一種稻田增氧灌排模擬控制系統(tǒng)及方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種稻田增氧灌排模擬控制系統(tǒng)及方法，系統(tǒng)包括模擬稻田裝置、控制器、蓄水池、集水池、水位傳感器、濕度傳感器、溶解氧傳感器和加氣泵；模擬稻田裝置為無蓋的內(nèi)盛土壤的容器；容器的土壤中設(shè)有加氣管道；加氣管道與容器外的加氣泵相連；加氣泵受控于控制器；蓄水池通過進(jìn)水管與模擬稻田裝置相連，進(jìn)水管上設(shè)有第一電磁閥；模擬稻田裝置通過排水管與集水池相連，排水管上設(shè)有第二電磁閥；水位傳感器、濕度傳感器和溶解氧傳感器均與控制器相連。發(fā)明還包括排水再利用機(jī)構(gòu)，主要是通過渠道收集稻田的回歸水匯集到集水池，來達(dá)到灌溉水的可持續(xù)利用，解決干旱時山區(qū)調(diào)水難的問題。系統(tǒng)簡潔高效，具有巨大的推廣潛力。
【專利說明】
一種稻田増氧灌排模擬控制系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本發(fā)明屬于農(nóng)業(yè)技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種稻田增氧灌排模擬控制系統(tǒng)及方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 水稻長期處于淹水或接近飽和的水分狀態(tài)，使得根區(qū)土壤多處于還原狀態(tài)，會導(dǎo) 致還原性物質(zhì)的富集，雖然水稻根系有泌氧作用，但也會出現(xiàn)黑根等現(xiàn)象，從而影響水稻根 系生長。加氣灌溉可實(shí)現(xiàn)根域氣體環(huán)境的改善，促進(jìn)作物生長，提高根系活力，增加水肥利 用率，提高作物產(chǎn)量與品質(zhì)，達(dá)到高效高產(chǎn)、高品質(zhì)的目的。水稻常規(guī)灌溉供氧不足導(dǎo)致根 部的各項(xiàng)指標(biāo)下降，成為微生物細(xì)菌和病原體感染攻擊的目標(biāo)，引發(fā)病蟲害，根系水肥利用 率下降，引起作物產(chǎn)量與品質(zhì)下降。并且在不同生育階段葉片的光合速率得到顯著增強(qiáng).劉 杰等研究了根區(qū)加氣對溫室小型西瓜形態(tài)指標(biāo)〃產(chǎn)量〃品質(zhì)的影響，結(jié)果表明根區(qū)加氣處理 對地下滴灌條件下日光溫室小型西瓜形態(tài)指標(biāo)〃產(chǎn)量〃品質(zhì)產(chǎn)生了明顯影響，加氣頻率采用 1次/2d處理優(yōu)于其他加氣處理?，F(xiàn)有技術(shù)中，沒有專門的模擬裝置以研究水稻的灌排和增 氧對水稻生長的影響。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種稻田增氧灌排模擬控制系統(tǒng)及方法，該稻 田增氧灌排模擬控制系統(tǒng)采用集中控制模式，結(jié)構(gòu)緊湊，易于實(shí)施，且具有良好的節(jié)水效 果。
[0004] 發(fā)明的技術(shù)解決方案如下：
[0005] -種稻田增氧灌排模擬控制系統(tǒng)，包括模擬稻田裝置、控制器、蓄水池、集水池、水 位傳感器、濕度傳感器、溶解氧傳感器和加氣栗；
[0006] 模擬稻田裝置為無蓋的內(nèi)盛土壤的容器;容器的土壤中設(shè)有加氣管道;加氣管道 與容器外的加氣栗相連;加氣栗受控于控制器；
