本發明涉及節水灌溉技術領域，具體涉及一種智能節水灌溉物聯網控制系統。
背景技術：
節水灌溉是根據作物需水規律及當地供水條件，為了有效地利用降水和灌溉水，獲取農業的最佳經濟效益、社會效益、生態環境效益而采取的多種措施的總稱。灌溉水從水源到田間要經過幾個環節，每個環節中都存在水量無益損耗。凡是在這些環節中能夠減少水量損失、提高灌溉水使用效率和經濟效益的各種措施，均屬于節水灌溉的范疇。
我國是一個水資源不豐富的國家，在各個用水部門中，灌溉用水最多，約占全國總用水量的70%以上，因此開展節水灌溉對緩解我國日益突出的水資源供需矛盾具有十分重要的戰略意義。在推行節水灌溉方面，幾十年來我國已經做了許多工作，取得了一定成效。近年來渠道防滲，噴、微灌等節水新技術和低壓管道輸水灌溉得到迅速發展。為了減少田間灌溉用水的損失，很多地區采用了平整土地、膜上灌、稻田濕潤灌溉、改進畦溝灌等節水措施，效果也較顯著。但是，節水灌溉在我國畢竟還處于發展階段，發展不平衡，規模也不大。
現有技術中也已經發展出一種基于物聯網的灌溉系統，例如公開號為CN204796355U的中國專利文獻公開了一種基于物聯網的智能大棚灌溉系統，包括總控中心、控制模塊、數據采集模塊、灌溉系統和雨水收集系統；所述的控制模塊通過電連接并控制從蓄水池抽水的抽水泵、從水源或雨水過濾器抽水的抽水泵、施肥器、各個電磁閥和大棚天窗；所述的數據采集模塊通過無線網絡連接水位檢測、水表、壓力流量計、土壤墑情傳感器、溫濕度傳感器、雨量傳感器和室外氣象站的各種實時信息；所述的灌溉系統由蓄水池、止回閥、抽水泵、電磁閥、施肥器、水表、壓力流量計、電磁閥3～N、搖臂噴頭1～N、滴灌管1～N通過水管連接構成；所述的雨水收集系統由雨水收集器1～N、雨水過濾器、抽水泵2通過水管連接構成。
但是現有技術中的灌溉系統并沒有具體公開如何利用數據采集模塊采集的數據控制灌溉系統的運行，無法預測作物蒸發蒸騰量，也就無法進一步預測灌水日期和灌水定額。
技術實現要素：
為了克服現有技術中存在的問題，本發明提供一種智能節水灌溉物聯網控制系統，該系統充分利用了田間小氣候自動觀測儀檢測的雨量、空氣溫度、空氣濕度、光照強度等氣象參數，能夠比較準確地預測作物蒸發蒸騰量，進而預測灌水日期和灌水定額。
為實現上述目的，本發明所述的智能節水灌溉物聯網控制系統包括田間小氣候自動觀測儀、數據分析裝置、控制裝置和灌溉出水裝置，所述的田間小氣候自動觀測儀與數據分析裝置連接，數據分析裝置與控制裝置連接，控制裝置與灌溉出水裝置連接，所述的田間小氣候自動觀測儀用于對風速、風向、雨量、空氣溫度、空氣濕度、光照強度、土壤溫度、土壤濕度、蒸發量、大氣壓力、總輻射氣象要素進行全天候現場監測，并且將監測到的數據全部傳輸給數據分析裝置；所述的數據分析裝置用于根據從所述的田間小氣候自動觀測儀接收到的數據實時預測作物蒸發蒸騰量，并且將實時預測的作物蒸發蒸騰量傳輸給控制裝置，所述控制裝置根據從所述數據分析裝置接收到的作物蒸發蒸騰量控制灌溉出水裝置實現自動灌溉。
在一個優選實施例中，所述的數據分析裝置根據第一公式實時預測作物蒸發蒸騰量，第一公式的內容為：
ETi= EToi?Koi?Ksi
其中ETi為第i天的作物蒸發蒸騰量，mm/d；EToi為第i天的參考作物騰發量，mm/d；Koi為第i天的作物系數，Ksi為第i天的土壤水分修正系數；
EToi根據第二公式計算，第二公式的內容為：
EToi = Фi?ETum?exp[-[(I-Im)/A]2]
其中，Фi為第i天的天氣類型修正系數，通過查表獲得；ETum為多年平均最大旬參考作物騰發量平均值，mm/d，通過查詢當地長期水文氣象資料獲得；I為日序數；Im為歷年中出現ETum之日序數均值，根據經驗，Im在191至212的范圍內取值；A為經驗參數，A在96.8至150的范圍內取值；
Koi根據第三公式計算，第三公式的內容為：
Koi=a+b?CCin
其中Koi為第i天的作物系數，a為經驗常數，b為經驗系數，n為經驗指數，CCi為第i天的綠葉覆蓋百分率，%；
