(chǎn)率以及資源的利用率是必然要求。灌溉自動化是現(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)合應用，可最大限度的減少灌溉施肥用工，實現(xiàn)定量精確供水供肥，促進作物優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)，是今后發(fā)展的方向。目前，我國常用的智能灌溉系統(tǒng)主要有兩種，一種是依據(jù)墑情進行智能灌溉決策的灌溉系統(tǒng)，另一種是人工設(shè)定時序自動灌溉系統(tǒng)。

依據(jù)墑情進行智能灌溉決策的灌溉系統(tǒng)應用較為廣泛，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；自然降水會在通風口處進入設(shè)施土壤；傳統(tǒng)地面灌溉條件下地勢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格較高，生產(chǎn)中每個設(shè)施一般只能布置1個墑情傳感器，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)定時序自動灌溉系統(tǒng)需要根據(jù)農(nóng)事生產(chǎn)經(jīng)驗，綜合考慮作物、茬口及天氣的不斷變化，對管理者生產(chǎn)技術(shù)水平要求較高，且需要大量的手動調(diào)節(jié)，人工干擾因素大，比如，遇到連續(xù)陰天時，必須人工關(guān)閉時序自動灌溉系統(tǒng)或減少灌溉水量，否則會導致設(shè)施內(nèi)濕度過高，甚至導致作物感染病害，難以真正實現(xiàn)精準化灌溉。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

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

為實現(xiàn)上述目的，本實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)測裝置和灌溉控制系統(tǒng)；所述光照監(jiān)測裝置放置在設(shè)施內(nèi)的環(huán)境監(jiān)測節(jié)點處，用于采集設(shè)施內(nèi)的光照強度數(shù)據(jù)；所述灌溉控制系統(tǒng)定時對所述光照監(jiān)測裝置進行數(shù)據(jù)采集，并發(fā)送控制信號到灌溉控制柜，控制相應設(shè)施所對應輸水管路的電磁閥開啟或關(guān)閉。

優(yōu)選地，所述光照監(jiān)測裝置采用光照傳感器，所述光照傳感器的個數(shù)根據(jù)所監(jiān)測的設(shè)施個數(shù)進行確定。

優(yōu)選地，所述灌溉控制系統(tǒng)采用單片機。

本實用新型由于采取以上技術(shù)方案，其具有以下優(yōu)點：本實用新型包括光照監(jiān)測裝置和灌溉控制系統(tǒng)，光照監(jiān)測裝置放置在設(shè)施內(nèi)的環(huán)境監(jiān)測節(jié)點處，用于采集設(shè)施內(nèi)的光照強度數(shù)據(jù)；灌溉控制系統(tǒng)定時對所述光照監(jiān)測裝置進行數(shù)據(jù)采集，并發(fā)送信號控制相應設(shè)施所對應輸水管路的電磁閥開啟，向設(shè)施進行定時灌溉，準確性大大提高，真正實現(xiàn)了精確化灌溉，與人工設(shè)定的時序自動灌溉相比更加精確，有效節(jié)省人工成本，減少人為干擾因素。本實用新型可以廣泛應用于溫室或大棚等設(shè)施的農(nóng)業(yè)灌溉中。

附圖說明

圖1是本實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是本實用新型實施例中本實用新型智能灌溉系統(tǒng)與對照系統(tǒng)分別對番茄生長指標的影響示意圖，其中，圖(a)是智能灌溉系統(tǒng)與對照系統(tǒng)分別對番茄株高的影響示意圖，圖(b)是智能灌溉系統(tǒng)與對照系統(tǒng)分別對番茄葉片數(shù)的影響示意圖；圖(c)是智能灌溉系統(tǒng)與對照系統(tǒng)分別對番茄株莖粗的影響示意圖；圖(d)是智能灌溉系統(tǒng)與對照系統(tǒng)分別對番茄頂部第四葉葉長的影響示意圖。

具體實施方式

以下結(jié)合附圖來對本實用新型進行詳細的描繪。然而應當理解，附圖的提供僅為了更好地理解本實用新型，它們不應該理解成對本實用新型的限制。

1948年英國科學家彭曼根據(jù)能量平衡原理、水汽擴散原理和空氣的熱導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為濕度計常數(shù)，Δ為飽和水汽壓-溫度曲線斜率。