[0007] 蓄水池通過進(jìn)水管與模擬稻田裝置相連，進(jìn)水管上設(shè)有受控于控制器的第一電磁 閥；
[0008] 模擬稻田裝置通過排水管與集水池相連，排水管上設(shè)有受控于控制器的第二電磁 閥；
[0009] 水位傳感器、濕度傳感器和溶解氧傳感器均與控制器相連。
[0010] 控制器為單片機(jī)、DSP或ARM處理器。
[0011] 控制器置于智能控制箱中。
[0012] 智能控制箱內(nèi)設(shè)有遠(yuǎn)程通信模塊。
[0013] 蓄水池通過供水管與集水池相連，供水管上設(shè)有受控于控制器的水栗；蓄水池內(nèi) 設(shè)有浮球閥。
[0014] -種稻田增氧灌排模擬控制方法，采用前述的的稻田增氧灌排模擬控制系統(tǒng)模擬 稻田增氧灌排。
[0015] 在水稻的分蘗期間，在上午7-9點(diǎn)之間以及下午的4-6點(diǎn)之間通過加氣栗增氧2-5 分鐘。優(yōu)選上午的7點(diǎn)，下午的5點(diǎn)半。
[0016] 增氧時間為3分鐘。
[0017] 在水稻的返青期、分蘗期、灌漿抽穗期，以稻田水層深度作為控制依據(jù)，水層深度 低于1CM，灌溉水，直到水層深度為3CM，水層深度高于3CM則排水；
[0018] 返青期是指水稻移栽后15-25天，分蘗期是指分蘗后25-30天;拔節(jié)孕穗期指拔節(jié) 后第18-25天;灌漿抽穗期指灌漿后第15-30天;黃熟期指進(jìn)入黃熟后10-15天。灌漿抽穗期 結(jié)束后就進(jìn)入黃熟期，該階段延續(xù)10-15天。
[0019] 在水稻的返青期和灌漿抽穗期，上午的7點(diǎn)和下午的5:30通入氣體2-5分鐘，優(yōu)選3 分鐘。
[0020] 本發(fā)明以稻田水層深度和田間含水率的上下限作為自動灌溉標(biāo)準(zhǔn)，通過水位傳感 器測針獲取田間水位或田間含水率，將其與設(shè)定的最佳值比較，得到的差值作為控制器的 輸入變量，建立控制系統(tǒng)，驅(qū)動、控制電閥門的開啟，實(shí)現(xiàn)自動灌排，與此同時，利用稻田表 面土壤水溶解氧量一天的變化趨勢，控制增氧灌溉時間，達(dá)到適時適量高效節(jié)水灌溉目的。 該增氧灌溉灌排控制系統(tǒng)主要是采用自動監(jiān)測的水位傳感器對水位進(jìn)行調(diào)控以達(dá)到淺濕 灌溉，發(fā)展高效農(nóng)業(yè)目的，利用夏季晴天稻田表面土壤水溶解氧量一天的變化趨勢，控制增 氧灌溉時間；控制系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時采取了控制信號的通用性，既能控制電機(jī)，又能控制電磁 閥。
[0021] 有益效果：
[0022] 本發(fā)明存在以下優(yōu)點(diǎn)：
[0023]本發(fā)明根據(jù)不同水稻生長時期稻田的需水量及土壤含水量，利用電磁閥調(diào)節(jié)灌排 水量。先通過水位、濕度傳感器和溶解氧傳感器監(jiān)測稻田水層、稻田表層土壤水溶解氧含 量、水稻根系層土壤含水量的變化來獲得水稻生長的盈虧水狀況及增氧灌溉時間，并反饋 給中央處理器，而后處理器根據(jù)水稻不同生長時期的需水量及灌溉技術(shù)來調(diào)節(jié)稻田的灌溉 水量，以達(dá)到灌溉的最優(yōu)化。比如，當(dāng)?shù)咎锼畬舆^高時，則通過調(diào)節(jié)田坎出水管的電磁閥排 水，調(diào)節(jié)稻田水位到適宜水稻生長的狀態(tài)；當(dāng)?shù)咎锿寥篮窟^低時，則打開電磁閥進(jìn)行灌 溉，并確定每天的增氧灌溉時間。發(fā)明還包括排水再利用，主要是通過渠道收集稻田的回歸 水匯集到集水池，來達(dá)到灌溉水的可持續(xù)利用，解決干旱時山區(qū)調(diào)水難的問題。系統(tǒng)簡潔高 效，具有巨大的推廣潛力。
