實時監測土壤墒情的傳感器、自動灌溉系統及灌溉方法與流程
2023-08-01 13:07:51
本發明涉及農藝學和土壤學領域，特別是涉及一種實時監測土壤墒情的傳感器、自動灌溉系統及灌溉方法。
背景技術：
目前，隨著蔬菜生產種植規模的不斷擴大，複種指數增高，周年栽培生產用水量也隨之增加；加之蔬菜產區大部分集中在水資源供需矛盾突出的較發達地區，因此實施蔬菜節水灌溉技術對緩解水資源短缺有重大意義，農業節水灌溉技術的開發應用也越來越受重視。近年來，農業節水灌溉技術通過多學科的交叉、融合和集成，開發出一批先進的節水灌溉技術及設施裝備，在生產應用中節水效果顯著。但由於各種土壤墒情監測技術存在各種局限性，使測墒自動灌溉技術及其使用方法與農業生產實際應用之間存在一定距離。
現有的土壤水分傳感器有在生產實際應有中都存在一些存在問題：張力計法的土壤墒情傳感器存在反應慢，不能實時監測出土壤水分含量；中子水分儀法存在使用和保養方法繁瑣，中子源輻射防護操作難度大的技術問題，不適用於在農業生產實際中使用；頻域反射儀（FDR）法與TDR法原理、方法、作用和效果基本相似，能夠快速、便捷和連續觀測土壤含水量，成為土壤墒情實時監測的主流，實現了實時監測土壤水分的目標，也是目前測量土壤含水量中較常用的土壤傳感器。但其探頭價格較高，用置入法定點實時觀測土壤水分含量時投資較大，且對探針的插入位置距開挖剖面都有嚴格要求，必須防止地表和土壤中各層間的水分沿導管與土壤間的縫隙流動，在不同土壤性質測定時參數變化較大，受到土壤質地、環境因素等變化的很大幹擾。存在監測點狹小，監測結果不穩定，不具備代表性等問題，在生產應用中監測數據還需要用繁瑣的實驗分析進行修正，並採取用若干個土壤墒情傳感器多點檢測，加權平均計算等策略提高傳感器精度，監測的手段和方法較複雜，難於在生產上大範圍推廣應用。
同時，蔬菜生產要求精耕細作，水肥管理上勤施薄施，這是蔬菜水肥需求特點採取的具體措施。蔬菜灌溉存在幾個關鍵問題：（1）蔬菜根層分布淺，吸收能力較弱，土壤中能被蔬菜吸收利用的土壤水分存量小，水分供需矛盾比較突出，生育過程要求頻繁灌溉，且灌溉量不容易掌握。生產上由於土壤墒情難於判斷造成灌溉不足或灌溉過量的問題普遍存在，必須精準灌溉才能滿足蔬菜灌溉要求。（2）蔬菜基地的生產品種較多，不同田塊的蔬菜不同，灌溉量要求差別大；而蔬菜產品又要求均衡上市，生產基地種植的蔬菜往往特意錯開播種期，使基地的蔬菜生育期不一致，其生育期短，生長過程蒸騰量變化大，需水量變化很大，造成每塊土地的需水量都不一致，也造成灌溉量要求的極大差別；灌溉量還受到氣候因素的影響很大，必須實時精準灌溉才能滿足蔬菜灌溉要求。（3）蔬菜生長及其對水分的需求受多種因素的影響，灌溉對蔬菜生長有極顯著的調控作用，必須結合制定標準化生產措施，採取合理灌溉指標和灌溉制度適時適量灌溉，才能調控和促進蔬菜生長，保證滿足蔬菜生長需求，達到增加產量，提高品質的目的。因此，亟待一種科學的灌溉方法。
技術實現要素：
為解決上述問題，本發明提供一種實時監測土壤墒情的傳感器、自動灌溉系統及灌溉方法。
本發明解決其技術問題所採用的技術方案是：
一種實時監測土壤墒情的土壤墒情傳感器，包括上端設有開口的外殼，所述外殼內設有底座，所述底座上設有質量傳感器，所述質量傳感器上面設有用於託舉檢測土壤的擋土板，所述擋土板設置在外殼的開口處，所述擋土板與外殼的開口邊緣通過柔性軟膠密封。