CCi根據第四公式計算，第四公式的內容為：
CCi=CC0+（CCT – CC0）if /T
其中CCi為第i天的綠葉覆蓋百分率，%，CC0為初始日的作物綠葉覆蓋百分率，%，CCT為第T日的作物綠葉覆蓋百分率，%，if為從初始日開始往后的日數；T為從初始日開始到達某一預定CCT所需的日數；CC0取自測報點當時測報的數值，CCT、if和T均為根據作物生長特性和實際經驗預估的經驗值；
Ksi根據第五公式計算，第五公式的內容為：
Ksi=α?exp[(θi-θc2)]/ θc2+R?tf+Q?hf
其中Ksi為第i天的土壤水分修正系數；α為0.8~0.95；θi為第i日的實際平均土壤濕度；θc2為土壤水分脅迫臨界土壤含水率，稻田為飽和含水率的80%，旱田為第i日的實際平均土壤濕度的60%；R為空氣溫度經驗系數，R取為0.005；Q為光照強度經驗系數，Q取為0.026；tf為日平均空氣溫度；hf為日平均光照強度。
優選地，第三公式中a=0.507，b=2.32×10-5；n=2.27。
優選地，第三公式中a=0.35，b=2.56×10-5；n=2.27。
優選地，第三公式中a=0.9，b=0.74×10-6；n=2.26。
所述的灌溉出水裝置包括噴灌裝置和滴灌裝置，當所述的田間小氣候自動觀測儀檢測到風速低于10m/s時，打開噴灌裝置，并且將噴灌裝置的噴頭調成迎著風向的角度，關閉滴灌裝置。
當所述的田間小氣候自動觀測儀檢測到風速大于或等于10m/s時，關閉噴灌裝置，打開滴灌裝置。
所述的田間小氣候自動觀測儀包括氣象傳感器、氣象數據記錄儀、電源系統、野外防護箱和不銹鋼支架，所述氣象傳感器、氣象數據記錄儀和電源系統均設置在野外防護箱中，野外防護箱固定設置在不銹鋼支架上，氣象傳感器與氣象數據記錄儀連接，電源系統與氣象傳感器和氣象數據記錄儀分別連接。
在一個優選實施例中，所述氣象傳感器至少包括風速傳感器、風向傳感器、雨量傳感器和/或蒸發量傳感器。
所述的智能節水灌溉物聯網控制系統還通過標準 USB 通訊接口與監測中心 PC 機有線連接，實時傳送采集的數據。
本發明具有如下優點：本發明所述的智能節水灌溉物聯網控制系統與現有技術相比，充分利用了田間小氣候自動觀測儀檢測的雨量、空氣溫度、空氣濕度、光照強度等氣象參數，能夠比較準確地預測短期作物蒸發蒸騰量，進而預測灌水日期和灌水定額，以充分利用田間水分狀況、作物生長狀況、天氣條件等實時動態信息，為計劃用水或節水灌溉條件下灌溉管理和減產率預測、某一次灌溉時水量最優分配提供依據。
附圖說明
圖1是本發明所述的智能節水灌溉物聯網控制系統的整體結構示意圖。
具體實施方式
以下實施例用于說明本發明，但不用來限制本發明的范圍。
本發明所述的智能節水灌溉物聯網控制系統包括田間小氣候自動觀測儀、數據分析裝置、控制裝置和灌溉出水裝置，所述的田間小氣候自動觀測儀與數據分析裝置連接，數據分析裝置與控制裝置連接，控制裝置與灌溉出水裝置連接，所述的田間小氣候自動觀測儀用于對風速、風向、雨量、空氣溫度、空氣濕度、光照強度、土壤溫度、土壤濕度、蒸發量、大氣壓力、總輻射氣象要素進行全天候現場監測，并且將監測到的數據全部傳輸給數據分析裝置；所述的數據分析裝置用于根據從所述的田間小氣候自動觀測儀接收到的數據實時預測作物蒸發蒸騰量，并且將實時預測的作物蒸發蒸騰量傳輸給控制裝置，所述控制裝置根據從所述數據分析裝置接收到的作物蒸發蒸騰量控制灌溉出水裝置實現自動灌溉。
在一個優選實施例中，所述的數據分析裝置根據第一公式實時預測作物蒸發蒸騰量，第一公式的內容為：
ETi= EToi?Koi?Ksi
其中ETi為第i天的作物蒸發蒸騰量，mm/d；EToi為第i天的參考作物騰發量，mm/d；Koi為第i天的作物系數，Ksi為第i天的土壤水分修正系數；
EToi根據第二公式計算，第二公式的內容為：
EToi = Фi?ETum?exp[-[(I-Im)/A]2]