【附圖說明】
[0024]圖1為稻田增氧灌排模擬控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖；
[0025]圖2為稻田表層土壤水溶解氧含量變化量趨勢圖；
[0026] 圖3為節(jié)水灌溉的自動控制主程序方框圖。
[0027] 標(biāo)號說明：1、水栗;2、加氣栗;3、浮球閥；4、加氣管道;5、溶解氧傳感器;6、溫度傳 感器;7、過濾網(wǎng)；8、水位傳感器;9、第一電磁閥；10、第二電磁閥。
【具體實(shí)施方式】
[0028] 為了便于理解本發(fā)明，下文將結(jié)合說明書附圖和較佳的實(shí)施例對本文發(fā)明做更全 面、細(xì)致地描述，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不限于一下具體實(shí)施例。
[0029] 除非另有定義，下文中所使用的所有專業(yè)術(shù)語與本領(lǐng)域技術(shù)人員通常理解含義相 同。本文中所使用的專業(yè)術(shù)語只是為了描述具體實(shí)施例的目的，并不是旨在限制本發(fā)明的 保護(hù)范圍。
[0030] 實(shí)施例：
[0031] 參見圖1，一種稻田增氧灌排模擬控制系統(tǒng)，包括模擬稻田裝置、控制器、蓄水池、 集水池、水位傳感器8、濕度傳感器6、溶解氧傳感器5和加氣栗2;
[0032]模擬稻田裝置為無蓋的內(nèi)盛土壤的容器;容器的土壤中設(shè)有加氣管道4;加氣管道 與容器外的加氣栗相連;加氣栗受控于控制器；
[0033]蓄水池通過進(jìn)水管與模擬稻田裝置相連，進(jìn)水管上設(shè)有受控于控制器的第一電磁 閥9;
[0034]模擬稻田裝置通過排水管與集水池相連，排水管上設(shè)有受控于控制器的第二電磁 閥10;
[0035] 水位傳感器、濕度傳感器和溶解氧傳感器均與控制器相連。
[0036] 控制器為單片機(jī)、DSP或ARM處理器。
[0037]控制器置于智能控制箱中。
[0038] 智能控制箱內(nèi)設(shè)有遠(yuǎn)程通信模塊。
[0039] 蓄水池通過供水管與集水池相連，供水管上設(shè)有受控于控制器的水栗1;蓄水池內(nèi) 設(shè)有浮球閥3;水管與模擬稻田裝置接通處設(shè)有過濾網(wǎng)7。
[0040] 一種稻田增氧灌排模擬控制方法，采用前述的稻田增氧灌排模擬控制系統(tǒng)模擬稻 田增氧灌排。
[0041] 在水稻的分蘗期間，在上午7-9點(diǎn)之間以及下午的4-6點(diǎn)之間通過加氣栗增氧2-5 分鐘。優(yōu)選上午的7點(diǎn)，下午的5點(diǎn)半。
[0042] 增氧時間為3分鐘。
[0043]在水稻的返青期、分蘗期、灌漿抽穗期，以稻田水層深度作為控制依據(jù)，水層深度 低于1CM，灌溉水，直到水層深度為3CM，水層深度高于3CM則排水；
[0044] 返青期是指水稻移栽后15-25天，分蘗期是指分蘗后25-30天;拔節(jié)孕穗期指拔節(jié) 后第18-25天;灌漿抽穗期指灌漿后第15-30天;黃熟期指進(jìn)入黃熟后10-15天。灌漿抽穗期 結(jié)束后就進(jìn)入黃熟期，該階段延續(xù)10-15天。
[0045] 在水稻的返青期和灌漿抽穗期，上午的7點(diǎn)和下午的5:30通入氣體2-5分鐘，優(yōu)選3 分鐘。