進一步作為本發明技術方案的改進，所述質量傳感器設有用於傳輸信號的數據線，所述外殼的外側還設有用於保護數據線的硬質管體，所述數據線出口設置在外殼的側面並穿過硬質管體。
還提供一種測墒自動灌溉系統 ，所述土壤墒情傳感器通過數據線將捕獲的土壤墒情信號輸入測墒灌溉控制器，所述測墒灌溉控制器將土壤墒情信號轉變成澆灌命令並輸出控制灌溉系統。
進一步作為本發明技術方案的改進，所述測墒灌溉控制器包括單片機、顯示器、控制按鍵和數據線接口，所述測墒自動灌溉控制器設有設定的灌溉指標和灌溉制度，根據土壤墒情狀況測墒自動灌溉，並將墒情傳感器的監測值轉化成控制灌溉系統的命令，所述控制按鍵用於設置具體的灌溉指標和灌溉制度。
進一步作為本發明技術方案的改進，所述測墒灌溉控制器還設有用於連接 PC機或IC卡的數據線接口，所述灌溉系統設有水泵及電磁閥，所述測墒灌溉控制器控制水泵及電磁閥的開啟和關閉。
還提供一種實時監測墒情的灌溉方法，包括以下步驟：
A. 根據種植蔬菜及其農藝習慣選擇或製造相適應尺寸的土壤墒情傳感器;根據種植蔬菜的規格要求設置和安裝土壤墒情傳感器;
B. 在蔬菜種植前將土壤墒情傳感器置入於監測土壤下方；
C. 根據種植蔬菜種類和面積建立起測墒自動灌溉系統；
D. 根據土壤質地和蔬菜特徵設置調控土壤墒情的灌溉上限及設定適宜的灌溉周期；
E. 捕獲監測土壤及其水分含量的信號，通過數據線傳輸到測墒灌溉控制器中，實時監測和調控測墒自動灌溉系統。
進一步作為本發明技術方案的改進，所述步驟B中，土壤墒情傳感器的埋置深度低於蔬菜的根層分布區域，根據種植蔬菜選擇土壤墒情傳感器的埋置深度。
進一步作為本發明技術方案的改進，所述步驟B中，監測點的設置結合滴灌或噴灌等澆灌裝置，使監測點的土壤的水分消耗和澆灌情況與整個大田一致。
進一步作為本發明技術方案的改進，所述步驟C中，在安裝好土壤墒情傳感器的基礎上，在田間設置控制電箱及安裝測墒灌溉控制器，構成完善墒情監測和調控系統；同時根據蔬菜面積及單面積的用水量設置好田間自動灌溉系統，並以土壤墒情傳感器的監測指標為調控依據。
進一步作為本發明技術方案的改進，所述步驟D中，按照監測土壤的體積和容重，計算出目標土壤墒情灌溉上限指標，並在測墒灌溉系統中設定出灌溉上限，使系統按照土壤墒情的實時監測指標嚴密控制灌溉上限。
本發明的有益效果：此土壤墒情傳感器克服了現有的土壤墒情傳感器的監測點小，監測結果穩定性不高、代表性不強，監測參數難於修正等問題，具有監測精確度高、反應靈敏、穩定性好、成本低廉的優點。在此基礎上建立起測墒自動灌溉系統，針對蔬菜根層分布較淺的特點，應用質量傳感器開發出性能優良的土壤墒情實時監測調控系統，再結合標準化的農藝措施，保證了監測結果能代表性，還能夠根據需要擴大監測土壤的體積和範圍，提高監測結果的準確性，達到實時精準監測和調控土壤墒情的目標。
此實時監測墒情的灌溉方法，針對蔬菜的根層分布特點及其生長特性，制定具體的精準灌溉指標和灌溉制度，能實時監測出土壤墒情狀況，在生產應用中能起到節約水資源、增加產量、提高效益的重要作用，具有精確度高、反應靈敏、穩定性好、成本低廉的優點。
1）、精確度高。質量傳感器法測定土壤水分，實時監測出土壤水分含量，且能夠定向精準測量所需要測定大小土塊的土壤墒情狀況，也不存在監測結果需要修正等其他監測方法所需要的一系列繁鎖問題。
2）、反應靈敏。用質量傳感器法測定土壤水分，能夠實時監測出土壤水分變化狀況，精準把握灌溉上限指標，避免過量灌溉。克服了張力計法反應慢，不能隨時監測出土壤水分含量的問題。