1979年，聯(lián)合國糧食與農(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)膬糨椛洌瑔挝籑J/(m²·day)；G為土壤熱流強度，單位MJ/(m²·day)；T為2m高度處的日平均氣溫，單位℃；μ₂為2m高度處的風速，單位m/s；e_s為飽和水汽壓，單位Kpa；e_a為實際水汽壓，單位Kpa；為標準大氣壓與實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、實際水汽壓、風速及其修正系數(shù)有關(guān)。

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

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，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)測裝置1和一灌溉控制系統(tǒng)2；光照監(jiān)測裝置1放置在溫室或大棚等設(shè)施3的環(huán)境監(jiān)測節(jié)點，用于采集設(shè)施內(nèi)的光照強度數(shù)據(jù)，灌溉控制系統(tǒng)2定時對光照監(jiān)測裝置1進行數(shù)據(jù)采集，并將采集的光照強度數(shù)據(jù)累計計算獲得光輻射累計能量，將設(shè)定時間段內(nèi)的光輻射累計能量與預先設(shè)定的臨界能量進行比較，當光輻射累計能量大于預先設(shè)定的臨界能量時，灌溉控制系統(tǒng)執(zhí)行預設(shè)灌溉策略，并發(fā)送信號到灌溉控制柜4，控制相應設(shè)施所對應輸水管路的電磁閥5開啟，向該設(shè)施3進行灌溉，達到灌溉策略設(shè)定的灌溉要求，電磁閥5關(guān)閉，此次灌溉過程結(jié)束，等待進入下一次灌溉過程。

上述實施例中，光照監(jiān)測裝置1可以采用光照傳感器，光照傳感器的個數(shù)根據(jù)所監(jiān)測的溫室或大棚個數(shù)進行確定，通常一個溫室或大棚內(nèi)放置一個光照傳感器。

上述各實施例中，灌溉控制系統(tǒng)2可以采用單片機。

上述各實施例中，如圖2所示，光照強度數(shù)據(jù)是一個瞬時值，而光輻射累計能量是經(jīng)過一定時間光輻射累計后的總輻射能量，光輻射累計能量的計算過程為：

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

②各采集時刻光照強度值為r₁、r₂、r₃…r_i；

③各時段間隔內(nèi)平均光照強度(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各時間段內(nèi)的光輻射累計能量：R₁＝R_1,2，R₂＝R₁+R_2,3，R₃＝R₂+R_3,4…R_i+1＝R_i+R_i,i+1。

上述各實施例中，本實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，光輻射能量開始累積，當R_i+1>R時，R為預先設(shè)定的臨界能量，輸水管路電磁閥開啟，開始進行灌溉，光輻射能量自動進入下一累計過程，R值根據(jù)作物品種和生育時期調(diào)整，調(diào)節(jié)R值可實現(xiàn)對灌水定額(單次灌溉用水量)和灌溉周期(2次灌溉的時間間隔)的調(diào)整；

b)確定灌水定額及灌溉時長：

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為預先設(shè)定的臨界能量，單位為J/cm²；

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

下面通過具體實施例驗證本實用新型的基于光輻射的智能灌溉系統(tǒng)的準確性。

1、試驗方法，本實施例的具體試驗參數(shù)：

供試作物品種：番茄，品種“浙粉702”。

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

試驗時間：2015年4月2日-2015年7月8日。

試驗設(shè)計：試驗設(shè)置2個處理，每個處理3次重復。

處理1采用本實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灌溉系統(tǒng)，相關(guān)參數(shù)見表1，灌水定額W＝10p×h×γ×(θ_后-θ_前)。

表1依據(jù)土壤墑情進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％。土壤濕潤比p取70％。

2、試驗結(jié)果與分析

2.1)基于光輻射的智能灌溉系統(tǒng)對番茄生長指標的影響

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

2.2)基于光輻射的智能灌溉對番茄產(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應的番茄單果重，但是差異未達到顯著水平。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，較對照節(jié)水12.7m³/667m²，單方水產(chǎn)出番茄達到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)為對番茄生長指標的影響(平均數(shù)±標準差)，LSD法測驗，P＝0.05。表

上述實施例僅用于說明本實用新型，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，凡是在本實用新型技術(shù)方案的基礎(chǔ)上進行的等同變換和改進，均不應排除在本實用新型的保護范圍之外。