[0046]本系統(tǒng)選用中央控制模式，包括智能控制箱、單片機(jī)、蓄水池，集水池、水位、濕度 傳感器和溶解氧傳感器及其附件。蓄水池用于模擬山區(qū)水塘水庫蓄水用于灌溉;模擬稻田 池中設(shè)有濕度，水位高度及溶解氧傳感器采集稻田信息，調(diào)控灌排與增氧;集水池，用于收 集多余的雨水和灌溉用水，以備旱季缺水之需;遠(yuǎn)程智能控制箱，由顯示屏和單片機(jī)兩大部 分組成，外設(shè)小型信號塔用以通訊和傳輸數(shù)據(jù)。顯示屏上顯示有水位高度，土壤濕度，溶解 氧量及水稻所處生長時期等參數(shù)。
[0047]多年來，農(nóng)業(yè)專家一直致力于水稻節(jié)水灌溉技術(shù)的研究，也推廣了各種節(jié)水灌溉 方式，本系統(tǒng)采取的是單季水稻的"淺、濕、干"節(jié)水灌溉方式。"淺"指灌溉水層上限為30mm; "濕"指水層為零，土壤含水量100% ; "干"指各生育期土壤含水量要求的下限值，可通過儀 器測試，或依據(jù)不同下限值對應(yīng)的土壤裂縫寬度、腳印深度等經(jīng)驗(yàn)值判斷。一般不到土壤含 水量下限值不灌溉。何時灌水依據(jù)土壤含水量而定，到了下限值就灌，不到就等。除了大量 降水超過規(guī)定的蓄雨上限和鹽堿地排堿要求外，一般不排水。該技術(shù)可節(jié)約30.5%左右的 水資源，提高約9%的水稻產(chǎn)量。"控制灌溉"是指稻苗本田移栽后，田面保持5~25mm薄水層 返青活苗，在返青以后的各個生育階段，田面不建立灌溉水層，以根層土壤含水率作為控制 指標(biāo)，遇雨可保持一定水層，如表1所示。
[0048]表1水稻生育階段稻田水層控制標(biāo)準(zhǔn)
[0051] 返青期是指移栽后15-25天，分蘗期是指分蘗后25-30天;拔節(jié)孕穗期指拔節(jié)后第 18-25天;灌漿抽穗期指灌漿第15-30天;黃熟期指黃熟第10-15天。
[0052] 返青期、分蘗期、灌漿抽穗期水層為田間水層深度，控制在l-3Cm;黃熟期末不再灌 水，使田間水分自然落干;表中所列含水量均指體積含量，為根層觀測深度內(nèi)土壤含水量平 均值，
[0053] 拔節(jié)孕穗期與黃熟期指各階段飽和含水量;灌水上下限含水量由飽和含水量與各 生育階段設(shè)定的控制百分比（70%_100%)相乘得到。
[0054] 從表1中可知，水稻的灌溉可以控制稻田水層深度，且不同的生育期的控制要求不 同。水稻灌溉從蓄水池自流灌溉，通過調(diào)節(jié)灌溉水位來控制灌溉量，農(nóng)田灌溉量的多少由水 稻生長需水量來調(diào)節(jié)。
[0055] 返青期、分蘗期、灌漿抽穗期:應(yīng)用水位傳感器采集稻田水位，并將它們與設(shè)定值 比較，大于設(shè)定值3CM則排水，接近設(shè)定值下限1CM則灌溉，調(diào)節(jié)水位到（1CM-3CM)，所選取的 輸入變量不僅反映了土壤情況，還反映了田間氣候、作物的生長狀況。根據(jù)稻田的水位，控 制電磁閥門進(jìn)水、排水。
[0056] 拔節(jié)孕穗期、黃熟期。應(yīng)用濕度傳感器采集稻田土壤含水量，并將它們與設(shè)定值比 較，大于設(shè)定值70%則排水，接近設(shè)定值下限70%則噴水灌溉，根據(jù)稻田土壤含水量，控制 電磁閥門進(jìn)水、排水。
[0057] 為進(jìn)行系統(tǒng)控制，本項(xiàng)目組成員以分蘗期為例，于2015年7月13日對盆栽水稻進(jìn)行 稻田表層土壤水溶解氧含量測定，其結(jié)果如下：
[0058]分蘗期稻田表層土壤水溶解氧含量測定值(mg/L)