3）、穩定性好。質量傳感器法測量土塊可根據需要設計相應大小的檔土板，可適當擴大了監測土壤的範圍，定向監測目標土塊的土壤墒情，保證監測結果精準穩定。克服了FDR法與TDR法監測範圍小，代表性差，對探針的插入位置距開挖剖面都有嚴格要求等問題，也不需要用繁瑣的實驗分析進行修正。
4）、成本低廉。質量傳感器法測定土壤水分，材料易得，成本低，使用方便，解決了採中子水分儀法等成本高昂，使用和保養方法繁瑣，中子源輻射防護操作難度大等技術問題。
附圖說明
下面結合附圖對本發明作進一步說明：
圖1是本發明實施例土壤墒情傳感器結構示意圖；
圖2是本發明實施例測墒自動灌溉系統簡化圖；
圖3是本發明灌溉方法中優選實施例的監測記錄圖。
具體實施方式
以下將結合實施例和附圖對本發明的構思、具體結構及產生的技術效果進行清楚、完整地描述，以充分地理解本發明的目的、特徵和效果。顯然，所描述的實施例只是本發明的一部分實施例，而不是全部實施例，基於本發明的實施例，本領域的技術人員在不付出創造性勞動的前提下所獲得的其他實施例，均屬於本發明保護的範圍。
參照圖1至圖3，本發明為提供一種實時監測土壤墒情的土壤墒情傳感器，包括上端設有開口的外殼，所述外殼內設有底座，所述底座上設有質量傳感器，所述質量傳感器上面設有用於託舉檢測土壤的擋土板，所述擋土板設置在外殼的開口處，所述擋土板與外殼的開口邊緣通過柔性軟膠密封。
作為本發明優選的實施方式，所述質量傳感器設有用於傳輸信號的數據線，所述外殼的外側還設有用於保護數據線的硬質管體，所述數據線出口設置在外殼的側面並穿過硬質管體。
還提供一種測墒自動灌溉系統 ，所述土壤墒情傳感器通過數據線將捕獲的土壤墒情信號輸入測墒灌溉控制器，所述測墒灌溉控制器將土壤墒情信號轉變成澆灌命令並輸出控制灌溉系統。
作為本發明優選的實施方式，所述測墒灌溉控制器包括單片機、顯示器、控制按鍵和數據線接口，所述測墒自動灌溉控制器設有設定的灌溉指標和灌溉制度，根據土壤墒情狀況測墒自動灌溉，並將墒情傳感器的監測值轉化成控制灌溉系統的命令，所述控制按鍵用於設置具體的灌溉指標和灌溉制度。
作為本發明優選的實施方式，所述測墒灌溉控制器還設有用於連接 PC機或IC卡的數據線接口，所述灌溉系統設有水泵及電磁閥，所述測墒灌溉控制器控制水泵及電磁閥的開啟和關閉。
還提供一種實時監測墒情的灌溉方法，包括以下步驟：
A. 根據種植蔬菜及其農藝習慣選擇或製造相適應尺寸的土壤墒情傳感器;根據種植蔬菜的規格要求設置和安裝土壤墒情傳感器;
B. 在蔬菜種植前將土壤墒情傳感器置入於監測土壤下方；
C. 根據種植蔬菜種類和面積建立起測墒自動灌溉系統；
D. 根據土壤質地和蔬菜特徵設置調控土壤墒情的灌溉上限及設定適宜的灌溉周期；
E. 捕獲監測土壤及其水分含量的信號，通過數據線傳輸到測墒灌溉控制器中，實時監測和調控測墒自動灌溉系統。
進一步作為本發明技術方案的改進，所述步驟B中，土壤墒情傳感器的埋置深度低於蔬菜的根層分布區域，根據種植蔬菜選擇土壤墒情傳感器的埋置深度。
作為本發明優選的實施方式，所述步驟B中，監測點的設置結合滴灌或噴灌等澆灌裝置，使監測點的土壤的水分消耗和澆灌情況與整個大田一致。
作為本發明優選的實施方式，所述步驟C中，在安裝好土壤墒情傳感器的基礎上，在田間設置控制電箱及安裝測墒灌溉控制器，構成完善墒情監測和調控系統；同時根據蔬菜面積及單面積的用水量設置好田間自動灌溉系統，並以土壤墒情傳感器的監測指標為調控依據。