其中，Фi為第i天的天氣類型修正系數，通過查表獲得；ETum為多年平均最大旬參考作物騰發量平均值，mm/d，通過查詢當地長期水文氣象資料獲得；I為日序數；Im為歷年中出現ETum之日序數均值，根據經驗，Im在191至212的范圍內取值；A為經驗參數，A在96.8至150的范圍內取值；
Koi根據第三公式計算，第三公式的內容為：
Koi=a+b?CCin
其中Koi為第i天的作物系數，a為經驗常數，b為經驗系數，n為經驗指數，CCi為第i天的綠葉覆蓋百分率，%；
CCi根據第四公式計算，第四公式的內容為：
CCi=CC0+（CCT – CC0）if /T
其中CCi為第i天的綠葉覆蓋百分率，%，CC0為初始日的作物綠葉覆蓋百分率，%，CCT為第T日的作物綠葉覆蓋百分率，%，if為從初始日開始往后的日數；T為從初始日開始到達某一預定CCT所需的日數；CC0取自測報點當時測報的數值，CCT、if和T均為根據作物生長特性和實際經驗預估的經驗值；
Ksi根據第五公式計算，第五公式的內容為：
Ksi=α?exp[(θi-θc2)]/ θc2+R?tf+Q?hf
其中Ksi為第i天的土壤水分修正系數；α為0.8~0.95；θi為第i日的實際平均土壤濕度；θc2為土壤水分脅迫臨界土壤含水率，稻田為飽和含水率的80%，旱田為第i日的實際平均土壤濕度的60%；R為空氣溫度經驗系數，R取為0.005；Q為光照強度經驗系數，Q取為0.026；tf為日平均空氣溫度；hf為日平均光照強度。
上文中的第i日的實際平均土壤濕度、日平均空氣溫度、日平均光照強度均由田間小氣候自動觀測儀檢測獲得。
第二公式中的第i天的天氣類型修正系數Фi通過查下表獲得：
對于類似于棉花的作物，第三公式中a=0.507，b=2.32×10-5；n=2.27。
對于類似于玉米的作物，第三公式中a=0.35，b=2.56×10-5；n=2.27。
對于類似于水稻及冬小麥的作物，第三公式中a=0.9，b=0.74×10-6；n=2.26。
確定了實時預測的作物蒸發蒸騰量，即可按照現有技術中的方法（例如亨特蒸散系統，即ET系統）確定灌溉程序，獲得具體的灌溉日期和灌水定額，根據灌溉日期和灌水定額控制灌溉出水裝置實現自動灌溉。
所述的灌溉出水裝置包括噴灌裝置和滴灌裝置，當所述的田間小氣候自動觀測儀檢測到風速低于10m/s時，打開噴灌裝置，并且將噴灌裝置的噴頭調成迎著風向的角度，關閉滴灌裝置。
當所述的田間小氣候自動觀測儀檢測到風速大于或等于10m/s時，關閉噴灌裝置，打開滴灌裝置。
由于滴灌裝置受風力的影響較小，噴灌裝置受風力的影響較大，因此在風速低時采用噴灌，在風力高時采用滴灌有利于保證節水效率。將噴灌裝置的噴頭調成迎著風向的角度有利于擴大水滴的落點范圍，避免水滴被順風吹離農作物過遠，失去灌溉效果。
所述的田間小氣候自動觀測儀包括氣象傳感器、氣象數據記錄儀、電源系統、野外防護箱和不銹鋼支架，所述氣象傳感器、氣象數據記錄儀和電源系統均設置在野外防護箱中，野外防護箱固定設置在不銹鋼支架上，氣象傳感器與氣象數據記錄儀連接，電源系統與氣象傳感器和氣象數據記錄儀分別連接。
在一個優選實施例中，所述氣象傳感器至少包括風速傳感器、風向傳感器、雨量傳感器和/或蒸發量傳感器。
風速傳感器、風向傳感器、雨量傳感器、蒸發量傳感器為氣象專用傳感器，具有高精度、高可靠性的特點。
氣象數據記錄儀具有氣象數據采集、氣象數據定時存儲、參數設定、友好的軟件人機界面和標準通信功能，圖形數據顯示，有線通訊方式，在Windows2000以上系統環境即可運行,存儲數據，數據存儲格式為EXCEL標準格式，可生成氣象數據圖表，供其它軟件調用。
所述的智能節水灌溉物聯網控制系統還通過標準 USB 通訊接口與監測中心 PC 機有線連接，實時傳送采集的數據。
雖然，上文中已經用一般性說明及具體實施例對本發明作了詳盡的描述，但在本發明基礎上，可以對之作一些修改或改進，這對本領域技術人員而言是顯而易見的。因此，在不偏離本發明精神的基礎上所做的這些修改或改進，均屬于本發明要求保護的范圍。