[0061]本試驗(yàn)在水稻分蘗期分別于上午8點(diǎn)與下午5點(diǎn)用加氣栗加2-53分鐘氣以增氧。根 據(jù)稻田表層土壤水溶解氧含量變化趨勢，CK組在上午10點(diǎn)50出現(xiàn)最大值10.03mg/L，而增氧 組在12點(diǎn)40出現(xiàn)最大值6.81mg/L，且本試驗(yàn)分別于上午8點(diǎn)與下午5點(diǎn)用加氣栗加3分鐘氣 以增氧，發(fā)現(xiàn)加氧后表層土壤水溶解氧含量分別出現(xiàn)降低值5.21mg/L與4.72mg/L，說明可 用表層土壤水溶解氧含量出現(xiàn)最低值作為增氧時間，接近該數(shù)值，則加入氧氣2-5103分鐘。 [0062]結(jié)論:返青期、分蘗期、灌漿抽穗期:則以稻田水層深度作為計(jì)算依據(jù)，少于1CM，灌 溉水，直到3CM，多于3CM則排水，同時，分別在上午的7點(diǎn)和下午的5:30通入氣體2-5分鐘。 [0063]拔節(jié)孕穗期、黃熟期：則以飽和含水量作為計(jì)算依據(jù)，少于70%，灌溉水，直到 100%，飽和含水量= 78%，不需要通氣 [0064]黃熟期末不再灌水，使田間水分自然落干。
[0065]水稻節(jié)水灌溉的流程圖如圖3所示，當(dāng)田間水層高于最大允許值時，排水；當(dāng)田間 水層低于最小允許值時，進(jìn)行灌溉。
[0066] 1)該傳感器具有高精度和高準(zhǔn)確性，且性能穩(wěn)定，能真實(shí)反映傳感器附近稻田水 分、稻田表層土壤水溶解氧含量狀況。
[0067] 2)該系統(tǒng)可防止過量灌溉，還提高了灌溉效率，節(jié)省了水資源。該系統(tǒng)根據(jù)電容式 水位傳感器測量稻田水位數(shù)值，進(jìn)行自動灌溉，無需維護(hù)，大大節(jié)省了人力及維護(hù)費(fèi)用。根 據(jù)水稻不同生長時期需水量進(jìn)行灌溉，大大提高了灌溉效率，防止了以往的根據(jù)定時器進(jìn) 行灌溉導(dǎo)致的水資源的浪費(fèi)，大大節(jié)約了水和電的消耗。該系統(tǒng)只在作物需要灌溉時才灌 溉，需要增氧時才增氧，可根據(jù)設(shè)定的上限和下限，自動適應(yīng)在任何氣候環(huán)境下進(jìn)行灌溉。
[0068] 監(jiān)控員在電腦上可查看灌溉活動，并進(jìn)行灌溉設(shè)置，讓灌溉更簡單、靈活。
[0069] 本發(fā)明的特色：
[0070] 1)首次提出利用稻田表層土壤水溶解氧含量確變化趨勢確定增氧時間；
[0071] 2)利用加氣栗對土壤加氣，不是利用滴管系統(tǒng)加氧，而是通過在不同土層布設(shè)不 同的加氣管，并以梅花狀布置氣孔，這更有助于土壤下層各點(diǎn)均勻受氣；
[0072] 3)蓄水池中設(shè)有浮球閥，當(dāng)蓄水池中蓄水過低或干旱時期，可從集水池中抽取部 分水混合灌溉，實(shí)現(xiàn)水的高效利用；
[0073] 4)盆栽實(shí)驗(yàn)證明本發(fā)明的應(yīng)用效果好，增氧灌溉對水稻不同生育階段葉綠素、可 溶性蛋白質(zhì)和可溶性糖的質(zhì)量分?jǐn)?shù)均有不同程度增加，葉片光合速率得到顯著增強(qiáng)，增氧 灌溉尤其對水稻分蘗期作用顯著，分蘗數(shù)、株高、根系活力、根系發(fā)達(dá)程度、生物量積累和光 合特征指標(biāo)都明顯優(yōu)于常規(guī)灌溉對照處理，水稻生育后期根系功能增強(qiáng)，葉片超氧化物歧 