作為本發明優選的實施方式，所述步驟D中，按照監測土壤的體積和容重，計算出目標土壤墒情灌溉上限指標，並在測墒灌溉系統中設定出灌溉上限，使系統按照土壤墒情的實時監測指標嚴密控制灌溉上限。
本發明提供一種實時監測土壤水分含量的土壤墒情傳感器，主要由質量傳感器、擋土板、數據線、底座和外殼幾個元件構成。如圖1所示，在底座上嵌入質量傳感器，擋土板安裝在質量傳感器2上面，測試土塊6位於擋土板1的正上方，質量傳感器2直接捕獲擋土板1上面的土壤墒情指標，監測到相應大小土塊的土壤墒情狀況，將其信號通過數據線3輸出，用數據線將捕獲的土壤墒情信號輸入測墒灌溉控制器，達到實時監測土壤墒情狀況的目標。土壤墒情傳感器定向捕獲擋土板上方整個土塊的土壤墒情信號，可根據具體需要設計大小不同的規格擋土板，定向測定出目標土塊的土壤墒情狀況，使監測土塊的土壤墒情具備代表性。
本發明還提供了一種測墒自動灌溉裝置，由土壤墒情傳感器、測墒灌溉控制器和控制電箱組成。測墒灌溉控制器是土壤墒情信號轉變成澆灌命令的集成電路，由單片機、顯示器、控制按鍵和數據線接口等構成。用單片機設計製造出測墒灌溉控制器，單片機具有操縱和調控測墒自動灌溉系統的功能，能將土壤墒情傳感器的監測信號轉化成澆灌的命令。顯示器可以實時顯示土壤墒情等各項參數；控制按鍵用設置和調控各項參數的具體指標，設置出具體的灌溉指標和灌溉制度；測墒灌溉控制器二條數據線分別為輸入土壤傳感器的信號，以及輸出控制水泵、電磁閥等系統運行的命令，還有一個數據線的接口可連接PC機或IC卡，用於輸出土壤墒情監測結果，複製出貯存於系統中的土壤墒情歷史記錄。控制電箱將土壤墒情傳感器和測墒灌溉控制器集成測墒自動灌溉系統，輸出調控水泵、電磁閥的開啟和關閉的命令，保證精準灌溉。
如圖2所示，測墒灌溉控制器有顯示器、控制按鍵、數據線接口和二條連線，分別執行土壤墒情數據的讀取、調控、導出的功能，顯示器能實時讀取土壤墒情傳感器的監測值；控制按鍵能設置出具體的澆灌指標和澆灌周期，將墒情傳感器的監測值轉化成控制灌溉系統的命令。測墒灌溉控制器有二條連線分別與土壤墒情傳感器和灌溉設施連接，分別輸入土壤墒情傳感器信號和輸出控制灌溉系統的命令。測墒自動灌溉控制系統運行時能按照所設定的灌溉指標和灌溉制度，根據土壤墒情狀況測墒自動灌溉，保證蔬菜需水和灌溉供水的平衡，適時適量滿足蔬菜生長對水分的需求，實現灌溉的數位化的精準管理，避免了人工操作的盲目性。測墒自動灌溉裝置能夠根據蔬菜對水分的具體需求適時適量灌溉，在蔬菜節水灌溉，提高水分利用效率，增加產量中能起重要作用。
本發明為農業節水灌溉還提供一種實時監測和調控土壤墒情的灌溉方法，以質量傳感器建立起土壤墒情實時自動測量系統，目的是提高土壤墒情監測結果的準確性和代表性；配套單片機建立起自動灌溉控制系統，將所監測土壤墒情的信號轉化為實時調控澆灌系統的命令，實現精準灌溉的目標。
在同一時期以青花菜、菜心、大白菜3種不同蔬菜為試驗材料，在墒情調控水平一致的基礎上進行測墒自動灌溉對蔬菜產量、用水量和水分利用效率的差異比較試驗。結果表明，測墒自動灌溉大幅增加了需水量較大的大白菜產量，其次為菜心，青花菜、菜心、大白菜的產量分別比傳統灌溉增產12.1%、72.4%和96.2%。但測墒自動灌溉能大幅節約了需水量較小的青花菜用水量，其次為菜心，需水量大的大白菜用水量反而有所增加，青花菜、菜心、大白菜的用水量分別比傳統灌溉節約了34.1%、5.2%和13.3%。而這3種蔬菜的水分利用效率均有較大幅度的提高，提高幅度卻基本處於同一個水平，三種蔬菜分別比傳統灌溉提高了70.2%、81.8%和73.2%。可見測墒自動灌溉確實能根據蔬菜生產發育需求進行灌溉，緩解水分供需矛盾的作用，保證蔬菜需水與灌溉供水的平衡，營造出良好的根際土壤條件，避免了人工灌溉操作的盲目性。
土壤墒情監測裝置的使用方法，包括如下幾方面的內容：
根據種植蔬菜及其農藝習慣選擇或製造相適應的土壤墒情傳感器。主要是按照圖1的基本結構選用相應規格大小的產品，保證適合蔬菜和田間操作使用，並使監測土壤的範圍和大小均具備代表性等。
根據種植蔬菜的規格要求設置和安裝土壤墒情傳感器。在蔬菜種植前將土壤墒情傳感器置入於監測土壤下方，深度略低於蔬菜的根層分布區域；結合滴灌或噴灌等澆灌裝置，使監測點的土壤的水分消耗和澆灌情況和整個大田一致。
根據種植蔬菜種類和面積建立起測墒自動灌溉裝置。在安裝好土壤墒情傳感器的基礎上，設置田間控制電箱並安裝測墒灌溉控制器等，構成完善墒情監測和調控系統；同時根據蔬菜面積及單面積的用水量設置好田間自動灌溉系統；構成用土壤墒情傳感器的監測指標為調控依據的測墒自動灌溉裝置。
根據土壤質地和蔬菜特徵設置調控土壤墒情的灌溉上限。按照監測土壤的體積和容重，計算出目標土壤墒情灌溉上限指標，進一步在測墒灌溉系統中設定出灌溉上限，使系統按照土壤墒情的實時監測指標嚴密控制灌溉上限；同時設定適宜的灌溉周期；做到適時適量合理灌溉。
本發明使用方法的優選實施例：如圖3所示，該曲線是從測墒灌溉控制器的數據接口中導出的土壤墒情的監測記錄，反映出實時監測的調控土壤墒情的狀況。該測墒灌溉控制器運行時，設定了以25%的土壤絕對含水量為灌溉上限，每天上午9時灌溉1次為灌溉周期，可以看到單片機自動貯存記錄的土壤墒情調控狀況：在12月23日和12月26日，分別下了2場雨，使土壤絕對含水量一直高於25%，灌溉系統也一直沒有啟動；12月29日以後，每天早上土壤絕對含水量低於25%的情況下，灌溉系統就自動啟動，將土壤絕對含水量調節到25%。可見測墒灌溉控制器能夠根據土壤墒情狀況適時合理灌溉，精準調控土壤墒情，滿足植株生長對水分的需求，同時防止過量灌溉引起的水肥流失浪費及其造成的汙染，改善田間生態環境。
將土壤墒情傳感器在大田中建立起實時精準監測土壤墒情狀況的系統。能夠增大土壤墒情的監測範圍和體積，定向監測目標土壤的土壤墒情狀況，提高土壤墒情監測的精確性和代表性。根據土壤特點、蔬菜生長需求及蔬菜的根系構型設置土壤墒情傳感器的監測範圍，制定出合理的灌溉指標和灌溉制度，能嚴密監控土壤墒情，嚴格控制灌溉上限，做到蔬菜灌溉的數位化精準管理，適時適量滿足蔬菜生長需求。配套標準化農藝技術，使實時監測結果能代表大田整體情況。在大田生產應用時，一方面使監測區域的墒情狀況與大田整體的墒情狀況保持一致，另一方面使監測區域的灌溉措施和大田整體灌溉措施保持一致，保證監測區域的實時監測結果能夠代表性大田整體狀況，即通過監測土塊能同步調控大田整體的土壤墒情狀況，達到實時監測和精準調控土壤墒情的目標。配套測墒自動灌溉系統能適時適量灌溉，合理調控土壤墒情，實現蔬菜灌溉的精準管理和自動化。
當然，本發明創造並不局限於上述實施方式，熟悉本領域的技術人員在不違背本發明精神的前提下還可做出等同變形或替換，這些等同的變形或替換均包含在本申請權利要求所限定的範圍內。