化酶活性提高，最終促進(jìn)籽粒灌漿結(jié)實(shí)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種稻田增氧灌排模擬控制系統(tǒng)，其特征在于，包括模擬稻田裝置、控制器、蓄水池、 集水池、水位傳感器、濕度傳感器、溶解氧傳感器和加氣栗； 模擬稻田裝置為無蓋的內(nèi)盛土壤的容器;容器的土壤中設(shè)有加氣管道;加氣管道與容 器外的加氣栗相連;加氣栗受控于控制器； 蓄水池通過進(jìn)水管與模擬稻田裝置相連，進(jìn)水管上設(shè)有受控于控制器的第一電磁閥； 模擬稻田裝置通過排水管與集水池相連，排水管上設(shè)有受控于控制器的第二電磁閥； 水位傳感器、濕度傳感器和溶解氧傳感器均與控制器相連。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的稻田增氧灌排模擬控制系統(tǒng)，其特征在于，控制器為單片機(jī)、 DSP或ARM處理器。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的稻田增氧灌排模擬控制系統(tǒng)，其特征在于，控制器置于智能控 制箱中。4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的稻田增氧灌排模擬控制系統(tǒng)，其特征在于，智能控制箱內(nèi)設(shè)有 遠(yuǎn)程通信模塊。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的稻田增氧灌排模擬控制系統(tǒng)，其特征在于，蓄水池通過供水管 與集水池相連，供水管上設(shè)有受控于控制器的水栗;蓄水池內(nèi)設(shè)有浮球閥。6. -種稻田增氧灌排模擬控制方法，其特征在于，采用權(quán)利要求1-5任一項(xiàng)所述的稻田 增氧灌排模擬控制系統(tǒng)模擬稻田增氧灌排。7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的稻田增氧灌排模擬控制方法，其特征在于，在水稻的分蘗期 間，在上午7-9點(diǎn)之間以及下午的4-6點(diǎn)之間通過加氣栗增氧2-5分鐘。8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的稻田增氧灌排模擬控制方法，其特征在于，增氧時間為3分鐘。9. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的稻田增氧灌排模擬控制方法，其特征在于，在水稻的返青期、 分蘗期、灌漿抽穗期，以稻田水層深度作為控制依據(jù)，水層深度低于1CM，灌溉水，直到水層 深度為3CM，水層深度高于3CM則排水； 返青期是指水稻移栽后15-25天，分蘗期是指分蘗后25-30天;拔節(jié)孕穗期指拔節(jié)后第 18-25天;灌漿抽穗期指灌漿后第15-30天;黃熟期指進(jìn)入黃熟后10-15天。10. 根據(jù)權(quán)利要求7-9任一項(xiàng)所述的稻田增氧灌排模擬控制方法，其特征在于，在水稻 的返青期和灌漿抽穗期，上午的7點(diǎn)和下午的5:30通入氣體2-5分鐘。
【文檔編號】A01G25/16GK105850674SQ201610235676
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年4月15日
【發(fā)明人】張文萍, 胡文武, 肖衛(wèi)華, 姚幫松, 曾鵬, 黃蔚, 陳家立, 熊子維, 張哲棟
【申請人】湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)